“生物信息學”課程混合式教學探索

邱智軍，符丹丹，李 欣

（1.河南科技大學食品與生物工程學院微生物資源開發與利用重點實驗室，河南洛陽471023；2.河南省食品微生物工程技術研究中心，河南洛陽471023）

0 引言

“生物信息學”是伴隨人類基因組計劃發展起來的新興交叉學科，融合了生物、數學、物理及計算機科學等多個學科，通過對生物數據的獲取、存儲、檢索與計算分析，從而實現生命科學新知識的發掘。隨著新一代測序技術的快速發展，核酸測序成本得以迅速下降，并且與多種技術結合，從系統生物學角度深入、廣泛地研究生命科學各類問題，從而催生了當今生命科學領域的一個重要特征——生物和醫療數據的快速大量積累，這也大大促進了生物信息學分析工具的快速迭代發展[1]。對于生命科學領域的研究或技術人員來說，運用這些分析工具從大規模生物數據中挖掘信息及發現新知識已成為亟需掌握的實踐技能。因此，對于生命科學相關專業人才培養來說，特別是對于研究生培養，“生物信息學”教學發揮著重要的作用[2]。

由于“生物信息學”在生命科學學科中的重要地位，幾乎所有的相關專業都開設有“生物信息學”課程?！吧镄畔W”涉及多學科交叉內容較多，要求學生掌握的抽象理論知識點多，還要轉化為實際的分析能力，最終能針對具體問題得出準確結論。但是，相對于生命科學類專業學生的知識結構而言，實現上述教學要求是一個不小的挑戰。國內高校開設的諸多“生物信息學”課程，對于教學內容和教學方式進行了積極探索[3-7]，尤其是北京大學和山東大學的慕課公開課，都產生了較好的反響。但作為以實踐為鮮明特色的學科，目前的課程大都表現出不同程度的局限性，如內容全面性、前沿性、關聯性等，這些問題與學科特點、課時資源、教學方式、教師能力等客觀條件都密切相關，也決定了“生物信息學”教學尚不成熟，處于探索階段。首先分析目前該課程教學中存在的問題，抓住關鍵問題，探討當前可能的解決辦法，再結合教學目標，確定具體的實施方案，從而提升教學效果和教學質量。

1 當前教學面臨的問題

由于新一代測序技術的快速發展，在轉錄組學、醫學遺傳學、合成生物學、精準醫學、微生物組學等方面廣泛應用，又與多種技術結合衍生出諸多高通量方法，從而產生海量數據，對這些數據的分析挖掘是當前“生物信息學”的主要任務[4]。技術種類多、演化迅速、應用廣泛使得教學內容必須持續更新才能滿足人才培養的需要，這也產生了有限的教學課時與不斷增加的課程內容之間的矛盾。所以，要達到一定的教學目標勢必要適當增加教學課時資源。但當前本科生和研究生培養通過整合優化專業課程進行精簡學分，通過增加教學課時來緩解這一矛盾是無法實現的。此外，人才培養要求課程內容不斷更新以滿足學科發展的需要，課程內容設計、材料組織和教學實施都對教師提出了更高的要求，即要求承擔課程教學的教師能夠深入系統地把握“生物信息學”的知識框架內容，及時融入研究前沿知識，這又產生了不斷發展的研究前沿與師資力量相對薄弱之間的矛盾[3]。這就要求承擔課程教學的教師持續關注學科發展，不斷補充教學內容。

“生物信息學”教學服務于學生的專業發展，不同的研究方向對于生物信息學人才培養的要求和認識也是多樣的，存在較大的區別，如序列分析、結構分析、系統發生分析、基因組學、轉錄組學、宏基因組學、代謝組學等，這些都具有其特有的理論和技術特色。所以有必要基于學生不同的專業背景和需求，對于培養方案和教學內容做出適當的調整。

“生物信息學”的學科交叉性決定了生命科學背景的學生對知識的學習和熟練掌握會有不少困難，會涉及到較多的計算機算法概念和原理，以及數學描述方法，這些對于生命科學背景的學生來說都是較為陌生的，學習的最初階段一般會有畏難情緒，導致學習積極性不高。如何提高學生學習積極性，提高學習效率是目前“生物信息學”教學最大的難題。摒棄以教師、課堂和教材為中心的教學方式，建立以學生為中心的教學模式已是大勢所趨，也是提高學習效果的重要途徑。很多教學工作者都已對“生物信息學”教學模式進行了諸多探索，采用了較多的教學手段，如微課、PBL、翻轉課堂等，也得到了較好的教學效果[3-7]，但也未完全解決學科交叉性帶來的問題。因此，探索如何改進教學模式以適應學科特點，是“生物信息學”教學研究的重要方向。

2 新型混合式教學模式探索

“生物信息學”教學中應用線上線下結合進行混合式教學，已經具備了完善的技術條件。國內強大高效的網絡硬件環境、智能移動辦公軟件、社交軟件及在線教學平臺軟件為線上教學順利開展提供了先進的教學方法和技術保障。2020年上半年疫情期間，長達3個月在線教學的順利開展證明開展線上線下混合教學的技術條件已經成熟，這提示可以以此為基礎深入開展新型混合式教學的探索，針對“生物信息學”教學的特定問題，思考并提出相應的解決方法和途徑。

2.1 以特定工具方法為主線建立微課群

“生物信息學”雖然有其獨有的理論內容，但對于生命科學背景的學生而言，一般不要求深入學習，而偏重于由理論構建起的技術工具的應用掌握。由于學生缺乏相應的計算機或數學背景知識，為了幫助其理解方法的理論模型，補充這部分背景知識是課程學習的主體內容。目前，教學中多使用微課來集中說明、講解一個方法理論模型，方便學生課前預習，課下復習，反復學習鞏固。這種方式順應教育發展規律，有利于教學效果的提升，但對于“生物信息學”課程而言，以單個方法模型為微課單位還存在不足之處。例如，對于序列比對動態規劃算法，講解的主體是計算過程，這對于比對算法實現的理解，信息量顯然不夠。因為學生知道算法怎么去做的，卻不知道為什么這樣做，對算法的理解不到位會極大地影響其應用效果。因此，應該針對性地補充下列內容：優化方法、精確算法、近似算法、啟發式算法、NP完全問題等概念，能夠使學生完全清楚解決序列比對問題的模型，從而便于對方法的應用和拓展。

2.2 構建“生物信息學”工具方法的數字材料庫

“生物信息學”學科發展迅速，為了使教學效果能夠與科研實際需要相適應，新方法和新工具需要不斷加入到課程教學中。根據學科發展需要不斷地調整教學內容使得建設動態數字教學材料庫成為當務之急。一般數字材料以單個生物信息學工具為單位，包含講解方法工具的微課群、案例練習和拓展資料。資料建設以方便學生自主學習為目標，充分考慮學生不同的知識層次水平，便于課前預習和課后復習，建議至少包含一個完整的方法工具應用案例，內容步驟和注解盡量詳細，方便學生自學。

2.3 構建基于問題或項目的綜合案例庫

生物信息學的具體工具方法一般功能單一，而實際科研應用則需要綜合多種方法工具才能解決問題，為了提高學生學習積極性和課堂教學效果，滿足學生實際科研能力培養要求，需要構建基于問題或項目的綜合案例庫。一般綜合案例取自實際科研問題和成果，覆蓋生物信息學重要的應用場合：基因功能分析、醫學遺傳分析、宏基因組分析、基因組分析、轉錄組分析、代謝組分析等。例如，基因功能綜合分析一般會包括基因識別分析、系統發育分析和蛋白質結構與功能分析等綜合內容，選用一個文獻樣品材料把上述方法重現其主要結果。

2.4 應用個性化思路教學

生命科學領域不同專業對于“生物信息學”的工具方法需求不同，側重點相差也較大，在課時有限的前提下，針對不同專業或研究方向要求，設計個性化的教學內容。生物醫學類專業側重于遺傳學分析，人體微生物群落分析或環境研究相關的使用宏基因組分析較多，表型背后的機理分析多采用轉錄組和代謝組分析。一般情況下，先夯實基礎部分，然后主要以綜合類案例教學設計來體現個性化學習。

2.5 綜合案例的混合式教學實施

基于問題或項目的綜合性案例學習主要內容是綜合性實驗的設計和實施，圍繞特定科學問題將多種知識和技術交叉融合來開展分析實驗。線上布置題目和獲取必要的數據和問題背景資料，開展分析實驗設計，與教師溝通進展和疑問解答，開展分析實驗，分析報告撰寫；然后線下課堂上講解項目工作情況，開展答辯和工作效果評價，最后線上溝通項目工作改進情況，直到得到完善分析結果，學習過程結束。

3 結語

學好“生物信息學”課程需要學生花費大量的課下時間，在教學設計上，將課下學習當作課程教學的重要環節，精心設計教學內容，大大提高學生課下的自學效率，從而達到教學目的。綜合案例教學以實際科學問題為導向，開展知識點和技術交叉融合的綜合實驗應用，激發學生的學習興趣，充分調動其主觀能動性，通過訓練使學生逐步熟悉科學研究的思路和方法，提高學生分析和解決問題的能力。