創新創業背景下《生物信息學》課程的教學改革與實踐

李曼菲 黃敏 杜何為

(長江大學生命科學學院 湖北荊州 434025)

大學校園作為高級知識分子的培訓基地，匯聚了大批思想活躍的年輕大學生。除了在校園里接受專業課程知識外，鍛煉大學生運用知識結合實踐解決實際問題的能力也十分重要。國家政策鼓勵“大眾創業，萬眾創新”，為了滿足國家和社會對自主性強的創新創業人才的需求，大學的課程改革也應逐步向培養應用型人才方向發展。隨著人工智能技術的飛速發展，基于深度學習、物聯網、云計算和大數據等的智慧農業領域已帶來了中國農業的第三次革命。生物信息學作為一門應用性極強的交叉學科，已成為生命科學研究和智慧農業領域必不可少的工具。為響應國家對課程改革的要求，必須更新生物信息學課程教學內容、改變教學模式并增加創新課程實驗。旨在通過生物信息學課程的改革，激發大學生的創新創業能力，培養符合社會需求的應用型人才。

1 課程教學目標和改革

1.1 傳統教學目標

生物信息學是一門交叉學科。該學科結合計算機技術和信息論方法來研究生命科學相關的問題，涉及到核酸、蛋白等生物信息數據的采集、存儲、檢索、分析等過程。生物信息學領域不斷發展，與計算機科學、數學、統計學等學科相互滲透。生物信息學作為長江大學生物類專業的選修課，生物技術專業及生物工程專業學生學習完該課程后需要掌握生物信息學的基本理論和框架，掌握相關生物信息學分析工具，了解學科發展方向及學科研究前沿，并能運用相關知識解決生命科學研究中的實際問題。

1.2 創新創業背景下生物信息學課程改革的教學目標

在創新創業背景下，生物信息學課程的教學目標應更偏重實踐中生命科學問題的解決以及創新能力的拓展。在學習課程理論的基礎上，以實踐中發現的問題為出發點，踐行理論結合實際的基本思想，讓學生學以致用，發散思維，突破創新。通過課程學習，使學生具備扎實的生物信息學專業知識，了解生物信息學領域最新動態和發展趨勢，具有充分利用現代信息技術手段和工具解決生物學問題的能力[1]。同時，應鼓勵學生參加企業實習、導師科研任務、大學生創新創業大賽、AI 智慧農業選拔賽、中國農業人工智能創新創業大賽以及國際溫室種植大賽等，在實際項目中靈活運用理論知識，以此達到培養學生創新創業能力的目的。

2 課程教學內容

2.1 課程教學內容現狀

傳統教學內容包括生物信息學基礎概念及專業術語的掌握、生物信息學常用數據庫的了解，數據庫使用方法的學習，引物設計及測序原理與方法的理解，核酸序列及蛋白序列分析原理與方法的掌握，常用網站的應用以及相關計算機語言的學習等。這當中，每一塊知識點都較為分散。如果課程內容知識點設計較為簡單，則無法啟發學生的學習興趣，學生學習后不能有效掌握課程重難點，可能只留下對生信分析各類網站的模糊印象；如果課程內容知識點過于深入，則容易讓學生產生畏難情緒。所以，挑選合適的教學內容，并分清授課重難點非常重要。然而，在分子生物學、高通量測序技術及農業信息化飛速發展的今天，生物信息學原有的教學內容已無法滿足時代的發展和社會的需求。教師需要主動更新已有的書本知識，淘汰舊有的理論方法，引入新的知識體系和方法[2]。

2.2 創新創業背景下課程教學內容改革設想

在創新創業背景下的教學內容改革應該更多貼合時代前沿科技。在大數據信息化時代的背景下，互聯網上每日產生海量的數據。生物信息學教學內容應將實用的大數據收集處理方法、數據分析流程、服務器及作業提交系統使用，生物信息相關計算機語言內容增多，并以實際案例融入生物信息學算法的介紹[3]。可以靈活運用互聯網上下載的數據或者研究生科研中收集到的數據，向同學們展示數據的機器學習、深度學習和神經網絡算法等，將人工智能相關知識融入生物信息學課堂。例如：教師在教學內容上可以添加表型組學的介紹。植物表型組是指對植物表型、生理及生化特征值進行快速、高通量的分析的組學。同時廣義的表型組還包括分子層面上的，如基因組或基因標記。對植物表型可以采用葉綠素熒光成像、RGB 彩色形態成像、高光譜成像、熱成像、紅外測溫及成像技術、核磁共振成像、CT成像等方法。在獲取了觀測數據或圖片后，如何高效地進行數據分析和圖像處理便是生物信息學領域所涉及的問題。通過向學生們介紹機器學習在表型組學的應用，包括高通量數據的獲取、數據的管理、數據的解釋、數據的建模校準及驗證，可以讓學生了解生物信息學基礎知識在人工智能領域的貫通性及應用性。

同時，生物信息學作為長江大學生物類專業學生的選修課，生物類專業學科背景的學生有能力在專業其他課堂或者網絡上查詢到生物信息學課程中所涉及的生物相關知識和概念[4]。生物信息學作為一門專業選修課，應該將常用的查詢網站、生物信息學相關的生物學知識概念等基礎內容讓學生自學或者課后了解。例如：在課堂上講解第三代測序基因組數據分析時，生物類專業學生在基因組學或遺傳學課程中會了解第一代測序技術、第二代測序技術及第三代測序技術的基本概念。第二代測序技術即基于大規模平行測序技術，能同時完成測序模板互補鏈的合成和序列數據的獲取。第三代測序技術即單分子測序技術，能對每一條DNA 分子單獨測序。第三代測序技術不需要經過PCR擴增，并且解決了測序序列讀長的限制，測序結果更加準確。將第二代測序和第三代測序基因組分析的流程放入實驗課中，能讓學生接觸到新的測序技術及方法。并且，兩種測序技術分析方法在序列讀長、消耗資源、比對效率、基因組完整度等差異明顯。通過對兩種測序技術的比較，讓學生了解這兩種測序方法的優缺點，明白技術創新對科技領域變革的重要性。同時，第三代測序基因組的分析流程具有很強的應用價值及提升空間，能鍛煉學生發現問題、解決問題的能力[5]。

3 課程教學模式

3.1 課程教學模式現狀

傳統的生物信息學教學模式，學生在課堂中處于被動地位。課堂上，教師通過說課、PPT展示和教學視頻等方式向學生灌輸知識。在課堂上，老師講多少，學生學多少，無法充分調動學生學習的積極性。單一的課程教學結合書本上的實驗操作，無法培養學生思維創新的能力，也限制了生物信息學學科的發展。同時，課程考試一般采取傳統的課程試卷考核輔以實驗課課程作業成績。強調課程知識點和概念，而輕應用。傳統的課程考試使學生脫離了培養實際應用能力的機會，不能有效考核學生的動態學習過程，致使學生從學習一開始的目的就是在考試中獲取良好成績，對學生創新創業意識的培養十分不利。

3.2 創新創業背景下課程教學模式改革設想

在創新創業背景下的課程教學模式改革，要注重實際問題與課本知識的結合，提高學生應用課堂知識解決實際問題的能力，提升學生的創新意識。在這樣的大背景下，首先，教師可以嘗試聯合生物和物聯網企業公司，為學生選擇真實案例，利用企業平臺優勢，培養學生解決實際案例的能力[6-7]。同時，與企業相關負責人的交流聯系，能讓學生了解社會需求，提前進入角色，方便今后的職業規劃選擇。其次，教師需要把握生物信息學科的前沿動態并具備國際視野，在生物信息分析模塊中增添新方法新技術，讓學生掌握分析前沿科學問題的能力。課程改革也是對教師能力的訓練和提高，只有教師對學科前沿和社會需求具有敏銳的嗅覺，才能摸索出好的教學方案方法。再次，生物信息學作為一門交叉學科，與其他單一學科相比，課程結構和覆蓋的知識點更為復雜，包含生物、計算機、統計、信息技術等內容[8]。生物信息學作為一門工具學科，已經靈活運用在多個學科之中，例如植物基因組測序、藥物設計、蛋白結構預測等。學生可以結合自己所感興趣的領域，利用網絡教學平臺，如中國大學生MOOC（慕課）等，挖掘新思路，提出新課題，提高學生自主學習能力[9]。最后，生物信息學作為一門應用性很強的學科，可以突破課堂的邊界性，甚至可以將主課堂變為實驗課堂，讓學生自己攜帶移動設備，摒棄傳統的機房上課模式。通過移動設備遠程登錄服務器終端，實現課堂教學與實驗教學的完美結合。同時，傳統的期末考試局限性十分明顯，無法全方位、動態地考察學生課程知識掌握及應用的能力。生物信息學課程考試的改革，需要破除傳統的試卷考試，針對學生的課程作業、參與的實習實踐相關項目和學科創新創業競賽等來評估學生的學習情況。

4 實驗課程

4.1 實驗課程現狀

傳統的實驗課內容包括了解復雜生物學數據及其相關的分析手段，理解和使用高通量技術所產生的大量生物信息的生物學背景及其分析方法。同時讓學生學會通過網站了解學科前沿知識，檢索生物信息大型數據庫，解決與專業密切相關的生物學知識。傳統的實驗課程模式包括教師講述實驗過程、學生實際操作和實驗報告的提交三大流程。然而，現有的實驗課程模式固化，知識體系老舊，已不能滿足社會的需求。學生在實驗課上聽教師講述實驗操作過程，完全按照教師的指導進行操作，嚴重限制了學生的主觀能動性。由于學生們都是按照教師指導的流程完成實驗報告及實驗結果的提交，所以最終實驗報告內容基本一致，很容易發生抄襲的現象。學生在實驗課堂上學什么、怎么學，教師如何通過課程實驗培養具有創新性的應用型人才，一直是生物信息學實驗課程面臨的問題。

4.2 創新創業背景下生物信息學實驗課程改革設想

在創新創業背景下，生物信息學實驗課程的改革，主要是為了讓學生將系統的生物信息學專業知識與實踐相結合，提升學生對專業課程的理解，提高學生對專業知識的應用能力。傳統的實驗課程教學，教師手把手地灌輸式培養，已經無法滿足學生對知識的探索欲，并且無法有效地培養學生的自主學習能力。因此，對實驗內容和形式的改革，采取新型的教學方法，讓學生有機會接觸到前沿的知識。讓學生參與到教師的科研項目、創業創新大賽、畢業論文等過程中，能提升學生的自學能力和創新意識[10]。首先，可以改進傳統的小組分工作業模式，小組分工雖然能增強學生合作交流的能力，但也容易發生小組作業“一人挑”的情況。可以將小組分工作業模式改進為平行案例分析。平行案例是指實驗流程基本相同但面對不同對象和情景的案例。讓每個或者每組學生針對不同的案例樣本，進行相似的數據流程分析，這樣可以有效避免學生之間作業抄襲的現象。同時，可以結合“翻轉課堂”的模式[11]，學生在課前或課外觀看相關教學視頻并自主學習，課堂時間以學生參與的項目為主題，讓學生有更多機會展示自己，提高表達能力，同時這一過程能有效突出學生對知識重難點的反饋，讓教師有針對性地更新教學內容，增強課堂的互動性。最后，實驗課程教學應該不局限于學校的實驗機房，生物信息學作為以計算機和網絡為基礎的學科，通過便利的網絡移動平臺，可以讓學生在課堂外的地方，例如企業公司的實習基地等，改進自己的研究思路和計劃，對學生的信息收集、分析、加工能力也有一定的鍛煉作用[12]。

例如：長江大學生命科學學院生物信息學課程中涉及到第二代測序轉錄組數據的分析，該實驗旨在讓學生了解高通量數據的儲存和操作，學習數據的比對和差異表達基因的提取方法。教師讓學生下載已發表文章中上傳到數據庫中的數據，重復文章中所運用的方法。學生所下載的文章可以有所不同，因此他們所需要下載的原始數據和參考基因組等也各異，但是分析轉錄組數據的流程卻大同小異。由于轉錄組分析流程已較為成熟，在已有文章分析流程的基礎上，教師讓學生自主查找其他的分析流程，通過對不同分析流程數據結果的分析，學習不同方法的優缺點。在這一過程中，學生不僅重走了前沿文章中的分析流程，學習了他人的研究思路和方法，也通過網絡渠道探索出不同的解決手段。既能深入了解知識點的運用，也能通過自學提升分析問題、解決問題的能力。

人工智能領域的相關知識也可以融入生物信息學實驗課堂。人工智能旨在訓練計算機模擬人類具有的學習、推理、規劃等能力[13]。蛋白質序列與人類自然語言具有很高的相似性，對蛋白質序列的分析也可以采用神經網絡相關方法。例如：可以通過基于序列標記的方法（CRF）訓練序列標注模型來預測蛋白質互作位點。在生物信息學實驗課堂上，在原本的蛋白質序列預測，分析的實驗內容基礎上，結合人工智能相關領域，讓學生接觸新領域新知識，提升學生的知識面，擴展視野[14]。

5 創新創業背景下課程思政及專業教育

理學類專業課程要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。

創新創業背景下對學生能力的培養也是圍繞著提高學生認識問題、分析問題和解決問題這幾大方面。在此基礎上，生物信息學的課程思政，可以從實際案例出發。例如：向學生介紹植物結構建模及可視化分析、植物模型數據采集與處理等智慧農業相關領域時，教師可以以中國滴灌技術的發展為例。由于滴灌技術能高效節水，并配合水肥合理施用，是缺水地區發展農業不可或缺的技術。合理有效滴灌技術的實際應用，需要精確掌握農作物不同生理階段對水肥的需求量。中國是農業大國，滴灌技術已在新疆和內蒙古等地區推行多年，并且已推廣到烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦、津巴布韋等多個中亞和中非國家。在現有比較成熟的滴灌技術基礎上，配合不同水肥條件的實驗設計，并對農作物生長狀態進行高通量表型組分析，大規模采集不同實驗條件下的數據進行生物信息學分析建模，可以探究出農作物豐收豐產同時節水節能的最優解決方案。強調中國在自身發展的同時始終不忘弘揚國際主義精神，始終秉持為中國人民謀幸福，為人類進步事業奮斗。

專業教育能幫助學生們了解自己所學專業內容，明確人生規劃，并培養對所學習專業的熱愛，是學校對青年進行思想教育的重要部分。專業教育應該有著更豐富的思想內涵，讓學生了解到專業之所以值得熱愛，是因為專業所涉及的科學知識，是建設國家和滿足人民日益增長的美好生活迫切所需的。在專業教育方面，教師可以介紹機器學習算法在識別理想育種材料中的運用。機器學習模擬人類的學習行為，通過對數據的不斷學習獲取新的知識和技能。機器學習能將多個維度和不同尺度的大量數據進行組合和關聯分析，將生物學上的一系列數據，如基因序列數據、基因表達數據、生化反應通路數據、表型數據等相互集成。具體到農業領域，例如：通過對農作物DNA 層面的特征數據結合宏觀精確的表型特征數據，尋找試驗材料中最優質的種質資源。這一過程與熱門的人臉識別、語音識別、自動駕駛技術等不謀而合。機器學習在生物領域的運用需要相關專業人才掌握計算機科學和采集田間試驗數據的能力，生物類專業學生學好生物信息學正好結合這兩個優勢。教師可以教導學生不要僅僅只看到所謂“生化環材”專業的劣勢，而應該充分考慮問題的兩面性，既然專業學科領域有不足之處，那么說明其更有發展潛力。在新興領域飛速發展的勢頭下，結合創新創業的環境背景，學生可以充分利用自身專業優勢結合最新前沿科技，為整個生物領域帶來技術革新。

6 結語

在創新創業背景下，生物信息學傳統的教學內容、教學模式、教學實驗和課程思政建設必然發生重大改革。人才是第一競爭力，具有創新創業意識和創新創業能力的應用型人才更是核心競爭力。隨著時代的發展，一大批新技術的涌現，需要專業素質過硬的學生將新知識新技術融入實際問題中。高校的創新創業課程改革應該從理論教學到實驗轉變為理論和實踐互相結合的模式，提升實踐在生物信息學課程中的比重。結合新技術、新理論并運用新的教學方法，讓學生由被動學習向主動學習轉變，教師才能發揮最大的價值。將創新創業的思維訓練融入課堂內外，以此激發學生創新創業的思想，為走向社會奠定堅實基礎。我們必須始終貫徹學生才是學習主體的理念，以社會的需求為導向，鼓勵學生參與各種創新創業比賽，在實踐中砥礪真知，同時提升學生查閱資料、自主設計、自主學習、自主發現問題等的能力。希望能夠通過生物信息學課程的改革幫助學生發現機遇，把握機遇，實現自己的人生理想，并在這一過程中，為國家和社會培養符合社會需求的綜合性應用型人才。