基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的生物信息學教學改革與實踐研究

歐陽霞輝，劉麗霞，陸會寧

（西北民族大學生命科學與工程學院 甘肅 蘭州 730030）

《國務院辦公廳關(guān)于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》指出，深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，是國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、促進經(jīng)濟提質(zhì)增效升級的迫切需要，是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)的重要舉措[1]。融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育，在專業(yè)課程的教學中挖掘創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育資源、強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要途徑。

生物信息學是20 世紀80 年代末伴隨著人類基因組計劃的實施而興起的一門由生物學、數(shù)學和計算機科學相結(jié)合而形成的交叉學科，其主要任務是以基因和蛋白質(zhì)為主要研究對象，利用數(shù)學模型和計算機軟件，預測和分析基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，揭示其生物學意義[2]。由于二代和三代序列測定技術(shù)的出現(xiàn)推動了基因組學的深入研究，組學測序獲得的數(shù)據(jù)呈爆炸性增長，生命科學研究進入了大數(shù)據(jù)時代。在此背景下運用生物信息學技術(shù)和方法來分析數(shù)據(jù)并解決實際問題顯得尤為重要[3]，掌握生物信息學的相關(guān)理論知識和分析技術(shù)已成當今生物類相關(guān)專業(yè)學生的必備素質(zhì)。

基于“厚基礎、寬口徑、重實踐、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)指導思想，使本科生具備基本的生物信息學數(shù)據(jù)分析能力和實踐操作技能，以適應未來工作和學習的需要，自2007 年開始，西北民族大學生命科學與工程學院分別在生物技術(shù)和生物工程兩個專業(yè)開設了生物信息學課程。經(jīng)過十幾年的教學探索，課程體系逐漸完善，課程教學方式方法得到進一步改進，但由于生物信息學學科本身的迅速發(fā)展，教學數(shù)據(jù)資源龐大，教學內(nèi)容更新快，課程實踐性強，對課程內(nèi)容、教學方法等不斷提出新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)教學模式已不能滿足創(chuàng)新型人才、應用型人才的培養(yǎng)需求。為了培養(yǎng)符合社會需求、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新時代大學生，我們將雙創(chuàng)教育理念融入生物信息學教學全過程，進行教學改革的實踐與探索。

1 重塑課程教學目標，強化創(chuàng)新能力培養(yǎng)

基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念，針對西北民族大學生物工程和生物技術(shù)專業(yè)學生的實際，結(jié)合生物信息學的課程內(nèi)容，課程組制訂了3 個教學目標：①使學生了解目前生物信息學學科的研究內(nèi)容和發(fā)展方向，培養(yǎng)學生具有生物信息學方面的理論基礎和基本技能；②學生能夠運用所掌握的生物信息學理論、方法和技術(shù)初步解決生物信息的存儲、檢索、分析和利用的問題；③學生能夠靈活應用生物信息學的理論、方法和技術(shù)，解決科研和實際工作中的生物學問題。相比生物信息學課程傳統(tǒng)的教學目標，新的教學目標強化了在實踐中解決具體問題的能力要求，這與學生的實際需求相吻合。

2 改革內(nèi)容

2.1 優(yōu)化教學資源，加強基于多媒體的互聯(lián)網(wǎng)教學

生物信息學是一門交叉學科，要求學生掌握的基礎內(nèi)容多，同時這門學科發(fā)展非常快，在信息化時代，大數(shù)據(jù)的分析、處理等組學內(nèi)容也成了這門學科的重要內(nèi)容。作為生物工程和生物技術(shù)專業(yè)的選修課，同時結(jié)合民族院校學生基礎相對薄弱的具體情況，課程組選用陳銘編寫的《生物信息學》作為主教材，選取其中的生物分子數(shù)據(jù)庫、序列比對、蛋白質(zhì)序列分析與結(jié)構(gòu)預測、分子系統(tǒng)發(fā)育及組學基礎等一些重點內(nèi)容。另外，充分利用網(wǎng)絡資源，適時補充一些新的內(nèi)容、新的分析方法，比如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預測方法AlphaFold 等，與時俱進，制訂合理的教學方案。

生物數(shù)據(jù)庫的應用是生物信息學里面非常重要的一部分內(nèi)容，而且不同的數(shù)據(jù)庫里存在不同的在線分析軟件，在序列分析、比對及蛋白質(zhì)功能及結(jié)構(gòu)預測方面的應用非常廣泛，是其他章節(jié)的教學中必須涉及的內(nèi)容。所以，在這部分內(nèi)容的教學中，課程組采用基于多媒體的互聯(lián)網(wǎng)教學。在智慧教室采用先進的設備和網(wǎng)絡技術(shù)，通過現(xiàn)場演示數(shù)據(jù)庫搜索及軟件使用，促進師生的課堂交流，將傳統(tǒng)的靜態(tài)學習模式轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)實踐模式，進一步增強了學生的教學參與意識[4-5]。教師在講解生物數(shù)據(jù)庫理論知識的同時，還應教會學生怎樣使用生物信息學數(shù)據(jù)庫和相關(guān)工具，達到教學相長的目的，增加學生的動手機會，提高教學質(zhì)量。例如，利用智慧教室，在課堂講解核酸數(shù)據(jù)庫GenBanK的時候，給定一個編碼蛋白質(zhì)的基因名稱，演示并引導學生登錄核酸數(shù)據(jù)庫GenBanK對該基因核酸序列進行檢索；然后再利用檢索結(jié)果，講解該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、序列條目的具體內(nèi)容及意義。通過這種邊講邊練的教學模式，學生不但理解了核酸數(shù)據(jù)庫的相關(guān)理論知識，而且掌握了數(shù)據(jù)庫的搜索及具體使用方法。

2.2 充分利用網(wǎng)絡平臺，增強教學效果

教學內(nèi)容中比如序列比對、系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建、基因表達分析等知識點需要在課堂上重點講授，但基礎理論內(nèi)容相對枯燥，在教學方式上一方面將傳統(tǒng)的授課模式與多媒體技術(shù)相結(jié)合，采用啟發(fā)式、基于問題式的教學方法，全面、立體地展示教學內(nèi)容；另一方面充分發(fā)揮網(wǎng)絡平臺的優(yōu)勢，采用QQ 群和慕課堂輔助教學，利用QQ 群的群公告和作業(yè)版塊功能，利用慕課堂小程序進行課堂簽名、調(diào)查問卷、隨堂檢測和解析、討論等活動，實現(xiàn)與學生的實時互動，充分調(diào)動學生的學習主動性，激發(fā)其學習興趣和課堂參與度，增強教學效果，達到教學目的。教師在課后還能通過平臺后臺數(shù)據(jù)分析每個學生的學習參與情況、學習效果，從而及時調(diào)整教學方法。

2.3 優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，增設創(chuàng)新型設計實驗

生物信息學課程的前沿性和開放性可以開拓學生的視野，幫助拓展學生的思維方式[6]。精選、優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，將多個設計型的小實驗整合成一個大的創(chuàng)新型實驗項目，能夠系統(tǒng)、全面地訓練學生進行生物信息分析的基本操作和基本技能。在實驗過程中，教師確定實驗分析項目的范圍，包括必選項和任選項，必選項是所有學生都要進行分析的內(nèi)容，任選項是學生根據(jù)自己所選的蛋白的序列特征去選擇的，具有特異性。學生可以根據(jù)自己的興趣和所在實驗室（大部分學生加入了相關(guān)老師的PI 實驗室）的方向自由選擇實驗分析的序列或分析的對象，獨立查找相關(guān)文獻和資料并自行設計實驗方案。比如，要求學生選擇某一個物種的一個編碼蛋白質(zhì)的基因作為研究對象，下載該基因的核酸和對應的蛋白質(zhì)序列以及各10 條同源序列進行序列分析。必選項：分析該基因的序列特征、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及對應蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、三級結(jié)構(gòu)和功能。任選項：信號肽分析、跨膜結(jié)構(gòu)域分析、親疏水性分析、磷酸化位點分析等。在整個實驗結(jié)束之后學生總結(jié)實驗過程并完成一份實驗報告。這種創(chuàng)新型實驗，一方面能激發(fā)學生的興趣，給予學生足夠的空間和動力去發(fā)揮他們的主動性和創(chuàng)造性，讓學生獲得成就感；另一個方面也提高了學生的科研素質(zhì)，培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題、綜合分析處理問題的能力，為他們基于課程參與其他的科研實踐活動奠定了良好的基礎。

2.4 改革考核環(huán)節(jié)，突出實踐能力考核

生物信息學是一門實踐性很強的學科，課程組基于新的教學內(nèi)容和教學模式，制訂了既考核理論又考核實踐、實踐占比更高的考核制度，加強了過程性考核的比例，重點評估學生對生物信息分析基本技能的掌握程度以及對具體結(jié)果的綜合分析能力。課程的總評成績由平時成績（10%）、期中成績（10%）、實驗成績（30%）和期末成績（50%）四個部分構(gòu)成。平時成績包括課后作業(yè)和階段測試，各占總成績的5%，每一次課后作業(yè)主要是針對課堂的實踐練習，通過QQ群提交結(jié)果，階段測試主要針對理論知識，成績直接來源于慕課堂的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。期中成績是現(xiàn)場上機考試成績，教師針對具體的目標序列給每個學生隨機出題，分析不同的內(nèi)容，要求在規(guī)定時間內(nèi)完成，主要考核學生分析問題、解決問題的能力。實驗成績根據(jù)平時的實驗表現(xiàn)（20%）和綜合實驗報告（80%）得出，實驗報告是綜合能力的體現(xiàn)。期末成績由閉卷（20%）和開卷（30%）兩部分構(gòu)成，閉卷部分重點考核基礎理論及應用，比如序列比對的原理和比對中間過程，根據(jù)考核的參考答案、評分標準進行評分；開卷部分側(cè)重于基因和蛋白序列分析，按照每一項分析具體的評分標準進行評分，考核內(nèi)容更加全面。整個考核方案中過程性考核占比達到了40%，實踐能力的考核占比達到了70%。采用這種方式可以全面、多角度、更加合理地評定學生的學習效果和綜合能力，能夠增強學生的學習動力。

2.5 加強實踐教學，創(chuàng)新實踐方法

在生命科學領(lǐng)域，生物信息學從基因克隆、序列分析到分子標記、發(fā)育與進化等方面，為現(xiàn)代分子生物學研究提供了先進手段和分析方法。因此本門課程的實踐教學不能僅局限于課程實驗，還可以拓展到學生的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和畢業(yè)論文等各個方面。課程組提倡教學與科研相結(jié)合的理念，在教學過程中，鼓勵學生參與教師的研究課題，積極支持和指導學生基于生物信息學申報和開展課外大學生創(chuàng)新訓練項目及本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)一般項目，以課題項目的形式驅(qū)動學生開展探索性、設計性生物學實驗項目，利用生物信息學知識和技能開展相關(guān)研究，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和科研實踐能力。課題項目的研究結(jié)果也可以申報參加全國大學生生命科學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，進一步激發(fā)學生參與創(chuàng)新實踐的積極性。

引導學生將課程實踐內(nèi)容與畢業(yè)論文結(jié)合。畢業(yè)論文不僅能提高本科生的科研實踐能力，激發(fā)其創(chuàng)新思想，還對提高學生的適應能力具有重大意義。掌握生物信息學的相關(guān)理論和技術(shù)，就能對論文中的實驗數(shù)據(jù)進行個性化分析，進一步提高論文質(zhì)量和水平，同時可以以生物信息學課題作為畢業(yè)論文內(nèi)容。這一點在生物技術(shù)和生物工程專業(yè)的畢業(yè)論文中體現(xiàn)明顯，每年有近20%的畢業(yè)論文涉及采用生物信息學的方法去做進一步的分析，挖掘數(shù)據(jù)深層次的生物學內(nèi)涵。

3 結(jié)語

為了培養(yǎng)符合社會需求、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新時代大學生，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論融入課堂教學是教學改革的一個必然趨勢。如何調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)造性，為學生提供足夠多的實踐機會，最大程度地發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，需要體現(xiàn)在教學的每一個環(huán)節(jié)，對教學提出了更高的要求，需要我們在實踐中不斷地去探索、去改進。