地方农业高校生物技术专业“生物信息学”课程的教学模式探索

来源:用户上传      作者:王康宇

　　摘要：随着自然科学、生命科学研究进入迅猛发展阶段，开设生物技术专业的地方农业高校逐步增多，而“生物信息学”是吉林农业大学生物技术专业的核心课程，是生命科学与大数据信息发展过程中的重要课程。本文针对吉林农业大学生物技术专业的生物信息学教学现状，分析和总结了教学环节中存在的主要问题，尝试从教材的选用、教学方法及教学改进三个方面对生物信息学教学体系的改革提出建议，希望对生命科学体系的教学改革提供一些帮助。
　　关键词：生物技术专业;生物信息学;教学方法;教学改革
　　基金项目：2016年吉林农业大学博士科研启动基金（项目编号：201618）
　　中图分类号： G642                                 文献标识码：  A                     DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.22.062
　　生物信息学（Bioinformatics）是随着人类基因组计划完成，越来越多物种的全基因组测序计划开启。生物信息学又是一門集数学、计算机科学和生物学于一体的综合性学科，是从海量生物学数据信息中获取、处理、存储、解析和阐述等，并利用数学和计算科学来解析生命科学奥秘的交叉学科。它是当今生命科学和自然科学的前沿领域之一，也是21世纪生物技术的核心领域，具有前沿性新、交叉性广、实践性强等特点[1]。因此，地方农业研究型高校开设的生物技术专业会将生物信息学课程作为人才培养方案中的核心课程，以满足生物技术行业对人才的迫切需要。在生物技术专业的课程中，生物信息学是生物技术专业重要的专业核心课，是基础课与专业课之间的纽带与桥梁课程，是成为生物技术专业教师开展科研工作的重要工具，也是生物专业本科生综合运用所学专业知识提升专业技能途径。生物信息学要学好，本科学生要有扎实的植物学、动物学、遗传学、细胞生物学、生物化学和分子生物学等基础生物学知识，但由于地方农业院校基础课程教学相对薄弱，学生的基础知识较为匮乏，同时教师多以传统的“讲解式”和“启发式”教学方法为主，教学内容紧凑且进度快，实验操作较少，使得学生在学习“生物信息学”课程时听不懂、记不住、学不好，直接影响并降低了学生的学习积极性。本文针对吉林农业大学生物技术专业的生物信息学课程的教学现状，分析和总结了教学环节中存在的主要问题，从教学方法、课程内容和考核方式等几个角度进行教学模式的探讨，以期在今后的教学环节取得更好的教学效果，提升学生对该课程的学习兴趣。
　　1 地方农业高校生物信息学课程的教学现状与存在问题
　　生物信息学是一门集多学科知识体系综合交叉性强的前沿学科，对该课程的专业教师要求储备较强的生物科学知识和计算科学知识，还要将科学前沿知识与课程教育相融合，更要建立系统的完善的生物信息学知识板块，这些都导致地方农业高校缺乏生物信息学师资队伍，并影响我国农业生物信息学教育快速发展。
　　1.1 教学资源匮乏，教学内容过于陈旧
　　近些年，生物信息学发展速度较快，但地方农业高等院校开设时间相对较晚，课程设置内容单一、课程的建设方面投入较少。生物信息学是一门新兴学科，学科发展时间较短，缺少丰富的多媒体资源、教学视频、精品课等重要的教学资源，使其教学资源稀缺匮乏。同时，使用的教材和教学内容过于陈旧，不能满足学科的快速发展，更不能及时进行教学内容的更新。
　　1.2 学生专业知识基础差，理论功底不扎实
　　地方农业院校的学生在知识储备和数据分析能力上与综合性大学理工科学生存在差距。生物信息学课程理论性较强，地方农业高校学生在数学、计算机和专业英语等基础知识方面不够扎实，对生物信息学涉及的核心原理、应用算法等内容难以理解和消化，这些因素导致地方农业高校学生接受生物信息学课程的重要知识点存在较大困难，从而使部分学生的学习效果较差，不能灵活运用所学。
　　1.3 教学模式单一，学时少
　　目前，国内的生物信息学依旧是讲授式的传统教学模式，以理论讲授为主体，实验操作为辅助，以课堂为中心进行“满堂灌”式教育，从而导致缺乏突出生物信息学课程特点的新式教学模式。以一般地方农业高校的生物信息学课程总学时32学时，理论教学为24学时，实验学时仅为8 学时，学时数较少，理论基础讲解不透彻，实验操作内容简单，对学生感兴趣和具有实际应用价值的软件无法进一步操作和实践应用。
　　2 地方农业高校生物信息学教学模式的改革建议
　　2.1权威优质教材的选用
　　优质的教材是一门课程有序延伸的基础。生物信息学起源于国外，早期的课程教材均以翻译本为主，近几年我国生命科学发展较快，国内学者编著的教材越来越多，后期的教材均以国产教材为主，翻译教材为辅。但教材的数目繁多，2018年，曾有学者对我国这门学科教材进行评价，主要将其分为两大类，一类以生物信息学基本理论知识的讲解为主，主要介绍生物信息学发展史，与生物信息学相关的生物学理论，例如，遗传学、基因组学、蛋白质组学以及代谢组学等。与生物信息学相关的数学、统计学和计算机理论。例如，计算生物学、数据结构与模型以及网络数据库等，这类教材相对系统全面地介绍了生物信息学的基本概念和研究内容。另一类则以生物信息学技术和方法的应用为主，着重介绍各种数据库，以及数据分析软件、工具的使用方法和技巧，这类教材在生物信息学相关理论方面涉及较少，重点在于培养学生的实际操作能力。在我国现有的生物信息学教材中，陈铭主编的《生物信息学》（第3版）是国家规定的“十三五”规划教材，权威性较高。从内容也可以看出，《生物信息学》（第3版）的核心内容是生物信息学的理论和方法，基础性、系统性较强，是理论教学的首选参考书。而吴祖建等主编的《生物信息学分析实践》是一本以实用性为主的教材，主要内容为介绍各项试验、数据库、及分析软件的操作方法，同时会用一些实例来介绍各项操作和技术，通俗易懂，是实验和实践教学教材的首要选择。针对地方农业高校出现的学生理论基础较差，动手能力不强的现象，选择将《生物信息学》（第3版）作为基础理论教材，配合《生物信息学分析实践》作为实验和实践教材，既可以增强学生的理论知识功底，又可以培养学生的实践动手能力，有利于培养专业实践型人才。 　　2.2 教学方法的选择
　　随着教学技术的发展及科技的进步，教育方法也不断发展，先进的科学技术也逐渐普及。生物信息学是在生物学、数学和计算机科学等专业的基础上建立起来的，因此，生物信息学教学课程一般安排在学生学习过生物学基础课程、数学和计算机科学学习后进行。前期的生物学教学基础包括遗传学、生物化学、分子生物学、细胞生物学和基因组学等课程。以吉林农业大学生物技术专业为例，将该门课程设置在第六学期开设，包括上机实习在内共40学时，理论内容占20学时，实验和实践内容占20学时（由5个专题实验组成）。与此同时要督促学生进行自学，生物信息学的大部分内容是数据资料库及相应的分析软件，均可在线操作。课堂上的多媒体不能完全保障学生的学习效果，在保证网络稳定的情况下，可以让学生自己进行操作学习，加深记忆，并掌握操作方法。
　　2.3教学方式的改进
　　2.3.1 实行“以点带面”的教学方式 生物信息学的理论教学内容为数据库的使用及实验分析软件工具的使用。生物信息学的数据库琳琅满目，数量庞大，其中，以隶属于美国国立医学图书馆的国立生物技术信息中心NCBI数据库、隶属于欧洲生物信息研究所EMBL数据库、瑞士日内瓦大学的 SWISS-PROT蛋白质数据庫以及蛋白质结构数据库PDB 等为主要代表。以上几个数据库较为著名，而且属于综合性数据库，可以将NCBI、EMBL、SWISS-PROT、PDB等常用核酸、蛋白质数据库，以及这些数据库中的重要功能，如 BLAST、Pubmed、OMIM、EXAPASY 等进行重点介绍，以其他数据库进行特点补充，“以点带面”进行教学，既能使学生了解常规的数据信息，又可以根据自身的兴趣挑选其他数据库进行应用。同时，生物信息分析的软件工具种类也较多，在实际教学中可以先选择最常用的核酸、蛋白质分析软件，如：DNAMAN、Primer 5.0、BioEdit、ClustalW、MEGA X等软件为突破口，让学生掌握其基本操作，同时引入其他软件的优缺点，让学生了解其优势功能，起到“以点带面”的作用。
　　实验和实践教学内容可以采用仿真模拟操作，并操作方法流程图教学的方法。尝试为学生提供几个基因或蛋白质名称，通过数据库查询获得基因，然后，进行Blast 搜索比对，结构和序列分析等操作，使学生对基因或蛋白质的性质、功能等有着深刻的了解，并在教师指导下深入解读，同时可以将部分内容通过实验课、项目研究及大学生竞赛等形式进行论证，既能调动学生的学习积极性，激发学生的学习兴趣，又能使学生清晰了解如何使用数据库和软件分析。科研及实践相结合的教学方式还会提高学生的创新实践能力，增强科研思维意识，为以后的进一步深造和熟练应用技术打下良好的基础。
　　2.3.2重视英语教学 当前著名的综合型数据库和主流分析软件都来源于国外，因此，界面为英文，而且有大量的专业词汇都是用英文表示，英文水平相对较弱的学生应用起来较为吃力。针对这种情况，可以在授课中先介绍相关英文概念，等待学生熟悉后再进行操作上教学，以免学生在操作时发生错误，从而产生抗拒情绪。引导注重英语单词的教授不仅可以提高学生的学习效率，还可以提升教师的素质，在不断的提高和完善中，实现培养高层次人才的目标。
　　3 结语
　　生物信息学教学是生物科学教学的全新内容之一，本文通过对教材的选用、教学方法的选择、教学方式的改进三个方面进行系统的分析，提出了选用权威教材、合理分配理论学习和上机实践的课时、以点带面的教学方式以及英语教学的应对策略。希望在经济和科技高速发展的新形势下，通过以上几个方面的教学体系改革，能够提高学生的创新能力，以及实践动手能力，满足当前地方农业高校教育和就业的双重需求。同时，在今后的教学实践中，随着生物信息学专业教师自身素质的提高，生物信息学课程教学模式也将不断完善，以进一步提高生物信息学的教学质量。
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　　作者简介：王康宇，博士，讲师、硕士生导师，研究方向：植物功能基因组学。
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