生物信息专业教学模式的探索与实践
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作者:刘艳 吕爱平 朱瑞新 翁志萍
[摘 要] 生物信息专业教学主要是培养学生综合运用各种统计方法和工具进行生物信息数据处理分析的能力。基于此，对生物信息专业课堂教学模式进行探索，结合CBI、SPOC等多种教学模式，组建海外精英教学团队;采用先进的教学方法，创建野外实习基地、海外毕业设计基地;引导学生早期接触生物信息学应用领域和科学研究。实践证明，创新教学模式为培养生物信息创新人才提供了有力保障。
[关键词] 教学模式;实验;实习;改革
一、引言
生物信息专业是传统的生物学和计算机科学综合发展的一门交叉专业，涉及学科领域广泛，综合了计算机、信息技术、数学、化学、生物等相关科学知识。它通过对大量的原始数据进行收集、存储、分析、解释和整合，从而表征出复杂的生命信息[1，2]。西方发达国家生物信息专业学位培养具有成熟的体系，并不断探究教学方法和分析生物信息教育现状[3，6]。近年我国的华中农业大学、同济大学等高校设立了生物信息学专业，但是学科的复杂性和综合性导致生物信息专业教学处于摸索阶段，尚未形成一个完整的专业课程体系。很多高校目前只能整合计算机、数学等师资力量，进行单一教学。
在多年的生物信息專业学生的培养中，我们着重抓学生实践实习能力，结合学校采用的教研一体化、学业导师制、报告研讨制等各种方法，创建特色实践教学基地，大力资助创新实验项目，学生毕业入职后受到科研院所和企业的好评。此外我们开展生物信息教学与国际接轨，吸收欧美国家的生物信息专业成熟的教学经验，不但可以弥补实践经验的不足，还可以让学生开拓国际视野，培养出一批高水平的生物信息人才。基于此，我们开展了生物信息专业课程教学改革，采用多种教学模式，引导学生了解生物信息学前沿领域和研究成果，增强对学科的认识和对生物信息未来的把握。
二、教学模式的改革与实践
（一）CBI教学模式
国外很早就开展并实践了采用不同的教学方法和手段来促进生物信息教学的发展[7-9]，比如采用Internet在线来开展生物信息培训[ 10 ]。构建生物信息教学专用多媒体机房是教学改革的硬件，我们将全部生物信息专业课转移到机房，采用以电脑为载体的CAI等现代化教学手段，部分双语课程或全英语课程也采用了CBI教学模式[ 11 ]。通过调研，我们发现学生不但愿意接受CBI教学理念，而且显著提高了学生的专业英语水平。为了提高自主学习能力，我们建设了数字化生物信息实践教学平台[ 12 ]，将课程的课件放在平台上，学生在平台上获得资料进行自主学习。部分学生在完成基础实验之后可以增加自选实验，如开放性实验等。教师开展各种科研活动吸引学生，不断提高学生从事科研的能力。
（二）SPOC教学模式
SPOC教学模式具有小众化、限制性等特点，结合传统教学模式可以提高教学效率。云平台是生物信息专业SPOC教学模式发展的硬件支持。SPOC平台的设计结合云计算和云存储搭建新型教学平台，关键是高速稳定的互联网，整合分布式计算架构，依托分布式处理、分布式数据库、云存储技术以及功能强大的专业软件，从而实现了生物信息专业教学资源的共建共享。在云实验教学平台基础上，采用SPOC教学模式，反哺于传统课堂实验教学，结合统计分析技术，改进教学方法，形成一套具有数据支撑的专业课程教学体系，使生物信息专业教学发展到一个新的高度，这也是我国高等教育信息化发展的一个重要目标之一。
SPOC教学模式将课程的学习分为线上学习和线下学习[ 13 ]，其中线上学习主要是自学SPOC教学资源、扩展知识等，主要包含了学生的课前预习和学习中的讨论与反馈，师生实现无时间无地点限制的交流与探讨。SPOC的教学资源由教师开发团队整合，团队成员包括任课教师、助教、系统管理员等。为丰富课程资源我们搜集了校内外优秀的教学视频、教学课件以及扩展知识点等。学生根据自己的学习实际做好课前预习是学习的重要组成部分。首先由任课教师发布学习任务，学生利用云平台的各种课程资源进行课前预习，包括阅读教材、学习PPT、观看SPOC教学视频、课前练习操作等。线下学习主要是学生的实验操作以及教师对学生疑难问题解答等。教师在机房采用电子白板和教学控制软件等多种方式将知识传授给学生。课堂讨论可以对学生疑难进行解答，也可以进一步深化知识，扩展学习的深度，学生可以自行检测自己的学习程度。课堂作业也是检验学生接受并应用新知识的最佳方式。学生根据教师现场布置的作业进行操作实验，利用生物信息实验室的实验环境，当需要采用大量计算时，连接我们的高性能计算集群，建立自己的文件夹，在自己的文件夹下进行编程，搜索数据库等。
（三）海外精英教学团队
1.长青系列精品课程。生物信息专业的教学，国外的教学与科研水平都远远高于国内，为了建设一流本科教育，努力将学生培养成为兼具“扎实基础、实践能力、创新思维、国际视野、社会责任”五方面综合特质的社会栋梁与专业精英，我们邀请以美国工程院院士、麻省大学医学院终身教授，被同济大学聘为千人计划讲座教授的翁志萍教授为本科生开设了大数据统计分析与机器学习长青系列精品通识课程，课程内容具有科学性、先进性、前瞻性、创新性，体现交叉，反映生物信息领域的最新科技学术成果，将科学思维和创新方法贯穿到课程体系中，充分发挥科研反哺教学，促进科教融合的作用。
2.暑期夏令营学习班。我们积极鼓励拓展学生科技发展空间，组建了以哈佛大学、麻省大学为主的国际一流的海外教学团队。每年暑期我们举办为期4～5周的生物信息科研培训班，指导学生如何获得和阅读生物信息学科研论文，如何获得生物信息学常用软件以及具体的安装及使用。通过实际操作，要求学生掌握生物信息编写程序，初步分析高通量测序（RNA-seq、ChIP-seq）数据，具备分析基因组数据的能力，如组装、基因预测、序列分析、SNP分析等注释分析，让学生了解并学习生物信息类有价值的公共数据资源。 （四）野外实习基地
生物信息学采用生物信息专业软件、数据库，从微观上理解生物学的意义。如果用到了预测工具，最后的生物问题还要回归到宏观上，用实验验证预测的可靠度。为了让学生了解生物学宏观和微观的关系，生物学野外实习也是生物信息专业的必修课，我院和浙江农林大学、国家自然保护区天目山长期合作建立了生物学野外实习基地[ 14 ]。通过这个课程，学生需要掌握动植物标本采集等野外工作的方法和技能，随着海拔的不同掌握植物的种类和分布发生的变化。通过野外实习，学生了解了人、自然、环境的科学关系，开阔了视野，增强了地质环境意识。学生通过野外实习认识到，作为一名生物学家不仅需要严谨的科学态度，还需要具有团队合作精神。不仅如此，还培养了他们吃苦耐劳、团结友爱的精神，体现了同济人同舟共济的精神。也深刻认识到必须要锻炼身体，增强体质，才能逐步适应野外艰苦的工作学习环境。
“崇明岛移动课堂”实践教学活动也是我们实践教学中必不可少的教学资源。崇明岛是“东亚-澳大利亚”鸟类迁徙路线（世界八大鸟类迁徙路线之一）中一个重要的中转站。指导老师带领学生参观东滩鸟类展馆，在解说员的讲解下，了解保护区丰富的鸟类和其他动物资源。我们在吸取往年经验的基础上改良创新，对活动的内容及具体形式不断改进，以激发培养学生兴趣为宗旨，寓教于乐，拓展學生知识面，同时锻炼学生的实践及创新能力。
（五）海外毕业设计培养基地
为了提高学生的毕业设计和参与科研的能力，我们院系联合美国哈佛大学、麻省理工大学教授创建了海外毕业设计培养基地，通过输送到海外知名大学进行毕业设计，增强学生在生物领域进行科学研究的兴趣，提高学生与国际知名教授英语交流和合作能力。教师通过进行考察和借鉴世界一流大学的教学理念、管理模式和运行机制反哺本校的教学体制，不断推动教学方法改革，把国际的、多元的文化和前沿领域融入我们现有教学中去。经过多年的实践和调研，90%以上的学生经过海外毕业设计培养的学生毕业之后选择进一步深造。学生们反映，通过海外交流可以更直接的了解国际一流学校的教学和科研，更快的掌握生物信息前沿领域，进一步提高专业教学和研究水平。
三、结论
生物信息专业教学是一个不断深化和提高的过程。以培养创新和实践能力为核心，开展生物信息专业教学模式的改革与实践，对提高学生运用各种学科知识和工具解决生命科学领域疑难问题的科研能力有着非常重要的作用。今后，我们将通过在校生、毕业生以及企业的反馈信息，结合创新的教学方法，为更好地满足新时代创新型生物信息学人才需求提供保障，提高我国生命科学领域在国际上的地位。
参考文献
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[14]刘艳，张晓艳.生物信息专业实践教学体系建设研究与探索[J].实验室科学，2016，19（06）：102-105.
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