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在农学专业讲授生物信息学技术的几点思考

2011-08-15孟凡立张卫国韩英鹏

黑龙江教育学院学报 2011年4期
关键词:信息学基因组检索

孟凡立,张卫国,韩英鹏

(东北农业大学农学院,哈尔滨 150030)

在农学专业讲授生物信息学技术的几点思考

孟凡立,张卫国,韩英鹏

(东北农业大学农学院,哈尔滨 150030)

生物信息技术作为一门新兴的交叉学科,处于生命科学尤其是农业研究发展的前沿,无论从理论还是实际应用上都具有广阔的发展前景。针对农业专业的生物信息技术本科教学中的教学内容、教学方法、考核办法以及如何发挥网络教学的优势等进行深入思考,以期取得更好的教学效果。

生物信息技术;农学专业;教学方法

生物信息学是由生物科学、计算机科学、信息科学、应用数学、统计学等多学科交叉融合而成的一门新型科学。生物信息学以分子生物学数据库为主要对象;以数学技术和计算机技术为主要手段;以计算机、应用软件和计算机网络为主要工具;通过对日益增长的核苷酸、蛋白质的序列和结构等相关信息进行收集、储存、管理、分析、注释、加工和处理而获取生物学新知识,同时建立理论模型,指导实验研究[1~2]。随着 2003年人类基因组计划的完成,分子生物学技术的飞速发展使DNA测序越来越快捷便利,越来越多物种的基因组计划被启动,目前有 1 000多个物种的基因组测序计划已经完成。其中植物全基因组测序的工作也进展迅速,除了拟南芥、苜蓿等模式植物的全基因组测序完成外,大豆、水稻、玉米等重要的农作物的全基因组测序工作已完成,木瓜、百麦根、木薯、番茄、马铃薯等重要粮食作物、经济作物、重要森林树种基因组也正在测序中[3]。基因组测序结果给我们提供了海量的生物数据,但是从堆积如山的数据中提取有用的信息,如挖掘并识别农作物的重要基因,发现新基因、加快基因克隆等,都需要强有力的生物信息工具。目前生物信息技术已经成为农作物基因组学研究的基础,是基因、基因结构、基因产物功能分析必不可少的技术手段。特别是将生物信息学与常规育种技术相结合,对提高育种效率,创新遗传资源,加快作物改良进程都有重要意义[4]。因此如何利用生物信息技术获取和利用农作物基因组和后基因组学提供的大量信息,加速发展我国高新农业的发展已经成了当今农学相关专业本科学生必须掌握的基本技术和知识以及必须具有的初步能力。

目前对农学相关专业学生的生物信息技术教学方法,采取多媒体辅助教学方式,采用课堂举例,现场上网检索、比对和分析等手段,与农作物高产,优质、抗病、耐逆、成熟期等基因序列检索、基因序列比对、引物设计、基因功能分析、蛋白质结构预测等环节相结合,逐一通过网络现场教学得以实现,增加学生对生物信息技术的学习兴趣,做到理论和实践相结合。经过几年的教学实践和改进,先将一些授课体会总结如下。

一、生物信息技术教学应立足于应用

生物信息技术是计算科学,数学和生物学多学科交叉融合后所产生的一门新学科,教学内容多,知识面涉及广,讲课时数少,而且很多内容比较抽象[5]。因此,针对农业专业本科生开设的生物信息技术的教学内容应以教授实践技巧为主,注重课堂知识与本科生毕业实践的紧密结合,主要应包括生物信息导论、生物数据采集、主要生物数据库的功能及使用介绍、核酸和蛋白质序列比对及构建系统进化树、核酸序列分析、蛋白质序列分析及结构预测、网上生物资源检索,生物常用软件的使用等。课堂讲授应着重于介绍各种生物信息资源和数据库的检索、使用方法与技巧,而且讲课时尽量联系实际应用,用具体事例来讲解相关理论和方法,以便学生更好地理解其内容。而对于生物信息技术的相关理论和原理性的知识可以只作简单的介绍,避开复杂的理论和相关的难点,从实际出发,以教会学生怎样使用为目的进行讲授,达到预期的教学目的。

二、教学讲授方法的改进

为加深学生对课堂知识的掌握和能够利用学到的知识解决问题,首先,在生物信息技术的课堂教学过程中,不仅采用传统的 PPT课件的静态模式、把生物信息的基本理论和用途给学生逐一地介绍,同时采用现场操作的动态模式,教授学生怎样使用生物信息学数据库和相关工具。例如,利用授课教室的网络资源在授课现场以一个具体的大豆抗旱基因为例 ,利用 Genbank、E MBL、DDBJ、Swissprot等数据库进行该基因核酸、蛋白质序列和文献的检索,讲授主要的核酸和蛋白序列数据库的功能、检索技术、应用技巧;利用该基因的核酸和蛋白质序列的检索结果进行核酸和蛋白质序列比对,以使学生理解Blast和 Clast w等常用生物序列比对软件的原理和使用方法;利用该基因的蛋白质数据检索结果利用常用的蛋白质结构预测软件现场演示该基因的蛋白质结构预测,以便学生理解蛋白质结构预测的原理和蛋白质结构预测软件的使用方法;以该基因为例现场利用 DNA MAN、Pri Mer、DNASTAR等生物软件设计普通 PCR引物、兼并 PCR引物等,使学生掌握生物软件的使用方法。以一个具体大豆抗旱基因为例将整个生物信息学知识贯穿讲述,使学生得到更加直观的印象,加深其对知识的掌握。其次,强化课堂讨论与交流。由于农学相关专业的本科学生毕业实践的研究方向不同,其学习的侧重必然有所差异,所学的生物信息的资源和工具也有所区别。因此,教师在第一次授课时需要作一次详细的调查,对学生毕业实践的研究方向和兴趣有一个大致的了解,并划分为几个小组。例如农学专业的学生可以大致分为大豆组、小麦组、水稻组、玉米组和马铃薯组等。每组成员开会讨论后制定该组的目标,通过查询相关的资料和文献数据,确定其研究领域,以组为单位去检索相关基因和蛋白质数据库,从一个具体农作物高产,优质、抗病、耐逆、成熟期基因开始,执行数据库搜索以发现与该基因相关的核酸和蛋白质序列,然后对该基因进行多序列比对,创建系统发生树,以明确它和其他已知序列的关系。教师每次课程留出 10分钟,本着资源共享的原则,让各个小组陈述检索过程、结果,并就检索过程中存在的问题及技巧进行共同讨论、充分发挥学生的主观能动性和探索精神,加强培养学生的实际操作能力。最后由教师就检索结果进行取舍、总结,对各小组的学习情况作出点评,并提出进一步的要求。

三、发挥网络教学优势

生物信息技术教学主要针对海量生物数据处理与分析的实际需要,培养学生综合运用生物信息学知识和方法进行生物信息提取、存储、处理、分析的能力,提高学生应用理论知识解决问题的能力和独立思考、综合分析的能力。同时,由于生物信息学依赖于网络资源和互联网上的分析工具和软件,教室内的多媒体计算机连接到互联网,虽然极大地提高了教学效果,但是在实际的教学中发现,多媒体教学也有局限性,学生主要以听讲为主,不能及时实践,教师讲解与学生实践相脱节[6]。由于生物信息技术在农学专业中是选修课,没有设立生物信息技术实验课。为了解决上述问题,教师在教学中,充分利用计算机网络的交互特点实现信息技术与课程的结合。教师可以通过学校论坛、QQ群、 MSN、飞信等与进行学生交流,对各小组利用生物信息技术进行具体应用遇到的问题进行讨论和答疑,培养学生在工作、学习和今后的科研工作中分析解决问题的能力,提高学生综合素质进而提高就业竞争力。网络环境下的生物信息教学不仅能够提高学生的学习兴趣,给学生的学习和师生的互动带来极大的方便、提高教师的工作效率,而且可以及时了解掌握学生的学习情况,有利于教师不断调整教学方案、达到更好的教学效果。

四、课程考核注重实际操作能力

在考试方法上,着重考核学生掌握和综合运用所学知识、解决实际问题的能力。因此,采用小组和个人考查相结合的考核方式。小组考核与每堂课分组讨论相结合,根据各个小组的专题目标,对每次进行数据检索、文献查询、利用所学生物信息软件分析相关生物数据的结果及最终得出的结论进行考核。这样的考查,既灵活又能把本课程所学的知识和软件操作前后联系起来,达到融会贯通的目的。个人考核主要加强对学生平时学习态度、学习能力、创新思维等方面进行考核。注重对学生的实践技能进行考核,淡化理论考试,克服了传统考试的死记硬背,促进了学生注重提高理论用于实践的综合能力。

总之,通过对生物信息技术课程的学习,使农学相关专业的学生提高了利用生物信息技术处理实际问题的能力,对提高毕业生的综合素质具有积极的意义。在本课程的教学与实践中,笔者积累了一些经验,收到了良好的教学效果,受到学生的欢迎。但是生物信息技术是一个发展速度极其快的学科,因此需要教师不断汲取新的生物信息学知识并时刻关注前沿的农业科学发展情况对本课程内容不断进行改进,以取得更好的教学效果。

[1]王明怡.生物信息学[M].北京.科学出版社,2004:2-3.

[2]孙之荣.生物信息与功能基因组学 [M].北京.化学工业出版社,2008:1-7.

[3]常敬礼,郭玉双,杨德光.植物功能基因组学研究进展[J].2008,16(2):56-59.

[4]林世强,宁正元.生物信息学及其在农业科学中的应用[J].亚热带农业研究,2007,(2):144-148.

[5]高亚梅.生物信息学本科教学初探[J].教育教学研究,2007,(1):46-88.

[6]戴家朋.生物信息化教学初探 [J].渝西学院学报:自然科学版,2004,(3):86-89.

G642

A

1001-7836(2011)04-0085-02

10.3969/j.issn.1001-7836.2011.04.036

2010-05-10

孟凡立 (1978-),女,黑龙江哈尔滨人,讲师,博士,从事生物信息技术教学研究。

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