农林院校创新型人才培养体系的生物信息学教学改革
2019-12-25顾龙江徐莉江海洋
顾龙江 徐莉 江海洋
摘要 生物信息学作为一门专业核心课程，已在国内各高校相继开设，对培养创新型人才具有重要意义。针对安徽农业大学生物信息学教学过程中存在的问题，本文从优化生物信息学理论课的知识结构、精心组织课堂教学过程改以提升学效果、开设大学生创新训练计划项目提升学生独立分析问题能力等方面进行了初步探索，以期提升教学效果、培育创新型人才。
关键词 农林院校;生物信息学;创新型人才培养;教学改革
中图分类号 G642 文献标识码 A
文章编号 1007-5739（2019）21-0250-01 开放科学（资源服务）标识码（OSID）
随着生物技术的快速发展，多种生物学数据大量积累，而生物信息学正是在这种大背景下蓬勃兴起的交叉型学科，可以为解决重要的生物学问题提供新的思路和方法[1]。因此，自人类基因组草图发布时起，国内众多高校相继开设了生物信息学本科生和研究生课程[2]。安徽农业大学是一所以农林生命学科为优势的省属高等院校，也紧跟时代步伐，于2008年开设了生物信息学课程。由于第二代测序技术的迅猛发展和第三代测序技术的不断成熟，生物信息学知识体系发展迅速，研究领域不断扩大[3]，而师资条件、实验条件等限制性因素进一步导致生物信息学课程无法及时更新[4]。基于该课程主要存在的问题，提出了相应教学改革措施。
1 存在的问题
1.1 教学内容陈旧
随着生物技术的不断发展，部分陈旧的内容已不能反映出最新的科研结果，因而只有及时更新并追踪生物信息学的学科发展前沿，才能培养出适应现代化社会以及满足未来社会发展需要的专业人才[5]。
1.2 教学方法单调
在生物信息学教学过程中最大的问题是缺乏有效互动。由于生物信息学课程中理论学习比重较大且内容晦涩难懂，导致学生的课堂参与度较低，极大地降低学生的学习兴趣，达不到预期的教学效果。
1.3 课后实践匮乏
通过课后实践学习能将课程的理论学习与科学实践有机结合起来，对学生更为深刻理解生物信息学具有重要作用。鼓励大学生参与科学研究，可以有效激发其学习生物信息学的主动性和积极性。
2 教学改革措施
针对以上可能存在的问题，笔者所在的教学团队以改善教学效果、培养创新型人才为最终目的，对生物信息学课程总体设计进行了修订，提出了若干措施改善教学效果，对创新型人才培养具有一定的参考价值和理论意义。
2.1 优化课程总体设计
前期调研发现，国内外众多高校的生物信息学课程主要侧重于方法学介绍，比如全局比对算法、局部比对算法、神经网络构建等，需要较强的计算机编程能力才能完全理解。安徽农业大学为农林类院校，要求学生掌握较好的计算机基础知识收效甚微。因此，课程内容总体设计上应以如何利用已有的数据、软件、数据库来解决不同的生物学问题为主线，教师应结合最新的研究成果进行深入和细致的讲解。课程的重点应该由理解算法原理、开发算法、开发软件转向如何利用生物信息学方法解决重要的生物学问题。
在介绍完生物信息学的研究现状后，课程重点介绍常用的生物学数據库，如NCBI、PDB以及Uniprot等数据库，还应介绍如何精确地检索相应数据库。在掌握这些必备基础知识之后，分多个专题详述生物信息学最新的研究进展，如基因组的测序、组装的基本原理、比较基因组学、真核生物的基因结构注释、蛋白质的结构及其预测;在基因的表达方面，着重介绍RNA-seq的相关知识;此外，采用生物信息学手段解析表观遗传学的生物学问题，如组蛋白H3K27的甲基化修饰，不同碱基的甲基化修饰，如6mA、5mC是如何影响生长发育的。本课程设计的专题在内容上相互衔接、由浅入深，中间贯穿着多种生物信息学方法和软件的使用，以便学生能够潜移默化地学到生物信息学知识。此外，以重要的生物学问题为中心进行的课程设计，有利于启发学生思考，同时也能够帮助学生了解科学前沿、扩展视野。
2.2 提升教学效果
由于生物信息学课程理论性较强，内容晦涩难懂，所以传统的“教师讲、学生听”教学模式使得学生课堂参与度较低，极大地降低了学生的学习兴趣，并最终导致学生的学习无法达到预期效果。很多研究证实，研讨式教学能够调动学生学习积极性，使其踊跃地参与课堂讨论、活跃课堂氛围，从而达到较好的教学效果。
2.2.1 掌握重点，攻克难点。由于生物信息学研究范围越来越广，因而课程没必要面面俱到，但一定要突出重点。在保证知识面的基础上，将重要性较低的部分以课后作业的方式让学生自己主动查阅资料;而对于重点内容，为了便于学生理解，可以采用多种手段相结合。比如，在讲解二代测序原理时，可以将不同的平台进行比较，并且用动画或者视频的方式进行形象而生动地展示，非常有助于学生理解重要知识点。学生只有对重点内容理解透彻，才能进一步激发出浓厚的学习兴趣。
2.2.2 讲授生动有趣实例，拉近知识与现实的距离。传统的生物信息学课程内容较为呆板，如果授课教师能以生动有趣的实例进行讲解，则会大大增加知识的趣味性。例如，在讲完构建进化树之后，举例说明如何利用系统发育树揭示 SA-RS病毒的传播途径;在蛋白质结构部分，讨论“为什么湿着头发睡觉，头发容易变翘”;猜测以后会进入精准医疗时代，可能个人的基因组信息就像自己的血型一样出现在病例上。将这些生动有趣的实例融入生物信息学，能够拉近教学内容与现实的距离，引导学生如何解决科学问题。
2.2.3 增加课堂讨论，引发学生思考。利用所学的生物信息学知识尝试解释生物学现象，例如“什么原因导致了种优势现象”“为什么基因组的大小与生物的复杂程度不是直接的正相关？也就是为什么会存在C值悖论”“一个个体所必需的最少基因有多少个？”“蛋白质折叠为什么不是随机的？”等。针对这些问题适时地开展课堂研讨，有助于活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，进而引发学生思考。
2.2.4 课堂报告，全面锻炼学生能力。鼓励学生选择感兴趣的生物学问题，查阅相关文献并进行课堂报告。让学生进行讲解，教师适时点评，引发其他学生讨论，更有助于学生对重难点知识的理解。此外，学生课堂报告不仅更有助于教师从不同的角度去观察学生所思所想，还可以较好地锻炼学生收集和查阅文献的能力、表达能力以及创新思维能力。
2.3 开展大学生创新创业训练计划项目，锻炼创新能力
对于生物信息学的学习，不仅要掌握一定的理论知识，还要学会如何应用所学的理论知识解决实际科学问题。对生物信息学感兴趣的学生，3～5人一组，由1名教师进行全方位指导，包括课题选题、选择实验材料、分析实验数据以及规范地写作实验报告或者科学论文等。通过课题的顺利实施，可以进一步激发学生探索未知世界的兴趣和创新能力。
3 结语
由于生物信息学发展迅速，研究领域不断扩大，如何更新生物信息学理论课的知识结构，改善课堂教学效果，激发学生独立分析问题、解决问题的能力，让学生能够了解生物信息学研究的最前沿进展，使其在课堂教学过程中也能在一定程度上体验到科学研究的乐趣和成就，是每一位生物信息学课程教学工作者所需要思考的问题。本研究依据安徽农业大学学科建设特征和人才培养方案，借助不同的教學手段调整教学形式、更新教学内容，并建立完善的成绩评定体系，形成具有鲜明特色的理论教学体系，旨在为促进高校人才培养和精品课建设提供参考。
4 参考文献
[1] 高亚梅，韩毅强，刘金文.生物信息学学生创新型培养体系的探索与实践[J].黑龙江教育，2016（6）：78-79.
[2] 齐云峰，孙添添，于长春，等.浅谈如何提高生物信息学教学质量[J].散文百家，2016（12）：122.
[3] 陈志雄，王少奎，李亚娟.科研导向的农学类专业生物信息学教学内容改革[J].安徽农业科学，2018（46）：32.
[4] 杨敏，赵杏利，范丙友，等.生物信息学课程教学改革初探[J].教育教学论坛，2016（48）：140-141.
[5] 李晓玉，江海洋.农林院校生物信息学课程教学方法改革探析[J].现代农业科技，2013（13）：340-342.
