探究式教学在生物信息学综合实验中的实践探索

谢小芳， 何华勤， 许卫锋， 连玲丽， 陶 欢， 杨佳翰

(福建农林大学 生命科学学院， 福州 350002)

生物信息学是生命科学领域的一门新兴学科。随着人类基因组测序计划项目的完成，生命科学发展非常迅猛，各种各样的生物基因组相继被成功测序，基因组学知识和技术日益更新，生物信息学已成为生命科学领域重要的研究工具。生物信息学具有综合性高、实践性强、进展快等特点，因此，该专业具有很强的专业性和实践性，迫切需要培养具备跨生命科学、计算机科学和医学等不同领域，能够综合利用计算机、数学、物理和生物等学科的基本原理和生物信息学方法，对海量生物数据和生命信息进行收集、加工、储存、传播与解析等能力的复合型人才。为达到该人才培养目标，不仅要让学生掌握系统全面的科学理论基础知识，而且更需要训练学生自主学习、综合分析能力以及创新能力，只有这样才能适应未来的职业需求，解决实际问题。因此，传统广泛采用的验证性实践教学不足以应对迅猛发展的生物信息学。建立以创新与实践能力为核心，以“能力训练”为导向的生物信息学专业综合能力的实验教学体系至关重要。

为提高学生的综合能力和创新意识，依托教学团队教师的科研平台和科研项目推进实验教学的发展，在授课过程中融入科研相关的应用性强的实验技术与方法是非常有效的改革措施[1]。本校生物信息学教学团队通过十多年的教学探索，基于学生前期所修“生物信息学”和“基因组学”等核心课程所积累的基础知识和文献精读基础[2]，以及“R语言”和“生物信息程序设计”等工具类课程的基础上，利用教师团队的科研平台和项目，在大三下学期开设的为期6周(共240学时)的“生物信息学综合实验”课程中采用了以专题研究为载体的探究式教学法。探究式教学理念是由美国著名课程理论家施瓦布教授提出的[3-4]。该教学法颠覆了传统教学中以教师为中心的形式，采用在课程开展过程中提出一系列探究项目为出发点，以学生为教学活动的主体，教师指导为辅，教师引导学生自主开展学习和合作探究的教学模式，从而极大地激发学生的学习热情与潜力，以达到提升学生的学习能力与创新能力的目的[5]。本文将阐述探究式教学模式积累的一些经验，并以“转录组分析LOC_Os05g01710基因介导的水稻细条病抗性机理”为专题教学实例，展示探究式教学模式在“生物信息学综合实验”课程中的应用，拟与同行分享。

1 内容设计与教学流程

探究的专题项目内容是激发学生探索动机的关键。为充分调动学生的兴趣，在专题项目的拟定环节中，教师依据“学生为主体，教师辅导”的原则，根据教学大纲设定的教学内容和教学目标设定，针对当前生物信息学领域的热点问题和生物信息学专业核心课程所涉及的知识技能，整合教师团队的科研资源和课程资源以及公共的生物数据库资源，设置专题研究方向，明确需要达到的具体教学目标和要求，例如在2019年我们开设了4个专题方向(表1)，分别为基因组重测序数据的组装与分析、转录组数据的分析、基因家族的生物信息学分析，以及水稻部分性状的全基因组关联分析，依据这4个方向选择12个题目，每组2～3位学生。具体的课堂教学环节主要包括(图1)：探究专题筛选与分析流程讲授、引导分组和项目选题，提供学习资源和相关数据、小组和全班交流研讨，以及研究成果考核评价等环节。为了让学生全面掌握专业核心技能，避免分组造成学生对知识掌握的片面性(仅熟悉各自选择的专题方向)，教师在学生各自开展项目研究前，讲授每个专题(表1)的研究内容和分析流程，并安排时间让学生熟悉每个专题的分析流程；随后，学生根据兴趣选题，教师依托具体项目的研究专题情境，分小组提供一系列数据资源和相关文献资料，引导各组学生自主开展项目研究；教师参与每个小组的研讨并及时答疑；最后，开展总结汇报，全班交流，从而相互学习各组专题的内容。在考核评价环节中，教师将结合小组讨论、全班交流和研究论文等情况，进行综合评价。

表 1 生物信息学综合实验专题教学设计

图1生物信息学综合实验教学设计模式图

Figure 1 Schematic chart of integrated design of comprehensive experiment of bioinformatics

2 转录组分析LOC_Os05g01710基因介导的水稻细条病抗性机理专题教学实例

2.1 专题背景

专题的内容选择不仅要贴近生活，还要能引发学生的探索热情。水稻细菌性条斑病(简称细条病)，是水稻的主要病害之一，该病的大面积发生会严重降低水稻的产量，因此，对该病抗病机理的研究具有重要意义。教师通过强调该病害的特征，危害的严重性以及研究的重要意义，引发学生探究的好奇心和热情。

2.2 资源提供

为保证任务的顺利开展，教师需要为学生完成项目提供必要的数据和软件工具等。前期研究发现，水稻LOC_Os05g01710基因与细条病的抗性有关[6]。因此，教师结合科研项目，给学生提供水稻LOC_Os05g01710基因干扰材料和对照(野生型材料)在细条病菌侵染5 h后的转录组数据，让学生分析该转录因子介导的抗病机理。与此同时，提供教学团队的转录组数据分析流程视频课程(MOOC课程：生物大数据https://www.icourse163.org/course/FAFU-1001766004)，让学生提前预习，做好项目开展的准备。

2.3 项目流程讲授

为了让学生对项目有整体认识，在学生动手实施前，分析流程讲授至关重要。该环节是基于学生已有的基础知识，尽量拓宽学生的视野，让学生达到知其然，也知其所以然的目的，而不是按部就班地演示操作。在本专题中，教师首先介绍RNA-seq分析实验设计的常规思路和分析流程(图2)，然后详细介绍实现每个流程步骤的常用方法，结合实际适当演示并讲解图表的解读方法。内容包括：参考基因组的选择(基因组序列或三代全长转录本等)，比对方法的选择(HISAT2和STAR等软件工具)，差异表达分析(基因表达量标准化PFKM、RPKM 和TPM等方法，差异表达统计方法中经典的exact test(classic)，广义线性模型(GLM)和拟似然F检验(Quasi-LikelihoodF-test，QLF)，差异表达倍数logFC的确定等)，GO分析(在线工具和R脚本的本地分析等)，表达热图绘制(在线分析和heatmap2的R脚本制作等)，代谢途径分析(KEGG分析和MapMan软件工具)等一系列的内容。通过该环节的学习，学生能充分地理解和掌握专题所涉及的基础知识和技术，同时，能够将片段的知识整体化，提高学生综合分析的意识和应用能力。

图2 转录组(RNA-Seq)专题分析流程

2.4 教学要求与实施过程

项目任务的具体化是实现教学目标的关键，学习任务的制定必须明确清晰，可操作性强。教师结合专题流程(图2)，要求学生在本专题中开展以下学习任务：1)利用HISAT2方法[7]，进行 RNA 测序读段的比对，随后根据参考序列的顺序利用Samtools[8]对匹配项进行排序，获得 BAM格式比对结果，统计比对结果并构建列表；2)基于比对结果，进一步利用 Stringtie[9]估计基因的表达量，输出基因的FPKM值和read count结果；3)利用Bioconductor 的R语言包 edgeR[10]进行两两比较的差异表达分析，获得差异表达基因的具体信息，包括差异表达基因编号，表达定量值，差异倍数和相应P值等；4)掌握Heatmap2 (https://cran.r-project.org/.)绘制基因表达水平热图的方法，并根据基因的PFKM值，绘制热图；5)通过网站(http://plantregmap.cbi.pku.edu.cn/go.php)对差异表达基因做GO功能分析，明确与抗病抗逆相关的差异表达基因，对结果进行分类描述；6)利用MapMan工具 (http://MapMan.gabipd.org) 分析生物胁迫代谢途径中的差异基因，分析与抗病相关基因信息；7)综合差异表达基因及其功能和代谢途径分析，推断TFIIAγ5可能介导的水稻细条病抗性机理；8)小组根据分工，完成专题任务并整合图表，撰写课程论文，制作PPT分小组在全班范围内交流汇报。

2.5 教学效果

该专题紧扣当前生物学的研究方向，专题任务涉及了生物信息学专业的数据处理和分析等核心技能，从总结汇报和撰写的课程论文可以看出：大多数学生熟悉了转录组数据分析的流程，掌握了比对分析，差异表达基因确定和GO基因功能富集及代谢途径分析等相关工具的使用(部分结果如图3所示)。该教学方式激发了学生对科学研究的兴趣，训练了学生的科研思维，让学生能够主动研读文献，独立思考并形成自己的观点。由于每位学生的思维和理解不尽相同，所以出现丰富多彩的结果，其中不乏富有创意的观点和有趣的结论。如有一位同学通过分析发现：差异表达基因与细胞死亡有关，而且上调的基因大多与激素类物质、防卫蛋白、细胞壁成分和信号传导等代谢途径相关(图3)。学生通过团队合作，在完成专题研究的基础上，进一步通过总结提升，在全班范围内展现汇报，既锻炼了协作能力、口头表达和写作能力，也体验了应用所学知识解决实际问题的成就感。

A：差异表达基因聚类图；B：生物学途径GO富集分析；C：差异基因在生物胁迫代谢途径中的分析情况

2.6 考核评价与总结提升

科学的考核方式对提高教学质量和调动学生学习主动性具有十分重要的作用。实践课程的评价更应该注重评价的多元性，从而营造良好的研讨氛围。本课程的考核不苛求结果的准确性，在考核过程中特别强调评价的全程化，随时跟踪学生课内外的参与及投入情况。课程的考核由过程评价(任务实施30%与讨论问答20%)和结果评价(总结汇报20%与课程论文30%)两部分组成，其中过程评价由学生自我评价和老师评价共同衡量。过程评价是师生互动与教学相长的有力措施，该措施可以让教师实时了解学生学习进展，及时解决学生各种疑难，而结果评价过程则是学生思维创新能力提升的关键环节。在全班范围内的总结汇报过程中，教师发现学生往往只停留在对实验结果的表面解析，无法深入解读，甚至可能出现错误的解析。教师应及时纠正错误、注重思维引导，适时总结提升，并提出建设性的建议引导学生进一步探究思考。在转录组分析专题中，学生经常只能获得差异基因的个数和差异基因富集GO条目等表层信息，而不知如何将结果用于阐明LOC_Os05g01710基因在细条病抗性中的作用。因此，教师应该引导学生思考，了解这些按流程操作获得的一系列结果如何应用于解释具体的科学问题。如有一组同学发现野生型植株在细条病菌接种前后差异表达的基因数目并不多，而干扰植株材料在接种前后的差异表达基因数量却比野生型材料高了近5倍。教师根据该结果进一步引导学生从干扰基因的类型和抗病响应方面进行分析。随后，学生通过查阅资料发现：干扰基因(LOC_Os05g01710)属于通用转录因子，因此推测该通用转录因子不仅影响了抗病响应的强度和速度，改变了抗病相关基因的表达，而且可能参与了其他生长发育途径相关基因的表达，从而导致两份材料间差异表达基因数量的差异。学生在撰写论文过程中进一步整理思路，将各自富有创新性的想法都融入课程论文中，并在成果评价中得到肯定。总之，全程指导监督评价的方法能充分激发学生的学习兴趣，较大程度地改变学生的学习方式和学习目标，提升学生的实践能力和创新能力。

3 结论

“生物信息学综合实验”课程是学生锻炼专业核心技能的重要载体。本课程结合当前生物信息学领域的热点问题，整合教师团队的科研资源和课程资源，开展探究式教学。在该课程的授课过程中，要求教师们不断地提升自身的素质，随时跟踪学生的开展情况，及时解决学生的疑问。通过该课程的学习，学生熟悉了当前主流的数据分析流程，并结合实际开展与当前科研活动类似的项目研究，能解决相关问题，使学生体验了“学以致用”的成就感。总之，该教学法对学生专业综合技能的提升有明显促进作用，适合应用于其他生物学专业的实践课程。