“生物信息学”课程混合式教学探索

邱智军，符丹丹，李 欣

（1.河南科技大学食品与生物工程学院微生物资源开发与利用重点实验室，河南洛阳471023；2.河南省食品微生物工程技术研究中心，河南洛阳471023）

0 引言

“生物信息学”是伴随人类基因组计划发展起来的新兴交叉学科，融合了生物、数学、物理及计算机科学等多个学科，通过对生物数据的获取、存储、检索与计算分析，从而实现生命科学新知识的发掘。随着新一代测序技术的快速发展，核酸测序成本得以迅速下降，并且与多种技术结合，从系统生物学角度深入、广泛地研究生命科学各类问题，从而催生了当今生命科学领域的一个重要特征——生物和医疗数据的快速大量积累，这也大大促进了生物信息学分析工具的快速迭代发展[1]。对于生命科学领域的研究或技术人员来说，运用这些分析工具从大规模生物数据中挖掘信息及发现新知识已成为亟需掌握的实践技能。因此，对于生命科学相关专业人才培养来说，特别是对于研究生培养，“生物信息学”教学发挥着重要的作用[2]。

由于“生物信息学”在生命科学学科中的重要地位，几乎所有的相关专业都开设有“生物信息学”课程。“生物信息学”涉及多学科交叉内容较多，要求学生掌握的抽象理论知识点多，还要转化为实际的分析能力，最终能针对具体问题得出准确结论。但是，相对于生命科学类专业学生的知识结构而言，实现上述教学要求是一个不小的挑战。国内高校开设的诸多“生物信息学”课程，对于教学内容和教学方式进行了积极探索[3-7]，尤其是北京大学和山东大学的慕课公开课，都产生了较好的反响。但作为以实践为鲜明特色的学科，目前的课程大都表现出不同程度的局限性，如内容全面性、前沿性、关联性等，这些问题与学科特点、课时资源、教学方式、教师能力等客观条件都密切相关，也决定了“生物信息学”教学尚不成熟，处于探索阶段。首先分析目前该课程教学中存在的问题，抓住关键问题，探讨当前可能的解决办法，再结合教学目标，确定具体的实施方案，从而提升教学效果和教学质量。

1 当前教学面临的问题

由于新一代测序技术的快速发展，在转录组学、医学遗传学、合成生物学、精准医学、微生物组学等方面广泛应用，又与多种技术结合衍生出诸多高通量方法，从而产生海量数据，对这些数据的分析挖掘是当前“生物信息学”的主要任务[4]。技术种类多、演化迅速、应用广泛使得教学内容必须持续更新才能满足人才培养的需要，这也产生了有限的教学课时与不断增加的课程内容之间的矛盾。所以，要达到一定的教学目标势必要适当增加教学课时资源。但当前本科生和研究生培养通过整合优化专业课程进行精简学分，通过增加教学课时来缓解这一矛盾是无法实现的。此外，人才培养要求课程内容不断更新以满足学科发展的需要，课程内容设计、材料组织和教学实施都对教师提出了更高的要求，即要求承担课程教学的教师能够深入系统地把握“生物信息学”的知识框架内容，及时融入研究前沿知识，这又产生了不断发展的研究前沿与师资力量相对薄弱之间的矛盾[3]。这就要求承担课程教学的教师持续关注学科发展，不断补充教学内容。

“生物信息学”教学服务于学生的专业发展，不同的研究方向对于生物信息学人才培养的要求和认识也是多样的，存在较大的区别，如序列分析、结构分析、系统发生分析、基因组学、转录组学、宏基因组学、代谢组学等，这些都具有其特有的理论和技术特色。所以有必要基于学生不同的专业背景和需求，对于培养方案和教学内容做出适当的调整。

“生物信息学”的学科交叉性决定了生命科学背景的学生对知识的学习和熟练掌握会有不少困难，会涉及到较多的计算机算法概念和原理，以及数学描述方法，这些对于生命科学背景的学生来说都是较为陌生的，学习的最初阶段一般会有畏难情绪，导致学习积极性不高。如何提高学生学习积极性，提高学习效率是目前“生物信息学”教学最大的难题。摒弃以教师、课堂和教材为中心的教学方式，建立以学生为中心的教学模式已是大势所趋，也是提高学习效果的重要途径。很多教学工作者都已对“生物信息学”教学模式进行了诸多探索，采用了较多的教学手段，如微课、PBL、翻转课堂等，也得到了较好的教学效果[3-7]，但也未完全解决学科交叉性带来的问题。因此，探索如何改进教学模式以适应学科特点，是“生物信息学”教学研究的重要方向。

2 新型混合式教学模式探索

“生物信息学”教学中应用线上线下结合进行混合式教学，已经具备了完善的技术条件。国内强大高效的网络硬件环境、智能移动办公软件、社交软件及在线教学平台软件为线上教学顺利开展提供了先进的教学方法和技术保障。2020年上半年疫情期间，长达3个月在线教学的顺利开展证明开展线上线下混合教学的技术条件已经成熟，这提示可以以此为基础深入开展新型混合式教学的探索，针对“生物信息学”教学的特定问题，思考并提出相应的解决方法和途径。

2.1 以特定工具方法为主线建立微课群

“生物信息学”虽然有其独有的理论内容，但对于生命科学背景的学生而言，一般不要求深入学习，而偏重于由理论构建起的技术工具的应用掌握。由于学生缺乏相应的计算机或数学背景知识，为了帮助其理解方法的理论模型，补充这部分背景知识是课程学习的主体内容。目前，教学中多使用微课来集中说明、讲解一个方法理论模型，方便学生课前预习，课下复习，反复学习巩固。这种方式顺应教育发展规律，有利于教学效果的提升，但对于“生物信息学”课程而言，以单个方法模型为微课单位还存在不足之处。例如，对于序列比对动态规划算法，讲解的主体是计算过程，这对于比对算法实现的理解，信息量显然不够。因为学生知道算法怎么去做的，却不知道为什么这样做，对算法的理解不到位会极大地影响其应用效果。因此，应该针对性地补充下列内容：优化方法、精确算法、近似算法、启发式算法、NP完全问题等概念，能够使学生完全清楚解决序列比对问题的模型，从而便于对方法的应用和拓展。

2.2 构建“生物信息学”工具方法的数字材料库

“生物信息学”学科发展迅速，为了使教学效果能够与科研实际需要相适应，新方法和新工具需要不断加入到课程教学中。根据学科发展需要不断地调整教学内容使得建设动态数字教学材料库成为当务之急。一般数字材料以单个生物信息学工具为单位，包含讲解方法工具的微课群、案例练习和拓展资料。资料建设以方便学生自主学习为目标，充分考虑学生不同的知识层次水平，便于课前预习和课后复习，建议至少包含一个完整的方法工具应用案例，内容步骤和注解尽量详细，方便学生自学。

2.3 构建基于问题或项目的综合案例库

生物信息学的具体工具方法一般功能单一，而实际科研应用则需要综合多种方法工具才能解决问题，为了提高学生学习积极性和课堂教学效果，满足学生实际科研能力培养要求，需要构建基于问题或项目的综合案例库。一般综合案例取自实际科研问题和成果，覆盖生物信息学重要的应用场合：基因功能分析、医学遗传分析、宏基因组分析、基因组分析、转录组分析、代谢组分析等。例如，基因功能综合分析一般会包括基因识别分析、系统发育分析和蛋白质结构与功能分析等综合内容，选用一个文献样品材料把上述方法重现其主要结果。

2.4 应用个性化思路教学

生命科学领域不同专业对于“生物信息学”的工具方法需求不同，侧重点相差也较大，在课时有限的前提下，针对不同专业或研究方向要求，设计个性化的教学内容。生物医学类专业侧重于遗传学分析，人体微生物群落分析或环境研究相关的使用宏基因组分析较多，表型背后的机理分析多采用转录组和代谢组分析。一般情况下，先夯实基础部分，然后主要以综合类案例教学设计来体现个性化学习。

2.5 综合案例的混合式教学实施

基于问题或项目的综合性案例学习主要内容是综合性实验的设计和实施，围绕特定科学问题将多种知识和技术交叉融合来开展分析实验。线上布置题目和获取必要的数据和问题背景资料，开展分析实验设计，与教师沟通进展和疑问解答，开展分析实验，分析报告撰写；然后线下课堂上讲解项目工作情况，开展答辩和工作效果评价，最后线上沟通项目工作改进情况，直到得到完善分析结果，学习过程结束。

3 结语

学好“生物信息学”课程需要学生花费大量的课下时间，在教学设计上，将课下学习当作课程教学的重要环节，精心设计教学内容，大大提高学生课下的自学效率，从而达到教学目的。综合案例教学以实际科学问题为导向，开展知识点和技术交叉融合的综合实验应用，激发学生的学习兴趣，充分调动其主观能动性，通过训练使学生逐步熟悉科学研究的思路和方法，提高学生分析和解决问题的能力。