林业院校生物信息学课程教学改革研究与实践

孙吉康，曾柏全，韩文军

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南长沙 410004）

随着对基因组学研究的不断深入和高通量测序数据的大量涌现，基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等多组学生物信息数据正呈爆炸性增长[1-3]。生物信息学的研究对象为生物学研究过程中产生的数据，通过综合运用计算机科学、统计学、生物学和数学等相关学科的知识和方法，对研究所得数据进行获取、分析、加工与存储，从而揭示其中所蕴含的生物学规律[4-5]。

2018年8月，教育部、财政部、国家发展改革委联合印发《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，明确提出“双一流”建设的核心是人才培养。人才培养的核心是课程，大学中能让学生最直接、核心、显效受益的也是课程，因此促进生物信息学课程建设对于一流专业建设具有重要意义。目前，生物信息学课程教学普遍存在如下突出问题：课程要求和课时数不匹配、学生实际数据分析训练不够、教材更新速度过慢、学生专业英语掌握不足、教学模式较为单一和教学内容较陈旧落后。为提高生物信息学课程教学效果，将翻转课堂[6]、项目式教学法[7]、案例教学[8]等教学模式应用于生物信息学教学，并进行了有益的探索。

针对当前生物信息学教学存在的普遍性问题，为适应我国现阶段创新驱动发展的要求，以提高人才培养能力为核心，以课堂教学革命为重点，以培养学生真正掌握解决生物学问题的能力为目标，确定了4个实施方向：（1）将科研案例和科研成果融入教学内容，坚持以科研带动教学的思路培养学生实际应用能力；（2）利用移动互联网+新型的智能教学服务平台，构建在线开放的课程教学体系，包括在线教学视频、教学讨论平台、评分系统等；（3）建立以翻转课堂教学方法为基础，多种教学模式相融合的、以学生为中心的自主学习授课方式；（4）搭建生物信息学在线学习测试评价平台，建立偏重实际解决问题能力的综合评定考核体系。为了实现这些目标，在教学活动中开展了以下4个方面的工作。

1 以实际应用能力培养为核心，科学合理设置教学内容

（1）教学内容将按照“序列-结构-功能”“基因组-转录组-蛋白组-相互作用组-代谢组”两条主线进行设置，并在教学实践过程中不断调整、完善。同时，为了实现教学与科研实际、学生训练的紧密结合，将科研项目与成果转化为与知识点相对应的实际运用教学案例。这些案例主要来源于教师自身科研工作，或是目前生命科学领域的最新研究发现以及本校专家教师的研究成果。特别是将与中南林业科技大学教师科研活动密切相关的内容及最新进展融入到案例教学中，如亚热带典型人工林（杉木人工林、马尾松人工林、湿地松人工林和樟树人工林）相关研究、油茶油桐等经济林研究、林业微生物资源开发利用和环境生物治理研究是具有学校特色的研究领域。基于这类研究项目所发表的研究报告、研究论文，从中提炼适合于生物信息学教学的教学案例，提高学生的学习兴趣，增强学习的动力，符合学生未来的发展规划、满足科研的需要。

（2）课程内容从形式上分成4个大模块，分别是生物信息学原理模块、生物信息学资源模块、序列分析模块和基因功能注释模块。在每一个大类模块中又细分成更小的模块，便于解决一些小问题。例如，生物信息学原理模块中包含有概述和基因组学基础模块，生物信息学资源模块中包括生物学网站、软件工具和生物数据库模块，序列比对、查询与搜索、核酸序列分析和蛋白质序列分析模块包括在序列分析模块，而基因预测、蛋白质结构预测、GO分析、KEGG分析、PATHWAY分析和系统进化分析模块则包含在基因功能注释模块里。同时，将每个模块中的知识点分成若干个项目的形式，明确每个项目的具体任务和所需课时量，实现教学内容的重新整合，使之有利于翻转课堂教学需要。

2 对线上线下的教学资源进行有机整合，提升翻转课堂教学效率

根据教学内容的模块、项目任务，制作好相关知识的PPT课件、微课视频及单元测试内容。视频和单元测试内容主要上传到网络教学平台，学生可以在课前利用笔记本、手机和平板电脑等移动网络工具完成知识的传递过程。PPT课件主要用于课堂教学，PPT内容不同于传统的对新知识点讲解模式，主要是一些研究案例、问题的提出与讨论。由于课堂教学时间有限，因此应组织学生进行问题讨论和项目分析，使其能更好地掌握和消化复杂的生物信息学理论和分析技能，并内化于心，从而有效解决教学内容与课时数不吻合的矛盾。

3 积极探索多种教学模式的高效有机融合

基于教学内容和教学形式的设置，实现翻转课堂与项目式教学的融合，让学生用碎片化时间学习项目化教学中的知识传递，提前构建知识体系。在课堂上，由教学案例引入问题，通过问题导向式学习的模式进行教学，引导学生通过合作或是自主探究等方式来提高学习主动性，增强学生与教师之间的互动。教师通过收集问题、解答、讨论和有针对性地辅导等方式，使学生完成“内化知识”的过程。例如，从选定的实际应用教学案例着手，启发和引导学生独立完成从项目立题、文献查阅、候选基因确定到核酸序列的查找和比对、引物设计、载体构建、结构预测、调控元件预测、构建系统进化树及功能注释等一系列与生物信息学分析相关的流程。在这个过程中，能很好地落实学生的“练”，从而使学生能真正掌握解决问题的思路，并应用到今后科研实践中。

4 建立中心为实际应用能力测试的综合考核评价体系

线上线下混合式教学模式要求学生课前完成知识的学习，因此对线上学习的监督尤其重要。基于学生登录在线开放课程网站的次数、观看视频的时间及线上单元测试的具体情况，确定学生线上学习过程成绩。对于线下考核，重点考查学生运用所学知识解决科研问题的实际能力。平时设置课后实践任务，要求每位学生针对自己感兴趣的任务，独立完成生物信息数据分析并提交分析报告，该部分将纳入最终考核成绩。期末考试内容将根据当前研究热点灵活出题，减少概念记忆性知识点考核，重点考察学生的实际数据分析能力。最终以线上平时成绩、线下平时成绩、期末考试成绩相结合的综合评价方式作为考核标准。

5 结语

生物信息学是一门实践性很强的课程。教学过程中应围绕生物信息学课程的两条主线，根据生物信息学知识点筛选来自生命科学领域的最新研究、本校专家教师的研究成果，结合时代研究热点问题，充实教学内容；充分利用现代发达的网络将相应的微课视频、PPT课件及单元在线测试评价内容在教学平台及时发布，方便学生随时进行学习和查阅；以实际案例为引导，以学生自主学习为主体，引入多种教学模式，将教学与科研实际和学生训练紧密结合，使学生的“练”得到落实，真正掌握了解决问题的思路与方法；通过改进课程评价方式，建立了以能力测试为中心的综合评定考核体系。通过这4个方面的改进措施，有效提高了生物信息学的教学质量。