高亞梅 韓毅強(qiáng) 劉金文

摘 要：生物信息學(xué)在高校生物相關(guān)專業(yè)往往作為必修或選修課開設(shè)，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。在生物信息學(xué)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)開展教學(xué)實(shí)踐，構(gòu)建學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，有助于提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；創(chuàng)新能力；高校

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2016）06-0078-02

隨著生命科學(xué)在21世紀(jì)的不斷發(fā)展，新的學(xué)科不斷涌現(xiàn)。生物信息學(xué)作為交叉學(xué)科之一，與生物技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域具有密切關(guān)系，并對(duì)醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要影響[1]。鑒于生物信息學(xué)對(duì)相應(yīng)的基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要作用，“生物信息學(xué)”課程首先在高校的研究生教學(xué)中開設(shè)，后逐步納入到本科專業(yè)教學(xué)中。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)自2003年設(shè)立就開設(shè)了“生物信息學(xué)”課程，目前在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的多個(gè)本科專業(yè)和生命相關(guān)研究生專業(yè)中開設(shè)此課程。近幾年，浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)等十幾所高校已經(jīng)增設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)[2]。由此形成了完整的本科、研究生生物信息學(xué)人才培養(yǎng)體系，為社會(huì)培養(yǎng)了大量生物信息學(xué)人才，推動(dòng)了生物相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

“生物信息學(xué)”在高校生物相關(guān)專業(yè)往往作為必修或選修課開設(shè)，主要講授與生物相關(guān)的各類生物信息的收集、儲(chǔ)存、獲得與分析方法。課程體系和教學(xué)方法經(jīng)過十幾年的教學(xué)探索[3-6]，逐漸完善。但是由于生物信息學(xué)學(xué)科本身的迅速發(fā)展，對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)方法等不斷提出新的挑戰(zhàn)。同時(shí)也是高校教學(xué)質(zhì)量提升的內(nèi)在要求，仍需大量的教學(xué)改革實(shí)踐與探索。筆者在“生物信息學(xué)”教學(xué)過程中，結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐[7-8]，進(jìn)一步提出多環(huán)節(jié)的“生物信息學(xué)”課程創(chuàng)新培養(yǎng)體系，包括在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等不同的教學(xué)環(huán)節(jié)開展“生物信息學(xué)”的教學(xué)實(shí)踐，提高“生物信息學(xué)”的教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生科研創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

一、豐富生態(tài)課堂教學(xué)實(shí)踐，更新教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。生物信息學(xué)與現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)密不可分，因此，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課程教學(xué)的有效整合是教學(xué)成功與否的關(guān)鍵所在。在教學(xué)過程中，以現(xiàn)代的教育生態(tài)觀為指導(dǎo)開展課堂教學(xué)活動(dòng)，構(gòu)建了以多媒體網(wǎng)絡(luò)同步教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的生態(tài)課堂。在生態(tài)課堂教學(xué)實(shí)踐中，教師更多的是為學(xué)生提供信息化的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源，更注重與學(xué)生的實(shí)時(shí)交流。信息化學(xué)習(xí)環(huán)境中包括相關(guān)資源、各類網(wǎng)絡(luò)中交流工具。教師在信息化的學(xué)習(xí)環(huán)境中除了課堂傳授知識(shí)、監(jiān)控管理以外，主要是通過查看學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐操作，解答學(xué)生的疑問以及師生討論交流為學(xué)生提供建議和指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生自我的知識(shí)建構(gòu)。目前網(wǎng)絡(luò)開放課程已經(jīng)成為新興的教育資源，在教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生充分利用這些優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)一步開闊視野，例如北京大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)開放課程“生物信息學(xué)”、中科院的生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程資源以及國外的生物信息學(xué)教學(xué)培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)資源。

課堂實(shí)訓(xùn)作為課堂教學(xué)的重要教學(xué)方法，可以充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，讓學(xué)生在實(shí)踐訓(xùn)練中開展知識(shí)建構(gòu)。有些學(xué)生甚至可以在完成教學(xué)基本要求的基礎(chǔ)上，獨(dú)立的開展深入的學(xué)習(xí)，掌握更多的生物信息學(xué)分析方法和軟件。課堂實(shí)訓(xùn)均以生物相關(guān)專業(yè)的問題設(shè)計(jì)，例如微生物分類學(xué)中的16S rDNA分子鑒定分析中的系統(tǒng)進(jìn)化分析，酶工程里面的酶結(jié)構(gòu)模擬，基因工程中的基因預(yù)測、引物設(shè)計(jì)、酶切位點(diǎn)分析等。這些內(nèi)容將多學(xué)科內(nèi)容融為一體，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)和思考科學(xué)問題。

在課堂教學(xué)過程中，注重對(duì)生命科學(xué)進(jìn)展的追蹤。將最新生命科學(xué)內(nèi)容引入到教學(xué)中來，不斷完善“生物信息學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容。例如第二代測序技術(shù)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的處理方法，非編碼RNA的介紹與生物信息分析，宏基因組測序數(shù)據(jù)的獲得與分析等。

二、以問題為導(dǎo)向開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，“生物信息學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用生物信息學(xué)知識(shí)和方法，解決其它生物學(xué)相關(guān)學(xué)科中實(shí)際問題的能力。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)的、全面的訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行生物信息分析的基本操作和基本技能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要根據(jù)自己的興趣自由選擇實(shí)驗(yàn)分析的序列或分析的對(duì)象，并自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生具有自主性，易于調(diào)動(dòng)其積極性。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的生物技術(shù)專業(yè)依托于省級(jí)重點(diǎn)專業(yè)，以農(nóng)業(yè)微生物及技術(shù)作為重要的研究方向。在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中緊密結(jié)合專業(yè)方向，針對(duì)生物技術(shù)專業(yè)所涉及的科學(xué)問題設(shè)立“生物信息學(xué)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，“土壤微生物擴(kuò)增子高通量測序數(shù)據(jù)的獲得與分析”實(shí)驗(yàn)結(jié)合環(huán)境生物技術(shù)專業(yè)課程的土壤微生物生態(tài)研究，要求學(xué)生挑選自己感興趣的土壤類型，在數(shù)據(jù)庫中查找并獲得其16S rDNA擴(kuò)增子高通量測序數(shù)據(jù)。然后利用生物信息學(xué)軟件分析，獲得各種土壤類型的微生物類群特征。最后要求學(xué)生制作幻燈片并在課堂上報(bào)告自己的結(jié)果，相互比較分析。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)了“微生物重要功能基因的生物信息學(xué)分析”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主查找文獻(xiàn)資料選題，自行設(shè)計(jì)生物信息學(xué)分析方案，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，并要求學(xué)生提交相應(yīng)的論文作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以多種形式提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改變了以往標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的單一形式，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)成績考核中計(jì)入其課堂表現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以教育生態(tài)觀為指導(dǎo)，構(gòu)建以多媒體網(wǎng)絡(luò)同步教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的生態(tài)實(shí)驗(yàn)課堂，從而實(shí)現(xiàn)了與信息技術(shù)整合，全面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)管理與教學(xué)效果。

三、強(qiáng)化課外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目研究

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是大學(xué)生參與科學(xué)研究、社會(huì)實(shí)踐，檢驗(yàn)理論和實(shí)踐的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和文化素養(yǎng)，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)精神和實(shí)踐能力。在“生物信息學(xué)”的教學(xué)過程中，除利用課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，還積極支持和指導(dǎo)學(xué)生基于生物信息學(xué)申報(bào)和開展課外的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，構(gòu)建多層次的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系。首先教師積極鼓勵(lì)對(duì)生物信息學(xué)研究具有濃厚興趣的學(xué)生自愿組合形成項(xiàng)目小組，指導(dǎo)其根據(jù)研究興趣查閱相應(yīng)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，由小組成員親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，制定技術(shù)路線。項(xiàng)目申請(qǐng)、項(xiàng)目實(shí)施、中期檢查到結(jié)題的各項(xiàng)工作主要由學(xué)生來完成，教師給予相應(yīng)的意見和建議。學(xué)生通過大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目經(jīng)歷了基本科研工作的全部過程，并積極發(fā)揮他們的聰明才智，將課程的理論學(xué)習(xí)與科學(xué)實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合起來，切實(shí)提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)其今后的發(fā)展帶來重要影響。自大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目啟動(dòng)以來，已有十多名學(xué)生參與到以生物信息學(xué)為主題的項(xiàng)目中來，使該項(xiàng)目成為了生物信息學(xué)課外培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)。

四、開展生物信息學(xué)相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練

畢業(yè)設(shè)計(jì)過程不僅可以提高本科生的科研實(shí)踐能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新思想，而且對(duì)提高學(xué)生未來工作環(huán)境的適應(yīng)能力均具有重大意義。生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生經(jīng)過“生物信息學(xué)”課程的系統(tǒng)訓(xùn)練后，具有了開展生物信息學(xué)研究的基本素質(zhì)，有更多的學(xué)生愿意在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開展相應(yīng)的研究工作。自學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)以來，每年均有10%—20%的學(xué)生能夠以生物信息學(xué)課題作為他們的畢業(yè)論文內(nèi)容。生物信息學(xué)數(shù)據(jù)涉及生命科學(xué)研究的不同領(lǐng)域，為具有不同科研興趣愛好的學(xué)生提供了廣泛的分析數(shù)據(jù)。對(duì)于具有自己想法的學(xué)生，首先要求學(xué)生根據(jù)自己感興趣的方面查找文獻(xiàn)資料，提出科學(xué)問題。教師和學(xué)生共同討論實(shí)驗(yàn)方案，指導(dǎo)其獲得所需數(shù)據(jù)用于后續(xù)生物信息分析。然后學(xué)生獨(dú)立按照方案開展生物信息分析，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，教師與學(xué)生就生物信息分析結(jié)果展開討論，歸納總結(jié)結(jié)論。學(xué)生根據(jù)要求撰寫畢業(yè)論文和進(jìn)行論文答辯。例如，有的學(xué)生對(duì)病毒感興趣，便指導(dǎo)其分析不同地區(qū)分離獲得病毒的差異，對(duì)其開展系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析；有的學(xué)生對(duì)植物的可變剪接方式感興趣，便指導(dǎo)其對(duì)作物的轉(zhuǎn)錄因子的可變剪接開展研究；有的學(xué)生對(duì)大豆感興趣，便指導(dǎo)其對(duì)大豆的抗病或農(nóng)業(yè)性狀相關(guān)的功能基因開展生物信息學(xué)分析。對(duì)于那些沒有自己想法的學(xué)生，則可根據(jù)教師自己的研究方向或者學(xué)生的專業(yè)選擇畢業(yè)實(shí)習(xí)的內(nèi)容。發(fā)達(dá)的校園網(wǎng)為學(xué)生開展生物信息學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了基本條件。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室集中開展生物信息分析工作。師生間、學(xué)生間研究討論，相互促進(jìn)提高。所有畢業(yè)生在半年或更短的時(shí)間內(nèi)均可順利完成畢業(yè)實(shí)習(xí)。這些畢業(yè)論文涉及廣泛，成績均在良好以上。另外，每年的本科畢業(yè)生中均有對(duì)生物信息學(xué)抱有濃厚興趣，考取生物信息學(xué)專業(yè)或相關(guān)專業(yè)研究生的學(xué)生很多。

綜述所述，在“生物信息學(xué)”多年的教學(xué)實(shí)踐中，已經(jīng)逐步建立起了課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多環(huán)節(jié)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，是以課程為基礎(chǔ)的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要探索，該體系仍需進(jìn)一步完善。

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