农业院校生物信息学教学模式探索

姚正培，张 桦，代培红，夏木斯亚

（新疆农业大学 农学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

农业院校生物信息学教学模式探索

姚正培，张 桦，代培红，夏木斯亚

（新疆农业大学 农学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

生物信息学是一门由生命科学、数学和计算机科学相互渗透形成的新型交叉学科，其发展迅速、应用性强，已成为生命科学研究者强有力的辅助工具。生物信息学课程在农业院校相关专业中的地位日益提高。本文作者结合自身教学实践探索，针对生物信息学课程教学中存在的无合适教材、网络资料繁杂、教学内容陈旧、教学手段单一、考核模式简单等问题，从课程的教学内容、教学方法、考核办法等方面进行了论述，旨在为农业院校开展生物信息学课程建设奠定基础。

生物信息学；教学模式；探索

生物信息学是一门由生命科学、数学和计算机科学相互渗透形成的新型交叉学科，它利用各种计算机软件、生物学工具及互联网技术对生命科学研究中产生的各种生物数据进行存储、加工及分析，从而达到理解数据中的生物学含义的目标[1-3]。当前，生物信息学已经成为生物、医学、农学、遗传学、细胞学等生命领域各学科发展的强大推动力量，已成为生命科学研究者强有力的辅助工具。近年来，随着分子生物学在动物植物育种、遗传资源创新、品种改良、病虫害防治等农业方面的应用，生物信息学作为一种实用、高效的手段被充分利用。《生物信息学》课程也相应地被列入各农业院校大学生教学计划。新疆农业大学根据学校专业发展现状及学生培养需求于2010年将《生物信息学》课程作为生物技术专业的必修专业课，通过三年来的教学实践，针对课程教学中存在的无合适教材、网络资料繁杂、教学内容陈旧、教学手段单一、考核模式简单等问题[4-5]，笔者在课程的教学内容、教学方法、考核办法等方面进行了初步探索，本文现就该课程教学模式作一论述。

一、教学目标及内容

由于生物信息学是一门新兴学科，其理论及相关分析工具发展迅速、不断更新，在课程教学目标和教学内容上也在不断变化。我认为对于当前农业院校生物技术专业的培养目标和要求是让学生理解掌握生物信息学相关的一些基本理论、实验技术及实践操作，以核酸序列及蛋白质序列的实际分析为主要侧重点，着重培养学生的实践能力，使他们能适应今后工作学习的需要。据此，确定了以下的教学内容：教学内容共36学时，分为理论基础和上机实践两部分，理论课中穿插实例示范，共24学时。理论教学内容包括：生物信息学绪论、生物信息学的生物学基础、生物信息数据库及其检索、序列的基本信息分析及比对、分子系统发育分析、蛋白质结构预测及分析、组学技术及信息学分析；上机实践共12学时，内容包括：常用生物数据库的查询与搜索、核酸序列的分析方法实践、多序列比对和系统发育分析、蛋白质序列分析及空间结构预测、DNA序列中基因结构预测分析。在理论授课中介绍与农业相关生物信息数据库及应用，在实例分析中选用本校教师相关研究结果作为数据来源，拉近学生与知识点的距离，提高学习兴趣，使学生认识到学习本课程的意义，通过讲练结合使学生掌握相关实践分析能力。

二、教学材料

1.教材的选择。生物信息学目前仍处于飞速发展时期，尤其是随着各种新技术、新理论及组学的发展，涉及到的学科越来越多。当前生物信息学专著及教材层出不穷，但中文版书籍中影印国外原版教科书和翻译书籍仍占很大比例，这类书籍中，专著专业性过强，而教材又多是针对生物信息学专业的学生或“一本”的学生编写的，难度较大，并且各自侧重点不同，并不适合作为一般的农业院校的生物信息学教材。笔者在教学过程中先后使用了由钟扬等编写、高等教育出版社出版的《简明生物信息学》及由肖浪涛主编、中国农业出版社出版的全国高等农林院校“十一五”规划教材《生物信息学》作为主要的参考教材。但是，在教学实践中笔者感到《简明生物信息学》由于出版时间较早（2001年）已不能满足实际教学工作的需要，书中的很多内容都已更新，很多网站页面也已重组或失效，而近年被广泛使用的一些著名生物信息学软件亦未涉及。而《生物信息学》一书偏重理论知识介绍，实例分析及操作应用偏少。因此，笔者根据本校专业建设需要及学生水平编写了适用于本校学生使用的简明教材。教材中理论部分主要参考上述两本教材，并进行了简化，降低难度，舍去算法、模型等专业性较强的章节；实践部分参考薛庆中等主编、科学出版社出版的DNA和蛋白质序列数据分析工具（第2版，2010年）一书，并附具体实例，最终形成理论部分简明易懂，实践部分易学易用的实用型教材。

2.生物信息学相关数据库及软件的选择。生物信息学发展迅速，相关生物信息数据库及生物信息软件数量不断增加，版本不断更新，这为生命科学相关研究提供了极大便利，但同时也为《生物信息学》课程实践部分的教学带来了挑战与压力。例如要分析一条蛋白质序列的分子量、等电点、氨基酸组成等信息，我们可以使用DNAMAN、Bioedit、DNAStar、Vector NTI等本地软件分析，也可以使用Prot-Param、SAPS等网络在线程序分析。在有限的教学时间内，如何选择数据库及高效易用的生物信息学分析软件也是教学中一个重要的问题。通过参考相关生物信息学分析的书籍及近年文献，综合考虑数据库及软件的通用型、易用性及本校学生的英语水平、计算机操作水平，结合教学目标及内容，我们选择常用的核酸序列数据库GenBank、蛋白质数据库PDB等，软件方面选择DNAMAN、Bioedit、Clustal W、MEGA、Primer Premier、RasMol等常见的生物信息学离线分析软件及整合于NCBI、EXPASY、PDB等网站上的在线分析软件开展实践教学，而其他软件在课堂上只做简单介绍，具体操作方法作为辅助资料供学生自学。这样学生在有限的学时内可掌握更多的分析内容，达到“高效”的教学目的。

三、教学方法

1.及时更新完善多媒体教学资料。生物信息学课程理论知识较抽象，实践操作多，与计算机、互联网联系紧密，内容更新快，当代大学生已习惯并乐于使用各种多媒体途径获取信息，这些特点决定了其非常适于进行多媒体教学。为此，我们根据教学内容开发制作了一套多媒体教学资料并及时更新完善。教学多媒体资料包括PowerPoint课件和Flash动画，课件注重知识的层次性、联系性，将理论基础、实验技术操作流程等较抽象的生物信息学知识通过大量图片形象地展示给学生，从而提高学生的学习兴趣并加快学生对抽象知识的理解；动画的内容是利用屏幕录像软件将实例分析过程录像并配音，最后转为Flash格式，穿插在理论教学及实践教学过程中使用，从而使学生在自己实践操作前先有一个形象的认识，将理论知识与实践操作有机联系在一起。

2.充分利用网络教学平台辅助教学。生物信息学是一门以互联网为媒介、计算机为工具的学科。在教学中，网络教学平台的使用在提高学生学习兴趣、增强师生互动、强化教学效果等方面起到了很好的辅助作用。利用网络教学平台，教师可将课程课件、动画、分析工具、实践教学内容等共享给学生并及时了解学生学习动态，学生可将实验报告、作业、学习问题及意见反馈给教师，师生可以通过网络教学平台的论坛版块在课余就学习或实践中的问题进行讨论，达到“教学相长”的教学目的。此外，利用网络教学平台还可将课堂中未详细讲述的大量数据库、软件的使用过程及相关电子参考书、文献共享给学生，有利于提高学生学习自主性并拓宽课程外延。

3.边讲边练，理论知识密切联系实践操作。德国心理学家艾宾浩斯研究发现，在学习和记忆过程中，最初阶段遗忘速度最快，随着时间推延，遗忘越来越慢。因此，为了让学生能牢固掌握所学知识及实践技能，我们在教学中采取边讲边练的形式。对于理论知识，我们采取课前提问、课中提问、小测验及实践操作过程中知识点重现等方式，使重要理论知识在整个教学过程中多次出现，增强学生对课程知识体系的系统认知并强化其对理论知识的记忆。对于实践操作，我们采取案例式教学，直接将实例分析穿插在理论授课过程中，并在理论课后及时安排学生在计算机房上机联网操作，如在讲授序列比对理论课时，实例演示使用DNAMAN、Blast等软件进行序列比对的过程，并在理论课后紧跟DNAMAN软件使用、数据库搜索的实践操作，这样既加深学生对理论知识的理解，还有利于学生掌握实践操作能力。

4.布置实践任务，加强综合能力培养。生物信息学教学强调学生的实践能力培养。因此，在教学设计上，我们将学生按4～5人分成小组，通过学生自选或制定的方式布置特定实践任务，要求学生以小组为单位，利用本课程所学知识及技能完成任务并提交任务报告。例如，在课程一开始讲授数据库时，要求学生通过查文献、了解本校相关分子生物学研究内容并结合自己的兴趣选择特定基因，围绕该基因，在后续整个课程的学习过程中利用掌握的各种生物信息学分析方法对其进行序列查询、引物设计、序列比对、编码区分析、蛋白理化性质预测、保守结构域预测、结构预测、分子系统发育分析等操作，过程中学生互相讨论、取长补短，最终协作完成实践任务。这样既使学生较全面地掌握了课程内容，同时又加强了学生分析问题、解决问题的综合能力。

四、考核办法

在课程考核方面，本着生物信息学课程培养实践应用能力的教学原则，为使学生真正掌握生物信息学的基本理论及实践操作，我们改变了过去闭卷考试占主体或写课程论文的简单考核方式，采取了过程考核、实践考核并结合考试考核的方式对学生的学习效果进行综合评价。考勤及口头提问占考核成绩的10%，4次随堂测验占考核成绩的20%，上机操作占考核成绩的20%，实践任务作业占考核成绩的20%，期末闭卷考试占考核成绩的30%。这样考核虽然过程复杂，对学生及教师都带来更大压力，但杜绝了学生平时不学，期末突击，忽视实践的现象，学生必须注重平时的学习及实践操作才能顺利通过课程考核。这样的考核办法能够更客观准确地评价一个学生对课程的实际掌握情况。

随着生物信息学在农业各研究领域的广泛应用，掌握生物信息学知识及分析能力已成为农业院校相关专业毕业生的必备要求，生物信息学课程也必将在农业院校各相关专业建设中占据越来越重要的地位。通过本课程的教学实践探索，学生学习主动性、实践操作能力、最终学习效果均得到提高，笔者也积累了一定经验，取得了一定的教学成效，找到了一些适合农业院校的切入点，但是课程教学中还有很多需要进一步完善改进的地方。生物信息学学科的快速发展，也决定了本课程的教学模式必将是一个动态发展的过程，相信随着对生物信息学学科的深入认识，生物信息学课程教学模式也将不断完善，形成自己的独特体系。

[1]钟扬，张亮，赵琼.简明生物信息学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]肖浪涛.生物信息学[M].北京：中国农业出版社，2006.

[3]王禄山，高培基.生物信息学应用技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4]胡娜，常军，徐玲.生物信息学教学改革与探索[J].安徽农业科学，2010，38（3）：1588-1589.

[5]梁琛，张建海.农科类生物信息学课程教学中存在的问题及对策[J].农业与技术，2010，30（5）：136-137.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0214-02

新疆农业大学课程建设项目。

姚正培，硕士，讲师，2007年至今任教于新疆农业大学，在校主讲生物信息学、生物化学等课程，研究方向为植物抗逆分子生物学。