面向学生创新实践能力培养的生物信息学教学改革初探①②③

海新+赵健+邓芳博+张力+杨琪+邱进云+刘宏生

摘 要：生物信息学是近些年迅速发展的交叉学科，已是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，生物信息学课程已成为高等院校生命科学相关专业的主要课程之一。生物信息学是一门实践性非常强的学科，其教学与其他学科显示出明显的不同，教学改革的内容应该着重于提高学生的创新实践能力。该文结合在生物信息学教学改革中的教学实践和总结的经验，从教学理念、教学方法、教学内容和考试改革等方面讨论了如何培养学生的创新实践能力。

关键词：生物信息学  创新实践能力  教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0143-02

2013年三位美国科学家以“为复杂化学体系设计了多尺度模型”而获得了诺贝尔化学奖，从此生物信息学（Bioinformatics）真正走到了自然科学的前台，成为未来发展的重要方向和热点。生物信息学是以生物学为核心和灵魂，以数学和计算机为基本工具的一门交叉学科，综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，获取、处理、存储、分发、分析和解释生物信息，进而揭示大量数据所蕴含的生物学意义。生物信息学已经成为生物医学、农学、遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科发展的强大推动力量，目前已经成为高等院校生命科学相关专业学生必须掌握的主要专业课程。要实现中华民族伟大复兴的中国梦，离不开科学技术的创新驱动，创新人才的培养自然成为高等院校的主要责任，高等院校教师需要根据培养学生创新实践能力的要求不断的开展教学改革。鉴于生物信息学的重要作用，最近几年各高等院校都相继开设了生物信息学课程，但是由于生物信息学是一门广泛的交叉学科，需要学生具有较扎实的多学科基础知识，且生物信息学自身发展迅速，新概念、新算法、新数据库等层出不穷，需要教师不断跟进，因此生物信息学的教学与其他学科显示出明显的不同，旧的教学方法不能适应生物信息学课程的发展。生物信息学教学改革的内容应该着重于提高学生的创新实践能力。该文将生物信息学教学改革中总结的经验，从教学理念、教学方法、教学内容和考试改革等方面，对在生物信息学课程的教学中如何培养学生创新实践能力进行了讨论。

1 教学理念上强调学生的实践能力和自主创新思维的培养

生物信息学是一门实践性非常强的学科，同时具有多学科交叉的特点。对于非生物信息学专业的生命科学相关专业学生，主要课堂目标是熟练应用各种软件、数据库解决实际的生物学问题，而不是研究新算法、开发新程序。非生物信息学专业的学生一般具有较好的生物学基础，对于核酸、蛋白质等相关知识已经较为熟悉，在教学中不必过多重复，而对于生物信息学中的数学模型，程序原理等内容具有较大的学习障碍，经过我们的教学发现，学生对于这些内容的不理解并不会显著影响其应用软件的实践能力。因此，对于非生物信息学专业的生物信息学本科课程，应当简化复杂难懂的理论知识，注重培养学生的实践能力，使学生可以应用生物信息学工具对生物数据进行分析，解决实际问题，在使用生物信息学工具解决实际问题的时候对生物信息学产生兴趣，增强创新实践能力。

2 采用启蒙式、研讨式、运用式等生动形象的教学方法

为了强调学生的实践动手能力，采用启蒙式、研讨式、运用式等生动形象的教学方法。（1）将授课地点定在计算机网络教室，接驳互联网的计算机安装有课堂管理系统，实时演示教师的操作。教师在授课过程中结合具体实例边讲解边示范操作，学生边听课边练习。（2）对课件增加图片、视频、音频等多媒体素材，使抽象的、静态的生物信息学知识以具体的、动态的形式演示，提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的掌握程度。例如在讲解蛋白质三维结构相关知识时，教师需准备好各种蛋白质的三维结构素材，并使用（同时教会学生使用）专业蛋白质三维结构看图软件进行演示操作，这样可以显著提高学生的实际操作兴趣。（3）进行课程录像，记录课堂上老师的讲课现场和计算机操作屏幕的录像，将视频放到网络教学平台上，供学生课后观看，降低生物信息学学习难度。（4）进行随堂在线操作练习，以教师和学生分别自设题目的方式开展创新实践练习，促进学生创新性思维方式，注重提高理论用于实践的综合能力，同时更有效地提高学生计算机应用能力。（5）采用双语授课，提高学生专业英语能力。生物信息学的实际操作离不开数据库和软件，而目前国际上通用的生物信息学在线数据库和常用软件的界面都是英文，因此学生必须能看懂生物信息学相关概念的英文说法。我们采用双语授课，对课程中的关键信息再使用中文重点讲解一遍。教学中发现大多数学生对英文授课及英文软件有惧怕和惰性心理，对此我们采用循序渐进多次重复的方式帮助学生克服最初的惧怕建立信心，在英语授课前一周，教师将多媒体课件通过网络教学平台发送给学生，并列出来关键名词，供学生提前预习，减少课堂上直接听英文的难度，在数据库和软件中，安排学生多次使用同一个软件，同一个数据库，对常用的词语进行重点说明，从而减小学习压力，增强学习信心。本方法增强了学生主动学习生物信息学自主能力，同时提高了学生英文听、说、读、写等能力。（6）发挥网络教学的优势，教师可根据教学内容从网上下载教学辅助资料，充分利用网络的现有资源，并通过网络教学平台为学生提供教学资源，将制作的教学课件、教学大纲、教学录像、参考文献、思考题、自测题等上传到教学平台上，使学生随时随地在教学平台里面进行下载教学课件、回答问题、提出问题，老师或者同学可以对所提问题进行网上解答、探讨。教师还可以通过网上论坛、聊天室、QQ、E-mail等对学生学习和生活进行指导和关心，可以及时了解掌握学生的学习情况，有利于教师不断调整教学方案，达到更好的教学效果。

3 教学内容上增强课程应用性

生物信息学的课程内容很多，具有很强的跨专业性，由于课时和学生专业的限制，我们应选择性地进行授课，教学内容主要强调课程实践应用性。（1）要在课程的第一节课明确生物信息学在生物学中的作用，讲解几个有趣而又简单的生物信息学应用，提高学生的学习兴趣。（2）对于理论知识只讲解其中最为基础而不可缺少的，并结合实际操作使学生形象化、具体化。授课中穿插讲解有趣而简单的生物信息学应用实例，提高学生的学习兴趣。（3）增加实验课学时，增强学生动手操作实践能力。生物信息学主要是通过计算机软件完成对生物数据的分析，分析过程中易出现各种错误，需要在多次操作实践中不断总结经验才能熟悉。因此增加实验课学时会明显增加学生的实践能力。我们每一节课分为两部分，理论讲解和实验操作，在理论讲解完成后，马上开展实验操作，这样可以让学生理解软件中应用的原理，不会出现在实验课时理论与实验脱节的现象。（4）生物信息学发展迅速，需不断把握国际最新进展，更新知识库，使学生学到最新的技术，更好的应用到实践中。因此我们密切关注学科发展动态，掌握最新研究成果，每学期的教学随时进行知识更新，及时将国内外及教师的新知识、新成果作为教学内容的一部分传递给学生。同时我们使用双语授课，并保证授课内容紧跟生物信息学的前沿，保证学生学到的都是最新的知识，刺激学生探索与实践的欲望。endprint

4 考试改革上促进学生实践能力和创新思维

考试改革的目的是强化实践教学，注重创新能力的培养;发挥教学中的积极性、主动性、创新性;在加强素质教育的基础上扩宽专业教育;培养“宽厚型、复合型、创新型、外向型”人才。考试可分为期末考试、平时练习和上机考试等三部分。期末考试使用传统的考试方式。平时练习为教学中的课堂练习题的评分。对于上机考试，我们引入无纸化考核，通过上机实践操作，重点考核学生在互联网环境下的随堂在线操作，随堂在线测试的内容主要是使用各种软件和数据库分析生物数据的操作实践，增强学生理论应用实践的综合能力。例如给出一个蛋白质的名称，让学生查询此蛋白质的序列、理化性质、翻译后修饰等信息，预测蛋白质二级结构，三维结构等操作。学生使用计算机在线完成指定的生物信息学分析内容，考查学生掌握实践操作的程度，促进学生注重提高理论用于实践的综合能力，同时更有效地提高学生计算机应用能力。这种考试模式可以显著的提高学生实践的积极性。

5 结语

总之，生物信息学教学需要培养学生自主创新学习的能力和在实践中自主创新获取知识的技能，使学生知识、能力、素质协调发展。为了提高学生创新性思维和实践操作能力，生物信息学教学改革应从以下几方面进行：在教学理念上，强调学生的实践动手能力、创新思维的培养;在教学方法上，采用启蒙式、研讨式、运用式等生动形象的教学方法;在教学内容上，增加实验学时，增强课程应用性，理论为实践服务;在考试改革上，采用多种考查考核方式促进学生实践能力、创新思维。在今后的教学工作中，我们将继续探索行之有效的教学方法、教学手段和教学模式，启发学生的创新实践意识，培养学生的创新思维和实践能力，以满足现代社会对创新型人才的需求。

参考文献

[1] 张纪阳，刘伟，谢红卫.生物信息学课程研究性教学的实践与思考[J].高等教育研究学报，2011（4）：51-53.

[2] 张幸果，丁俊强，朱伟，等.关于如何提高生物信息学教学质量的探讨[J].江西农业学报，2010（3）：194-195.

[3] 石生林，韩艳君，刘彦群，等.非专业研究生生物信息学课程教学中存在的问题及对策[J].生物信息学，2009（2）：125-127.

[4] 郭丽，赵杨，娄冬华，等.生物信息学实践课教学改革探索[J].南京医科大学学报：社会科学版，2014（2）：165-167.

[5] 芦秀丽，刘宏生，郑方亮.E-Learning在高校生物信息学教学实践中的初步建设和应用[J].中国科教创新导刊，2010（8）：173-174.endprint