探究式教学在基因组学课程中的实例研究：基于比较基因组学鉴定大肠杆菌致病因子

周纪东，李余动



探究式教学在基因组学课程中的实例研究：基于比较基因组学鉴定大肠杆菌致病因子

周纪东1，李余动2

1. 浙江育英职业技术学院生物技术系，杭州 310018；2. 浙江工商大学食品与生物工程学院，杭州 310018

基因组学是现代生命科学中众多“组学”研究方法的核心，越来越受到高校生物教学的重视，但目前关于其教学方法的研究报道较少。文章以大肠杆菌致病因子的比较基因组学教学作为一个专题教学实例，展示探究式教学法在基因组学课程中的应用。学生首先以Mauve软件比较不同大肠杆菌的基因组，分析基因的保守性，并以BLAST检索基因的功能注释信息，从而鉴定其是否为致病因子基因。在该专题教学中，整个教学过程通过情境、资源、任务、过程、评价5个模块来组织实施。教学效果表明，通过探究式教学的应用，学生在掌握基因组学课程知识与专业技能的基础上，提高了科研兴趣与自主学习能力。此外，该专题教学内容还可应用于其他相关课程如微生物学、生物信息学、分子生物学及食品安全检测技术等。

探究式教学；基因组学；致病因子；自主学习

基因组学(Genomics)是从系统整体的观念研究生物体全部遗传物质结构与功能的新兴学科，也是当代生命科学“组学”理论体系和研究方法的核心[1,2]。在人类基因组计划的影响下，基因组学迅猛发展，与人类疾病诊断、生物起源进化、新药开发、生物病原鉴定等重要问题息息相关，对人类社会的许多方面产生重大影响[3]。基因组学作为一门生命科学前沿课程和交叉课程，面向生物技术等相关专业学生，为丰富学生知识面、完善知识结构和提高创新能力，以及强化学生对生命科学前沿领域学术探索的敏感性，都有着重要影响。目前，该课程已成为高校生物技术课程体系中的重要组成部分, 国内外许多高校生物技术等相关专业都将其设为必修课或选修课[4]。

探究式教学是20世纪50年代美国著名课程理论家和生物学家施瓦布教授提出的[5,6]，通过为学生提供一个真实的问题情境，让学生像“科学家”一样，运用探究的方法进行学习。通过探究问题的提出、解决和观点的形成过程，从中真正了解科学知识的本质、受到科学方法的教育，形成理性批判的科学态度与科学精神，是一种融知识传授、能力培养和素质提高为一体的教育模式[6,7]。

针对基因组学的综合性与复杂性，其课程内容具有难点多、进展快、与其他课程交叉性强等特点，近年来授课教师积极探索，在教学过程中尝试引入过程启发式教学法、讨论式教学法、互动教学法等，来代替传统的“注入式”教学过程，以充分提高学生的学习兴趣与培养科研思维能力[2,3,8]。2012年至今，浙江育英职业技术学院与浙江工商大学开展教学改革合作，尝试对浙江工商大学食品与生物工程学院生物工程专业学生开展基因组学课程探究式教学模式的改革，旨在对学生的科研思维和综合素质进行培养，受到学生的欢迎和肯定。文章以大肠杆菌致病因子的比较基因组学教学为专题教学实例，展示探究式教学法在基因组学课程中的应用。

1 基因组学课程探究式教学的设计

依据“学生主体，教师辅导”原则，教师以当前热点、焦点事件中与基因组学课程中知识重点、技术难点有关的“关键词”为研讨专题，辅以相关文献为研读资料，结合网络数据库资源、实验室资源等学习资源，在研究情境中引导学生采用自主学习、小组研讨和全班交流等方式开展课程学习(图1)。

其中，教师要根据课程教学大纲规定的内容，筛选与知识重点、技术难点相关的“关键词”，设计研讨专题，检索并下载相关文献，整合相关学习资源，指导学生研读文献和开展练习、制作讲稿并进行全班交流。学生则根据兴趣选择研讨专题，按4~8人自由组合成若干学习小组，在充分研读文献和利用相关学习资源的基础上，进行小组讨论，制作PPT讲稿，并在全班进行演讲、答疑和讨论。

图1 基因组学课程探究式教学设计流程图

2 大肠杆菌致病因子的比较基因组学专题教学实例

2.1 专题教学过程设计

本次教学过程设计见表1，包括教学模块、教学内容、教学地点及课时安排。

2.2 专题教学过程组织实施

2.2.1 情境模块

情境内容不仅要贴近生活，还要能够引起学生的学习兴趣，激发其进一步探索的动机。教师通过介绍近些年因大肠杆菌致病菌感染造成的印度“超级细菌”与德国“毒黄瓜”事件，引发学生对大肠杆菌及其致病因子专题的学习兴趣，使学生带着明确的目标进入研习过程。

2.2.2 资源模块

教师要为学生提供完成任务所必须的、各种软硬件资源。目前，已有不少用于基因组序列比对的软件，其中Mauve软件具有独特的优点如：图形界面良好、操作方便、可以比较多个基因组序列等，非常便于学生学习与理解基因组比对，成为基因组教学中理想的工具(图2)。Mauve软件可从网站(http: //gel.ahabs.wisc.edu/mauve/)免费下载。

基因功能的注释信息可以通过在线BLAST搜索美国国立生物技术信息中心(National center for biotechnology information, NCBI)的GenBank数据库，或美国能源部联合基因组研究所(Joint genome institute, JGI)开发的综合微生物基因组(Integrated microbial genomes, IMG)数据库获得。关于同源序列搜索工具BLAST的使用方法与结果解释，学生可以查阅学习网络资源，如NCBI网站(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)的帮助文档。

表1 专题教学过程安排

图2 Mauve软件界面及其基因组比对结果分析

2.2.3 任务模块

任务是教学目标的具体化，是一个可以完成的、清晰明确的、操作性强的学习任务。教师要求通过本次专题教学活动实现以下学习任务：(1)学生应掌握利用Mauve软件进行基因组序列比对，并能从全基因组比对结果中鉴定基因岛；(2)学生能应用BLAST搜索GenBank/IMG数据库，分析致病因子基因的保守性，理解基因水平转移的分子机制。在规定课时内，教师要求各组学生明确组长与各成员的分工，利用网络数据库资源完成以上学习任务，形成文字材料及一定的图表数据，以PPT形式分组汇报。

2.2.4 过程模块

在此教学环节中(图3)，教师着重讲解Mauve软件的基本操作知识，包括软件安装、序列文件准备、序列比对及结果分析。在序列结果分析中，重点介绍Mauve软件图形界面中的操作，演示如何鉴定基因组的变异及从细菌基因组序列中寻找基因岛的方法。演示完成后，教师以3株大肠杆菌菌株(K-12/O157:H7/O104:H4)基因组序列为例，安排学生上机练习，逐步掌握Mauve软件的操作方法及基因岛的鉴定方法。

结合上述操作中获得致病菌株的特异基因岛，针对其中已经可以识别的基因或开放阅读框架(Open reading frame, ORF)序列，学生可以通过BLAST搜索GenBank/IMG数据库来寻找对应的基因功能注释信息，并根据致病因子相关的文献知识，判断是否为潜在的大肠杆菌致病因子基因。如图2中，选定的2A基因在致病菌株O157:H7和O104:H4中均存在，而在str. K-12中并不存在，则其可能为潜在的致病因子基因。在此基础上，教师以O157:H7的志贺毒素为例，鼓励学生通过课外研读该致病因子相关文献来了解志贺毒素等细菌致病因子的知识，并从GenBank/IMG等数据库中获取基因功能注释信息。最后，学生根据BLAST搜索结果思考大肠杆菌致病菌株的毒素基因可能的来源，例如O157:H7的志贺毒素基因是由噬菌体感染中获得，从BLAST结果看，最好的匹配Hits大多是原噬菌体[9]。通过上述学习，可以让学生理解自然中基因的水平转移过程是广泛存在的，从而理解细菌致病或耐药现象的产生机制。

图3 过程模块中学习内容流程图

2.2.5 评价模块

为了促使教学过程进入一种规范有序的管理模式，教师需要通过多样化评价手段和方法对教学效果进行评价，主要是以小组课堂报告(包括资料采编、PPT制作、演讲、答疑等方面)与个人课堂作业相结合的方式开展评价。

在完成过程模块学习后，各组学生通过组内讨论，总结自身的研究结果并做成PPT文稿，每组选派代表在课堂上做报告，然后全体学生集体讨论交流，鼓励其他学生指出其存在的问题，由该组学生做出相应的答疑，最后教师进行点评。

课堂作业旨在考察学生对任务模块内容的掌握情况。教师在基因组比对结果中，筛选若干个单株大肠杆菌致病菌独有或两株大肠杆菌致病菌中共有，且在正常菌株中不存在的基因组区域，要求学生以其中某个区域为对象完成以下题目：(1)简述该区域中各个基因；(2)通过BLAST搜索这些基因在不同细菌中的同源基因，列出前5个最佳比对序列(附上同源基因及其所在物种的名称及相似度%)；(3)综上分析，哪些基因与致病菌株的致病性有关，即其可能为潜在的致病因子基因，以及大肠杆菌致病菌株获得这些致病因子基因可能的进化分子机制。

3 专题教学效果

此教学过程涵盖细菌学、毒素与疾病、基因与进化等诸多概念，涉及基因组数据处理与生物信息分析等操作技能。通过此次学习过程，学生不仅完成了上述操作技能的练习，对自己感兴趣的基因进行具体分析，还研读了细菌致病因子的相关文献，加深理解细菌的致病机理及基因水平转移的分子机制。从作业及报告结果看，多数学生掌握了基因组序列比对方法与基因岛鉴定方法，能通过BLAST同源搜索，根据序列相似性与致病因子的相关知识判断出潜在的致病因子基因。如图2为一学生作业的分析结果，浅蓝色区域ORF为找到的大肠杆菌致病菌潜在的致病因子基因。

专题教学结束后，我们对学生掌握相关技能的程度开展问卷调查(表2)。调查对象为生物工程专业2012级两个班学生，分别为生物工程1201班(32人)、1202班(30人)。以1201班作为对照组，采用传统的讲授式教学法完成此案例教学；作为比较，以1202班作为试验组，同步采用探究式教学法完成此案例

教学。由表2可知，两组学生对本次专题教学所涉及技能的掌握程度存在显著性差异，尤其表现在对第3、4个技能项目的掌握。由此表明，探究式教学中实现了“教学做一体”，在学习任务的引领下学生通过“学中做、做中学”的学习过程，有效地将理论与实际相结合，从中训练并掌握这些技能项目。

纵观整个教学过程，学生在掌握专业知识与技能的基础上，还提高了科研兴趣与独立思考能力，并锻炼了科技论文阅读写作水平和演讲口才，尤其是在课堂报告制作与演讲答疑过程中为学生提供了创新机会，通过团队合作与共同努力，每个小组独立完成专题PPT，每次专题报告都像一个作品，很好地满足了学生的成就感。

表2 两组学生技能项目掌握程度比较

注：采用卡方检验法评价组间差异，0.01＜＜0.05为显著性差异，＜0.01为极显著性差异。

4 结 语

基因组学课程中探究式教学的尝试与应用，勾勒出生物信息学及相关“组学”课程一种全新的教学模式：以现实中与人类疾病相关案例或者热点事件为问题，引导学生对学习内容产生充分兴趣，采用与此领域当前科研活动相似的专业分析方法，研究与解决相关问题[5]，使学生切身感受到“学以致用”，学生也从中培养了自身的自主学习能力、文献阅读能力、解决问题能力、沟通表达能力和团队合作意识。

此外，该专题教学内容还可应用于不同课程教学中，例如微生物学课程中学习细菌毒力因子及其致病机理，也可用于生物信息学课程中学习基本的BLAST分析工具、基因组进化等。鉴于本次教学内容以模式生物大肠杆菌为对象，若与大肠杆菌相关实验相结合，还可广泛应用于其他相关课程如分子生物学、食品安全检测技术等领域。

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(责任编委: 陈德富)

Study on an inquiry-based teaching case in genomics curriculum: identifying virulence factors ofby using comparative genomics

Jidong Zhou1, Yudong Li2

Genomics is the core subject of various “omics” and it also becomes a topic of increasing interest in undergraduate curricula of biological sciences. However, the study on teaching methodology of genomics courses was very limited so far. Here we report an application of inquiry-based teaching in genomics courses by using virulence factors ofas an example of comparative genomics study. Specially, students first built a multiple-genome alignment of differentstrains to investigate the gene conservation using the Mauve tool; then putative virulence factor genes were identified by using BLAST tool to obtain gene annotations. The teaching process was divided into five modules: situation, resources, task, process and evaluation. Learning-assessment results revealed that students had acquired the knowledge and skills of genomics, and their learning interest and ability of self-study were also motivated. Moreover, the special teaching case can be applied to other related courses, such as microbiology, bioinformatics, molecular biology and food safety detection technology.

inquiry-based teaching; genomics; virulence factors; self-study

2014-08-14;

2014-09-23

浙江省教育科学规划研究课题(编号：SCG348)和国家自然科学基金青年项目(编号：31101339)资助

周纪东，硕士，讲师，研究方向：微生物遗传学。E-mail: tristanzhou1976@sina.com

李余动，博士，副教授，研究方向：微生物遗传学。E-mail: lyd@zjsu.edu.cn

10.16288/j.yczz.14-273

网络出版时间: 2014-12-16 16:28:45

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20141216.1628.003.html