生物信息学学生创新能力培养体系的探索与实践

高亚梅 韩毅强 刘金文

摘 要：生物信息学在高校生物相关专业往往作为必修或选修课开设，对学生的创新能力的培养具有重要意义。在生物信息学课堂教学、实验教学、课外大学生创新训练项目、毕业设计等环节开展教学实践，构建学生创新能力培养体系，有助于提高教学质量。

关键词：生物信息学；创新能力；高校

中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）06-0078-02

随着生命科学在21世纪的不断发展，新的学科不断涌现。生物信息学作为交叉学科之一，与生物技术的各个领域具有密切关系，并对医药、卫生、农业等产业发展具有重要影响[1]。鉴于生物信息学对相应的基础学科发展和产业应用的重要作用，“生物信息学”课程首先在高校的研究生教学中开设，后逐步纳入到本科专业教学中。黑龙江八一农垦大学生物技术专业自2003年设立就开设了“生物信息学”课程，目前在黑龙江八一农垦大学的多个本科专业和生命相关研究生专业中开设此课程。近几年，浙江大学、武汉大学、华中科技大学、哈尔滨医科大学等十几所高校已经增设了生物信息学本科专业[2]。由此形成了完整的本科、研究生生物信息学人才培养体系，为社会培养了大量生物信息学人才，推动了生物相关高新技术产业的不断发展。

“生物信息学”在高校生物相关专业往往作为必修或选修课开设，主要讲授与生物相关的各类生物信息的收集、储存、获得与分析方法。课程体系和教学方法经过十几年的教学探索[3-6]，逐渐完善。但是由于生物信息学学科本身的迅速发展，对课程内容、教学方法等不断提出新的挑战。同时也是高校教学质量提升的内在要求，仍需大量的教学改革实践与探索。笔者在“生物信息学”教学过程中，结合自己多年的教学实践[7-8]，进一步提出多环节的“生物信息学”课程创新培养体系，包括在课堂教学、实验教学、课外大学生创新训练项目、毕业设计等不同的教学环节开展“生物信息学”的教学实践，提高“生物信息学”的教学质量，提升学生科研创新能力和实践应用能力。

一、丰富生态课堂教学实践，更新教学内容

课堂教学是培养学生创新能力的重要教学环节。生物信息学与现代的网络和信息技术密不可分，因此，实现信息技术与课程教学的有效整合是教学成功与否的关键所在。在教学过程中，以现代的教育生态观为指导开展课堂教学活动，构建了以多媒体网络同步教学系统为基础的生态课堂。在生态课堂教学实践中，教师更多的是为学生提供信息化的学习环境和资源，更注重与学生的实时交流。信息化学习环境中包括相关资源、各类网络中交流工具。教师在信息化的学习环境中除了课堂传授知识、监控管理以外，主要是通过查看学生的学习状况，指导学生的实践操作，解答学生的疑问以及师生讨论交流为学生提供建议和指导，促进学生自我的知识建构。目前网络开放课程已经成为新兴的教育资源，在教学中鼓励学生充分利用这些优质资源进一步开阔视野，例如北京大学的网络开放课程“生物信息学”、中科院的生物信息学网络课程资源以及国外的生物信息学教学培训网络资源。

课堂实训作为课堂教学的重要教学方法，可以充分锻炼学生的实践创新能力，让学生在实践训练中开展知识建构。有些学生甚至可以在完成教学基本要求的基础上，独立的开展深入的学习，掌握更多的生物信息学分析方法和软件。课堂实训均以生物相关专业的问题设计，例如微生物分类学中的16S rDNA分子鉴定分析中的系统进化分析，酶工程里面的酶结构模拟，基因工程中的基因预测、引物设计、酶切位点分析等。这些内容将多学科内容融为一体，有助于培养学生的创新思维，引导其发现和思考科学问题。

在课堂教学过程中，注重对生命科学进展的追踪。将最新生命科学内容引入到教学中来，不断完善“生物信息学”的教学内容。例如第二代测序技术产生的海量数据的处理方法，非编码RNA的介绍与生物信息分析，宏基因组测序数据的获得与分析等。

二、以问题为导向开展实验教学

为培养学生科学思维和创新意识，“生物信息学”的实验教学内容以问题为导向，培养学生综合运用生物信息学知识和方法，解决其它生物学相关学科中实际问题的能力。通过优化实验教学内容，系统的、全面的训练学生进行生物信息分析的基本操作和基本技能。实验教学以综合性、设计性实验为主。在实验过程中，学生需要根据自己的兴趣自由选择实验分析的序列或分析的对象，并自行设计实验方案。学生具有自主性，易于调动其积极性。黑龙江八一农垦大学的生物技术专业依托于省级重点专业，以农业微生物及技术作为重要的研究方向。在综合设计性实验中紧密结合专业方向，针对生物技术专业所涉及的科学问题设立“生物信息学”的实验内容。例如，“土壤微生物扩增子高通量测序数据的获得与分析”实验结合环境生物技术专业课程的土壤微生物生态研究，要求学生挑选自己感兴趣的土壤类型，在数据库中查找并获得其16S rDNA扩增子高通量测序数据。然后利用生物信息学软件分析，获得各种土壤类型的微生物类群特征。最后要求学生制作幻灯片并在课堂上报告自己的结果，相互比较分析。设计性实验开设了“微生物重要功能基因的生物信息学分析”实验，学生自主查找文献资料选题，自行设计生物信息学分析方案，充分发挥学生的学习主动性，并要求学生提交相应的论文作为实验报告。以多种形式提交实验结果，改变了以往标准实验报告的单一形式，同时在实验成绩考核中计入其课堂表现综合评价。实验教学中以教育生态观为指导，构建以多媒体网络同步教学系统为基础的生态实验课堂，从而实现了与信息技术整合，全面提升实验教学的教学管理与教学效果。

三、强化课外大学生创新训练项目研究

大学生创新训练项目是大学生参与科学研究、社会实践，检验理论和实践的一个重要环节，可以激发学生学习的主动性、积极性和创造性，提高大学生的科学素质和文化素养，培养大学生的创新精神、创业精神和实践能力。在“生物信息学”的教学过程中，除利用课堂教学和实验教学培养学生创新能力，还积极支持和指导学生基于生物信息学申报和开展课外的大学生创新训练项目，构建多层次的学生创新能力培养体系。首先教师积极鼓励对生物信息学研究具有浓厚兴趣的学生自愿组合形成项目小组，指导其根据研究兴趣查阅相应文献，发现科学问题，由小组成员亲自设计实验方案，制定技术路线。项目申请、项目实施、中期检查到结题的各项工作主要由学生来完成，教师给予相应的意见和建议。学生通过大学生创新训练项目经历了基本科研工作的全部过程，并积极发挥他们的聪明才智，将课程的理论学习与科学实践有机的结合起来，切实提高了学生的创新能力，对其今后的发展带来重要影响。自大学生创新训练项目启动以来，已有十多名学生参与到以生物信息学为主题的项目中来，使该项目成为了生物信息学课外培养大学生创新能力的重要平台。

四、开展生物信息学相关毕业设计训练

毕业设计过程不仅可以提高本科生的科研实践能力，激发他们的创新思想，而且对提高学生未来工作环境的适应能力均具有重大意义。生物技术专业的学生经过“生物信息学”课程的系统训练后，具有了开展生物信息学研究的基本素质，有更多的学生愿意在毕业设计环节开展相应的研究工作。自学院生物技术专业开设以来，每年均有10%—20%的学生能够以生物信息学课题作为他们的毕业论文内容。生物信息学数据涉及生命科学研究的不同领域，为具有不同科研兴趣爱好的学生提供了广泛的分析数据。对于具有自己想法的学生，首先要求学生根据自己感兴趣的方面查找文献资料，提出科学问题。教师和学生共同讨论实验方案，指导其获得所需数据用于后续生物信息分析。然后学生独立按照方案开展生物信息分析，获得实验结果。最后，教师与学生就生物信息分析结果展开讨论，归纳总结结论。学生根据要求撰写毕业论文和进行论文答辩。例如，有的学生对病毒感兴趣，便指导其分析不同地区分离获得病毒的差异，对其开展系统发育关系分析；有的学生对植物的可变剪接方式感兴趣，便指导其对作物的转录因子的可变剪接开展研究；有的学生对大豆感兴趣，便指导其对大豆的抗病或农业性状相关的功能基因开展生物信息学分析。对于那些没有自己想法的学生，则可根据教师自己的研究方向或者学生的专业选择毕业实习的内容。发达的校园网为学生开展生物信息学毕业设计提供了基本条件。学生在实验室集中开展生物信息分析工作。师生间、学生间研究讨论，相互促进提高。所有毕业生在半年或更短的时间内均可顺利完成毕业实习。这些毕业论文涉及广泛，成绩均在良好以上。另外，每年的本科毕业生中均有对生物信息学抱有浓厚兴趣，考取生物信息学专业或相关专业研究生的学生很多。

综述所述，在“生物信息学”多年的教学实践中，已经逐步建立起了课堂教学、实验教学、课外大学生创新训练项目、毕业设计等多环节的学生创新能力培养体系，是以课程为基础的大学生创新能力培养的重要探索，该体系仍需进一步完善。

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