师范院校生物信息学本科教学改革与实践

陈炼

摘要：生物信息学是一门融合了数学、生命科学、计算机信息科学和生物统计学的新兴交叉学科，其越来越深入影响生命科学发展，并成为生命科学发展不可或缺的重要工具。本文针对生物信息学本科教学现状，结合师范院校学生的学习特点，开展了生物信息学课程的教学改革，提出了相应对策，以期为提高生物信息学课程教学质量提供参考。

关键词：生物信息学;教学改革;师范院校

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）36-0134-02

生物信息学（Bioinformatics）的发展与上世纪90年代人类基因组计划的启动密切相关，它综合运用生物学、计算机科学和数学等多方面知识与方法来阐明和理解大量生物数据所包含的生物学意义。生物信息学已成为当今生命科学的重大前沿领域之一，是生命科学研究中重要的、不可或缺的研究工具。

我校生物信息学课程开设较晚，所以课程教学仍处于探索阶段，尚未形成成熟的课程体系。本文针对本校学生的需求、课堂教学反馈等情况对教学内容、教学方法等多方面开展了改革与实践，以期提高教学的质量和效果，培养全面发展的人才。

一、生物信息学课程教学现状

（一）教材较多，因此难以选择一本适合的教材

生物信息学教材很多，有些教材侧重于生物信息学理论和算法，如许忠能主编的《生物信息学》对生物信息学的理论和算法讲解详细，但是对于师范院校生物科学专业的本科生而言较为深奥，不易理解;有些教材侧重于生物信息学软件使用，学生对于软件分析所需要的背景知识掌握不够，即使能够运用软件，却不能正确分析和理解所得到的分析结果;由于生物信息学发展较快，教材更新速度相对较慢，一些新的生物信息学知识未能及时纳入到已出版的教材中，而且有些书中所讲的数据库资源早已停用，有些软件及其应用也早已更新版本。

（二）学生理论基础薄弱，学习主动性不够

虽然这门课程在我校是专业选修课程，考核方式以考查为主，但是选修这门课程的学生都对生物信息学有浓厚的兴趣。这门课程开设在大三下学期，很多同学尚未开展或即将毕业课题设计，希望通过本课程的学习对毕业论文或将来考研深造有所帮助。然而在学习过程中，由于对分子生物学、生物化学、遗传学等理论知识掌握不扎实，并且对学科前沿进展关注不够，很少阅读实验性论文，在学习生物信息学相关理论知识时理解困难，而且对于如何将生物信息学应用于实际的课题研究也感到困惑。

（三）学生英语基础不同，学习过程中容易产生消极情绪

要学好生物信息学，离不开大量专业文献的阅读，尤其是外文文献，追踪学科前沿研究进展，这就需要具备一定的专业英语基础。此外，很多生物信息学数据库以及应用软件都是全英文的，涉及专业英语词汇较多。由于学生的英语基础不同，在学习过程中有些学生感觉专业英语阅读和理解方面较吃力，容易产生畏难情绪。

二、教学改革与实践

（一）修改教学大纲，理论与实践结合

生物信息学是一门实践性很强的学科，仅仅靠教师单一的讲解理论和软件的使用方法学生是很难理解和掌握的，因此在教学过程中要理论和上机实践结合。教学大纲中原36学时为理论24学时、上机实践12学时。考虑到我校学生学习该门课程的实际需求，强化实践运用，将理论和上机实践课时均调整为18学时，学生在实践的过程中带着问题主动去思考，发现问题、解决问题，更好地去理解生物信息学的理论知识。原教学大纲中理论课学习结束后再进行上机实践，但是教学过程中发现理论课信息量大，有些知识学生初次接触没有较好地理解，或者当时能够理解，但过了一段时间后再进行上机实践时又要重新学习。在课程安排方面，调整为一个章节的理论课学习结束后开设相应的上机实践，通过实际操作练习有利于巩固所学理论知识，学生也比较喜欢这样的教学方式。

（二）调整教学目标，优化教学内容

生物信息学内涵广泛，应用领域广，但是生物信息学在不同研究领域中的研究内容和应用程度有所不同。选修本课程的学生都是生物学背景，主要希望运用生物信息学知识去解释课题研究中的生物学问题。考虑到本科生理论知识基础相对较弱，很多学生尚未开展课题研究，因此应该在有限的学时里让学生掌握与专业需求相关的生物信息学知识和实用技术，教学的重点和难点要根据本校学生特点进行调整，对教学内容进行优化、精简。例如多序列比对算法、马尔科夫模型等涉及数学、计算机知识，可以简要介绍，但不做深入的讲解。理论和上机实践部分主要介绍生物信息学数据库资源、序列比对、核酸序列分析、系统进化分析、蛋白质结构与预测，同时理论部分还包括生物芯片、高通量测序技术、介绍生物信息学的前沿进展。此外，还结合学生的需求在上机实践课中增加了引物设计内容。

课堂教学内容并不拘泥于一套教材，而是根据讲授的章节选择该章节适合的2～3套教材综合讲解，最终形成适合我校学生学习的讲义。例如在讲系统进化发育时，理论讲解选择由Masatoshi Nei和Sudhir Kumar编写的高等教育出版社出版的《分子进化与系统发育》和蔡禄编写的《生物信息学教程》，上机实践选择吴祖建等编写的《生物信息学分析实践》。

（三）教学与科研相结合，学以致用

生物信息学有很多分析软件，应用很广，即使是分章节按照序列比对、核酸序列分析、系统进化树构建等给学生逐一讲解相关的算法和实际的应用，学生仍然感觉知识零散，信息量太大难以掌握，容易产生畏难情绪而导致学习积极性不高。有些应用软件学生即使有所了解，却又不知道在科研中如何运用。所以在教学过程中，我们以课题研究为例，再结合相关的文献来进行讲解。例如选择DNA条形码开展物种鉴定为例，让学生去查阅相关文献，如DNA条形码在中药材混伪品鉴定中的应用、DNA条形码在肉制品掺假中的鉴定等。这个课题应用性强，对本科生而言阅读专业文献的难度相对较小，仅涉及DNA提取、PCR扩增等实验内容，容易激发学生的学习兴趣。在学生理解课题背景知识的基础上，让学生重点看文献中涉及的生物信息学相关知识，要求学生下载文献中涉及的基因序列，根据下载的序列用MEGA软件进行序列比对，计算遗传距离，同时利用MEGA软件构建NJ树。这个过程就把生物信息数据库、序列比对、系统发育分析等几个章节的教学知识串联起来，学生就知道为什么要下载序列、做序列比对，更好地理解系统进化树构建的原理及意义。同时，也促进了学生阅读专业文献，尤其是外文文献，增加专业英语词汇量，主动关注学科前沿发展动态，更好的利用生物信息开展课题研究，做到学以致用。

（四）改革教学手段和教学方法

生物信息学理论教学中往往是教师主讲、学生听，学生被动接受，这种“灌输式”的学习让学生感觉枯燥乏味，教学效果较差。教学时应突出学生的主体地位，教师起主导作用，引导学生积极思考，参与课堂教学，激发学生的学习热情。例如讲解生物信息学数据库资源时，可以布置课后作业，要求学生搜索国外生物信息学数据库资源，并将查阅的资料制作成PPT，下一次上课时让学生利用PPT讲解搜索情况，分享经验。教师在学生讲完后点评，鼓励学生关注生物信息学的前沿进展，在学习生物信息学的同时提高专业英语的水平。在讲解生物芯片与高通量测序技术时，布置课前预习作业，针对高通量测序技术原理、应用、数据分析等教学内容设置几个选题，让学生分小组，每个小组选择一个选题，通过查阅文献资料，以PPT形式在课堂上讲解。学生根据讲解内容提问，交流讨论。教师根据学生的汇报内容进行点评，进行有针对性的讲解、补充。这样的形式使学生主动去探究问题，而不是被动地接受教师传递的信息，对知识的理解更加深入，学生也反馈这种教学活动提高了学习的积极性，并留下深刻的印象。

三、结语

生物信息学作为一门新兴学科，仍然在不断的发展中，知识更新速度快，因此生物信息学课程的教学内容、教学方式应紧跟学科前沿发展，立足学校专业特点及培养特色，不断摸索教学经验，在教学模式上深入研究，提高教学质量，实现培养学生理论与实践运用综合能力的教学目标。

参考文献：

[1]许忠能.生物信息学[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]Masatoshi Nei，Sudhir Kumar.分子进化与系统发育[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]蔡禄.生物信息学教程[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]吴祖建，高芳銮，沈建国.生物信息学分析实践[M].北京：科学出版社，2010.

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[6]袁东.国外教师教育模式的历史变化和现代转型——国外案例观察和相关问题探讨[J].国家教育行政学院学报，2006，（01）.