大数据时代背景下“遗传学”课程教学改革的实践

谢剑波 张德强

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

遗传学主要研究生物的遗传与变异，是21世纪最有活力的学科之一。随着现代生物技术的发展和生物大数据的释放，遗传学各研究方向得到了飞速发展，研究领域从个体扩展到群体。由单基因研究拓宽至多基因互作研究，由基因的单时间点转录、表达研究上升到基因的时间序列研究，由基因的转录调控拓宽至表达调控、翻译调控、表观遗传调控等多层次研究，形成了大数据时代遗传学特有的分支与学科体系。基于遗传学建立起来的基因工程、群体基因组学、比较基因组学、表观遗传学、大数据组学等新理论和新技术已成为生命科学发展的前沿，研究成果极大推动了相关行业的飞速发展，在农业、生态、医药等领域发挥了重要作用。

此外，互联网快速发展冲击了高等院校传统的教学模式，互联网大数据思维下的教学改革迫在眉睫。因此，开展“遗传学”课程教学改革，不仅要保持学科课程体系的完整性，还要关注学科前沿领域的进展，逐渐优化“遗传学”课程教学内容，让学生掌握完整的“遗传学”课程前沿理论知识与技术，并将大数据分析思维引入到传统的“遗传学”课堂，为该课程课堂教学提供新的改革思路。

一、“遗传学”课程教学存在的问题

多年来，“遗传学”课程授课教师在知识体系和授课方式等方面进行了大量的改革与探索[1-3]，取得了不错的教学效果。然而，现代生物学技术推动了遗传学前沿理论及分支学科的飞速发展，相比于遗传学前沿理论知识与技术的发展速度，当前高等院校“遗传学”课程教学内容和教学方法仍存在一定问题，主要表现如下。

(一)教学方法单一，教学模式刻板

“遗传学”是理论性极强的课程，但脱离实验讲理论、脱离前沿讲进展、脱离互动讲效果一直是该课程长期以来的弊病。在该课程传统教学中教师主导、填鸭式灌输等模式贯穿于整个教学过程，学生常处于被动位置，没有时间思考、消化、吸收所学知识，导致知识无法得到巩固。同时，教师授课重点不突出、缺乏典型案例，导致课堂气氛沉闷、学生容易产生疲劳。师生互动仅局限于简单的课堂提问，学生参与感较差，缺乏师生平等互动探讨的新型课堂文化。

(二)教学内容陈旧

“遗传学”课程教学内容主要包括孟德尔理论、基因调控、微生物遗传、染色体变异、细胞质遗传、基因组学、数量遗传学等内容。其中，基因调控、基因组学、数量遗传学等内容仍然停留在早期染色体物理图谱及单个基因的研究水平上。随着“人类基因组计划”的完成，带动了生物行业的革命，使高通量测序技术得到快速发展、生物学研究获得强大的数据产出，包括基因组学、基因调控、蛋白质组学、代谢组学等生物学数据。基因调控研究已从单个基因提升到复杂网络的构建；基因组学已从分子标记的筛选提升到功能基因组学；遗传学中的简单重复数据已逐渐大数据化。而“遗传学”课程的教学内容与互联网时代的生物大数据完全脱节，现有教学体系与生物大数据操作平台没有充分整合，致使学生无法获取研究领域的前沿知识以及当代遗传学数据的分析工具及手段，使该课程教学内容陈旧。

(三)教师的知识体系更新慢，跟不上遗传学学科的发展速度

遗传学前沿技术发展越来越快，核心技术手段、核心理念也在不断更新。但“遗传学”课程授课教师如果不能与时俱进，其知识体系在短时间内跟不上遗传学学科的发展速度，使得该课程课件的更新速度难以适应知识的更新速度，课堂教学与前沿技术存在脱节，现有教学内容无法适应遗传学大数据分析技术的发展变化。上述问题给高等院校“遗传学”课程教学改革提出了新的方向和要求。

二、大数据时代背景下“遗传学”课程教学改革的举措

“遗传学”课程是一门综合性极强的课程。针对“遗传学”课程教学存在的问题，授课教师团队积极优化“遗传学”课程教学方法，转变教学思维，及时、全面地将国际前沿理论知识和技术转化为教学素材，搭建了生物大数据分析平台，并结合海量数据及校外生物云平台，推动了“遗传学”课程教学的信息化，具体做法如下。

(一)充分融合大数据思维，提高“遗传学”课程教学的信息化水平

随着遗传学的发展，生物数据倾向于大数据化、平台化、信息化，使传统遗传学的研究模式逐渐向云端化、智能化、平台化发展。如目前的BMKCloud生物云计算平台、联川生物云平台、美吉生物云、NovelBrain云平台、Cancer Cell云平台都可以远端智能化对遗传学相关数据进行分析。作为“遗传学”课程的核心章节，基因组学、比较基因组学、转录组调控、群体遗传学与进化等内容在“遗传学”中占有重要的地位。因此，在“遗传学”课程授课过程中笔者对核心章节采用了如下改革策略。

首先，笔者在讲述“遗传学”课程部分内容时，一方面开展了“双语”教学活动，对紧密关联的基础知识进行了归纳总结，重要之处进行重点解读，以加强学生对于专业词汇的印象，提高学生外文文献的阅读能力，为云平台的学习奠定了专业词汇储备库；另一方面利用实验室购买的曙光高性能大型服务器搭建了生物大数据分析平台，如Pseudogene Pipeline、Genome-analyzer、Gene Expression Analyzer等，课上在“遗传学”课程相应章节穿插进行视频讲解以及现场操作，让学生理解什么是生物大数据云平台、了解生物大数据的类型(核酸、蛋白、序列)以及如何利用分析工具分析遗传学大数据。除此之外，笔者在“遗传学”课程教学中还增加了实操内容，通过在科研服务器上增加可操作性账户的方法，让所有学生体验大型服务器对遗传学分析方法的改变过程。

其次，笔者在“遗传学”课堂上介绍了国内外的公共数据库，如美国国立生物技术信息中心(NCBI)数据库、中国国家基因组科学数据中心(National Genomics Data Center)，并对两者进行了比较。同时，着重介绍了各种信息资源库，比如基因组变异与表型关联知识库、全基因组变异信息数据库(GWAS Atlas)、表观关联分析数据库(EWAS Atlas)、原核生物防御系统基因数据库(Prokaryotic Antiviral Defense System，PADS)、生物进化与多组学综合分析软件云平台(eGPSCloud)，让学生理解生物学数据之间的转换规律，掌握重要数据库的使用技巧。这不仅使“遗传学”课程教学内容紧跟时代前沿，而且还帮助学生理解遗传学的理论知识所带来的重要社会价值，提高了人才培养质量。

(二)建立遗传学典型教学案例数据库

为了提高学生对“遗传学”课程学习的兴趣，了解遗传学前沿理论知识，掌握遗传变异、进化遗传学、群体遗传学、基因组学、微生物学等概念和研究方法，笔者对“遗传学”课程教学案例进行了归纳整理，将遗传学理论知识融入到典型案例中，建立了“遗传学”课程典型遗传学案例数据库。该案例数据库分为35个课前案例、86个教学案例、27个前沿技术案例，授课教师在不同授课阶段使用不同类型的案例。

1.课前教学案例

“遗传学”是一门理论极强的基础课程。因此，在该课程前期为了增加学生对于遗传与变异的基本知识的认识，笔者根据选课学生知识背景抽取一定数量课前案例进行讲解，使得“遗传学”课程概念具体化，目的是让学生体会遗传学的基本原理与人类活动的密切关系。比如，“杂交优势在玉米育种中的应用”“产前诊断原理及对于优生优育的重要性”“人类健康遗传诊断技术原理”“公安部物证鉴定技术”“人类起源及遗传进化史”“柑橘科植物驯化史”“澳大利亚农场羊群的个体突变现象”等。笔者在“遗传学”课程教学前期以图片和短视频的形式将课前案例融入到该课程教学中，提高了学生学习的兴趣，增强了课程的实用性。

2.课堂教学案例

在“遗传学”课程每个章节中，笔者融入了大量的教学案例，使得遗传学理论知识变得简单、易学。一般每个章节平均使用8个案例，将遗传学发展史等重要理论假说的提出、验证、发展与认可的漫长历程融入到重要人物的故事中，从孟德尔到摩尔根、从达尔文到袁隆平、从沃森到张锋、从居里夫人到屠呦呦，引导学生认知科学发展的一般规律和崇高的科研创新意识与探索精神。

3.前沿技术教学案例

在“遗传学”课程后期教学中，笔者增加了前沿技术案例的讲授，以提升课堂教学层次、培养学生创新思维。比如，对CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)专利技术之争、精准医疗技术的发展趋势、基因组单碱基编辑器、水稻高产和氮高效基因OsNR2、植物抗病小体与抗病机制、陆生植物祖先适应陆地环境的策略等前沿技术案例的讲解，让学生感受到“遗传学”课程前沿科学研究领域的发展速度与趋势。

(三)凝聚优势学科科研力量，开设前沿专题讲座

“遗传学”课程某些章节中涉及到一些较为抽象、难以理解的内容，笔者依托北京市高精尖创新中心、遗传学科、林木遗传育种学科等学科群，开展了群体遗传学的“连锁不平衡作图与分子育种”“层级聚类调控网络构建”等热点专题讲座，具体做法如下。

首先，笔者邀请优势学科的知名教授讲授专业知识和技术，让学生接触最前沿的理论知识与技术，提前熟悉数量遗传学的知识框架，使较为抽象难懂的理论知识分块、分阶段消化。通过开展这种以学生为主体的教学活动，提高了学生参与的积极性，增进了学生对于“遗传学”课程学习的兴趣，为学生专业素质的提高创造了必要条件。

其次，笔者聘请该领域内知名学者入校开展讲座，如“关联作图法寻找水稻雄性不育位点”“基因组学原理与应用”等的讲座。这些学者都是该领域内的优秀科学家，以这种前沿讲座的形式辅助相应章节内容的学习，提高了学生的学习热情。

最后，笔者通过师生交流群分享知名专家的视频讲座，内容包括该领域内的最新研究成果，如北京市农林科学院的西瓜群体遗传学研究成果。该研究明确了西瓜果实瓤色关键基因LCYB的选择驯化模式，还利用最新的基因编辑技术首次证实了参与光合产物卸载的α-半乳糖苷酶基因在西瓜果实糖分积累中的关键作用，揭示了西瓜“甜蜜基因”驯化的秘密。同时，他们还获得了决定西瓜含糖量与瓤色协同进化的候选基因位点，这些关键性状基因对我们未来培育更加美味可口的西瓜具有非常重要的价值。这些研究源于生活、高于生活，不仅让学生了解了学科前沿研究进展，而且还体会了科研与生活结合的乐趣。

(四)引入翻转课堂等教学方法，组织教学活动

基于前期教学改革的基础，笔者对“遗传学”课程教学模式进行了改革，改变以往填鸭式教学方法，采用了翻转课堂等教学方法，让学生担当教师角色进行讲授，教师做最后的点评。例如，在“群体遗传学”章节中，笔者先提出重要科学问题——如何利用群体遗传学手段进行生态系统中的植物种群保护；随后让学生自由分组开展英文文献研读，整理科研思路，进行课堂展示。通过这种翻转课堂的教学方法，学生不仅深刻地了解了染色体变异的前沿理论知识和技术，而且提高了学生自主学习的热情，有利于高素质专业人才的培养。

三、“遗传学”课程教学改革的效果

(一)学生的学习主动性明显提高

通过对“遗传学”课程的学习，学生自主学习意识得到加强。学生“遗传学”课程考试平均成绩从2015年之前的85.6分提高到2019年的89.1分；学生自主回答问题的频率有所增加，从平均每堂课2～3人次提高到每堂课5～6人次。在笔者建立的该课程沟通微信群中，学生的学习兴趣和积极性明显提高，学生与授课教师在专业知识、科研问题、考研去向等方面讨论的次数逐渐增多，每天互动达200条以上。

(二)学生的学习更有方向感，参与科研实验的数量不断增多

学生通过申请国家、北京市、学校、学院的科研课题，在校期间就主持或参与了科研项目。据统计，依托笔者研究团队开展科研实验的学生人数从2015年的1人次，增加到2019年的9人次；累计申请到3项北京市大学生创新课题以及2项校级大学生创新课题；2个学生团队参加了生物竞赛；有11名学生在国际知名学术期刊发表了SCI论文。学生学习更有方向感，人才培养质量得到明显提高。

(三)学生的科研水平和竞争力得到提升，进一步深造的人数增加

通过对”遗传学”课程的学习，学生的学术视野得到扩展、专业学习能力得到了增强。学生深造、出国留学的人数不断提高，从2015年的13人次提升到2019年的18人次，已有20余名毕业生赴英国剑桥大学、美国宾西法尼亚大学等世界一流大学深造。同时，通过对“遗传学”课程的学习，学生的考研专业方向感也较往年得到了极大提高，学生在考研复试中的竞争力得以加强，面试教师反馈，北京林业大学生物技术专业学生的遗传学知识面宽广、实验操作与科研素养较高。

另外，学生被清华大学、北京大学、浙江大学、中国农业大学等国内知名研究团队录取率从2015年的76.6%提高到2019年的81.0%，许多学生已经跨专业考到自己喜欢和了解的其他专业，如医学、生物信息学、动物遗传学等领域，学生的培养质量不断提高。

资助项目：北京林业大学2019年教育教学研究一般项目——“互联网+”思维在“遗传学”课程中的应用，项目编号BJFU2019JY049。