重构生物信息学专业基础课教学内容培养学生创新能力——以“数据结构”课程为例

石洪波，张明明，赵文媛

（哈尔滨医科大学，黑龙江 哈尔滨 150081）

一、引言

随着基因组、转录组、蛋白质组及代谢组等多组学检测技术的不断发展，已经产生了海量的生物医学数据[1]，生物信息学应运而生。生物信息学是一门前沿的交叉学科，它综合了生物医学、计算机科学、数学、信息科学等学科的技术和方法[2]，不仅为解决复杂的生物医学问题提供新的思路和方法，而且为生物医药学科及其产业的发展产生巨大的推动作用[3]。2022年5月，国家发展和改革委员会印发的《“十四五”生物经济发展规划》中指出，“要培养壮大生物信息产业”[4]。培养富有卓越创新能力的专业人才，是中国高等教育重要任务之一[5]。生物信息学创新人才的培养对于我国占据国际生命科学的制高点至关重要。

课程是人才培养的核心，是影响学生发展的直接因素之一，课程的质量直接决定人才培养的质量。生物信息学专业基础课，大多具有理论性较强、内容抽象、记忆和理解较困难的特点，影响了教学效果，也影响了学生的学习兴趣。学生专业基础课薄弱对于后续专业课的学习、实践及就业都极为不利[6]。如何提高学生的学习兴趣和创新意识，培养学生的创新能力，进而培养生物信息学创新人才是生物信息学专业基础课进行教学改革的重要目标。

“数据结构”是生物信息学专业的基础课，是学生掌握专业知识及技能的重要课程。其主要研究计算机加工的数据结构的特性，以便为生物信息学专业应用所涉及的生物医学大数据选择适当的逻辑结构、存储结构及其相应的操作算法。文章以“数据结构”课程为例，通过重构教学内容、改进教学模式、培养学生的创新人格来培养学生的创新能力。

二、影响学生创新能力培养的主要因素

香港城市大学的岳晓东教授指出，影响学生创新能力培养的主要因素有两个：一是思维标准化，二是知识无活力化[7]。思维标准化主要指思维、方法、技能的规范化，思维缺少灵活性、独创性。应试教育是思维标准化的原因之一。据统计，在我国，一个学生从小学入学到高中结束，平均要经历上千次的测验与考试，过度追求标准答案，重视“一题一解”，容易导致学生思维的单一化和视角的狭隘。知识无活力化主要体现为“死学知识”，重视知识的理论学习，而忽视了知识在实际中的应用。“死学知识”的危害主要有两个方面：一方面，学生很少去思考知识之间的内在联系，使得学生在解决实际问题时很难进行发散思维，将所学知识综合运用、融会贯通；另一方面，很少有学生对所学知识能够做到学以致用，因而造成“高分低能”型学生的出现。学习过的知识没有应用于实践，知识就没有活力，学生容易忘记，最终影响学生的创新能力。宋代著名诗人陆游在《冬夜读书示子聿》中写到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。习近平总书记也指出“广大青年要如饥似渴、孜孜不倦学习，既多读有字之书，也多读无字之书，注重学习人生经验和社会知识”。这些都强调了知识的活力化及知识用于实践的重要性。

思维标准化和知识无活力化这两个问题在专业基础课学习中尤为突出，因此，文章提出了重构生物信息学专业基础课以培养学生创新能力的策略。对于知识点，引导学生提出问题、分析问题、解决问题，培养学生思维的灵活性。同时增加与知识点对应的应用，让学生体会到知识源于实践，又服务于实践，将有利于学生创新能力的培养。

三、重构专业基础课教学内容，培养学生创新能力的策略

（一）重构教学内容

重构教学内容是将各知识点穿线，体现不断创新的过程；同时使知识活力化，对于每个知识点，加入对应的实际应用，尤其注重增加与生物信息学专业及学科前沿紧密相关的应用案例。

以“数据结构”课程为例，对于每个章节，进行深入分析，明晰创新点，重构教学内容，旨在课堂教学过程中针对创新点发散学生的思维。例如，在学习线性表的存储结构时，先引入常见的顺序存储，再引导学生分析线性表的顺序存储的优缺点，进而引入线性表的链式存储（单链表）；进一步探讨其优缺点，引入双向链表和循环单链表；最后分析二者的优缺点，引入双向循环链表（图1）。再如，树的存储（图2）。由树的双亲表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法到双亲孩子表示法。此外，为了使知识活力化，为每个知识加入了对应的实际应用，如线性表的存储加入了通讯录的管理、学生信息管理系统、一元多项式的表示与相加，以及约瑟夫死亡游戏及拉丁方阵；树的存储内容加入了生物信息学相关的基因本体（Gene Ontology，GO）及疾病本体（Disease Ontology，DO）的存储。

图1 重构“线性表的存储”教学内容

图2 重构“树的存储”教学内容

（二）设计问题链，改进教学模式

文章将传统的讲授式教学模式改进为探讨式教学模式。设计问题链，引导学生分组或独立思考，师生之间不断探讨，以调动学生思维的灵活性。例如，在学习“线性表的存储结构”时，设置了问题链（图1）。在学习线性表的顺序存储后，首先通过问题“此种数据结构有何优点及缺点？”引发学生思考、师生探讨，进而引入单链表；其次再由问题引入双向链表和单向循环链表；最后由问题引入双向循环链表。再如，学习树的存储时（图2），首先通过问题“树的结构如何存储？能否按照二叉树的方式存储？”引发学生思考、师生探讨，进而引入树的双亲表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法；再由问题“此种数据结构有何优点及缺点？”引入树的双亲孩子表示法。此外，针对一些实际应用，教师以问题为导向引入知识点。如学习“有向无环图的应用”时（图3），以修建地铁的工序图为例，提出3 个问题：地铁工程按照工序图能否顺利完成？影响工程进度的关键活动有哪些？工程完成最短时间是多少？同时引入与问题对应的3 个知识点：拓扑排序、关键活动及关键路径。

图3 针对“有向无环图的应用”设计的问题

这种探讨式教学模式，不仅让学生在不断的发问、思考的过程中清楚地认识到这样做的理由，让学生从整体上掌握所学知识，融会贯通，而且让学生学会了探究性学习，培养了批判性思维，有“当时我若在，也会提出问题，也会创新”的身临其境的感受，增加了学生进行创新活动的信心。

（三）培养学生的创新人格

学生创新能力的培养不仅包含创新思维的培养，也包含创新人格的培养[7]。在智力相近的情况下，人格对创新能力的影响尤为重要。创新人格对于摆脱“唯师、唯书、唯上”的心理定式、突破思维标准化和知识无活力化也起着重要的作用。引入课程内容涉及的人物及事件，从意志力、观察力、独立精神、合作精神、乐观精神、社会责任感等方面培养学生的创新人格。例如，在学习图的“顶点间最短路径”时，引入了两位著名的计算机科学家E.W.迪克斯特拉（E.W.Dijkstra）和R.W.弗洛伊德（R.W.Floyd）及其相关事迹。此外，在知识活力化部分，应用所学知识解决生物信息学实际问题时，可结合教师亲身的科研经历进行阐述，让学生深刻体会到意志力、观察力、合作精神等在创新中的重要性，进而培养学生的创新人格。

四、重构专业基础课教学内容，培养学生创新能力的先决条件

此外，“数据结构”授课教师还应采用多样性的讨论形式（分组+ 独立，课上+ 课下，线上+ 线下）。学生可以根据自己的爱好分组或独立思考，对于课程中提出的问题，学生在雨课堂平台进行回答，教师选择有代表性的回答与学生进行再探讨，其余回答将在雨课堂平台进行回复。对于课程最后布置的问题，学生在雨课堂平台中提交，教师进行归类筛选，下次课进行探讨。

五、结束语

（一）教师自身的学科知识体系的完善

针对知识点重构教学内容、提出符合知识发展的问题链，同时引入知识点对应的人物、事件，培养学生的创新人格，必然要求授课教师熟悉其所教课程及课程所属学科的发展历史，教师可以通过网络查找资料及阅读书籍等方式来完善自身的学科知识体系。例如，对于“数据结构”课程，教师可以参考《中国高等计算机教育发展史》《计算机发展史趣谈》，以及《ACM 图灵奖》等书籍。

（二）学生讨论的积极性调动及形式的多样性

在课堂教学过程中，需要不断地提问，引导学生思考、探索。为了充分调动学生参与课堂讨论的积极性，“数据结构”授课教师主要采用“利益驱动+兴趣驱动+参与感提升”的方法。（1）利益驱动法主要是给积极参与讨论的学生加分，作为平时成绩的一部分。（2）兴趣驱动主要是精选实际应用案例，对于每个知识点，深入挖掘其所涉及的实际应用案例，精选学生感兴趣的或者与专业及学科前沿密切相关的应用案例，激发学生的学习兴趣。（3）参与感提升主要通过呈现学生多样化的想法来实现。教师设计问题链与学生进行探讨，避免不了学生会有很多想法，甚至有些学生思维方向偏离正轨。对于这些想法，教师要以高度的容忍精神和豁达的态度来对待，尊重学生与众不同的想法，并分类整理呈现给学生，进一步分析讨论想法的可行性及可能存在的问题，及时“助燃智慧的火花”，让学生体会到他们的思想是有价值的，提升学生的参与感，让学生充分体会到参与讨论的快乐。

文章通过重构教学内容、改革教学模式及培养学生的创新人格的方式，鼓励学生发现问题并追求答案，既培养了学生的探究式、批判性思维，又让学生学习了知识并具备相应的实践能力，使学生由“老师让我创新”逐步转变为“我要创新”，有利于培养学生的创新能力。正如诺贝尔化学奖获得者、美国生物化学家P.伯格（P.Berg）所说：“鼓励青年人自己去发现他们追求的答案，不是一种最容易的学习方法，但却是回报最丰厚的学习方法。”这与教师进行课程教学改革的初衷相一致。