地方本科高校生物信息学课程教学改革与实践

摘要在前期调研的基础上，综合多年教学经验，总结了生物信息学课程教学在地方本科高校中存在的主要问题，提出了地方本科高校生物信息学课程教学定位，并对课程内容、教学方法、考核方法进行了改革，有效提高了教学效果。

关键词生物信息学；生物科学；课程改革；应用型人才

中图分类号S-01；G643.2文献标识码A文章编号0517-6611（2017）08-0245-02

Teaching Reform and Practice of Bioinformatics in Local Universities

WANG Xingping， LUORENG Zhuoma， LI Feng

（Zoology Key Laboratory of Hunan Higher Education，College of Life Science， Hunan University of Arts and Science，Changde，Hunan 415000）

AbstractOn the basis of previous research， combining years of teaching experience， the main problems in the teaching of bioinformatics course in local colleges and universities were summarized， teaching orientation of bioinformatics in local undergraduate colleges was mooted. Curriculum content， teaching methods， assessment methods were reformed in order to improve the teaching effect effectively.

Key wordsBioinformatics；Biological sciences；Curriculum reform；Applied talents

生物信息學是生物学、数学和计算机科学相结合而形成的一门交叉学科，其主要任务是以基因和蛋白质为主要研究对象，利用数学模型和计算机软件，预测和分析基因和蛋白质的结构与功能，揭示其生物学意义[1]。近年来，随着分子生物学研究的不断深入，生物科学相关领域积累了大量的数据资料。对于现代生物科学相关专业的大学生和科研工作者而言，掌握生物信息学的相关知识及分析方法尤为重要。近年来，我国各大高校普遍开设了生物信息学课程，旨在培养学生对生物学数据的分析能力和综合应用能力。湖南文理学院作为教育部深度转型发展的地方本科高校之一，进一步明确了由传统教学型向现代应用型高校深度转型发展。与高校转型发展相适应，课程建设及教学方式也需要向应用型改革。笔者在前期调研的基础上，综合多年教学经验，总结了生物信息学课程教学在地方高校中存在的主要问题，提出了地方高校生物信息学课程教学定位，并对课程内容、教学方法、考核方法进行了改革，旨在提高教学效果。

1存在问题

2012—2014年连续对湖南文理学院生物科学专业共412名学生（其中二本316人，三本96人）进行了生物信息学课程教学与学习情况调研，结果显示传统的生物信息学课程建设与教学方式主要存在以下问题。

1.1学习过程中的语言障碍大，学生的信息发掘能力薄弱

我国生物信息学数据库建设和软件开发落后，在教学过程中所用到的生物信息学数据库（如NCBI、EMBL和miRBase等）、生物信息学软件（如DNAStar、BioEdit、DNAMan、RNAstructure、MEGA等）和在线工具（如BLAST和Expasy等）均为英文界面[2]。调研结果显示，生物科学专业87.03%的二本学生和91.67%的三本学生认为生物信息学课程的英文界面是生物信息学课程学习的巨大障碍，严重增加了他们对数据的检索、阅读和分析的难度，从而使得学习效果不佳。调研结果更让人惊讶的是，有85.12%的学生认为，由于自己专业英语基础差，很难从大篇幅英文中找到有用的信息，从而对课程不感兴趣。

1.2课程内容多，学时相对有限

生物信息课程内容较多，主要包括常用数据库及其数据检索、生物信息学的数学算法、生物信息学软件使用、基因和蛋白质等生物分子的结构与功能分析等。包括湖南文理学院在内的很多高校将生物信息学课程学时设置为32学时，这样使得丰富的课程内容与有限的学时产生极为突出的矛盾。这与笔者调研结果一致，生物科学专业97.15%的二本学生和85.42%的三本学生认为生物信息学课程非常重要，但是72.78%的二本学生和85.41%的三本学生认为生物信息学课程内容多，学时少，从而导致学习效果一般。

1.3数学算法及模型学习难度大

数学算法是生物信息学的基础。生物信息学中所采用的常见数学算法或模型有概率论、随机过程理论、运筹学、人工神经网络方法和最优化理论与算法等，多数抽象难懂[2]。生物学信息学检索工具、序列分析软件及在线工具等均是在这些数学算法与数学模型基础之上，通过计算机编程，以友好界面形式体现出来，供人们使用。在前期的生物信息学教学过程中设计了数学算法内容，调研结果显示，生物科学专业85.44%的二本学生和87.50%的三本学生认为他们的数学基础差，数学算法抽象，学习难度太大，导致学习效果不佳。

2地方本科高校生物信息学课程定位

生物信息学课程是一门实践性很强的课程，其课程内容主要包括两方面内容，一是理论学习，即学习数学模型或数学算法；二是应用实践，即学习生物信息学应用，旨在掌握一些常用的生物学软件、数据库和生物大分子结构与功能的分析方法。与“985”“211”等一本重点高校相比，二本或三本地方高校存在学生生源差、基础薄弱、学风差等因素。考虑到上述因素，地方本科高校的生物信息学课程教学不应面面俱到，可定位于生物信息学的应用与实践，即了解常用数据库，掌握常用生物信息学软件的操作，掌握生物大分子的性质、结构和功能分析的实践技能，为今后的研究生深造或开展相关科研工作奠定基础。

3教学改革的具体措施

3.1课程内容优化

根据上述生物信息学课程教学中存在的问题，结合应用型人才培养方案，确定以培养学生生物信息学实践技能为最终目标。2015—2016年调整和优化了教学内容，去除数学算法内容，但建议感兴趣的学生自学。优化后的内容包括4个模块：①常用生物信息学数据库。该模块主要了解生物信息学数据库（如NCBI、Ensembl和miRBase数据库等），掌握数据检索方法。在教学过程中可适当放慢速度，让学生适应英文界面学习的节奏。②常用生物信息学软件和在线工具。了解常用软件的用途，但具体使用方法可在模块1和模块4中用到相应软件时穿插学习。③核酸序列特征、结构和功能分析。包括序列比对、系统发育树构建、DNA序列特征分析和RNA结构及功能分析。④蛋白质序列、结构和功能分析。包括蛋白质序列比对、系统发育树构建、蛋白质特征分析、蛋白质结构分析和蛋白质功能分析。在这4个教学模块的教学安排中，同样进行了优化，即慢速细讲第1模块，快速了解第2模块，重点讲解第3和第4模块。

3.2教学方法改革

3.2.1以科学问题为导向，开展研究性教学。

生物信息学课程的主要任务是采用生物信息學方法预测和分析核酸和蛋白质的结构和功能，为实验设计和结果分析服务，最终解决生物学问题[3]。因此，在生物信息学教学中，让学生自主选择感兴趣的某个基因，以“某基因序列、结构和功能分析”总体问题为导向，细分若干小问题（图1）。带着这些问题，在教师的讲解与指导下开展自主实践训练，探究自己感兴趣的基因的结构与功能。

3.2.2理论和实践教学有机统一。

生物信息学课程是一门实践性很强的课程。为避免理论教学与实践教学脱节，选择在计算机网络教室，采用红蜘蛛多媒体网络教室软件，在局域网络上实现多媒体信息的教学广播，实现了集图像、文字、动画于一体的现代化交互教学模式[4]。在教学过程中采用3～4节课连上的方式，教师一边讲解理论，一边实操演示。教师演示结束后，学生立即进行实践操作，并由教师现场实际指导，大大提高了教学效果。

3.2.3考核方法改革。

生物信息学课程重在实践，其目的是培养学生利用生物信息学手段解决生物学问题的能力。因此，变传统的考试制度为过程考核，即根据图1中的科学

问题，学生自主上机训练，将实操训练的过程整理为课程论

文提交，该成绩占总成绩的70%。另外，在考核中非常注重学生参与，故而考勤占总成绩的30%。这样的考核制度鼓励了学生全程参与学习与实训，有效培养了学生动手操作、分析问题和解决问题的能力[5]。

4教学改革效果分析

2015—2016年实施上述教学改革方案，并对212名生物科学专业学生进行了教学效果调查，结果显示：94.34%的学生对生物信息学课程感兴趣，84.9%的学生认为上述教学方法效果好，使他们了解了NCBI等常用的数据库及其检索方法，学会了常用软件的操作，掌握了基因和蛋白质的结构与功能分析方法，也帮助他们理解和提高了分子生物学、遗传学、细胞生物学中的知识。考研的学生都认为生物信息学课程对他们考研复习和继续深造有很好的帮助。综上所述，教学改革取得了比较理想的效果，然而教学改革永无止境，在生物信息学教学方面还有很多内容需要继续摸索与实践[6]。

参考文献

[1] 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.

[2] 吴春艳，王靖飞.生物信息学及其主要数学算法[C]//中国畜牧兽医学会信息技术分会成立暨首届学术研讨会论文集.天津：中国畜牧兽医学会，2005：125-128.

[3] 郭丽，赵杨，娄冬华，等.生物信息学实践课教学改革探索[J].南京医科大学学报（社会科学版），2014，14（2）：165-167.

[4] 刘瑞儒，张贞.“红蜘蛛多媒体网络教室”：网络教学好助手[J].中国医学教育技术，2003，17（3）：184-186.

[5] 姚正培，张桦，代培红，等.农业院校生物信息学教学模式探索[J].教育教学论坛，2014（20）：214-215.

[6] 闫晓红，王宁，滕晓华.生物信息学实验课教学改革与实践—PBL教学模式在实验教学中的应用与探讨[J].东北农业大学学报（社会科学版），2009，7（5）：99-101.