生物信息学课程教学改革与

[摘 要]生物信息学是一门理论性和实践性都很强的课程,理论与实践的结合十分紧密.基于课程特点,对生物信息学课程教学进行了改革和探索.采用循序渐进的方式,激发学生的学习兴趣,应用双语多媒体方式教学,在重视基本理论和基本知识讲授的基础上,加强上机实践操作,充分利用网络教学资源,有机地将科研成果应用于教学过程中,并对考试方式进行了改进.这些改革措施调动了学生学习的积极性和主动性,提高了学生生物信息学分析的技能和创新能力,取得了良好的教学效果.

[关 键 词]生物信息学课程教学改革创新能力培养

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2013）16-0061-02

当前生物信息学的研究主要集中于核苷酸和氨基酸序列的存储、分类、检索和分析等方面,所以目前生物信息学可以狭义地理解为“将计算机科学和数学应用于生物大分子信息的获取、加工、存储、分类、检索与分析,以达到理解这些生物大分子信息的生物学意义的交叉学科”.生物信息学的发展,对人们分子水平上认识生命活动的规律起着关键性的作用.生物信息学是一门理论性和实践性都很强的课程,理论与实践的结合十分紧密.生物信息学课程的授课内容分为理论基础和上机操作部分,主要特点是传授理论知识和培养实践能力并举.在生物信息学的课堂教学中,既要强调基本理论、基本知识的传授,同时也要加强学生的实践能力和创新能力的培养,以实际应用为主要侧重点,着重培养学生的创新能力.根据生物信息学的课程特点,我们在理论教学、上机实践操作及考试方式等方面进行了改革和探索,获得了较好的教学效果.

一、激发学习兴趣

生物信息学课程涉及的新技术较多,接触的因特网也多为英文页面,多数学生因而存在畏难情绪.对于分子生物学基础及英文较差的学生,我们采用循序渐进的方式,鼓励他们由浅入深地学习生物信息学的分析方法,由少到多地浏览英文网站,理解并掌握常用的生物信息学英文词汇,从而增强了学习生物信息学的兴趣和信心.学生通过对英文网站的不断浏览,英文阅读能力得到了很大提高；同时也开阔了视野,拓宽了知识面.随着学生生物信息学分析能力及专业英语水平的提高,教师在理论课讲解过程中,由少到多地逐步加大了英文教学的比例.总之,通过激发学生的学习兴趣,帮助学生逐步建立起学习的兴趣和自信心,为学好生物信息学这门课程打下了坚实的基础.

二、重视双基训练

本课程首先结合人类基因组计划介绍生物信息学的历史发展和概况,然后顺序介绍生物数据库分类、序列相似性比较、数据库搜索、分子系统发育树分析、基因组学与基因预测、蛋白质结构预测等基本知识,以介绍基本理论和基本知识为主,启发学生拓宽知识面,了解学科前沿和最新进展,培养学生解决生物信息学分析实际问题的能力,从而为今后进行生命科学研究奠定基础.

生物信息学涉及的算法多数都较为枯燥,在授课过程中侧重于分析方法的讲解和应用.如在讲授双序列比对动态规划算法Needleman-Wunsch全局比对和Smith-Waterman局部比对及分子系统发育树构建UPGMA（Unweightedpairgroupmethodwitharithmeticmean,非加权算术平均组队法）等算法时,在多媒体教学的基础上,结合板书演算实例、互动式“提问”等方法帮助学生理解算法的基本原理及分析方法；同时布置课后计算题作业,要求学生独立完成后上交,并作为平时成绩考核的主要依据之一,从而促进学生巩固基本理论和基本知识.

三、双语多媒体教学

为了适应生物信息学知识全球化的特点,使学生能够更好地接受最新的生物信息学知识,我们制订了生物信息学课程双语教学计划,并在教学过程中分阶段逐步实施.在第一阶段,以汉语讲授为主,英语渗透,中文教材为主,相关英文文献为辅；在此基础上,逐步向第二阶段过渡,即汉英整合,不分主次,PPT课件和Flash动画采用英文版本；最终的目标是第3阶段,即选用英文教材,制作英文版本的PPT教学课件,采用全英文授课方式.整个过程循序渐进,逐步淘汰传统的中文教学.

在讲解数据库查询和BLAST（Basiclocalalignmentsearchtools）分析、Bankit在线序列提交和Sequin离线序列提交及DNASTAR、DNAMAN、MEGA等软件包使用方法时,改变以往静态演示的旧有模式,应用屏幕录像专家软件制作多媒体动画文件,将操作步骤和鼠标的移动轨迹、点击抓取下来,以便让学生直观地观看课件.通过现场操作核酸序列的查询、蛋白质三维空间结构的显示、限制性酶切图谱绘制、PCR引物设计、序列组装重叠群（contig）构建、分子系统进化树构建等分析,应用多媒体设备将整个操作过程动态地逐一展示,直至最终完成整个过程,使学生得到了直观体验,加深了印象,从而更加容易掌握这些实践操作.

四、加强上机操作

实践教学相对于理论教学具有直观性、验证性、综合性、启发性和创新性的特点.为了提高学生的实践操作能力,我们安排了多个验证性、设计性上机实践操作.《NCBI数据库的检索与使用》让学生熟悉GenBank核酸序列的格式、主要字段的含义、序列下载的方法,并掌握Entrez检索工具的使用方法；《BLAST数据库搜索》让学生掌握BLAST数据库搜索的分析方法；《核酸和蛋白质序列的进化分析》让学生掌握MEGA（Molecularevolutionarygeicanalysis）和Clastalx等软件构建分子系统进化树的方法和步骤；《DNAMAN软件的使用》让学生掌握DNA序列的限制性酶切位点分析及PCR引物设计等基本操作方法；最后一次实践上机课安排《核酸、蛋白序列的综合分析》设计性实验,让同学们随机组成两人一组的研究小组,自选感兴趣的基因并从GenBank数据库中下载该基因的20条核酸序列及蛋白序列,分析其中1条核酸序列的碱基组成比例,反向互补序列、编码的RNA序列及蛋白序列,分析其中1条蛋白序列的氨基酸组成比例、分子量、疏水性、等电点、亚细胞定位等物理、化学特性；同时基于DNA序列和蛋白质序列构建分子系统发育树.五、网络教学资源

生物信息学对于网络工具高度依赖,由于受学时限制,课堂教学的内容非常有限.为了给学生创造一个良好的自学环境,我们应用屏幕录像软件开发了上机实践操作演示等教学资源；提供了课件供学生在网络上下载使用,该课件覆盖了生物信息学课程的全部教学内容,包括相关的动画演示等信息；另外还提供了DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BIOEDIT等软件安装程序及使用手册,相关英文参考文献等,从而有效地扩大了学生的自学空间.

六、科研教学相长

本课程由具有生物信息学或分子生物学博士学位的教师承担,每位授课教师的科研课题均涉及生物信息学分析.在生物信息学的教学过程中,授课教师积极融合个人的科研工作经验和成果,丰富了教学内容.如在讲授Bankit在线序列提交及Sequin离线提交序列时,我们以提交至国际核酸序列数据库GenBank的芒草（Miscanthussinensis）肉桂醇脱氢酶（JQ598683）、过氧化氢酶（JQ598684）、咖啡酰辅酶A-O-转移酶（JQ598685）、肉桂酸-4-羟化酶（JQ598686）为例；在讲授基因外显子和内含子结构预测时,以牡丹（Paeoniasuffruticosa）ACC氧化酶（FJ855434）和ACC合成酶（FJ769773）为例.通过把科研思路带入教学中,有效培养了学生的科研能力及创新能力.此外,教学实践也有利于教师全面了解生物信息学和相关学科的最新进展,不断为科研提供新思路.

七、考试方式改革

生物信息学课程的目的是提高学生利用信息技术解决生物学问题的能力,因此主要考查学生综合利用所学知识分析问题和解决问题的能力.在课程考核中结合平时书面作业、递交上机操作练习和考试三方面情况,综合评定.平时布置3次思考题目,以书面形式上交,占考核成绩的20%；上机实践操作的习题以电子版发送到教师的E-mail中,占考核成绩的30%；课程结束后给学生1周的时间复习,而后在计算机上答题,包括基础知识部分和上机操作部分,占考核成绩的50%.经过综合评定,能够比较客观地反映一个学生对该课程的实际掌握情况.采用这种考试方式后,一方面,促使学生在学习过程中,不必花大量工夫去死记硬背,而把重点放在了基本理论、基本知识的巩固及实践操作技能的提高上,有效地提高了学生的实践操作能力和创新能力；另一方面,也促使教师在教学过程中,注重从能力培养的角度进行教学课堂设计,提升教学质量和水平.

在教学过程中,通过激发学生的学习兴趣,采用双语多媒体教学方式,在重视基本理论和基本知识讲授的同时,加强上机实践操作,充分利用网络教学资源,将科研成果结合于教学过程中,结合考试方式改革与探索,大大提高了“生物信息学”课程的教学质量水平及教学效果.

[参考文献]

[1]葛威,鲍大鹏,董战峰,等.VisualBASIC编程在核酸序列分析中的应用研究初探[J].生物信息学,2004,（4）：43-46.

[2]何红波,谭晓超,李斌,等.生物信息学对计算机科学发展的机遇与挑战[J].生物信息学,2005,（1）：37-41.

[3]林世强,宁正元.生物信息学及其在农业科学中的应用[J].亚热带农业研究,2007,（5）：145-148.

[责任编辑：碧瑶]