袁道軍， 楊細(xì)燕

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院，湖北武漢 430070)

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農(nóng)學(xué)專業(yè)生物信息學(xué)概論本科教學(xué)實(shí)踐探討

袁道軍， 楊細(xì)燕

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院，湖北武漢 430070)

摘要隨著分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，尤其是二代測技術(shù)(Next Generation Sequence, NGS)的出現(xiàn)，生物信息學(xué)在農(nóng)學(xué)等生命科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性日益顯現(xiàn)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)從2012年開始開設(shè)生物信息學(xué)概論課程。筆者結(jié)合3年多的教學(xué)實(shí)踐，從課程內(nèi)容體系的確立與完善，一體化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的構(gòu)建，四階段學(xué)習(xí)法的實(shí)施，課程考核體系的改革等方面，探索該課程建設(shè)與實(shí)踐的特點(diǎn)方法，并分析存在的問題和提出了改革的思路。研究旨在提高學(xué)生關(guān)于生物信息學(xué)概論的學(xué)習(xí)熱情，改善教學(xué)方法，進(jìn)而提高教學(xué)水平，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)力。

關(guān)鍵詞生物信息學(xué)；課程建設(shè)；農(nóng)學(xué)專業(yè)；研究性教學(xué)；開放式教學(xué)

生物信息學(xué)是借助教學(xué)、生物學(xué)的理論方法，利用信息技術(shù)對生物學(xué)研究過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、儲(chǔ)存與分析的科學(xué)。生物信息學(xué)是一門新型交叉科學(xué)，它涵蓋生命過程中各種信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、發(fā)布、分析和解釋等各個(gè)方面，綜合運(yùn)用生物學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等方法與技術(shù)，發(fā)掘和闡釋海量生物學(xué)數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義。隨著20世紀(jì)80年代人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，生物信息學(xué)蓬勃發(fā)展，并滲透入生物學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。隨著人類基因組計(jì)劃的完成，越來越多物種的全基因組測序計(jì)劃全面啟動(dòng)[1]，包括許多農(nóng)作物基因組。自從雙子葉和單子葉模式植物擬南芥[2]和水稻[3]的基因組分別于2000年和2002年測序完成后，目前大部分主要農(nóng)作物均已釋放全基因組草圖，例如玉米、小麥、大豆、油菜和棉花等[4]。除了全基因組數(shù)據(jù)，各類組學(xué)數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等)和重測序數(shù)據(jù)更是迅猛增長，致使存儲(chǔ)在NCBI(National Center for Biotechnology Information)中的數(shù)據(jù)每年以TB級的指數(shù)式增長[5]。如何充分利用這些數(shù)據(jù)，從中提取有用的信息，挖掘并識別農(nóng)作物的重要基因，開展分子標(biāo)記輔助選擇育種、分子設(shè)計(jì)育種等，快速培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種[6-7]，是生物信息學(xué)研究的主要內(nèi)容。隨著生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)各研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，掌握生物信息學(xué)相關(guān)技術(shù)及分析能力已成為對農(nóng)學(xué)專業(yè)畢業(yè)生的必然要求，其課程也必將在各相關(guān)專業(yè)建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位。目前部分農(nóng)業(yè)院校已經(jīng)開設(shè)了生物信息學(xué)課程，但主要是面向研究生開設(shè)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)從2012年起在農(nóng)學(xué)專業(yè)第3學(xué)年的下學(xué)期開設(shè)生物信息學(xué)概論課程。筆者總結(jié)了3年多的生物信息學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從課程內(nèi)容體系、教學(xué)平臺、教學(xué)方式、考核體系等幾個(gè)方面進(jìn)行深入思考和探索，分析了教學(xué)過程中存在的問題，以期在今后的教學(xué)中取得更好的成效。

1課程內(nèi)容體系

隨著信息技術(shù)和分子生物學(xué)的快速發(fā)展，生物信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)相關(guān)的學(xué)習(xí)、科研和工作中日益重要。該課程開設(shè)的目的是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入一個(gè)新的交叉領(lǐng)域，了解生物信息學(xué)的基本理論，掌握生物信息技術(shù)的基本操作，觸發(fā)生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)和科研興趣，為日后研究生階段的科研和走上其他工作崗位構(gòu)架良好的知識體系。課程大綱主要分為3個(gè)部分。

1.1信息技術(shù)基礎(chǔ)生物信息學(xué)的信息技術(shù)涉及基本的計(jì)算機(jī)操作、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。隨著測序技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)和Windows操作系統(tǒng)的生物信息工具的低效和低通量的弊端逐漸顯現(xiàn)，生物信息的大批量處理日益重要。鑒于學(xué)生已經(jīng)完成了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)，該課程主要開展Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用網(wǎng)絡(luò)平臺和本地化的軟件處理批量序列。該課程遵循與時(shí)俱進(jìn)、授人以漁的原則，利用4～6個(gè)課時(shí)，講解Linux操作系統(tǒng)，讓學(xué)生了解一個(gè)全新的操作系統(tǒng)，掌握基礎(chǔ)的命令操作，為日后大批量數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。

1.2生物信息學(xué)基本技術(shù)及操作這部分內(nèi)容是生物信息學(xué)的核心內(nèi)容，主要涉及基本數(shù)據(jù)庫介紹、數(shù)據(jù)庫檢索與利用，序列的比對及進(jìn)化樹構(gòu)建、基因預(yù)測及蛋白質(zhì)的基本理化性質(zhì)計(jì)算等。在這部分內(nèi)容中，除了借助網(wǎng)絡(luò)軟件和平臺進(jìn)行分析，部分內(nèi)容也采取基于Linux的高通量處理技術(shù)，例如本地化的blast分析。

1.3生物信息前沿專題生物信息技術(shù)發(fā)展迅猛，很多新的技術(shù)日益涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。完成基本生物信息技術(shù)內(nèi)容后，可根據(jù)科研進(jìn)展，開展一些科研前沿?zé)衢T專題的內(nèi)容學(xué)習(xí)，例如全基因組測序、轉(zhuǎn)錄組測序、重測序等。讓學(xué)生了解科研前沿，觸發(fā)科研興趣，同時(shí)也可以綜合運(yùn)用課程相關(guān)的知識和技術(shù)。

2教學(xué)平臺

該課程全程在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，理論課和實(shí)踐教學(xué)全程打通。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，構(gòu)建了一體化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，主要分為3個(gè)部分：①學(xué)生PC終端，每人配備一臺高性能PC機(jī)。PC機(jī)安裝Windows操作系統(tǒng)和常用的生物信息學(xué)軟件。②所有學(xué)生用機(jī)和教師用機(jī)組建成一個(gè)局域網(wǎng)。教師機(jī)通過多媒體教學(xué)系統(tǒng)，可以控制學(xué)生終端PC，實(shí)現(xiàn)同步直播、分發(fā)文件、作業(yè)提交、師生交流、網(wǎng)絡(luò)連接控制等功能。在局域網(wǎng)里，還配置一臺服務(wù)器，安裝Linux操作系統(tǒng)和本地化的一些生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫及工具，供學(xué)生遠(yuǎn)程連接服務(wù)器，練習(xí)Linux命令和批量處理數(shù)據(jù)。這樣即使在互聯(lián)網(wǎng)無法連接的情況下，教學(xué)或考核過程依然可以通過局域網(wǎng)連接服務(wù)器而順利進(jìn)行，同時(shí)也保證了高通量數(shù)據(jù)通訊的要求。③所有的PC機(jī)和服務(wù)器都連接到互聯(lián)網(wǎng)，便于在教學(xué)中利用網(wǎng)絡(luò)上的生物信息學(xué)工具。

3教學(xué)方式

生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要在了解基本原理的情況下進(jìn)行練習(xí)，掌握相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，以及計(jì)算結(jié)果的生物學(xué)解析?？紤]到課程特點(diǎn)，在教學(xué)中打通理論課和實(shí)驗(yàn)課，每次課程4學(xué)時(shí)，全程在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。借鑒德國現(xiàn)代職業(yè)教育的四階段教學(xué)法[8]，以學(xué)生為中心，注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)講解、演示、模仿和練習(xí)的無縫銜接。具體教學(xué)過程如下。

3.1課堂講解主要為生物信息學(xué)基本理論知識的講解。通過簡單的專業(yè)案例引導(dǎo)，闡述該章節(jié)內(nèi)容的重要性，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，同時(shí)也會(huì)兼顧學(xué)生畢業(yè)課題涉及的研究內(nèi)容及案例。理論知識部分講解不能過于枯燥，主要涉及基本原理，不過多涉及農(nóng)科學(xué)生不擅長的、復(fù)雜的數(shù)學(xué)和信息技術(shù)理論。在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生的遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等生物學(xué)基本知識不牢，需適當(dāng)復(fù)習(xí)和引導(dǎo)，以利于對課程內(nèi)容的理解。

3.2教師演示內(nèi)容主要為實(shí)踐操作講解。操作演示始終圍繞著5個(gè)問題展開，即做什么，怎樣做，為何要這樣做，可以得到什么樣的結(jié)果，結(jié)果說明什么。教師熟練、準(zhǔn)確、詳細(xì)地示范操作步驟，向?qū)W生講解每步的操作要領(lǐng)。教師每一步的操作均通過屏幕截屏或者錄屏工具，制作成詳細(xì)的操作指導(dǎo)文檔或視頻。

3.3學(xué)生模仿通過教師演示，學(xué)生從感官上熟悉了操作練習(xí)的步驟。學(xué)生根據(jù)自己所觀察學(xué)習(xí)到的，結(jié)合詳細(xì)的操作文檔或視頻，立即完全重復(fù)教師演示操作步驟，分析同樣的數(shù)據(jù)，解析同樣的數(shù)據(jù)結(jié)果。每30個(gè)學(xué)生配備指導(dǎo)教師和研究生助教各1名，全程指導(dǎo)監(jiān)督，觀察學(xué)生的操作過程，步步跟蹤糾正，直到完全重復(fù)教師的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.4實(shí)踐練習(xí)和提升學(xué)生通過模仿，基本掌握了分析流程和詳細(xì)操作，然后就是對不同的數(shù)據(jù)或案例進(jìn)行分析，分析內(nèi)容適當(dāng)加以延伸或綜合前面課程所學(xué)的內(nèi)容，舉一反三，觸類旁通，鞏固實(shí)踐，提升學(xué)習(xí)能力，以期使學(xué)生逐步對所學(xué)的理論知識達(dá)到完全掌握和熟練運(yùn)用的程度。

4考評體系

生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，若僅通過常規(guī)的結(jié)業(yè)考試進(jìn)行考核，常常達(dá)不到考核的目的。該課程采取課堂過程考核、課內(nèi)外實(shí)踐考核以及開卷結(jié)業(yè)考試相結(jié)合的多元化考評方式，綜合評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?？己顺煽儽嚷史峙淙缦拢赫n堂考勤及提問等平時(shí)表現(xiàn)占考核成績的10%，課內(nèi)外的實(shí)踐作業(yè)占30%，期末考試占60%，期末考試成績在50分及以上的學(xué)生才能參加綜合測評的考核。期末考試采取開卷的、上機(jī)操作的方式進(jìn)行，學(xué)生可以攜帶任何學(xué)習(xí)資料及充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，但嚴(yán)令禁止利用網(wǎng)絡(luò)和他人進(jìn)行溝通交流。考卷內(nèi)容極少量地涉及基本知識點(diǎn)和概念，其他均為需要通過上機(jī)多步驟操作的綜合性題目，并且注重對計(jì)算結(jié)果的生物意義解讀能力的考核。這種開放的、多元化的考核評價(jià)體系加強(qiáng)了教學(xué)過程的管理，杜絕了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)不積極、考前投機(jī)、不重視實(shí)踐過程的現(xiàn)象，提高了課堂效率，并且注重平時(shí)的操作練習(xí)，更能夠準(zhǔn)確客觀地評價(jià)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手操作能力和知識運(yùn)用能力。

5結(jié)語

上述生物信息學(xué)課程教學(xué)方法使學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲。很多學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入研究生階段還經(jīng)常交流課程相關(guān)內(nèi)容。這些措施對于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高農(nóng)業(yè)生物類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，融合分子生物學(xué)知識和信息技術(shù)完善自身專業(yè)知識體系，最終提高學(xué)生解決問題的綜合應(yīng)用能力具有一定的積極意義。經(jīng)過幾年的探索和實(shí)踐，筆者雖然積累了一定經(jīng)驗(yàn)，探索出具有一定成效的教學(xué)模式，完善了課程體系，但是在課程實(shí)施中也遇到了一些共性問題。例如學(xué)生專業(yè)英語水平不足[9]，針對本專業(yè)的教材缺乏[10]等諸多問題，需要在以后的教學(xué)中不斷地思考、改革、實(shí)踐和完善，逐步提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和效果。

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基金項(xiàng)目湖北省教學(xué)研究項(xiàng)目(2013186)。

作者簡介袁道軍(1979- )，男，湖北竹山人，講師，博士，從事生物信息學(xué)與基因組進(jìn)化研究。

收稿日期2016-04-11

中圖分類號S-01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-304-02

Undergraduate Teaching Practice and Discussion of the Introduction of Bioinformatics in Agriculture Specialty

YUAN Dao-jun, YANG Xi-yan

(College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei 430070)

AbstractWith the rapid development of molecular biology, especially the emergence of next generation sequence(NGS), the importance of bioinformatics in the field of life science is becoming increasingly apparent. The Introduction of Bioinformatics was set up from 2012 in agriculture specialty in Huazhong Agricultural University. Combined with more than three years of teaching practice, the characteristics of the course construction and practice were explored from aspects of establishment and perfection of the curriculum content system, construction of the integrated network teaching platform, implementation of the four stage learning method, reform of the evaluation system, the existing problems were analyzed and reform ideas were proposed. The aim was to improve students’ learning enthusiasm, perfect teaching method, thus to improve teaching level and enhance students’ comprehensive ability.

Key wordsBioinformatics; Course construction; Agriculture specialty; Research teaching; Open type teaching