劉艷 呂愛平 朱瑞新 翁志萍

[摘 要] 生物信息專業(yè)教學主要是培養(yǎng)學生綜合運用各種統(tǒng)計方法和工具進行生物信息數(shù)據(jù)處理分析的能力?；诖?，對生物信息專業(yè)課堂教學模式進行探索，結合CBI、SPOC等多種教學模式，組建海外精英教學團隊;采用先進的教學方法，創(chuàng)建野外實習基地、海外畢業(yè)設計基地;引導學生早期接觸生物信息學應用領域和科學研究。實踐證明，創(chuàng)新教學模式為培養(yǎng)生物信息創(chuàng)新人才提供了有力保障。

[關鍵詞] 教學模式;實驗;實習;改革

一、引言

生物信息專業(yè)是傳統(tǒng)的生物學和計算機科學綜合發(fā)展的一門交叉專業(yè)，涉及學科領域廣泛，綜合了計算機、信息技術、數(shù)學、化學、生物等相關科學知識。它通過對大量的原始數(shù)據(jù)進行收集、存儲、分析、解釋和整合，從而表征出復雜的生命信息[1，2]。西方發(fā)達國家生物信息專業(yè)學位培養(yǎng)具有成熟的體系，并不斷探究教學方法和分析生物信息教育現(xiàn)狀[3，6]。近年我國的華中農(nóng)業(yè)大學、同濟大學等高校設立了生物信息學專業(yè)，但是學科的復雜性和綜合性導致生物信息專業(yè)教學處于摸索階段，尚未形成一個完整的專業(yè)課程體系。很多高校目前只能整合計算機、數(shù)學等師資力量，進行單一教學。

在多年的生物信息專業(yè)學生的培養(yǎng)中，我們著重抓學生實踐實習能力，結合學校采用的教研一體化、學業(yè)導師制、報告研討制等各種方法，創(chuàng)建特色實踐教學基地，大力資助創(chuàng)新實驗項目，學生畢業(yè)入職后受到科研院所和企業(yè)的好評。此外我們開展生物信息教學與國際接軌，吸收歐美國家的生物信息專業(yè)成熟的教學經(jīng)驗，不但可以彌補實踐經(jīng)驗的不足，還可以讓學生開拓國際視野，培養(yǎng)出一批高水平的生物信息人才。基于此，我們開展了生物信息專業(yè)課程教學改革，采用多種教學模式，引導學生了解生物信息學前沿領域和研究成果，增強對學科的認識和對生物信息未來的把握。

二、教學模式的改革與實踐

（一）CBI教學模式

國外很早就開展并實踐了采用不同的教學方法和手段來促進生物信息教學的發(fā)展[7-9]，比如采用Internet在線來開展生物信息培訓[ 10 ]。構建生物信息教學專用多媒體機房是教學改革的硬件，我們將全部生物信息專業(yè)課轉(zhuǎn)移到機房，采用以電腦為載體的CAI等現(xiàn)代化教學手段，部分雙語課程或全英語課程也采用了CBI教學模式[ 11 ]。通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)學生不但愿意接受CBI教學理念，而且顯著提高了學生的專業(yè)英語水平。為了提高自主學習能力，我們建設了數(shù)字化生物信息實踐教學平臺[ 12 ]，將課程的課件放在平臺上，學生在平臺上獲得資料進行自主學習。部分學生在完成基礎實驗之后可以增加自選實驗，如開放性實驗等。教師開展各種科研活動吸引學生，不斷提高學生從事科研的能力。

（二）SPOC教學模式

SPOC教學模式具有小眾化、限制性等特點，結合傳統(tǒng)教學模式可以提高教學效率。云平臺是生物信息專業(yè)SPOC教學模式發(fā)展的硬件支持。SPOC平臺的設計結合云計算和云存儲搭建新型教學平臺，關鍵是高速穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)，整合分布式計算架構，依托分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲技術以及功能強大的專業(yè)軟件，從而實現(xiàn)了生物信息專業(yè)教學資源的共建共享。在云實驗教學平臺基礎上，采用SPOC教學模式，反哺于傳統(tǒng)課堂實驗教學，結合統(tǒng)計分析技術，改進教學方法，形成一套具有數(shù)據(jù)支撐的專業(yè)課程教學體系，使生物信息專業(yè)教學發(fā)展到一個新的高度，這也是我國高等教育信息化發(fā)展的一個重要目標之一。

SPOC教學模式將課程的學習分為線上學習和線下學習[ 13 ]，其中線上學習主要是自學SPOC教學資源、擴展知識等，主要包含了學生的課前預習和學習中的討論與反饋，師生實現(xiàn)無時間無地點限制的交流與探討。SPOC的教學資源由教師開發(fā)團隊整合，團隊成員包括任課教師、助教、系統(tǒng)管理員等。為豐富課程資源我們搜集了校內(nèi)外優(yōu)秀的教學視頻、教學課件以及擴展知識點等。學生根據(jù)自己的學習實際做好課前預習是學習的重要組成部分。首先由任課教師發(fā)布學習任務，學生利用云平臺的各種課程資源進行課前預習，包括閱讀教材、學習PPT、觀看SPOC教學視頻、課前練習操作等。線下學習主要是學生的實驗操作以及教師對學生疑難問題解答等。教師在機房采用電子白板和教學控制軟件等多種方式將知識傳授給學生。課堂討論可以對學生疑難進行解答，也可以進一步深化知識，擴展學習的深度，學生可以自行檢測自己的學習程度。課堂作業(yè)也是檢驗學生接受并應用新知識的最佳方式。學生根據(jù)教師現(xiàn)場布置的作業(yè)進行操作實驗，利用生物信息實驗室的實驗環(huán)境，當需要采用大量計算時，連接我們的高性能計算集群，建立自己的文件夾，在自己的文件夾下進行編程，搜索數(shù)據(jù)庫等。

（三）海外精英教學團隊

1.長青系列精品課程。生物信息專業(yè)的教學，國外的教學與科研水平都遠遠高于國內(nèi)，為了建設一流本科教育，努力將學生培養(yǎng)成為兼具“扎實基礎、實踐能力、創(chuàng)新思維、國際視野、社會責任”五方面綜合特質(zhì)的社會棟梁與專業(yè)精英，我們邀請以美國工程院院士、麻省大學醫(yī)學院終身教授，被同濟大學聘為千人計劃講座教授的翁志萍教授為本科生開設了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與機器學習長青系列精品通識課程，課程內(nèi)容具有科學性、先進性、前瞻性、創(chuàng)新性，體現(xiàn)交叉，反映生物信息領域的最新科技學術成果，將科學思維和創(chuàng)新方法貫穿到課程體系中，充分發(fā)揮科研反哺教學，促進科教融合的作用。

2.暑期夏令營學習班。我們積極鼓勵拓展學生科技發(fā)展空間，組建了以哈佛大學、麻省大學為主的國際一流的海外教學團隊。每年暑期我們舉辦為期4～5周的生物信息科研培訓班，指導學生如何獲得和閱讀生物信息學科研論文，如何獲得生物信息學常用軟件以及具體的安裝及使用。通過實際操作，要求學生掌握生物信息編寫程序，初步分析高通量測序（RNA-seq、ChIP-seq）數(shù)據(jù)，具備分析基因組數(shù)據(jù)的能力，如組裝、基因預測、序列分析、SNP分析等注釋分析，讓學生了解并學習生物信息類有價值的公共數(shù)據(jù)資源。

（四）野外實習基地

生物信息學采用生物信息專業(yè)軟件、數(shù)據(jù)庫，從微觀上理解生物學的意義。如果用到了預測工具，最后的生物問題還要回歸到宏觀上，用實驗驗證預測的可靠度。為了讓學生了解生物學宏觀和微觀的關系，生物學野外實習也是生物信息專業(yè)的必修課，我院和浙江農(nóng)林大學、國家自然保護區(qū)天目山長期合作建立了生物學野外實習基地[ 14 ]。通過這個課程，學生需要掌握動植物標本采集等野外工作的方法和技能，隨著海拔的不同掌握植物的種類和分布發(fā)生的變化。通過野外實習，學生了解了人、自然、環(huán)境的科學關系，開闊了視野，增強了地質(zhì)環(huán)境意識。學生通過野外實習認識到，作為一名生物學家不僅需要嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，還需要具有團隊合作精神。不僅如此，還培養(yǎng)了他們吃苦耐勞、團結友愛的精神，體現(xiàn)了同濟人同舟共濟的精神。也深刻認識到必須要鍛煉身體，增強體質(zhì)，才能逐步適應野外艱苦的工作學習環(huán)境。

“崇明島移動課堂”實踐教學活動也是我們實踐教學中必不可少的教學資源。崇明島是“東亞-澳大利亞”鳥類遷徙路線（世界八大鳥類遷徙路線之一）中一個重要的中轉(zhuǎn)站。指導老師帶領學生參觀東灘鳥類展館，在解說員的講解下，了解保護區(qū)豐富的鳥類和其他動物資源。我們在吸取往年經(jīng)驗的基礎上改良創(chuàng)新，對活動的內(nèi)容及具體形式不斷改進，以激發(fā)培養(yǎng)學生興趣為宗旨，寓教于樂，拓展學生知識面，同時鍛煉學生的實踐及創(chuàng)新能力。

（五）海外畢業(yè)設計培養(yǎng)基地

為了提高學生的畢業(yè)設計和參與科研的能力，我們院系聯(lián)合美國哈佛大學、麻省理工大學教授創(chuàng)建了海外畢業(yè)設計培養(yǎng)基地，通過輸送到海外知名大學進行畢業(yè)設計，增強學生在生物領域進行科學研究的興趣，提高學生與國際知名教授英語交流和合作能力。教師通過進行考察和借鑒世界一流大學的教學理念、管理模式和運行機制反哺本校的教學體制，不斷推動教學方法改革，把國際的、多元的文化和前沿領域融入我們現(xiàn)有教學中去。經(jīng)過多年的實踐和調(diào)研，90%以上的學生經(jīng)過海外畢業(yè)設計培養(yǎng)的學生畢業(yè)之后選擇進一步深造。學生們反映，通過海外交流可以更直接的了解國際一流學校的教學和科研，更快的掌握生物信息前沿領域，進一步提高專業(yè)教學和研究水平。

三、結論

生物信息專業(yè)教學是一個不斷深化和提高的過程。以培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力為核心，開展生物信息專業(yè)教學模式的改革與實踐，對提高學生運用各種學科知識和工具解決生命科學領域疑難問題的科研能力有著非常重要的作用。今后，我們將通過在校生、畢業(yè)生以及企業(yè)的反饋信息，結合創(chuàng)新的教學方法，為更好地滿足新時代創(chuàng)新型生物信息學人才需求提供保障，提高我國生命科學領域在國際上的地位。

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