賈藏芝 步媛媛 王志平

摘? ? 要：“生物統(tǒng)計”是大學統(tǒng)計專業(yè)一門重要專業(yè)課程，具有鮮明的學科交叉性，適合作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的平臺。文章以“生物統(tǒng)計”教學實踐為基礎(chǔ)，貫徹以學生為中心的理念，著力培養(yǎng)學生的編程能力，引導其動手實踐每個教學模塊所涉及的算法，將統(tǒng)計學的理論知識融會貫通，并應(yīng)用于解決生物學問題，從而提升其綜合運用所學知識解決復雜實際科學問題的能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新型人才;“生物統(tǒng)計”;教學改革;教學模式;MATLAB編程

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）03-0057-02

創(chuàng)新是高等教育改革發(fā)展的必然趨勢。習近平總書記指出，惟改革者進，惟創(chuàng)新者強，惟改革創(chuàng)新者勝。創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為當前高等教育改革的一個重要目標。

“生物統(tǒng)計”是數(shù)理統(tǒng)計在生物學研究中的應(yīng)用，它是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的原理、運用統(tǒng)計方法來認識、分析、推斷和解釋生命過程中的各種現(xiàn)象和實驗調(diào)查資料的科學[1]?！吧锝y(tǒng)計”課程之前設(shè)定的研究內(nèi)容是利用假設(shè)檢驗、

方差分析、實驗設(shè)計等統(tǒng)計手段處理實驗得到的數(shù)據(jù)，進行總體趨勢的分析。近年來，測序技術(shù)及基因組學、蛋白質(zhì)組學和轉(zhuǎn)錄學等生物學新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療等國民經(jīng)濟領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，目前社會需要大量的具有分析生物大數(shù)據(jù)能力的創(chuàng)新型人才。因此，高校迫切需要進行“生物統(tǒng)計”的教學改革，培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型人才[2]。高校需要從改革“生物統(tǒng)計”的教學內(nèi)容與方法等方面入手，讓學生了解當今科技發(fā)展趨勢及社會需求，激發(fā)其學習興趣，并因勢利導地培養(yǎng)學生利用編程手段將統(tǒng)計學理論知識應(yīng)用于解決生物大數(shù)據(jù)處理這類實際問題的能力。

作者自2012年起擔任大連海事大學統(tǒng)計專業(yè)“生物統(tǒng)計”課程的教學工作，在教學實踐過程中，探索多種教學模式，提升學生的編程能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。文章對作者的教學實踐經(jīng)驗和成果，以及遇到的問題進行歸納和總結(jié)。

一、教學內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計

統(tǒng)計專業(yè)三年級學生已經(jīng)學習了“統(tǒng)計學基礎(chǔ)”“多元統(tǒng)計”“抽樣調(diào)查”“實驗設(shè)計”“數(shù)學軟件與實驗”和“R語言”等課程，具備了扎實的統(tǒng)計理論基礎(chǔ)知識和編程基礎(chǔ)。因此，“生物統(tǒng)計”課程的主要目的是引導學生將專業(yè)基礎(chǔ)理論課程中涉及的知識應(yīng)用到生物領(lǐng)域，將學生培養(yǎng)成為能夠綜合利用計算機軟件分析數(shù)據(jù)和建立數(shù)學模型的創(chuàng)新型人才[3]。

為了突出統(tǒng)計學在分子生物學方面的應(yīng)用，作者對教學內(nèi)容進行了革新，主要內(nèi)容包括：（1）“分子生物學”相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，主要包括核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和相互關(guān)系;（2）統(tǒng)計基礎(chǔ)回顧，包括方差分析、回歸與相關(guān)分析、μ檢驗、t檢驗等內(nèi)容;（3）生物數(shù)據(jù)庫的查詢及搜索;（4）核酸/蛋白質(zhì)序列的比較分析;

（5）分子進化及系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建;（6）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測及分析。

一方面，針對每個大的模塊，作者首先講述在解決此類問題時用到的統(tǒng)計學知識，采用案例教學法，引導學生理解并運用公式解決實際問題，體會統(tǒng)計學在生物大分子領(lǐng)域的作用。讓學生結(jié)合學過的MATLAB編程語言，利用程序?qū)崿F(xiàn)理論算法。另一方面，根據(jù)“生物統(tǒng)計”這門課程與作者的研究方向基本一致的特點，作者在教學過程中也采用了“科研反哺教學”的教學方法[4]。將最新研究成果制作成微課件，上傳到BB課堂，供學生課前預(yù)習、課間討論和課后復習使用。教學的內(nèi)容及方式如圖1所示。

二、教學方法的集成運用

“生物統(tǒng)計”課程的培養(yǎng)目標是讓學生能夠?qū)⒔y(tǒng)計理論運用到生物領(lǐng)域，并通過編程實現(xiàn)具體的算法，因此針對每個模塊，采取了多種教學方法相結(jié)合的模式。如第二個模塊——生物數(shù)據(jù)庫的查詢及搜索，主要采用互動式的教學方式。作者以編碼大腸桿菌 dUTPase 的基因為例，介紹美國國家生物技術(shù)中心數(shù)據(jù)庫的使用方法。在

NCBI的Genbank 數(shù)據(jù)庫搜索大腸桿菌X01714，并講解序列注釋的具體含義。作為實踐練習，讓學生搜索導致此次疫情的新型冠狀病毒MN908947的序列信息，并從序列注釋等方面對此病毒有更加深入的認識。通過與生活貼近的案例分析，引起學生的興趣，培養(yǎng)學生搜索數(shù)據(jù)庫的能力。核酸/蛋白質(zhì)的序列比較是“生物統(tǒng)計”課程的基礎(chǔ)，也是最初始的研究內(nèi)容，涉及的統(tǒng)計知識主要有動態(tài)規(guī)劃算法和隱馬爾可夫模型。作者通過案例教學法，引入序列比對的相關(guān)定義，并介紹動態(tài)規(guī)劃算法的偽代碼。然后要求學生利用MATLAB實現(xiàn)序列的全局比對和局部比對算法。教師給學生一組數(shù)據(jù)，讓每位學生運行自己的程序，根據(jù)運行時間和準確率予以打分。然后選?。ǔ煽儯┣?%的學生的程序進行案例分析，由學生講解自己的程序，并詳盡說明算法具有明顯優(yōu)勢的原因，同時教師會給予點評。

隱馬爾可夫模型是一種統(tǒng)計模型，廣泛應(yīng)用在語音識別、詞性自動標注、音字轉(zhuǎn)換、概率文法等自然語言處理領(lǐng)域。統(tǒng)計專業(yè)的學生已經(jīng)學習過隱馬爾可夫模型的理論部分，教師對其在序列比對上的應(yīng)用做了詳盡的介紹，給出了幾個主程序。這部分內(nèi)容作為學生課下自主學習內(nèi)容，要求能讀懂主程序，學會調(diào)用，并理解結(jié)果輸出的含義。

“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測及分析”這部分內(nèi)容，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，教師將基于統(tǒng)計的預(yù)測方法包括Chou-Fasman、GOR和最小鄰近法的學習任務(wù)、課件以及FASTA格式的蛋白質(zhì)序列上傳到BB課堂，方便學生自學。在課堂教學中，針對學生在編寫程序的過程中遇到的問題進行梳理和答疑，最后將學生分為3組，每組負責一種預(yù)測方法，進行案例討論，要求學生能夠?qū)@3種預(yù)測的結(jié)果做出比較，并且分析其優(yōu)缺點及適應(yīng)范圍，并盡可能提出改進的思路。在報告的籌備過程中，學生是主角，教師的作用主要是啟發(fā)者。教師主要是介紹從權(quán)威期刊搜集到的最新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的研究進展，與學生共同探討，激發(fā)學生學以致用，為以后的科研之路做好鋪墊。

三、考核方式的革新

本次考核方式的革新，主要是把平時成績所占比例從30%提高至50%，其原因在于編程能力的提高不在于一朝一夕的突擊，而是需要平時不間斷地練習與積累，通過案例分析鍛煉學生編程能力，提高編程水平，平時成績通過學生呈現(xiàn)的報告情況給出。期末考試形式為上機考試，以實際項目為考題，要求學生在指定時間內(nèi)完成編程，并提交代碼和結(jié)果。如序列比對模塊的考核，根據(jù)BAliBASE數(shù)據(jù)庫序列相似度的不同，得到了5個基準數(shù)據(jù)集，要求學生利用Needleman-Wunsch動態(tài)規(guī)劃算法和隱馬爾可夫模型進行多序列比對，并對比對結(jié)果的準確度進行分析。考核方式改革的目的是激發(fā)學生學習的興趣和主觀能動性，培養(yǎng)解決實際問題的能力。

“生物統(tǒng)計”是數(shù)學系統(tǒng)計專業(yè)重要的理論和實踐相結(jié)合的課程。作者根據(jù)授課對象的統(tǒng)計基礎(chǔ)夯實，而分子生物學基礎(chǔ)較薄弱的特點，在“生物統(tǒng)計”課程的授課內(nèi)容、教學模式和考核方式等方面進行了較為全面的革新，目的是為了培養(yǎng)具有理論與編程能力的創(chuàng)新型人才。經(jīng)過幾年的實踐，已經(jīng)取得了不錯的成效。目前已有四屆（8名）學生申請本科生進實驗室項目，與作者一起進行dsRNA分子設(shè)計與代謝動力學課題研究，并且有1名學生發(fā)表一篇科研論文（SCI檢索）。然而，現(xiàn)在的教學模式還有一些地方值得思考和繼續(xù)探索，例如，受課時和學生的基礎(chǔ)所限，課堂上所采用的案例不夠新穎，不能夠完全運用于當前熱點的研究領(lǐng)域。這就需要與“統(tǒng)計數(shù)據(jù)挖掘”“模糊統(tǒng)計”等課程做好協(xié)調(diào)，構(gòu)成完整的教學體系，從而加強對理論結(jié)合實踐等相關(guān)技能的訓練。從教師的角度，在今后的教學工作中，作者將加強“與時俱進的案例研討+成果為導向的項目研討”相結(jié)合的教學模式，激發(fā)學生解決科學問題的興趣、決心和耐心，有效鍛煉學生綜合運用基礎(chǔ)知識來解決實際科學復雜問題的能力，培養(yǎng)真正具有創(chuàng)新能力的科學人才。

參考文獻：

[1]? 王繼蓮，卡迪爾·阿不都熱西提，李明源，等.應(yīng)用型人?才培養(yǎng)視角下的生物統(tǒng)計學教學改革探索與實踐[J].生命的化學，2020，40（6）：969.

[2]? 丁建華，金顯文，范玉朋.《生物統(tǒng)計學》教學現(xiàn)狀的?調(diào)查[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2016，37（4）：89.

[3]? 趙亮，高貴珍，劉小陽，等.應(yīng)用能力培養(yǎng)導向的生物統(tǒng)計學課程改革初探[J].宿州學院學報，2013，28（11）：109.

[4]? 劉田，屈明博，楊君.面向新工科的酶工程教學創(chuàng)新與實踐[J].生命的化學，2020，40（8）：1472.

■ 編輯∕李夢迪

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