王 慧，張培培，蔡潤(rùn)林，陳 亮，杜 虹，胡 忠

（1.汕頭大學(xué)理學(xué)院生物系，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學(xué)教務(wù)處，廣東 汕頭 515063 3.汕頭大學(xué)工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，廣東 汕頭 515063）

隨著生命科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā)展及大數(shù)據(jù)研究的興起，生物信息學(xué)作為一門(mén)融合了生物學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)及信息技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科，已經(jīng)逐步發(fā)展成為現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心課程[1].汕頭大學(xué)生物系已將《生物信息學(xué)》作為生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生的必修課程.該課程是一門(mén)跨學(xué)科專(zhuān)業(yè)課程，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，需要學(xué)生不僅具有生物化學(xué)、分子生物學(xué)等生物學(xué)知識(shí)，也要有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ).為了更好地完善課程設(shè)置和教學(xué)計(jì)劃并探索更加合理的人才培養(yǎng)模式，本文以《生物信息學(xué)》的本科教學(xué)為例，對(duì)于交叉學(xué)科在本科教學(xué)中存在的問(wèn)題以及跨學(xué)科教學(xué)模式的實(shí)踐措施及成效進(jìn)行思考和討論.

1 生物信息學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 跨學(xué)科師資力量缺乏

生物信息學(xué)既需要生物學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又需要掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論與技術(shù)，同時(shí)還需要將這兩方面的技術(shù)應(yīng)用于解決生物學(xué)的問(wèn)題，因此對(duì)教師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景要求較高.國(guó)內(nèi)最早設(shè)立生物信息學(xué)本科專(zhuān)業(yè)的哈爾濱醫(yī)科大學(xué)在課程設(shè)置和教師隊(duì)伍配置上均注重了跨學(xué)科這一特點(diǎn)，其本科專(zhuān)業(yè)必修課包括了《生物信息學(xué)導(dǎo)論》、《算法分析》、《生物數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》、《蛋白質(zhì)組信息學(xué)》、《生物數(shù)據(jù)信息挖掘》、《生理系統(tǒng)建?！返炔煌瑢W(xué)科范圍的課程.因此，對(duì)于生物信息學(xué)課程，特別需要具有生物學(xué)和信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)背景的教師，同時(shí)還需要具有從事生物信息學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)的教師參與本科教學(xué)和人才培養(yǎng)，建立一支多學(xué)科交叉的高水平教學(xué)隊(duì)伍[1].

1.2 學(xué)生計(jì)算機(jī)等相關(guān)交叉學(xué)科基礎(chǔ)薄弱

《生物信息學(xué)》作為生物系的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程，面向的學(xué)生群體是生物系學(xué)生.大部分學(xué)生在統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程等方面基礎(chǔ)較為薄弱.由于生物信息學(xué)工具的應(yīng)用偏重計(jì)算，如果不能有效掌握某些知識(shí)點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致很多計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較弱的同學(xué)在理解相關(guān)知識(shí)、應(yīng)用相關(guān)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中會(huì)遇到一些困難，這些困難會(huì)使他們逐漸喪失學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣.與此同時(shí)，生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件等學(xué)習(xí)資源均以英文為主[2]，部分學(xué)生相關(guān)的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)不夠扎實(shí)，使得學(xué)習(xí)的知識(shí)不能融會(huì)貫通，進(jìn)一步造成了學(xué)習(xí)困難.

1.3 教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科交叉難融合

由于《生物信息學(xué)》課程涉及的新知識(shí)點(diǎn)、新技術(shù)及各學(xué)科交叉點(diǎn)較多，并且各種生物信息學(xué)軟件及分析平臺(tái)均為英文界面，所以學(xué)好生物信息學(xué)就要求學(xué)生必須具備良好的計(jì)算機(jī)知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)、生物學(xué)知識(shí)及專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)等知識(shí)[3].這種學(xué)科交叉融合的教學(xué)內(nèi)容使生物信息學(xué)課程在非生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行教學(xué)時(shí)難以真正實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué).要想成體系的完成教學(xué)工作，需要各個(gè)領(lǐng)域的教師協(xié)同教學(xué)，各個(gè)院系相互協(xié)調(diào).

2 跨學(xué)科教學(xué)模式的改革實(shí)踐

為解決上述問(wèn)題，我們對(duì)跨學(xué)科教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整、改革.具體體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 建立具備多學(xué)科知識(shí)背景的教學(xué)團(tuán)隊(duì)

良好的教學(xué)團(tuán)隊(duì)是支撐教學(xué)順利有效進(jìn)行的重要條件.《生物信息學(xué)》是一門(mén)交叉學(xué)科，需要建立具備多學(xué)科知識(shí)背景的教學(xué)團(tuán)隊(duì).在改革過(guò)程中，課程負(fù)責(zé)人通過(guò)吸納具有生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教師，形成課程組，建立強(qiáng)有力的教學(xué)團(tuán)隊(duì).其中課程負(fù)責(zé)人主要負(fù)責(zé)理論知識(shí)的講授；具有統(tǒng)計(jì)學(xué)背景的教師則負(fù)責(zé)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的講授和上機(jī)訓(xùn)練的指導(dǎo)；而計(jì)算機(jī)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容由計(jì)算機(jī)系教師講授.通過(guò)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建立和共同教學(xué)，可以使學(xué)生更全面地掌握生物信息學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的應(yīng)用，而且可以在計(jì)算機(jī)程序方面進(jìn)行更深層次的學(xué)習(xí)和研究.專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的教學(xué)研究經(jīng)驗(yàn).專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒔虒W(xué)和科研融會(huì)貫通，真正做到將生物信息學(xué)為生命科學(xué)研究服務(wù)；能夠及時(shí)且全面地把握科學(xué)前沿和發(fā)展動(dòng)態(tài)，抓住課程的重點(diǎn)；能夠?qū)⒆钚碌目茖W(xué)研究與課堂上的知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián).依托于具備多學(xué)科知識(shí)背景教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)活動(dòng)，不但能夠拓寬學(xué)生的知識(shí)面，同時(shí)還能夠激起學(xué)生的興趣[4].

2.2 教學(xué)內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改革

2.2.1 兼顧基礎(chǔ)知識(shí)與前沿科研熱點(diǎn)的課程內(nèi)容

目前的教學(xué)內(nèi)容在序列比對(duì)、表達(dá)譜分析、分子進(jìn)化、芯片數(shù)據(jù)處理等經(jīng)典的生物信息學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，同時(shí)開(kāi)展生物信息學(xué)前沿與熱點(diǎn)的生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容，例如：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、新一代測(cè)序技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用、基因編輯技術(shù)等科學(xué)前沿.通過(guò)引入最新發(fā)表在《Nature Genetics》上的豌豆基因組研究文章[5]、發(fā)表在《The ISME J》上的細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組文章[6]等最新科研進(jìn)展，將前沿的生物信息學(xué)研究與基礎(chǔ)的課本知識(shí)相結(jié)合，使學(xué)生了解本學(xué)科最前沿的研究熱點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理方法.

2.2.2 自主學(xué)習(xí)與E-learning相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式

在具體的教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)中，要求每個(gè)小組預(yù)習(xí)同一個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，以小組為單位獨(dú)立制作整章的課件.將章節(jié)拆解為不同的部分，在課堂上隨機(jī)選擇不同的小組分別講授，最后，再由各個(gè)小組一起進(jìn)行比較分析.通過(guò)這種結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，有利于促使學(xué)生融入課堂，善于提出問(wèn)題、分析和解決問(wèn)題，并且敢于批判和懷疑.通過(guò)搭建生物信息學(xué)相關(guān)資料網(wǎng)站、利用MAKA制作移動(dòng)端的學(xué)習(xí)資源等，與學(xué)生進(jìn)行在線的輔導(dǎo)與答疑互動(dòng).

為了給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)良好的自學(xué)環(huán)境，我們應(yīng)用屏幕錄像軟件制作了上機(jī)實(shí)踐操作演示等教學(xué)資源；提供了詳盡的課件供學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)上下載學(xué)習(xí)，該課件資源覆蓋了生物信息學(xué)課程的全部教學(xué)內(nèi)容和所需的擴(kuò)展資料，包括論文、動(dòng)畫(huà)演示、視頻教程等信息；另外還提供了DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BioEdit、Cytoscape等常用軟件的安裝程序，并提供配套的使用手冊(cè)、英文參考文獻(xiàn)等支撐材料，從而有效地?cái)U(kuò)大了學(xué)生的自學(xué)空間，并提供了足夠的支持.

2.2.3 建立基于團(tuán)隊(duì)的上機(jī)實(shí)操訓(xùn)練模式

根據(jù)生物信息學(xué)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，將課程分為理論課和上機(jī)課兩部分，理論課講授基礎(chǔ)知識(shí)，上機(jī)課強(qiáng)調(diào)軟件的實(shí)操，使學(xué)生能夠更好掌握和應(yīng)用生物信息學(xué)知識(shí)以及相關(guān)軟件.在完成上述理論儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，將更多時(shí)間交給學(xué)生進(jìn)行上機(jī)實(shí)際操作，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到學(xué)以致用的效果[7].

2.3 學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)的改革

《生物信息學(xué)》課程的目的是提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決生物學(xué)問(wèn)題的能力，因此主要考查學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)，將考核分為日常學(xué)習(xí)評(píng)估及期末非標(biāo)準(zhǔn)化答案試題考試.日常學(xué)習(xí)評(píng)估方式分為兩部分：第一部分，要求不同的小組完成課件的制作和講授，隨后不同小組之間再相互評(píng)價(jià)、質(zhì)疑，通過(guò)這個(gè)過(guò)程將有助于任課教師初步了解學(xué)生的掌握情況；第二部分，借助網(wǎng)絡(luò)工具來(lái)設(shè)置課程相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的問(wèn)卷（課堂小測(cè)試），通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的情況和對(duì)課堂效果的反饋.期末非標(biāo)準(zhǔn)化答案試題考試即開(kāi)卷考試和上機(jī)實(shí)操并重，在考試命題時(shí)重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)知識(shí)是否能夠全面掌握和靈活運(yùn)用.上機(jī)實(shí)操則要求學(xué)生利用課堂所學(xué)的程序和軟件來(lái)分析解決生物學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，以此重點(diǎn)考核學(xué)生的實(shí)際操作及應(yīng)用能力.

2.4 在課程中融入思政元素

在本課程設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程中，將思政教育一以貫之地融入到課程教學(xué)中，在向?qū)W生傳授專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)兼顧培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀.采用寓德于教，潤(rùn)物無(wú)聲的方式，將專(zhuān)業(yè)課與思政教育有機(jī)結(jié)合，例如：通過(guò)人類(lèi)基因組計(jì)劃、腦計(jì)劃等前沿科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目的講述，培養(yǎng)學(xué)生探索未知的興趣及投身科學(xué)研究的責(zé)任感和使命感；通過(guò)講授國(guó)際知名數(shù)據(jù)中心及我國(guó)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面面臨的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情以及不畏艱難勇于探索和創(chuàng)新的科研精神；通過(guò)講述生物信息學(xué)軟件的版權(quán)使用問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的民族責(zé)任感和立志開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)權(quán)軟件的信念與決心等.

3 改革成效

通過(guò)《生物信息學(xué)》課程的跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐，汕頭大學(xué)生物系建立了業(yè)務(wù)水平高、責(zé)任心強(qiáng)的生物信息學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，在育人方面取得了一定的成效.“跨學(xué)科教學(xué)模式的探索與實(shí)踐”這一理念還可以推廣到生物系其它專(zhuān)業(yè)課程，也可以為兄弟院校的生物信息學(xué)教學(xué)提供參考.

3.1 本專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)可和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性大大提升

在跨學(xué)科教學(xué)改革探索和實(shí)踐期間，學(xué)生通過(guò)將生物信息學(xué)理論知識(shí)與上機(jī)實(shí)踐和自己參加的生物學(xué)競(jìng)賽活動(dòng)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目等結(jié)合，去解決科學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題，既可以增強(qiáng)生物信息學(xué)課程學(xué)習(xí)的趣味性和學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，也可以在課外競(jìng)賽和研究中提升自己，取得成績(jī).通過(guò)學(xué)校學(xué)分制系統(tǒng)中學(xué)生在課程期間反饋意見(jiàn)可以看出，有同學(xué)表示生物信息學(xué)實(shí)用性比較強(qiáng)且較為熱門(mén)，希望可以增加課時(shí)從而學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，還有部分同學(xué)的評(píng)價(jià)如下：“這門(mén)課是為了讓我們學(xué)會(huì)使用軟件工具處理信息，上機(jī)課學(xué)到很多有用的軟件”；“老師上課很有趣，講得通俗易懂”.

3.2 學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力得到提升

《生物信息學(xué)》是一門(mén)以實(shí)踐為目的的課程，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)到的生物信息學(xué)知識(shí)應(yīng)用到解決生物學(xué)實(shí)際問(wèn)題中.因此，課程團(tuán)隊(duì)鼓勵(lì)本科生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽等，做到活學(xué)活用，學(xué)以致用.團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的2016級(jí)、2017級(jí)本科生參加第三屆全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽和第二屆、第三屆廣東省大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽，分別獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng).除了各類(lèi)競(jìng)賽，我們還鼓勵(lì)本科生參與到導(dǎo)師的科研中來(lái)，讓同學(xué)們參與到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究和生物信息學(xué)分析.科研方面同樣取得了顯著的成果，其中由本科生參與發(fā)表的研究成果包括《Differences in metabolic potential between particle-associated and free-living bacteria along Pearl River Estuary》[8]、《Pyrene biodegradation and its potential pathway involving Roseobacter clade bacteria》[9]、《High antioxidant capability interacts with respiration to mediate two Alexandrium species growth exploitation of photoperiods and light intensities》[10]等在內(nèi)的多篇高水平科研論文.在上述論文相關(guān)研究和競(jìng)賽項(xiàng)目中，學(xué)生們將課程上所學(xué)的理論知識(shí)和上機(jī)實(shí)踐中所學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法充分的、靈活的運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題的解決和數(shù)據(jù)分析當(dāng)中，并取得了良好的成績(jī).

3.3 學(xué)生對(duì)科技興國(guó)的認(rèn)知增強(qiáng)

通過(guò)上述寓德于教，潤(rùn)物無(wú)聲的思政教育，學(xué)生對(duì)探索未知的興趣及投身科學(xué)研究的責(zé)任感和使命感得到極大增強(qiáng)，積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽等（詳見(jiàn)3.2部分）；同時(shí)，學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到生物信息學(xué)領(lǐng)域極度缺少?lài)?guó)產(chǎn)分析軟件的現(xiàn)狀，不少同學(xué)立志開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)權(quán)軟件，其中2018級(jí)鞏遵運(yùn)和程宇同學(xué)分別考入深圳華大生命科學(xué)研究院、廈門(mén)大學(xué)生物信息專(zhuān)業(yè)繼續(xù)深造.

4 思考與討論

當(dāng)前《生物信息學(xué)》課程的最終目的在于讓學(xué)生在了解生物化學(xué)、分子生物學(xué)等生物學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將生物信息學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)行融合，以計(jì)算機(jī)的應(yīng)用推動(dòng)生物大數(shù)據(jù)的處理[11].在今后《生物信息學(xué)》課程的教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)更加注重引導(dǎo)學(xué)生深入思考和鉆研拓展生物信息學(xué)在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，幫助學(xué)生建立復(fù)合型知識(shí)體系，追蹤學(xué)科發(fā)展的前沿研究動(dòng)態(tài)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自主閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，在課堂上進(jìn)行文獻(xiàn)分享與討論.另外，我們將適當(dāng)延長(zhǎng)生物信息學(xué)的教學(xué)課時(shí)，并采取PBL（Problem-based learning，以問(wèn)題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)）模式結(jié)合多媒體教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[12].在課程的開(kāi)始階段，將課堂內(nèi)容偏向于學(xué)習(xí)及探究，使學(xué)生通過(guò)閱讀教材、查找并閱讀文獻(xiàn)了解近期生物信息學(xué)領(lǐng)域研究進(jìn)展，并通過(guò)課堂報(bào)告促進(jìn)學(xué)生交流和深入思考，發(fā)現(xiàn)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題；在課程的后期階段，將課堂內(nèi)容偏向于發(fā)揮及綜合應(yīng)用，圍繞教師在生物學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生提出解決問(wèn)題的方案，提高學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)和方法的能力，真正使學(xué)生做到學(xué)以致用.