生物信息学基本概念范文

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关键词：师范教育改革；生物学信息学；课程建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）21-0102-02

随着教育的发展，教师体制也不断发生改变，顺应发展的趋势，教师资格证的改革开始不断推进与完善。2012年《国家中长期教育改革和发展规划纲要》精神和教育部部署启动全国中小学和幼儿园教师资格证改革试点工作，2013年《中小学教师资格考试暂行办法》出台并规定：试点启动后入学的师范专业学生申请中小学教师资格应参加教师资格考试。2015年我国正式实施教师资格证国考制度，并实行五年一个周期的注册制度。教师资格证制度的变革是对高师院校实施教学改革的促进同时也是对师范生的挑战。改革制度下更要求提高教师的综合素质和学生能力的培养，而《生物信息学》所具备的专业性与前沿性正是师范教育对学生着重培养的方向与目标。

《生物信息学》是一门交叉学科，包含了对生物信息的获取、加工、存储、分配、分析、解释等在内的所有方面，运用数学、计算机科学和生物学的各种工具阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。随着大规模的基因组测序工作的开展，生物学数据获得了大量的积累，生物信息学悄然兴起并得以蓬勃发展。生物信息学使学生了解学科前沿和新技术进展，同时培养学生综合运用知识的能力。但目前多数院校只将其设为选修课程，重视程度很低，而且在教学内容、方法等方面存在一些问题。由于师范教育改革对师范生要求不断提高，课程的学法和内容也要与时俱进，怎样建构新的课程体系是高师院校需要解决的问题。

一、课程教学现状

1.师资力量薄弱。生物信息学不仅对教师专业知识要求高，同时也需要有计算机理论基础的教师来授课。但目前教授生物信息学课程的教师大多都为其他生物学课程的教师，这些教师往往缺乏专业的生物信息学分析软件操作训练和计算机基础，不能将各学科更好融合。

2.教学方法滞后。生物信息学是一门交叉学科，但教师在教学过程依旧采用传统教学方法，计算机辅助教学不常见，这种授课方式不仅效果欠佳也没有发挥此学科的优势。而且在教学过程中不注重培养学生对生物信息学的重要性的认识，所以学生认为该课程只是理论学科，认识不到其对实践操作能力的重要和生物数据分析的意义。

3.实践教学不足。受传统的教学观念影响，教师在教学过程中只注重理论教学忽视实践教学，导致学生所学的理论知识与实践脱节。因为生物信息学对于网络高度依赖，但由于受学时限制，课堂教学的内容有限，实践教学课时数较少，内容也比较简单，缺乏完善的实践教学过程，学生也缺乏实际动手操作的能力。

4.考评方案简单。生物信息学的考核重点是学生对生物信息基本概念的理解，软件操作的掌握程度及生物数据分析解释的能力。但一些学校的考试形式还全部是理论知识，缺少实际操作能力的检验，这种考评办法的评价效能差，而且不能体现学科的特点。

二、课程体系建设优化

1.提高教师素质。教师是教学的核心资源，其知识水平和操作技能都会影响教学的效果。提高教师素质首先要对任课教师开展《生物信息学课程教学改革和实践》专题讲座，其次鼓励教师通过查阅相关文献，了解课程的特点及发展，组织大家进行讨论，再次，也要积极组织教师参加科研活动，提高科研新能力，在科研过程中进一步了解本学科的前沿内容。

2.编写教学标准。如今的教师专业化不只是强调教师要有扎实的理论知识，更要有实践能力。所以生物信息学的课程建设改革要组织新的教学内容，合理安排理论学时特别是实验学时。课程标准对生物信息学的研究内容、现状和发展前景做具体的介绍，主要对生物信息学的基本概念和基本方法进行讲解，重点是分析软件的操作方法和生物学数据库的使用方法的讲解。

3.改进教学方法。师范教育改革意味着对师范生各方面要求的逐渐提高，学生不能只被动接受知识，所以教师在教学中要利用多媒体辅助进行直观教学，演示生物学数据库的浏览与检索，软件的使用，基因序列的检索、基因阅读框架的找寻、序列比对、进化树的构建等操作。教师也可以提供课件和DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BIOEDIT等软件安装程序及使用手册等扩大学生的自学空间，使学生的被动学习变为主动学习，也符合师范教育对学生创造能力、应用能力的培养。

4.教学科研结合。生物信息学教学强调能力的培养，且学科的交叉性也能使学生将所学知识与之结合。教师可以鼓励学生参与相关课题研究，学校也可以提供机会让学生参与到创新创业性研究的科研项目中，这样的学习方式可以激发学生对科研的兴趣，巩固课程中所学到的知识，使学生掌握生物信息学课程的实践技能，也更好的体现对师范生创新能力培养。

5.优化理论课结构。师范教育提倡以学生为主体的授课方式，所以课堂可以采取不同的学习方式如小组合作或学生讲述等以此丰富理论课的教学模式。教师可以提出问题由小组成员讨论研究学习，课堂也可以以自讲的方式进行学习，学生通过查阅资料了解学科在临床医学、药物产业等方面的应用以及在后基因组时代的主要研究内容等，不仅掌握了前沿知识同时也锻炼教师技能，对于师范教育培养有很好的促进作用。

6.加强实验课建设。师范教育在强调师范生理论知识的同时更注重实际的操作能力，所以实验教学起着越来越重要的作用，在学习中通过生物数据库的使用，可以提高学生处理生物信息的能力。生物学数据库均可以通过网络提供数据检索服务，学生可以根据理论知识进行相应的实际操作。学院可以进一步开放实验室，为学生创造动手操作的自学实验环境。

7.改革考核方法。考试是检测教学效果的方法，也是促进学生学习的有力手段。如何考核需要制定详细的评价指标体系。生物信息学的考核改革是在基础考核之上增加了小组答辩和论文成绩。小组答辩以生物信息学在疾病研究中的应用为拟设计命题，培养学生协作收集整理相关文献并展示其整合分析结果的能力。论文以蛋白质生物信息学分析在药物靶点挖掘和药物设计中的应用为题。最后根据论文结构完整性和内容独创性、条理逻辑性和学术水平进行评分。

三、课程体系构建的进一步设想

进一步利用网络学习平台慕课扩展生物信息学的理论深度与新技术发展，学生可以进一步接触并利用云计算等技术对大数据进行处理，或基于手机客户端让学生随时可以查询及学习，这样的构建既是生物信息学课程建设的发展，也是培养学生能力的体现。生物信息学课程建设改革对学生综合运用知识的能力起到了促进作用，也加强了理论联系实践的操作能力。生物信息学能够培养学生全面掌握生物学知识，对今后选择生物学科领域的工作有推动作用，也是师范生成为合格人民教师的理论基础。

参考文献：

[1]蓝秋燕.教师资格证“国考”下师范类教学法课程变革的探讨[J].高教论坛，2014，（3）.

[2]林玉生，汪磊，久梅.谈教师资格证国考框架下的高师心理学教学改革[J].辽宁师专学报（社会科学版），2016，（3）.

[3]赵屹，谷瑞升，杜生明.生物信息学研究现状及发展优势[J].医学信息学杂志，2012，33（5）.

[4]于啸，孙红敏.计算机专业设置生物信息学课程的建设与实践[J].计算机教育，2010，（14）.

[5]汤丽华.浅谈大学本科生物信息学课程建设与教学[J].高校讲坛，2010，（17）.

[6]陶嫦立.关于提高生物类专业《生物信息学》教学的一些建议[J].教育教学论坛，2016，（32）.

[7]石春海，肖建富，吴建国.构建优质教学体系 促进《遗传学》精品教育[J].遗传学教学，2013，35（1）.

[8]王彬，韩赞平，张泽民，等.《遗传学》课程建设的实践与思考[J].洛阳师范学院学报，2008，（5）.

[9]吴建盛，李政辉，张悦.强化创新型开放性实验 促进生物信息学课程建设[J].信息通信，2013，（6）.

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中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）06-0179-03

Innovative Teaching Pattern of Bioinformatics

Zhu Liucun et al.

（School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Abstract：As a newly-developing interdiscipline，bioinformatics has received incessant attention on the research of teaching models.Traditional teaching methods focus on the pattern of direct instruction and demonstration from the lecturer which students were used to learning in China.However，this straight teaching pattern usually lacks of capacity of arousing students' interest in learning，let alone achieves the aim of making them complete their work with the knowledge they learned in class.Recently，case-based learning，problem-based learning and program-based learning are known as successfully innovative teaching models.In this paper，by combining these three models and considering the background of students and characteristic of bioinformatics，we propose a new teaching pattern to be geared to the needs of the undergraduates learning bioinformatics.We look forward to the innovation and development this teaching pattern may achieve so as to enhance the students' capacity of independent study and thinking.

Key words：Bioinformatics；Practice teaching；Teaching pattern

1 前言

生物信息学是生命科学的重要前沿交叉学科之一，综合计算机科学、数学、生物学等学科的技术和方法，以计算机为主要的工具，对生物原始数据进行研究、存档、分析和处理，以阐明其具有的生物学意义[1，2]。随着人类基因组计划的成功完成，测序技术的不断发展，越来越多的生物基因序列数据被载入到数据库中。而大数据时代的到来要求我们能大规模的分析处理这些数据，因此生物信息学进入高速发展的黄金期。

目前生物信息学在许多高校本科生物专业中开设，目的是让学生掌握生物信息学的相关技术及分析数据能力，并具有查找、跟踪生物信息学前沿性技术的能力。然而，在与学生的交流过程中，笔者发现几个普遍存在的问题：有的学生反映，听完课很快就忘了；有的学生感觉很多概念太难懂；而更为关键的是，很多学生学完这门课之后，仍然不知道遇到具体的问题应当如何去做，甚至根本想不到用生物信息学课上学到的方法去解决他们的实际问题。究其原因，主要是由于国内的生物信息学教学基本以教师讲授为主，缺少与学科本身交叉前沿性特点相结合的教学方法[3]，导致学生学习积极性不高，变成简单的重复老师的实验操作，失去独立思考的能力，这就违背了开设这门课的初衷。为此，本文就目前流行的3种创新教学模式的特点进行分析，结合生物信息学特点，归纳出一套适合本科生物信息学教学的方法。

2 几种创新教学模式介绍

2.1 案例式教学法 案例式教学法（Case-Based Learning）是指教师根据教学内容设计案例，利用案例材料指导学生参与教学活动，充分发挥学生主导地位的方法[3，4]。不同于传统教学灌输的方式，案例式教学更加注重学生能力的培养，不直接提供解决问题的标准答案，而是通过结合具体案例讨论得到解决问题的方法。

2.2 问题式教学法 问题式教学法（Problem-Based Learning）是以问题为导向的开放式教学模式[5]，主张让学生自主学习去解决问题，培养学生的学习主动性，加深学生对理论知识的理解和应用。其特点是将教材的知识点以问题的形式呈现在学生的面前，让学生在探索解决问题的过程中展开探索，教师和学生一起协作寻找解决问题的方法，从而掌握课本中的知识。在研究活动中，学生可以充分利用身边的资源，比如图书馆的文献检索系统、网络学习软件以及多媒w等多种形式进行自主学习。问题式教学模式营造了一种轻松快乐的学习氛围，提高了学生相互合作的团队意识，为以后步入社会工作打下坚实的基础。比如，在BLAST软件使用教学中，可以先给学生提出如何对两条DNA序列进行比对的问题，让他们通过自学与相互讨论的方式掌握BLAST的使用方法并将2条DNA序列利用BLAST进行比对并对比对结果加以阐述。

2.3 项目式教学法 项目式教学法（Program-Based Learning）是以项目为主线，在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生处理，包括对信息的收集、方案的设计、项目的实施及最终评价[6]。学生通过对该项目的进行，了解并把握整个程及每一个环节中的基本要求，以此来培养学生独立分析解决问题的能力，让学生提高自己的动手能力、组织协作能力和综合概括的能力，拓展学生思考问题的深度和广度。这种教学法应用非常广泛，尤其是在职业教育中。

3 应用于生物信息W课程的创新教学模式

那么采取哪种教学方式才能够让学生顺利掌握知识点，并且能应用到实际当中去呢？一般的生物学课程，只要在理论课后加入实践课的内容，就可以解决这个问题，例如细胞生物学，只要再加入细胞生物学实验，那么学生对这门课的理解就会加深很多，对这门课的应用也会有一定的了解。然而笔者在实际的教学过程中却发现，这样的方式并不适合生物信息学这门课程，这是由于多数学生在上机实践之后，仍然不是太理解课上讲的一些概念，也不知道如何将这些方法运用到实际中。造成这种情况的原因主要有两点，一个是生物信息学这门课程所要求的数学和计算机方面基础，绝大多数学生物的学生都比较薄弱，甚至有部分同学在计算机编程方面是零基础。这使得他们在理论课上，对一些概念只是强行记住，并没有真正理解。而在上机实践环节中，他们又只是走马观花地将整个流程给过了一遍，并不知道这些操作是用来做什么的。另一个原因则是生物信息学与其他生物学的课程之间有脱节，这使得生物信息学的知识点很难融入到学生的现有知识体系当中去，这样就导致了学生不知道这些知识点的用途。因此，必须在激发学生学习兴趣的基础上，深入剖析生物信息学的基本概念，并且结合生物学中的实际问题，引导学生对其进行解决，才能让学生真正掌握这门课。而传统的老师讲、学生听的授课方式显然是不能满足这一要求的。

案例式教学法起源于美国哈佛商学院，最早应用于商业管理课程。其重点在于对一些热门且有争议的问题进行反复讨论，加深学生对知识点的理解。而生物信息学课程的内容大多比较确定，比较前沿有争议的话题又离日常生活较远，极少出现热门话题。因此，笔者认为案例式教学法目前可以偶尔用作课堂教学穿插，不适合全面应用于本科生物信息学课程。

问题式教学模式与项目式教学模式在本质上是相同的，均是以学生为主体，让学生带着问题或者有明确的目标的去主动利用身边资源查找相关知识解决问题完成目标，使学生在探索过程不仅掌握了知识，同时萌生自主学习的动机和欲望，提高了自主学习能力。两种教学模式的区别在于问题式教学法是将书本中的知识点凝练为问题再分析问题并解决问题，而项目式教学法则是根据老师提出的项目要求，以收集信息、设计方案、实施项目、最终评价为线索进行教学。问题式教学提出的问题与书本知识更为接近且较为零散，学生在针对问题进行分析和解决的过程中，容易对教学内容缺乏整体认识，即难以将知识点连成线，也很难结合实际问题。而项目式教学法是目前最适合提高学生能力的教学方法。然而在实际教学过程中，笔者发现大多数学生对项目式教学并不适应，很多学生在理解项目时就遇到了困难，在项目设计时感到无从下手。

因此，笔者在对两种教学方法进行研究归纳之后，将问题式教学法与项目式教学法相结合，总结出一套适合本科生物信息学教学的方法。具体为：首先教师根据课程安排制定一个可扩展的课题，明确课题要求，并根据课题内容将知识点拆分，以问题形式展现给学生，教师先就这些问题讲一些例子，学生查找资料。在此基础上，学生既对课题内容有整体认识，又在分析、解决一系列小问题时学习到知识点、收集了项目信息。随后通过参与定期分组讨论，与老师进行沟通的方式，学生最终可以拟定项目的方案并付诸实施。这种教学模式让学生了解实际工作的流程，培养基本的工作能力。在与教师的交流讨论中收获更多的专业知识，与同学之间的合作交流中查漏补缺，完善自己的不足，达到相互提高的作用。例如，在教学中，教师可以设计一个题为“构建一个可以预测乳腺癌患者生存时间的基因模型”的项目，并将项目拆解为：如何查找潜在包含乳腺癌患者信息的数据库？如何筛选与生存时间相关的基因？如何构建模型？如何评价模型的好坏四个问题？同时，为了让学生在实践中更好下手，可以依次为各个问题举例加以说明。如查找数据库环节，可以列举NCBI中的GEO数据库与美国政府发起的癌症和肿瘤基因图谱计划涉及的TCGA数据库两个例子，让学生先从这两个数据库获取相关的数据，对数据本身有所认识，再利用校园网资源查找更多的数据库。在此过程中，学生全程参与项目实现的各个流程，不仅学会了自主查找资料与学习，还提高了同学间的优势互补与团队协作的能力，提高学生学习的积极性，获得独立思考的能力。

参考文献

[1]龚乐君，杨荣根.浅谈计算机交叉学科――生物信息学教学中的探讨[J].新教育时代电子杂志（教师版），2014（19）：123-124.

[2]徐培杰.生物信息学研究现状[J].科技信息，2013（10）：268-269.

[3]刘念.案例教学法在《生物信息学》本科教学中的应用[J].考试周刊，2016（78）：152，191.

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论文关键词：生物信息学；课堂研讨；案例分析

21世纪是生命科学的世纪，生物技术飞速发展，生物学数据大量积累。而生物信息学正是在这种大背景下蓬勃兴起的交叉型学科，旨在用信息学方法解决生物学问题。为了培养复合型人才，大力发展交叉学科，国防科技大学（以下简称“我校”）近年来面向全校理工科研究生开设了“生物信息学”选修课程。

“生物信息学”作为新兴的交叉学科，具有融合性、发展性和开放性的特点。融合性是指生物信息学涉及的生物、计算机、数学等多个学科的交叉与融合。从20世纪90年代到现在，该学科发展非常迅速，研究热点发生了数次改变。开放性是指该学科存在大量有待探索和研究的新问题。这些特点一方面为课堂教学提供了大量的主题和素材，一方面也对授课方式提出了较高的要求。经过认真分析，选定研讨式教学作为该课程的主要授课方式。研讨式教学即研究讨论式教学，是将研究与讨论贯穿于教学的全过程。在教师的具体指导下，充分发挥学生的主体作用，通过自我学习、自我教育、自我提高来获取知识和强化能力培养。通过确立教学目标，精心设计和组织教学内容，在实践中贯彻研讨式教学理念和方法，在生物信息学课程中对研讨式教学模式进行了理论探索和实践创新。

一、教学目标的确立

合理的课程目标与定位是决定课程建设成败和教学效果的基础，其主要依据是人才培养需求和授课对象的实际情况。首先，教学对象是研究生，已具备一定的自主学习和创新思维的能力。教师不仅要传授知识，而且要讲解基本的研究方法，让学生具备独立思考问题、分析问题和解决问题的能力。其次，作为军校学生，以后从事的工作可能涉及很多学科方向，展现如何针对一门新的学科方向进行研究的整体思路显得很有意义。最后，考虑到学生不同的知识背景，对于各部分内容的理解程度不同，必须兼顾不同的专业方向，让每个学生都能有所收获。因此，确立教学目标为：介绍生物信息学的基本概念和方法，通过案例分析展现科学研究的基本方法和实践过程。

二、教学内容的设计和组织

1.教学内容的总体设计

确定了教学目标之后，需要对课程的教学内容进行总体设计。参考国内外多所高校的相关课程设置，如北京大学的“生物信息学导论”、中科大的“生物信息学”、中科院的“生物信息学与系统生物学”和MIT的“Bioinformatics and Proteomics”等，发现这些课程主要是针对生物专业的学生开设，侧重于方法学介绍。而我校学生大部分是工科背景，对于统计和机器学习方法有一定基础，重点是了解相关的生物学问题，并应用已有的工科知识去分析和解决这些问题。同时，随着生物信息学的快速发展，研究领域不断扩大，有必要展现该学科的最新进展。

因此，课程内容总体设计上以生物学问题为主线，结合最新的研究成果，对各种计算方法的应用过程进行深入和细致的讲解。在介绍生物信息学的研究现状和生物学基础知识之后，分多个专题详述生物信息学最新的研究进展，各专题在内容上相互衔接，由浅入深，以便学生理解和接受。以问题为导向的课程设计对于启发学生思考，积极参与课堂研讨具有重要作用。

进一步，为了突出部分重点专题及其分析方法，采用案例分析课的形式，针对一些重要问题进行深入探讨。鼓励学生应用所学知识，结合自身的专业背景，通过积极地思考和讨论提出相应的解决方案。案例选择为教师有一定研究基础的开放性问题，一方面介绍已有的研究成果，一方面结合教师的研究体会，通过积极讨论拓展新的研究思路。案例分析课有助于学生更多地参与课堂研讨，对于知识的综合应用和科学研究过程产生切身体会。

2.教学内容的组织

研讨式教学的关键是调动学生的积极性，鼓励学生踊跃地参与课堂讨论，提出自己的观点。通过集中备课，学习和吸取老教师的成功经验，总结调动学生积极性的基本要素，对授课内容进行了认真的组织和编排。

（1）重点突出，详略得当。由于生物信息学涵盖内容非常丰富，有必要对课程内容进行取舍，在保证知识面的基础上，突出授课的重点。减少或删除重要性较低的部分，采用图片和动画等形式对重要的知识点加以强调，以深化学生的理解。只有学生对重点内容理解透彻，才能激发出浓厚的学习兴趣，积极参与课堂研讨，碰撞出智慧的火花。

（2）新颖有趣，实例丰富。在课程内容上应充分体现知识性和趣味性，以丰富的实例展现生物信息学中基本的概念和方法。学生往往关注与日常生活休戚相关的内容，期望能用所学知识解释常见现象，因此实例选择应贴近生活体验。课件中准备了大量的实例，例如，在讲完构建进化树之后，举例说明为什么人类的祖先是从非洲走出来的；在生物代谢一章，通过卖火柴的小女孩的故事阐释生物代谢过程的高效性；在蛋白质结构部分，讨论为什么湿着头发睡觉，头发容易变翘。通过实例分析，增加学生对于所学知识的理解和参与课堂研讨的积极性。

（3）设置思考题，留出想象空间。针对重要的知识点，预先设置思考题，以启发和扩展学生思路。生物信息学作为一门新兴学科，存在大量没有确定结论的开放性问题，有待深入探究。例如“人类与小鼠的基因组差别很小，为什么形态上有那么大的差别”，“生物系统模拟中，是否越复杂的模型越好”。针对这些问题适时地开展课堂研讨，有助于激发学生的学习兴趣，开阔其视野。

三、研讨式教学的开展

在授课过程中，教师应努力营造活跃的课堂气氛，密切观察学生的动向，及时沟通存在的问题，选择合适的时机开展课堂研讨。不断地积累经验，使课堂讨论达到更好的效果。在开展课堂研讨时，尤其应注意以下几点：

1.因材施教

在“生物信息学”课程中，学生的专业背景不尽相同，少部分学生来自生物专业，其他大部分是工科背景，如自动化、计算机仿真和认知科学等。因此，在主题的选择和研讨环节的设计上，应充分考虑到学生的需求和背景知识，发掘大家共同的兴趣点。实践证明，不同的学科背景可以有效地促进交流，提供对于同一问题的不同视角。例如，生物专业的学生可以解释有关生物技术的问题，而仿真专业的学生对于系统的建模方法有深入的理解。有效的课堂讨论，能够促进各种思路的融合，碰撞出灵感的火花。

2.及时沟通

研讨式教学需要教师对授课整体情况有较好的把握。例如，有一章的内容是生物学基础，教师针对这部分内容进行了充分准备，包括大量的图片和动画，并穿插了很多科学家的故事。但授课效果不尽理想，到了预设问题的环节，只有一两个学生参与讨论，大部分学生都一脸茫然。通过及时沟通，发现了两个问题。一是背景知识不够，学生对于预设问题了解不多；二是重要性认识不足，学生认为生物学的基础知识与本课程的学习关系不大。考虑到学生的疑问，对授课内容进行及时调整，进一步强调所学知识对于生物信息学的意义，并通过具体实例激发学生的学习兴趣。在实例的启发下，学生开展了积极的讨论，加深了对于所学知识的认识。开展研讨式教学，应以学生为主体，及时地沟通发现课堂中存在的问题，并相应地调整授课内容。即使教师讲得天花乱坠，如果学生知其然，不知其所以然，也不可能达到好的授课效果。

3.审时度势

课堂研讨开展的时机很重要。例如，当讲到生物信息学概况时，学生反应不是很强烈。而当教师结合自身经验谈研究体会时，学生很有兴趣，表情变得活跃，适合开展课堂讨论。此时，可以组织学生交流学习目的、预期和存在的疑问，以便教师进行有针对性地授课。研讨式教学一方面强调学生的主体地位，一方面要求教师发挥主导作用，密切注意学生动向，发现学生的兴趣点，引导讨论的逐步展开和深入。

4.自主提问

如果教师能够营造出一种轻松愉悦的课堂氛围，学生往往能够主动发问，提出不同观点，而不拘泥于预先设置的问题。实践证明，通过学生自主提问展开的课堂研讨，往往效果更好。在前期铺垫时，启发学生自主思考并积极讨论，分析该领域可能存在的问题和发展方向。当讲到后续内容时，学生有了一定的心理预期，很想了解该领域的研究现状和发展趋势，以验证与预期是否一致。同时，自主提问对于生物信息学研究有很好的推动作用，学生经常能够独辟蹊径，提出全新的思路，拓展研究内容的广度和深度。

5.课堂报告

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遗传学（Genetics）是研究自然界中生物的遗传和变异规律的科学，是生命科学领域中最为重要和基础的学科之一。它也是生物科学中一门最具活力，发展最迅速的理论科学，又是一门紧密联系生产实际的基础应用科学，对探索生命起源和本质，推动整个生物科学的发展起着巨大的作用。因此，遗传学作为生命科学相关专业的一门重要主干课程，在教学中起着举足轻重的作用。

一、生物信息学专业开设遗传学的必要性

20世纪80年代末，由分子生物学、计算机科学以及信息技术等学科的交叉和结合产生了生物信息学（Bioinformatics），它是基于分子生物学与多种学科交叉，以计算机为工具对生物相关信息进行储存、检索和分析的科学，是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一。近20年，特别是随着人类基因组计划（human genome project，HGP）不断拓进，生物信息学作为跨越和融合生命科学与信息技术的新兴学科已成为生命科学核心领域和最具活力的前沿领域之一。生物信息学专业应运而生。国内单独设立生物信息学本科专业的高校较少，且普遍较晚。

遗传学与生物信息学两个学科之间关系密切。有国内学者利用美国《科学引文索引》（SCI）数据库web of science，运用文献计量学方法对8种权威生物信息学期刊2001年至2010年于2011年1月15日之前上传至wed of science的全部文献进行统计及分析。对施引文献按跨学科强度排列的结果显示，遗传学及基因与生物信息学跨学科文章发表量居第二位，仅次于生物化学与分子生物学。这说明，生物信息学与遗传学直接的跨学科研究较多，二者交叉学科的发展关系密切。因此，生物信息学专业开设《遗传学》课程十分必要。

二、遗传学教学中存在的问题

多年来，不同专业的《遗传学》课程的教学过程中涌现出一些共性问题，这些问题在生物信息学本科专业的教学过程中也存在。一是，学科拓展深化与课时压缩之间的矛盾。随着遗传学研究范畴的不断拓展，新的学科分支相继涌现，信息量逐步扩增，待教授内容逐渐增加且显得零散。但随着大学素质教育改革的进行，更多新的选修课、实验课被引入，遗传学理论课时被压缩，课时减少与内容增多的矛盾日益突显。二是，遗传学与其他课程教学内容设置与组织易重复。学科交叉为科研工作提供源源不断的动力，但在教学工作中学科渗透也造成教学内容重叠，基础和关紧技术重复教学的问题。例如，分子遗传学是遗传学重要组成部分，是目前遗传学研究的重点和热点，与生物信息学关系最为紧密，它包括的遗传物质的本质，基因的调控，基因重组等内容也在基因工程、分子生物学、细胞学等课程中作为讲授重点。如何利用有限的理论课时，合理安排教学内容，提高教学效率值得思考。

与此同时，生物信息学作为比较新的本科专业，开设各课程之间的衔接问题也比较突出。生物信息学专业的学生在大二开始全面生命科学和信息技术相关程学习。在理论知识在实际中如何应用缺乏概念，学生达不到共鸣，这也是生物信息学专业低年级学生面临的通病。遗传学课程安排在大学二年级上学期讲授，对于刚刚接触专业课程的学生而言本来就陌生，而且信息技术和生命科学相关课程独立讲授，二者貌似是两条平行线，怎样相交碰撞出火花，对于学生来说很难结合，必须由任课老师在授课过程中充分引导。传统的《遗传学》课程教学注重以杂交分析为主的经典遗传学理论的讲解，很大篇幅集中在三大定律（分离定律、自由组合定律以及连锁和互换定律）的教授上。遗传学课程教学重点集中在经典遗传学定律，经典案例跟不上学科发展。这个问题已经被一线教育工作者认知。

综上，由于学科本身发展迅速，涵盖知识范围越来越广，课时压缩等原因，容易让学生在学习过程中对该课程产生“内容太发散”“课时进程快”“知识跨越大”等认识，不利于课程的学习。由此可能造成，内容广泛且繁杂“抽象且深奥”枯燥无味，容易让学生觉得难或者枯燥。学生学习主动性不高。因此，在教学实践中，针对不同专业性质和培养目标存在的差异，不同专业《遗传学》课程教学应在知识体系、内容侧重点、教学方法等方面在各专业间有所区分。特别是生物信息学这种学科交叉性强的专业，如何实施该专业本科生遗传学的教学，以达到即符合本科教学难易程度的要求，又被大多数同学接受，同时能符合生物信息学学科自身特点，需要在教学过程中逐步的探索与实践。本文将结合资深授课教师经验及笔者生物信息学本科专业《遗传学》教学经历对这一问题进行阐述。

三、教学过程中的探讨与实践

1.制定具有专业特色的教学内容

（1）优化教学内容，关注专业需求

生物信息学专业的课程教学中，遗传学相关知识是需要讲授的重点。传统遗传学课程教学将重点内容集中于经典遗传学定律及其相关知识的讲授，其优点在于能够帮助学生打牢遗传学知识基础，缺点在于教学内容过于单一，没有包含遗传学重要分支的最新知识，无法与当前的研究热点联系起来，学生学习兴趣不高。随着国际遗传学研究的深入，分子遗传学和群体遗传学得到长足发展，极大地丰富了遗传学的知识体系。为了紧跟国际研究前沿，国内许多高校对遗传学课程进行了教学改革，在经典遗传学教学的基础上，纷纷加入了分子和群体遗传学的教学内容，为后续开展更深入的专业研究和学习奠定了良好的知识基础。为了帮助学生对遗传学知识体系形成全面而系统的认识，结合生物信息学专业特点，在教学设计时借鉴了以“遗传信息”为主线的教学思想，教学内容涵盖了“经典”“分子”和“群体”三类主体遗传学内容。在现实教学中，受遗传学课时限制，对所有遗传学知识点进行了梳理和必要的删减，既把握三种遗传学知识的内在联系，做好各部分知识的教学衔接，同时注意区分三者的不同，突出教学重点，做到“主题鲜明，重点突出，点面结合，结构清晰”，使学生在掌握经典基础理论知识的同时了解最新的遗传学研究进展。

（2）生物信息学专业遗传学课程与其他课程的衔接

遗传学是研究生物遗传和变异的科学，以遗传物质结构和功能为研究对象，是生命科学的主干。因此，与其他学科在内容上有交叉或重叠无法避免。同中求异，突出遗传学的特色，是教学中值得研究的问题。遗传物质的本质、染色体畸变、基因突变、遗传调控等章节与微生物学、细胞生物学、生物化学内容重复较多，可以强调知识结构的完整性，淡化这些内容的分子结构和生化过程的讲解。例如，结合孟德尔定律和摩尔根定律案例，着重从染色体和基因角度切入，增强遗传学色彩，同时对其他课程起到提纲挈领的作用。

（3）结合生物信息学，引入最新研究成果，体现前沿性

在处理好学科衔接之后，还需要关注的就是内容与生物信息学的结合。学生在学习过程中，最想了解的莫过于，这门课程与我的专业有什么联系？因此，在讲授内容中加入生物信息学手段解决遗传学问题的新成果既体现前沿性，又能提高遗传学课程的专业针对性。教师平时要多注意积累教学素材，对于现阶段比较热点且与生物信息学相关的、应用性强的问题，要在课程基础知识讲授后，进行一定拓展。例如，在讲授基因定位和遗传图绘制时，引入用EST进行基因定位及遗传图谱绘制等内容；在讲到遗传家谱时，引入通过对患病群体或家系进行外显子组测序分析，对小家系孟德尔遗传病的致病基因进行鉴别和定位的例子。通过引入生物信息学教学例子，不仅可以使学生加深对遗传学知识的理解，还可帮助学生了解生物信息学最新进展，激发对后续生物信息学专业课程的学习兴趣。

2.教学方法多样化，提升学生学习兴趣

遗传学教学内容繁杂、理论性强，不易理解。为了提高教学效果，在教学模式上必须变“以教师为主体”为“以学生为主体”，注重采用灵活多样的教学方法和手段，开展多媒体教学、案例教学和研讨教学等，将传统抽象、枯燥的说教式教学转变为具体、生动的参与式教学，增强教与学的双向互动。

（1）多媒体教学方式

计算机多媒体辅助教学改变了传统的黑板加粉笔，以教师为中心灌输式教学模式。多媒体通过实时可交互的多维动画及图像展示，可以增强教学内容的展示效果，提高课堂教学的信息量和容积率，提升学生学习兴趣，加深对枯燥晦涩知识点的理解，提高教学效率。充分利用多媒体课件的超文本功能、交互功能、网络功能的优势，比如Holliday模型是分子水平上关于遗传重组机制的重要模型，很好解释了基因转变现象。在讲到Holliday模型时，为了让学生直观了解单链交换重接及分支移动后的Holliday交叉旋转180度形成Holliday异构体的过程，采用了动画、图片、电子板书相结合的方式，很容易让学生理解空间旋转互换的过程，以及基因转变产生的原因等较难理解的知识点，反响较好。此外，声音、视频、动画、图片等便于学生拆解枯燥内容。

（2）案例教学

案例教学是一种创新型的教学方式，主要通过开放课堂、增强互动，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。案例教学需要结合本课程的专业理论知识，着眼于达成课程教学目的，编写和准备基于一定事实且具有一定场景的教学案例，这些教学案例要能够启发学生的思考，促进学生将从外部学习的知识吸收转化内在的专业素养和能力。在教学实践中，教学案例是“教”与“学”互动的桥梁和纽带，使枯燥乏味的学习过程变得活泼有趣；“教”不是告诉学生怎么去做，而是启发学生如何去思考，对学生针对案例问题提出的解决思路进行引导和评价，鼓励学生创新性思考，找到最优的问题解决方法；“学”不是被动的接受，而是主动的思考和创造，通过与他人而不仅仅是老师进行互动和交流，加深对知识的理解，培养解决实际问题的能力。

案例教学的核心是精心设计教学案例，将知识内化在符合实际又富于想象的故事情景中，使得学生通过身临其境将抽象的理论知识具体化，学会如何用概念性和原理性知识在实际工作和研究中解决问题，进而加深对特定原理和概念内涵的理解。在教学实践中，先以典型案例提高学生兴趣，把抽象的东西具体化，让学生变被动接受为主动思考，激发学生的求知欲。注重培养学生创造力和解决问题的能力。通过案例的分析，深化学生对基本原理、基本概念的理解。案例教学能很好地启发学生进行自主思考，对于理论性较强，比较枯燥的内容，通过案例式教学能激发学生学习兴趣。所举案例应具有针对性，要考虑案例产生的时间、背景和条件，要贴近生活，耳熟能详，与时俱进。在处理问题的同时，获取知识。进行案例教学过程中，要注重与学生的互动。围绕教学目的，选择合适案例，进行启发式教学，调动学生参与性。教师不能一味平铺直叙的讲案例，还要注意学生的参与度。只有学生和教师共同参与，才能达到预期教学效果。

（3）以学生为主体的教学

以往课程中，往往针对经典类型习题进行讲解，参考“标准答案”。在实际教学中发现，这样往往造成学生思想禁锢，学科交融性不够。特别是对于生物信息学专业的学生来说，传统习题课或者讨论课，没有实用效果。习题课及讨论课应注重实用性，关注遗传学与生物信息学学科发展与融合，设置开放性答案，突出培养学生创新性的应用能力。

课堂教学不仅要“授业”，更要“传道”，即培养学生如何学习和如何思维。根据教学内容和学生的认知水平，研究、讨论、交流式的教学模式的引入，有助于调动学生积极性。采用专题自学，规定材料与学生自学有机的结合起来，开展研讨，充分体现学生观点。同时，教师只起到点评引导作用，能培养学生获取信息、分析问题、创造性的解决问题的能力，有利于学生形成科研创新意识。教师如何正确引导是开展研讨式教学的重点。首先，应明确课程在相关领域中的作用和地位，了解课程的教学内容，选择课程中适合研讨的内容，并将研究与讨论贯穿教学的全过程。在选择题目时，要考虑专业相关程度及考虑不同学生层次的需求，考虑学生个体间的差异，难度适宜。

四、结语

生物信息学本科专业遗传学的教学，以孟德尔定律为基础，分析遗传物质的存在形式、传递、保存及变化，课程脉络更加清晰，通过案例教学的等教学模式，激发兴趣，并有利于与后续课程连接，在实践教学中体现了比较好的教学效果。因为生物信息学专业的需求与传统生物专业有差异，教学内容侧重点不同这给教师备课增加了难度。同时，在期末考核时，由于讲授侧重点不同，考试侧重点也应有所区别，在师资允许的前提下，引入小班教学，有利于教学侧重点突出。后续课程如果设置分子遗传学，将使知识体系更加完整。

参考文献：

[1]李巨超，李楠.适应应用型人才培养模式的遗传学教学改革与探索[J].中国科教创新导刊，2012，（2）：66.

[2]巴恩斯.遗传学工作者的生物信息学[M].丁卫，李慎涛，廖晓萍，译.北京：科学出版社，2009.3.

[3]皮妍，林娟，侯嵘，等.国内高校遗传学教材发展研究[J].遗传，2009，31（1）：109-112.

篇5

随着生物信息学在生物学、医学中的广泛应用，许多高校开始开办生物信息学专业，培养生物信息学人才。哈尔滨医科大学是最早开设生物信息本科专业的高校之一。目前，几十所高校陆续开办生物信息学专业，包括：东南大学、同济大学、南方医科大学等。多学科交叉的特点，使得生物信息学人才的培养面临极大的困难。生物信息学的本科生需要接受数学、统计学、生物/医学、计算机科学等多个学科课程的学习。短短的几年时间对于掌握这些知识，非常困难。更为困难的是，生物信息学的发展速度极快，读研深造或就业生物信息公司，需要的大多是最新的生物信息学技术[1]。因此，哈尔滨医科大学采取了课外创新思维训练的模式，即为学生分配指导教师，学生加入教师所在的科研团队，学习生物信息知识[2]。本文以哈尔滨医科大学大庆校区学生为例，探讨该模式的经验和策略。

1生物信息技术培训

通过宣传，让大一的本科生自由报名参加培训，组织系内有科研经验的教师对学生开展生物信息基础知识培训课程，每年培训10几次，每次根据授课教师的准备内容，讲授2-4学时。这些课程大部分安排在周末进行，内容主要结合基础知识和教师科研特点来设定，包括：非编码RNA基本概念、microRNA、Cytoscape画图、统计学方法、聚类分析、二代测序理论知识等，详见表1。授课场地利用计算机机房，这样便于学生边学边做。学生的课外创新思维与课内创新思维最大的不同在于有效的结合了实践活动。这些培训内容均为教师实际从事科研所必须的知识，教师有丰富的实践经验。因此，可以学生一边上课，一边操作。学生有困难时，教师可以轻松的解答。研究生也可以参与其中，为学生进行答疑，传授他们实践知识和编程技巧，有利于学生对知识产生极大的兴趣，提升求知欲望。生物信息的一个特点是：高校的科研内容往往与公司所需的技术接近，因此学生对这些内容的深入学习和实践，对以后的就业有很大的帮助。

2文献抄读活动

文献抄读是科研中掌握最新研究动态和学习最先进技术的有效手段。从事生物信息科研的教师和研究生一般会定期的进行文献抄读。哈尔滨医科大学大庆校区的生物信息团队每周有三次的文献抄读，往往设定在工作日晚上进行。我们要求自愿参加课外创新思维训练的本科学生与教师、研究生一同参加文献抄读活动。对于低年级的本科生，只需要听，不需要讲。即使这样安排，低年级学生也很难听懂，因为文献抄读的论文经常发表在顶级期刊，如：nature、science和cell。我们发现，由于低年级学生听不懂，一段时期内会对生物信息参数厌倦感。有的学生一两个月后会适应，有的学生需要半年及以上，还有一部分学生坚持不了，选择退出。这段时期，对于教师和学生都是一个极大的考验和煎熬。教师往往因为学生多次听不懂而一筹莫展；学生因为多次听不懂而灰心。我们采取导师制兼课题组负责的策略，部分缓解了学生和教师的压力。一位导师带1至2名低年级学生，科研方向相近的导师形成团队，共同负责学生的创新思维培养。根据团队课题方向的特点，选择方向相近的论文进行文献抄读。低年级学生主要听所在团队的文献抄读活动。有精力时，可以参加其它团队的文献抄读。由于文献抄读内容相近，学生的接受程度有了较大的改善。对于高年级的本科生，我们选择优秀的学生阅读和讲授文献抄读。在实践过程中，发现高年级本科学生更加适合于讲生物信息数据库和软件使用类的论文。因此，为学生主要分配这两类论文，但要求学生要讲清楚数据库使用和软件的操作步骤。当学生站在讲台上为其他学生、尤其教师和研究生讲授论文知识后，学生的自信心会有很大的提升。从学生的讲授过程，也可以考察学生的逻辑思维能力。往往逻辑思维能力有较大提升的学生，在讲授论文时，表达非常清晰。在文献抄读过程中，我们注重与实践结合。如果文献中有需要使用的软件和方法。我们会马上安排学生去实现和使用该方法，然后写帮助文档并特异安排一次培训，让该学生教会教师、研究生、本科生软件使用和方法。通过这一策略，一方面学生对文献抄读产生更大的兴趣，因为文献抄读内容有很实用的知识和方法，学生课下可以马上根据文献内容来复现结果，并应用在课题组正在进行的课题当中。另一方面，真正为教师的科研起到帮助。教师安排学生立刻复现文献抄读内容，可以帮助对文献理论知识的理解和掌握。学会文献中的软件，可以帮助科研的策略选择。学会文献中的数据库使用，可以增加数据量和数据来源。但也需要注意一点，学生的知识面有限，在安排学生任务时，要评估学生是否能够胜任该任务。

3结束语

本文以介绍生物信息本科生创新思维课外训练的经验为例，探讨了生物信息学创新思维的培养策略和方法。我们发现本科生参与文献抄读活动有利于培养本科生的创新思维。

参考文献