關(guān)于提高生物類專業(yè)《生物信息學》教學的一些建議論文

　　中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0219-02

　　生物信息學是在生命科學、計算機科學和數(shù)學的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而形成的一門新興交叉學科，其實質(zhì)就是利用信息科學與技術(shù)對生物數(shù)據(jù)進行獲取、處理、存儲、發(fā)布、分析和解釋，進而揭示紛繁復雜的數(shù)據(jù)中所蘊含的生物學本質(zhì)[1]。作為21世紀生命科學領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的學科之一，生物信息學已經(jīng)成為生命科學研究領(lǐng)域的重要學科[2]。實驗室的每一項技術(shù)，從簡單的基因克隆、基因數(shù)據(jù)分析到生物大分子進化研究都需要應(yīng)用到生物信息學，因此，對于生物類專業(yè)的學生而言，掌握生物信息學的相關(guān)知識尤為重要。我國各大專院校都在不斷努力創(chuàng)新和改進現(xiàn)有生物信息學課程的教學方法與方式。因此，作者結(jié)合近五年來開設(shè)生物信息學課程的教學實踐，分析了目前生物信息學課程教學中存在的主要問題，提出幾點建議，希望能夠有助于推動生物類專業(yè)生物信息學課程教學質(zhì)量的提高。

　　一、生物類專業(yè)生物信息學課程教學中的問題

　　1.生物信息學教材的選擇。生物信息學的發(fā)展速度快、內(nèi)容廣泛，目前很多國內(nèi)高校使用的教材多為國外教材的影印版或者中文翻譯版本，國內(nèi)引進的生物信息學相關(guān)的英文原版教材中有些屬于科普性質(zhì)，內(nèi)容過于簡單，而有些偏重介紹生物信息學的計算方法或模型的建立，過于復雜[3]。而國內(nèi)相關(guān)教材更新較慢，課堂內(nèi)容涵蓋的知識面和知識點相對減縮，而且一些前沿的數(shù)據(jù)和先進軟件沒有講授，這些對學生的發(fā)展和生物信息知識的合理運用極為不利[4]，因此，目前導致很多高校教師無法選擇適用于生物類專業(yè)的生物信息學教材。

　　2.教學大綱安排不合理。生物信息學是一門集分子生物學、計算機科學和數(shù)學等多個學科的交叉學科，它囊括了基因數(shù)據(jù)獲取、基因預測、序列比對、序列拼接、分子進化、蛋白質(zhì)序列分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測、分子建模、藥物設(shè)計以及基因芯片蛋白芯片等內(nèi)容模塊，同時各領(lǐng)域內(nèi)容還涉及到具體的計算方法、概率統(tǒng)計、機器語言等知識模塊。由于課時設(shè)置有限，如果教師在課堂教學對各領(lǐng)域內(nèi)容面面俱到，會造成大部分內(nèi)容都只是蜻蜓點水，學生學完以后雖然接觸了很多東西，但在生物研究中遇到實際問題還是束手無策。

　　3.教學內(nèi)容滯后。生物信息學是一個快速發(fā)展的學科，隨著生物學科自身的發(fā)展和研究的深入，新的數(shù)據(jù)庫和信息資源不斷涌現(xiàn)，各種數(shù)據(jù)庫和軟件的更新?lián)Q代非常頻繁，如果教師所講授的在線服務(wù)器、分析軟件、講解實例都不是當前最普遍的，學生學完后打開最新的在線服務(wù)器或是相關(guān)分析軟件依然不會操作。

　　4.教學方法和教學手段存在不足。生物信息學教學普遍采用普通教室多媒體講授，而生物信息學課程是一個實踐操作課，學生經(jīng)常要動手操作，普通多媒體教學與實踐操作教學相脫節(jié)。傳統(tǒng)的講授很難與實踐教學效果相比，很多學生雖完成了生物信息學課程學習，也接受了很多生物信息學的理論知識，但在進入大四階段做課題研究完成畢業(yè)論文時，遇到需要在數(shù)據(jù)庫查詢序列、用軟件分析序列或蛋白性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點等問題時依然束手無策。

　　二、生物類專業(yè)生物信息學課程教學建議

　　1.調(diào)整教學大綱。對于生物類專業(yè)的學生來說，生物信息學是生物研究中的輔助工具，不需要掌握生物信息學算法或軟件編程細節(jié)，而是培養(yǎng)學生運用生物信息學的方法來解決生物研究中遇到的問題，比如能夠應(yīng)用檢索工具查找序列等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、利用比對軟件或是BLAST在線服務(wù)器對感興趣的序列進行比對分析、選擇適當?shù)慕�樹方法對DNA或蛋白序列進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建、可分析蛋白序列信息并預測其三維結(jié)構(gòu)以及引物設(shè)計等。因此對于生物類專業(yè)學生的'教學，應(yīng)重點培養(yǎng)學生的實踐能力，尤其是關(guān)于數(shù)據(jù)庫的使用和分析軟件的操作，使他們以后在生物相關(guān)領(lǐng)域的工作中能學以致用，所以對于當前生物類專業(yè)的培養(yǎng)目標應(yīng)以應(yīng)用為核心安排教學大綱。據(jù)此，確定了以下的教學內(nèi)容：教學內(nèi)容共54學時，分為理論基礎(chǔ)和上機實踐兩部分。理論教學內(nèi)容共36學時包括：生物信息學緒論、生物信息數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索、基因和蛋白質(zhì)序列比對、序列拼接、生物進化與分子系統(tǒng)發(fā)育分析、基因預測與引物設(shè)計、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其預測、計算機輔助藥物設(shè)計；上機實踐共18學時包括：常用生物數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索、核酸序列檢索與分析、多重序列比對和系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建、PCR引物設(shè)計及評價、蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預測。

　　2.教學內(nèi)容主次分明。由于生物信息學技術(shù)及分析手段更新迅速，教學內(nèi)容會顯得越來越臃腫，作者建議對于生物類專業(yè)的學生可以以生物信息學方法的掌握和生物信息學工具的應(yīng)用來設(shè)計教學內(nèi)容，關(guān)于生物信息學本身涉及到的一些數(shù)學模型和編程算法，可簡略講授，教學過程中盡量把有限的教學學時用到以生物信息學為工具解決生物學研究問題的教學中去，避免“面面俱到”的灌輸式教育。例如，對于講授序列比對這一章的知識，關(guān)于序列比對所使用的方法PAM和BLOSUN矩陣，對于如何采用數(shù)學方法構(gòu)建這些計分矩陣過程可略過，只需簡要介紹PAM和BLOSUN矩陣的概念意義以及用途，重點放在如何使用生物信息學軟件進行序列比對，并理解各參數(shù)設(shè)置的意義。另外，在生物信息學各教學內(nèi)容模塊中涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)庫及軟件種類繁多，其數(shù)量在不斷增加，版本也在不斷更新。例如在講授生物信息數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索這一章節(jié)時，涉及到的數(shù)據(jù)庫有核酸序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、基因組數(shù)據(jù)庫、蛋白組數(shù)據(jù)庫、代謝組數(shù)據(jù)庫等，而每個種類又含多個不同的數(shù)據(jù)庫，比如核酸序列數(shù)據(jù)庫有GenBank、EMBL和DDBJ等，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫有swiss-prot、TrEMBL、NCBI和UniProt等。因此，我們重點介紹了3大站NCBI、EBI和SIB，其中我們著重介紹了NCBI的用于提取序列信息的工具――Entrez系統(tǒng)，Entrez將科學文獻、DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、種群研究數(shù)據(jù)以及全基因組組裝數(shù)據(jù)整合成一個高度集成的系統(tǒng)。因此我們給學生演示并要求學生掌握如何采用Entrez查詢DNA和蛋白質(zhì)序列等。另外在講授分子進化與系統(tǒng)發(fā)育分析這一章節(jié)時，要進行序列比對及系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建，可以使用ClustalW、BioEdit、DNAstar、phylip、MEGA、PAUP等本地軟件，也可以使用The PhylOgenetic Web Repeater（POWER）和Evolutionary Trace Server等網(wǎng)絡(luò)在線服務(wù)器分析�？紤]到軟件的通用型、易用性及本專業(yè)學生的英語水平、計算機操作水平，我們選擇ClustalW進行多序列比對，然后采用phylip軟件包構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，并要求學生掌握如何使用這兩個軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。MEGA及其他在線服務(wù)器只簡單介紹具體操作方法作為輔助資料供學生自學。

　　3.基礎(chǔ)理論結(jié)合實踐教學。生物信息學教學強調(diào)學生的實踐能力培養(yǎng)，僅靠理論授課而無實驗學時，學生學完后依然只是紙上談兵。因此建議，生物信息學的講授應(yīng)在合適的微機環(huán)境下進行，在理論課學習后，馬上安排學生進行實踐課，演練所學的軟件和方法等。另外教師在講課時也可結(jié)合當前生命科學的發(fā)展特點，與生物信息學有機巧妙的結(jié)合起來，選擇幾個典型的案例，進行課堂講授，現(xiàn)場操作；或是布置實踐任務(wù)，讓學生課后完成，在課堂隨機抽點學生讓學生操作，使學生參與其中，在實踐中感受生物信息學知識是如何解決生物科研中的問題的。比如作者在一開始講授在數(shù)據(jù)庫中查詢序列時，將學生按5～6人分成興趣小組，結(jié)合自己的興趣選擇特定基因，在后續(xù)整個課程的學習過程中，比如在學習到序列比對、基因預測、引物設(shè)計、系統(tǒng)進化樹構(gòu)建、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測時，都要求學生圍繞該基因利用掌握的各種生物信息學分析方法對其進行分析，并在課堂上隨機抽點學生進行現(xiàn)場操作示范，對于學生遇到的問題馬上給予解惑并結(jié)合知識點再次強調(diào)講授。這樣既調(diào)動課堂氣氛，也提高學生的積極性，使學生有較強的參與感，同時又加強了學生分析問題、解決問題的綜合能力。

　　生物類專業(yè)學生學習生物信息學的中心任務(wù)就是學會使用生物信息學知識從紛繁復雜的生物數(shù)據(jù)中揭示隱含的生物學意義。因此在教學中，授課教師要緊跟生命科學的發(fā)展，及時調(diào)整教學大綱、選擇教學內(nèi)容并突出重點、采用以培養(yǎng)學生實踐動手能力的教學方式，做好生物信息學的課程教學工作，提高該課程的教學質(zhì)量，使學生學習了生物信息學后，能在今后的生物科研中學以致用，解決實際問題。

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