大数据时代下的生物信息学教学探究

陈宇杰，吴江鸿，丽 春，胡斯乐，陈 铭

（1.内蒙古民族大学 生命科学与食品学院，内蒙古 通辽 028043；2.浙江大学 生命科学学院，浙江 杭州 310058；3.内蒙古民族大学 动物科技学院，内蒙古 通辽 028043）

近些年，伴随生物大数据及人工智能的迅速发展，生物信息数据库建设日趋完善，生物信息学研究已取得长足进步［1］.20世纪80年代，内蒙古大学理论物理学家罗辽复先生首先由理论物理转向生命科学研究，开始探索崭新的生物信息学方向，在生物分子手性起源、构象电子场理论和构象动力学、遗传密码、核酸和氨基酸序列与结构功能的关系等课题研究中取得巨大成就［2-3］.生物信息学是一门融合生物学、数学与计算机科学的新兴前沿学科，具有交叉性和创新性等特点.生命科学已进入大数据时代，社会亟需生物信息学专业素养的人才.目前，全国多数院校已普遍开设生物信息学专业或在本科生专业课程中设置生物信息学课程.生物信息学课程要求学生具有扎实的数学、计算机科学和生物学基础，笔者根据多年的生物信息学教学实践发现，学生普遍存在学习兴趣不高、学习难度大等问题.强国之本在教育，高等教育已步入以质量提升为核心的内涵式发展新阶段.笔者探索生物信息学课程教学过程中出现的问题，并提出切实可行的改进措施，期望为生物信息学的本科教学提供参考.

1 生物信息学教学中存在的问题

在生物大数据时代，生命科学正在经历从试验分析、数据积累到数据分析及其指导下的试验验证的转变.生物信息学作为一门新兴的交叉学科，与迅猛发展的高通量组学技术有机结合，已成为科研工作者存储、加工并解析数据的强有力工具［4-5］.各高校生物相关专业均已开设生物信息学课程，帮助学生从序列分析、基因结构、进化分析、大数据层面了解基因与表型的关系、解析生长发育机理、了解疾病的发病机制、诊断治疗、药物开发等多方面提供技术支持及理论依据，在科学研究和生产实践中取得了巨大的研究成果［6-8］.由于生物信息学属于新兴学科，涉及多学科交叉，因此，在教学过程中，师资队伍、教材资源、教学模式等方面还存在不足，有待完善.

生物信息学作为一门发展迅猛的生物学、数学与计算机科学的交叉学科，要求生物信息学教师具有较强的数学、生物学和计算机等专业知识.目前，多数地方高校的生物信息学教师并非生物信息学专业科班出身，多数来自于与生物信息学专业交叉的农学、医学等相关领域的青年教师.教师在知识的系统性、专业性等方面有所欠缺，在课堂教学中对专业性较强的问题很难进行游刃有余地讲授，影响教学效果［9-10］.在一些地方高校或偏远地区高校，教师队伍匮乏现象比较严重，不利于生物信息学教学.生物信息学的快速发展，对师资队伍要求较高.因此，高校需要充实高质量生物信息学专业师资.

目前，生物信息课程面向农学、医学、理学、工学不同学科背景的本科生开设.现有生物信息学教材多偏向于综合性教材，没有顾及学生专业.不同专业背景的学生对不同的生物学问题的认知存在显著差异.因此，单一、综合性地面向所有专业的生物信息学教材很难满足教学和学生学习所需，亟待有专业性更强的教材以供使用.其次，现存教材多以介绍生物信息学基本理论知识为主.由于生物信息学知识内容繁杂，对于没有生物信息学基础的学生来说，在学习上有较大难度.一般来说，生物信息学属于专业选修课程，学时设置较少，大部头、综合性、偏理论的教材对学生而言，具有很大的挑战性，导致部分学生知难而退.因此，生物信息学课程亟需简明扼要、专业针对性强、易操作上手的教材.

目前，多数生物信息学课堂沿用传统的教学模式：以教师为中心、以课堂为中心、以教材为中心.这种教学观念忽略了生物信息学课程是一门工具学科，重理论而轻实践，影响了对学生实践技能和创新思维的培养，不利于学生系统掌握生物信息学的知识与技能，不能有效利用生物信息学方法解决生物学相关的实际问题，无法将所学与所需相联系，背离了生物信息学课程的教学目标.生物信息学教学对软硬件环境有较高要求，如高性能服务器、计算机、网络环境、计算机语言基础等都是进行生物信息学教学所必需的软硬件条件.目前，部分高校的生物信息学基础建设还不完善，实践教学很难顺利有效展开，这也是导致生物信息学发展相对滞后的原因之一.

2 对策

2.1 加强课程建设，推进“四个回归”根据不同专业的课程开设方式，合理设置生物信息学课程的开设学期，满足其对前置课程的需求和对后续课程的帮助，完成课程体系的有机整合，使教学效果达到最优.针对不同专业的课程目标需求，教师应平衡前沿研究与基础知识的比例，选择难易度适合的教学内容，仔细撰写教学大纲，安排教学活动.其次，教材改革在原有教材的基础上进行改版，或编写精简版的生物信息学教材，或编写专业性更强的医学版、农学版等，或编写以案例分析为主的教材.第三，育人之责在教师，通过引育并举等方式，持续进行生物信息学教学团队培养改革.各院校的生物信息学教师应建立课程组，完善师资队伍建设长期规划.按职称、学历、年龄、学缘等结构完善团队建设，逐步形成可持续发展的师资梯队，推进“老-中-青”传、帮、带阶梯式培养工作.建立教师成长范式，鼓励教师到国内外进修访学或国内互访，进入北京大学、浙江大学、哈尔滨医科大学、华中农业大学等具有专业优势的双一流高校，接受专业的师资培训，提升专业素质和教学技能.成立全国或地区间的生物信息学专业教学组织，建立生物信息学教学标准.教师应以课程组为单位，积极开展教研活动，加强教师间交流与团队协作，凝聚师资力量，打造优秀教学课程团队，推进教研融合.积极申报各类优秀课程与精品课程，进行生物信息学课程建设.

2.2 实现网络教学与线下教学有机结合，提高学生学习兴趣针对生物信息学课程具有交叉性、前沿性、实践性等特点，需要大力发展生物信息学线上教育及平台搭建，打造智慧学习环境，与面对面有温度的线下教学有机整合，重塑教育教学形态.（1）网络教学方式的选择：根据在线授课可分为实时和非实时的特点选择稳定的网络教学平台，如腾讯会议、钉钉、雨课堂等均可进行，配合教案、课件、练习题、相关学习材料的上传，满足教师教学开展和学生网上自主学习的需求.（2）教学方案的制定：根据教学内容的难易程度和学生的接受能力，可将教学内容顺序适当调整为生物信息学导论、生物信息学资源、基因组信息学、基因芯片数据分析、序列分析与序列比对、系统发生分析、系统生物学.（3）教学效果的评判：通过在线平台检查学生考勤、提交笔记、检查作业等方式进行学习效果评价.

2.3 建立以OBE理念为指导的教学模式，培养学生实践能力生物信息学课程对于非生物信息学专业本科生而言，是一门工具性课程.在教学过程中，应形成“以学生为中心”的教学理念与教学模式，让学生成为课堂的“主人”，强调学生对生物信息学知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构过程.生物信息学授课环节应更加注重实际应用，增强案例分析、口头汇报、专题讨论等多样化教学方式，充分利用中国慕课、专业性较强的科技前沿文献等线上资源，开展任务驱动式教学，不断加强实验、实训环节的教学任务，让学生熟练掌握常用生物信息学相关数据库、门户网站、相关软件的使用方法；设置学生思考环节，激发学生的学习兴趣，从实际问题出发，利用生物信息学手段解决相关生物学问题，让学生的动手能力、思维能力、团队协作能力得到实质性锻炼，学生各项技能得到强化，实现理论与实践相结合，深化学生对原理和基本知识的理解和应用，切实提高学生课程成绩.改变原有单一的课程评价体系，以“学生学习预期效果”为导向，不断完善教学评价体系，降低期末考试成绩比例，增加线上学习、课程作业、口头汇报、小组讨论、组内互评、组间助评等多样化考核方式，严格按照课程大纲中制定的合理化评价标准对学生成绩进行评定.提升学生理论知识和专业技能，增强学生的自学能力、查阅文献能力、思维能力.解决学生过于注重理论学习，忽视能力和素质提高等问题.

2.4 培养专业产业化学生，培育生物信息学学科发展方向随着人类基因组计划的完成，生物信息学研究已在生物学研究领域发挥越来越重要的作用，极大推动了生物技术、生物医药、生殖健康等相关领域的发展.生物信息学已成为一门能够创造巨大经济利益和社会效益的产业.目前，生物信息学领域急需创新型、实用型、复合型人才.因此，从产业化视角构建生物信息学人才培养模式，培养顶尖的生物信息学人才是重中之重.教师要明确在产业化需求下，重点培养学生的生物信息学相关能力及培养途径.学生要加入本科生导师的科研课题，生物信息学实践课应与学年论文、毕业论文相结合，在课堂上建立实训体系，解决实际生物学问题，为专业产业化奠定基础.结合生物信息学竞赛、培训专业化等手段锻炼学生，是推动生物信息学专业产业化的有效手段，也是生物信息学学科的发展方向之一.生物信息学人才培养的质量和效果将作为检验教学工作的根本标准.