關(guān)于提高生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)《生物信息學(xué)》教學(xué)的一些建議論文
中圖分類(lèi)號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0219-02
生物信息學(xué)是在生命科學(xué)、計算機科學(xué)和數學(xué)的基礎上逐步發(fā)展而形成的一門(mén)新興交叉學(xué)科，其實(shí)質(zhì)就是利用信息科學(xué)與技術(shù)對生物數據進(jìn)行獲取、處理、存儲、發(fā)布、分析和解釋?zhuān)M(jìn)而揭示紛繁復雜的數據中所蘊含的生物學(xué)本質(zhì)[1]。作為21世紀生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的重要學(xué)科[2]。實(shí)驗室的每一項技術(shù)，從簡(jiǎn)單的基因克隆、基因數據分析到生物大分子進(jìn)化研究都需要應用到生物信息學(xué)，因此，對于生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，掌握生物信息學(xué)的相關(guān)知識尤為重要。我國各大專(zhuān)院校都在不斷努力創(chuàng )新和改進(jìn)現有生物信息學(xué)課程的教學(xué)方法與方式。因此，作者結合近五年來(lái)開(kāi)設生物信息學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了目前生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，提出幾點(diǎn)建議，希望能夠有助于推動(dòng)生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。
一、生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)中的問(wèn)題
1.生物信息學(xué)教材的選擇。生物信息學(xué)的發(fā)展速度快、內容廣泛，目前很多國內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，國內引進(jìn)的生物信息學(xué)相關(guān)的英文原版教材中有些屬于科普性質(zhì)，內容過(guò)于簡(jiǎn)單，而有些偏重介紹生物信息學(xué)的計算方法或模型的建立，過(guò)于復雜[3]。而國內相關(guān)教材更新較慢，課堂內容涵蓋的知識面和知識點(diǎn)相對減縮，而且一些前沿的數據和先進(jìn)軟件沒(méi)有講授，這些對學(xué)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(wú)法選擇適用于生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)教材。
2.教學(xué)大綱安排不合理。生物信息學(xué)是一門(mén)集分子生物學(xué)、計算機科學(xué)和數學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科，它囊括了基因數據獲取、基因預測、序列比對、序列拼接、分子進(jìn)化、蛋白質(zhì)序列分析、蛋白質(zhì)結構預測、分子建模、藥物設計以及基因芯片蛋白芯片等內容模塊，同時(shí)各領(lǐng)域內容還涉及到具體的計算方法、概率統計、機器語(yǔ)言等知識模塊。由于課時(shí)設置有限，如果教師在課堂教學(xué)對各領(lǐng)域內容面面俱到，會(huì )造成大部分內容都只是蜻蜓點(diǎn)水，學(xué)生學(xué)完以后雖然接觸了很多東西，但在生物研究中遇到實(shí)際問(wèn)題還是束手無(wú)策。
3.教學(xué)內容滯后。生物信息學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的學(xué)科，隨著(zhù)生物學(xué)科自身的發(fā)展和研究的深入，新的數據庫和信息資源不斷涌現，各種數據庫和軟件的更新?lián)Q代非常頻繁，如果教師所講授的在線(xiàn)服務(wù)器、分析軟件、講解實(shí)例都不是當前最普遍的，學(xué)生學(xué)完后打開(kāi)最新的在線(xiàn)服務(wù)器或是相關(guān)分析軟件依然不會(huì )操作。
4.教學(xué)方法和教學(xué)手段存在不足。生物信息學(xué)教學(xué)普遍采用普通教室多媒體講授，而生物信息學(xué)課程是一個(gè)實(shí)踐操作課，學(xué)生經(jīng)常要動(dòng)手操作，普通多媒體教學(xué)與實(shí)踐操作教學(xué)相脫節。傳統的講授很難與實(shí)踐教學(xué)效果相比，很多學(xué)生雖完成了生物信息學(xué)課程學(xué)習，也接受了很多生物信息學(xué)的理論知識，但在進(jìn)入大四階段做課題研究完成畢業(yè)論文時(shí)，遇到需要在數據庫查詢(xún)序列、用軟件分析序列或蛋白性質(zhì)、結構特點(diǎn)等問(wèn)題時(shí)依然束手無(wú)策。
二、生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)建議
1.調整教學(xué)大綱。對于生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，生物信息學(xué)是生物研究中的輔助工具，不需要掌握生物信息學(xué)算法或軟件編程細節，而是培養學(xué)生運用生物信息學(xué)的方法來(lái)解決生物研究中遇到的問(wèn)題，比如能夠應用檢索工具查找序列等相關(guān)的數據信息、利用比對軟件或是BLAST在線(xiàn)服務(wù)器對感興趣的序列進(jìn)行比對分析、選擇適當的建樹(shù)方法對DNA或蛋白序列進(jìn)行系統發(fā)育樹(shù)的構建、可分析蛋白序列信息并預測其三維結構以及引物設計等。因此對于生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的'教學(xué)，應重點(diǎn)培養學(xué)生的實(shí)踐能力，尤其是關(guān)于數據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(xué)以致用，所以對于當前生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)的培養目標應以應用為核心安排教學(xué)大綱。據此，確定了以下的教學(xué)內容：教學(xué)內容共54學(xué)時(shí)，分為理論基礎和上機實(shí)踐兩部分。理論教學(xué)內容共36學(xué)時(shí)包括：生物信息學(xué)緒論、生物信息數據庫的查詢(xún)與搜索、基因和蛋白質(zhì)序列比對、序列拼接、生物進(jìn)化與分子系統發(fā)育分析、基因預測與引物設計、蛋白質(zhì)結構及其預測、計算機輔助藥物設計；上機實(shí)踐共18學(xué)時(shí)包括：常用生物數據庫的查詢(xún)與搜索、核酸序列檢索與分析、多重序列比對和系統發(fā)育樹(shù)的構建、PCR引物設計及評價(jià)、蛋白質(zhì)序列分析及結構預測。
2.教學(xué)內容主次分明。由于生物信息學(xué)技術(shù)及分析手段更新迅速，教學(xué)內容會(huì )顯得越來(lái)越臃腫，作者建議對于生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可以以生物信息學(xué)方法的掌握和生物信息學(xué)工具的應用來(lái)設計教學(xué)內容，關(guān)于生物信息學(xué)本身涉及到的一些數學(xué)模型和編程算法，可簡(jiǎn)略講授，教學(xué)過(guò)程中盡量把有限的教學(xué)學(xué)時(shí)用到以生物信息學(xué)為工具解決生物學(xué)研究問(wèn)題的教學(xué)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，對于如何采用數學(xué)方法構建這些計分矩陣過(guò)程可略過(guò)，只需簡(jiǎn)要介紹PAM和BLOSUN矩陣的概念意義以及用途，重點(diǎn)放在如何使用生物信息學(xué)軟件進(jìn)行序列比對，并理解各參數設置的意義。另外，在生物信息學(xué)各教學(xué)內容模塊中涉及到的相關(guān)數據庫及軟件種類(lèi)繁多，其數量在不斷增加，版本也在不斷更新。例如在講授生物信息數據庫的查詢(xún)與搜索這一章節時(shí)，涉及到的數據庫有核酸序列數據庫、蛋白質(zhì)序列數據庫、蛋白質(zhì)結構數據庫、基因組數據庫、蛋白組數據庫、代謝組數據庫等，而每個(gè)種類(lèi)又含多個(gè)不同的數據庫，比如核酸序列數據庫有GenBank、EMBL和DDBJ等，蛋白質(zhì)序列數據庫有swiss-prot、TrEMBL、NCBI和UniProt等。因此，我們重點(diǎn)介紹了3大站NCBI、EBI和SIB，其中我們著(zhù)重介紹了NCBI的用于提取序列信息的工具――Entrez系統，Entrez將科學(xué)文獻、DNA和蛋白質(zhì)序列數據庫、蛋白質(zhì)三維結構數據、種群研究數據以及全基因組組裝數據整合成一個(gè)高度集成的系統。因此我們給學(xué)生演示并要求學(xué)生掌握如何采用Entrez查詢(xún)DNA和蛋白質(zhì)序列等。另外在講授分子進(jìn)化與系統發(fā)育分析這一章節時(shí)，要進(jìn)行序列比對及系統發(fā)育樹(shù)的構建，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(xiàn)服務(wù)器分析�？紤]到軟件的通用型、易用性及本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的英語(yǔ)水平、計算機操作水平，我們選擇ClustalW進(jìn)行多序列比對，然后采用phylip軟件包構建系統發(fā)育樹(shù)，并要求學(xué)生掌握如何使用這兩個(gè)軟件構建系統發(fā)育樹(shù)。MEGA及其他在線(xiàn)服務(wù)器只簡(jiǎn)單介紹具體操作方法作為輔助資料供學(xué)生自學(xué)。
3.基礎理論結合實(shí)踐教學(xué)。生物信息學(xué)教學(xué)強調學(xué)生的實(shí)踐能力培養，僅靠理論授課而無(wú)實(shí)驗學(xué)時(shí)，學(xué)生學(xué)完后依然只是紙上談兵。因此建議，生物信息學(xué)的講授應在合適的微機環(huán)境下進(jìn)行，在理論課學(xué)習后，馬上安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐課，演練所學(xué)的軟件和方法等。另外教師在講課時(shí)也可結合當前生命科學(xué)的發(fā)展特點(diǎn)，與生物信息學(xué)有機巧妙的結合起來(lái)，選擇幾個(gè)典型的案例，進(jìn)行課堂講授，現場(chǎng)操作；或是布置實(shí)踐任務(wù)，讓學(xué)生課后完成，在課堂隨機抽點(diǎn)學(xué)生讓學(xué)生操作，使學(xué)生參與其中，在實(shí)踐中感受生物信息學(xué)知識是如何解決生物科研中的問(wèn)題的。比如作者在一開(kāi)始講授在數據庫中查詢(xún)序列時(shí)，將學(xué)生按5～6人分成興趣小組，結合自己的興趣選擇特定基因，在后續整個(gè)課程的學(xué)習過(guò)程中，比如在學(xué)習到序列比對、基因預測、引物設計、系統進(jìn)化樹(shù)構建、蛋白質(zhì)結構預測時(shí)，都要求學(xué)生圍繞該基因利用掌握的各種生物信息學(xué)分析方法對其進(jìn)行分析，并在課堂上隨機抽點(diǎn)學(xué)生進(jìn)行現場(chǎng)操作示范，對于學(xué)生遇到的問(wèn)題馬上給予解惑并結合知識點(diǎn)再次強調講授。這樣既調動(dòng)課堂氣氛，也提高學(xué)生的積極性，使學(xué)生有較強的參與感，同時(shí)又加強了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。
生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習生物信息學(xué)的中心任務(wù)就是學(xué)會(huì )使用生物信息學(xué)知識從紛繁復雜的生物數據中揭示隱含的生物學(xué)意義。因此在教學(xué)中，授課教師要緊跟生命科學(xué)的發(fā)展，及時(shí)調整教學(xué)大綱、選擇教學(xué)內容并突出重點(diǎn)、采用以培養學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)方式，做好生物信息學(xué)的課程教學(xué)工作，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生學(xué)習了生物信息學(xué)后，能在今后的生物科研中學(xué)以致用，解決實(shí)際問(wèn)題。
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