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生物信息學(xué)創(chuàng )新教學(xué)模式初探論文
論文摘要：生物信息學(xué)是生物科學(xué)中一門(mén)新興的前沿學(xué)科。針對目前國內生物信息學(xué)教學(xué)現狀，基于其他學(xué)科的成功教學(xué)模式，結合生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，提出“以知識為中心，理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)有機結合”的教學(xué)模式。
論文關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)教學(xué)模式理論實(shí)驗
2l世紀是高科技發(fā)展的世紀，隨著(zhù)人類(lèi)基因組計劃的完成、遺傳語(yǔ)言的破譯、生物大分子的功能與結構研究，一門(mén)嶄新的、擁有巨大發(fā)展潛力的新的學(xué)科生物信息學(xué)悄然興起并得以蓬勃發(fā)展。生物信息學(xué)已成為分子生物學(xué)家和從事生物學(xué)研究和學(xué)習的科研人員、教師和學(xué)生的必備工具。在生物信息學(xué)開(kāi)設條件尚不成熟的情況下，目前還沒(méi)有完善的教學(xué)模式，如何在高校進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)則亟需探索。為此，筆者根據幾年的生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐，提出幾點(diǎn)見(jiàn)解，期盼能“拋磚引玉”，引起同行專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，由此推動(dòng)生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提高。
1生物信息學(xué)概述
生物信息學(xué)(Bioinformatics)是生物學(xué)、數學(xué)和計算機科學(xué)交叉所形成的一門(mén)新興學(xué)科，它主要運用信息科學(xué)和計算機手段通過(guò)數據分析和處理．揭示海量數據間的內在聯(lián)系和生物學(xué)含義，進(jìn)而提煉有用的生物學(xué)知識。諾貝爾獎獲得者W．Gilbert在1991年曾經(jīng)指出：“傳統生物學(xué)解決問(wèn)題的方式是實(shí)驗的�，F在，基于全部基因都將知曉，并以電子可操作的方式駐留在數據庫中，新的生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應是理論的，一個(gè)科學(xué)家將從理論推測出發(fā)，然后再回到實(shí)驗中去追蹤或驗證這些理論假設”。該論點(diǎn)預示了生物信息學(xué)在生物科學(xué)中的重要地位。
生物信息學(xué)的最大特點(diǎn)；一是數據庫龐雜，僅人類(lèi)基因組一項，就大約有3．0×l0個(gè)A、G、C、T構成：二是操作主要在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中運行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )強大的搜索功能實(shí)現數據儲存、檢索和分析；三是由于是一門(mén)由計算機技術(shù)、數學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科綜合交叉產(chǎn)物．它的理論及內容尚在不斷地完善與更新中。
2教學(xué)現狀
2．1缺乏合格的生物信息學(xué)師資，教師隊伍的整體數量和質(zhì)量與我國生物信息學(xué)教育快速發(fā)展的規模極不相稱(chēng)。
2．2對生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養的認識各異，造成課程設置不合理。我國高等教育的傳統模式在創(chuàng )新性人才和交叉學(xué)科人才的培養方面本身就存在不少薄弱環(huán)節，如何通過(guò)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)與實(shí)踐加強學(xué)生的研究能力，從而加快培養不同專(zhuān)業(yè)背景的“復合型”人才是擺在我們面前的一項艱巨任務(wù)
2．3生物信息學(xué)教育與其他專(zhuān)業(yè)的合作還有待加強。盡管生物信息學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，但與其他專(zhuān)業(yè)之間存在不少聯(lián)系�，F階段的問(wèn)題是不同專(zhuān)業(yè)學(xué)科的教師之間缺乏交流與合作，難以滿(mǎn)足生物信息學(xué)教學(xué)的需求。
2．4在教學(xué)方法上．重視系統知識的傳授和授課計劃的完成，而忽視學(xué)生能力和素質(zhì)的培養。此外，缺乏理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)的有機整合，實(shí)驗教學(xué)只是以驗證理論為目的，內容單一，無(wú)創(chuàng )新點(diǎn)，忽視了對學(xué)生實(shí)際操作能力的培養。
2．5教學(xué)中還缺乏適合的理論和實(shí)驗教材。授權影印國外原版教科書(shū)和翻譯書(shū)籍仍占主導地位，而國人自編的教材寥寥無(wú)幾。例如，我們在教學(xué)實(shí)踐中已深感到《基礎生物信息學(xué)及其應用》一書(shū)已不能滿(mǎn)足實(shí)際教學(xué)工作的需要，但由于種種原因．修訂版遲遲未能完成。此外，系統性也是目前生物信息學(xué)教材中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。
3創(chuàng )新教學(xué)模式探討
作為教學(xué)論三大流派之一的建構主義認為：學(xué)生在現實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境中去感受和體驗該知識所反映事物的性質(zhì)、規律以及該事物與其他事物之間聯(lián)系，通過(guò)學(xué)生的自主學(xué)習和協(xié)助學(xué)習，來(lái)完成對所學(xué)知識的意義建構。多媒體計算機和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的發(fā)展，為建構主義學(xué)習環(huán)境提供了理想認知工具．能更有效地促進(jìn)學(xué)生的認知發(fā)展�；谄渌麑W(xué)科的成功教學(xué)模式。結合生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，筆者提出“一個(gè)中心，兩者結合”的教學(xué)模式。即“以知識為中心，理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)有機結合”。突出學(xué)生的主體地位，強化了個(gè)性教育。
3。1知識定位為中心以教學(xué)活動(dòng)的真正對象——知識定位為中心．在不同的具體教學(xué)活動(dòng)中教師與學(xué)生的“主角”與“配角”地位相互轉換．即在某些教學(xué)環(huán)節中，教師是知識建構的主角，學(xué)生當配角，而在另一些教學(xué)環(huán)節中，則相反。同時(shí)，針對不同的教學(xué)內容和教學(xué)需要．采取不同的教學(xué)方法。生物信息學(xué)是一門(mén)多學(xué)科交叉的科學(xué)，涉及的知識面即深又廣，學(xué)生進(jìn)行獨立自學(xué)的難度很大。尤其是生物信息學(xué)中的相關(guān)數學(xué)知識，諸如隱馬爾科夫鏈、動(dòng)態(tài)規劃算法和幾何拓撲理論等，在教學(xué)中則需采用教師主導的傳統講授方法。 課堂教學(xué)受學(xué)時(shí)的限制，通過(guò)探究式方法，引導學(xué)生利用課余時(shí)間拓展知識，是不可或缺的教學(xué)方法，其教學(xué)過(guò)程大致分為3個(gè)步驟：首先確立教學(xué)目標，目標可以由教師設定，也可以是學(xué)生所感興趣的內容。如：玉米基因組SSR引物設計，這類(lèi)問(wèn)題一般無(wú)法找到現成答案．必須通過(guò)學(xué)生自己去查閱和檢索相關(guān)數據庫后綜合分析才可得到。其次進(jìn)行分組．對一個(gè)嶄新事物的認識單靠個(gè)人智慧的力量往往難以全面兼顧，需要集體的智慧。分組就是將學(xué)生隨機分組．以組為單位去檢索相關(guān)基因和蛋白質(zhì)數據庫。如何使用檢索工具、哪些數據庫需要檢索、哪些指標是可以限定、哪些地方不可以忽略等方面的問(wèn)題，指導教師可給予一定的啟發(fā)提示和幫助，但不能替代完成。最后集中討論，由小組成員圍繞指定的問(wèn)題，如SSR引物，則本著(zhù)資源共享的原則，陳述檢索過(guò)程、分析結果，并就檢索過(guò)程中存在的問(wèn)題及技巧進(jìn)行共同討論，最后由指導教師就檢索結果進(jìn)行取舍、總結，對學(xué)生的學(xué)習情況作出點(diǎn)評。并提出改進(jìn)意見(jiàn)及進(jìn)一步要求。
3．2理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)的有機整合
3．2．1通過(guò)生物數據庫的使用，提高學(xué)生處理生物信息的能力由于大型服務(wù)器和計算機的參與，分子生物學(xué)對生物分子(主要是核酸和蛋白質(zhì))研究工作的效率大大提高。到目前為止，生物學(xué)數據庫總數已達500個(gè)以上，在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等；在蛋白質(zhì)一級結構方面有SWISS—PROT、PIR和MIPS等：在蛋白質(zhì)和其他生物大分子的結構方面有PDB等：在蛋白質(zhì)結構分類(lèi)方面有SCOP和CATH等．各數據庫均通過(guò)Intemet提供多種形式的數據檢索服務(wù)。例如：NCBI—Gen．Bank數據庫就提供Retrieve(Email)，Entrez(Web集成信息檢索)及Query(Email集成檢索)等多種方式的檢索服務(wù)。這類(lèi)檢索服務(wù)是生物數據庫所能提供的多種服務(wù)中最基本的信息共享和應用服務(wù)．也是生物專(zhuān)業(yè)學(xué)生和科研工作者經(jīng)常使用的。
3．2．2通過(guò)序列比對軟件的開(kāi)發(fā)．增強學(xué)生使用生物信息處理軟件的能力將未知序列同整個(gè)數據庫中的已知序列進(jìn)行比較分析是研究者手中的一個(gè)強有力的研究手段。對2個(gè)物種進(jìn)行全基因組序列比較已不再是一個(gè)夢(mèng)想．進(jìn)行序列比較的目的之一是判斷2個(gè)序列之間是否具有足夠的相似性，從而判定二者之間是否具有同源性。在世界各地，科學(xué)家每天都要進(jìn)行成千上萬(wàn)次的序列比對和數據庫搜索。實(shí)驗操作中通過(guò)序列比對軟件開(kāi)發(fā)的培訓，使學(xué)生熟練掌握生物信息處理軟件．并能編制解決相關(guān)問(wèn)題的小軟件。
3．2．3運用生物信息學(xué)相關(guān)知識，提高學(xué)生獲取蛋白質(zhì)信息的能力由于構成蛋白質(zhì)的20種氨基酸化學(xué)構造上的差別遠遠大于構成核酸的4種堿基的差別。因而蛋白質(zhì)在結構和功能上存在更大的多樣性。目前實(shí)驗方法獲取蛋白質(zhì)結構信息仍然需要大量的時(shí)間，而且對技術(shù)和技巧都有很高的要求。越來(lái)越多的蛋白質(zhì)在測定空間結構后尚不清楚其生物功能，因此蛋白質(zhì)功能預測日益受到重視。預測的方法是目前提供蛋白質(zhì)結構及功能信息的重要方法。蛋白質(zhì)結構與功能的復雜性必須借助生物信息學(xué)的技術(shù)手段才能更好的闡明，通過(guò)對生物信息學(xué)的學(xué)習和掌握，可使學(xué)生更多更快地了解蛋白質(zhì)的信息。
3．2．4優(yōu)化實(shí)驗教學(xué)內容，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )教學(xué)優(yōu)勢生物信息學(xué)實(shí)驗教學(xué)主要是針對海量生物數據處理與分析的實(shí)際需要，培養學(xué)生綜合運用生物信息學(xué)知識和方法進(jìn)行生物信息提取、儲存、處理、分析的能力．提高學(xué)生應用理論知識解決問(wèn)題的能力和獨立思考、綜合分析的能力。生物信息學(xué)實(shí)驗教學(xué)內容的選擇與安排應按照循序漸進(jìn)的原則．針對特定的典型性的生物信息學(xué)問(wèn)題設計，以綜合性、設計性實(shí)驗內容為主，明確目的要求，突出重點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和探索精神，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性和創(chuàng )造性為出發(fā)點(diǎn)，加強學(xué)生創(chuàng )新精神和實(shí)驗能力的培養。
生物信息學(xué)實(shí)驗教學(xué)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介、計算機為工具，全部在計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室內完成。在教學(xué)中，充分利用網(wǎng)絡(luò )的交互特點(diǎn)實(shí)現信息技術(shù)與課程的結合。教師通過(guò)電子郵件將實(shí)驗教學(xué)內容、實(shí)驗序列、工具等傳遞給學(xué)生，學(xué)生同樣通過(guò)電子郵件將實(shí)驗報告、作業(yè)、問(wèn)題和意見(jiàn)等反饋給教師，教師在網(wǎng)上批改實(shí)驗報告后將成績(jì)和評語(yǔ)發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的學(xué)習情況。
3．2．5加強實(shí)踐能力考核生物信息學(xué)主要是學(xué)習利用互聯(lián)網(wǎng)、計算機和應用軟件進(jìn)行生物信息分析的基本理論和基本方法�？荚囍攸c(diǎn)是考察學(xué)生對生物信息分析的基本方法和技能的掌握程度和對結果的分析解釋能力。因此，通過(guò)上機實(shí)踐操作重點(diǎn)考核學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對序列進(jìn)行生物信息分析并對結果進(jìn)行解釋。不僅考核學(xué)生對基本知識和基本原理的掌握，而且考察學(xué)生進(jìn)行生物信息分析的實(shí)際能力和分析思考能力。通過(guò)實(shí)踐技能考試．促進(jìn)學(xué)生注重提高理論用于實(shí)踐的綜合能力。
總之．生物信息學(xué)教學(xué)是網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下生物學(xué)教學(xué)的全新內容。通過(guò)上述教學(xué)措施．提高了學(xué)生的學(xué)習積極性、實(shí)踐操作能力、解決實(shí)際問(wèn)題的綜合應用能力及創(chuàng )新能力，收到了良好的教學(xué)效果．得到了學(xué)生的普遍歡迎，具有較強的實(shí)踐性和可操作性。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，隨著(zhù)教師自身素質(zhì)的提高和進(jìn)一步的教學(xué)改革將會(huì )不斷完善生物信息學(xué)教學(xué)，培養具有跨越生命科學(xué)、現代信息科學(xué)、計算機科學(xué)、統計學(xué)、數理科學(xué)等不同領(lǐng)域的綜合型的高素質(zhì)和創(chuàng )新性意識的生物信息學(xué)人才。
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