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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)中一門新興的前沿學(xué)科。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)生物信息學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，基于其他學(xué)科的成功教學(xué)模式，結(jié)合生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，提出“以知識(shí)為中心，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)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(yàn)
2l世紀(jì)是高科技發(fā)展的世紀(jì)，隨著人類基因組計(jì)劃的完成、遺傳語言的破譯、生物大分子的功能與結(jié)構(gòu)研究，一門嶄新的、擁有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男碌膶W(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(xí)的科研人員、教師和學(xué)生的必備工具。在生物信息學(xué)開設(shè)條件尚不成熟的情況下，目前還沒有完善的教學(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(jù)幾年的生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐，提出幾點(diǎn)見解，期盼能“拋磚引玉”，引起同行專家學(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(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉所形成的一門新興學(xué)科，它主要運(yùn)用信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)手段通過數(shù)據(jù)分析和處理．揭示海量數(shù)據(jù)間的內(nèi)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(shí)。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者W．Gilbert在1991年曾經(jīng)指出：“傳統(tǒng)生物學(xué)解決問題的方式是實(shí)驗(yàn)的。現(xiàn)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(shù)據(jù)庫中，新的生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)是理論的，一個(gè)科學(xué)家將從理論推測(cè)出發(fā)，然后再回到實(shí)驗(yàn)中去追蹤或驗(yàn)證這些理論假設(shè)”。該論點(diǎn)預(yù)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(shù)據(jù)庫龐雜，僅人類基因組一項(xiàng)，就大約有3．0×l0個(gè)A、G、C、T構(gòu)成：二是操作主要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行，通過網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的搜索功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、檢索和分析；三是由于是一門由計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科綜合交叉產(chǎn)物．它的理論及內(nèi)容尚在不斷地完善與更新中。
2教學(xué)現(xiàn)狀
2．1缺乏合格的生物信息學(xué)師資，教師隊(duì)伍的整體數(shù)量和質(zhì)量與我國(guó)生物信息學(xué)教育快速發(fā)展的規(guī)模極不相稱。
2．2對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的認(rèn)識(shí)各異，造成課程設(shè)置不合理。我國(guó)高等教育的傳統(tǒng)模式在創(chuàng)新性人才和交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)方面本身就存在不少薄弱環(huán)節(jié)，如何通過生物信息學(xué)專業(yè)課程教學(xué)與實(shí)踐加強(qiáng)學(xué)生的研究能力，從而加快培養(yǎng)不同專業(yè)背景的“復(fù)合型”人才是擺在我們面前的一項(xiàng)艱巨任務(wù)
2．3生物信息學(xué)教育與其他專業(yè)的合作還有待加強(qiáng)。盡管生物信息學(xué)是一門新興學(xué)科，但與其他專業(yè)之間存在不少聯(lián)系�，F(xiàn)階段的問題是不同專業(yè)學(xué)科的教師之間缺乏交流與合作，難以滿足生物信息學(xué)教學(xué)的需求。
2．4在教學(xué)方法上．重視系統(tǒng)知識(shí)的傳授和授課計(jì)劃的完成，而忽視學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。此外，缺乏理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)整合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是以驗(yàn)證理論為目的，內(nèi)容單一，無創(chuàng)新點(diǎn)，忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。
2．5教學(xué)中還缺乏適合的理論和實(shí)驗(yàn)教材。授權(quán)影印國(guó)外原版教科書和翻譯書籍仍占主導(dǎo)地位，而國(guó)人自編的教材寥寥無幾。例如，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中已深感到《基礎(chǔ)生物信息學(xué)及其應(yīng)用》一書已不能滿足實(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(tǒng)性也是目前生物信息學(xué)教材中普遍存在的一個(gè)問題。
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(gòu)主義認(rèn)為：學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境中去感受和體驗(yàn)該知識(shí)所反映事物的性質(zhì)、規(guī)律以及該事物與其他事物之間聯(lián)系，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)助學(xué)習(xí)，來完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。多媒體計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境提供了理想認(rèn)知工具．能更有效地促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展�；谄渌麑W(xué)科的成功教學(xué)模式。結(jié)合生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，筆者提出“一個(gè)中心，兩者結(jié)合”的教學(xué)模式。即“以知識(shí)為中心，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合”。突出學(xué)生的主體地位，強(qiáng)化了個(gè)性教育。
3。1知識(shí)定位為中心以教學(xué)活動(dòng)的真正對(duì)象——知識(shí)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(zhuǎn)換．即在某些教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師是知識(shí)建構(gòu)的主角，學(xué)生當(dāng)配角，而在另一些教學(xué)環(huán)節(jié)中，則相反。同時(shí)，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)需要．采取不同的教學(xué)方法。生物信息學(xué)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)，涉及的知識(shí)面即深又廣，學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立自學(xué)的難度很大。尤其是生物信息學(xué)中的相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，諸如隱馬爾科夫鏈、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和幾何拓?fù)淅碚摰龋诮虒W(xué)中則需采用教師主導(dǎo)的傳統(tǒng)講授方法。 課堂教學(xué)受學(xué)時(shí)的限制，通過探究式方法，引導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間拓展知識(shí)，是不可或缺的教學(xué)方法，其教學(xué)過程大致分為3個(gè)步驟：首先確立教學(xué)目標(biāo)，目標(biāo)可以由教師設(shè)定，也可以是學(xué)生所感興趣的內(nèi)容。如：玉米基因組SSR引物設(shè)計(jì)，這類問題一般無法找到現(xiàn)成答案．必須通過學(xué)生自己去查閱和檢索相關(guān)數(shù)據(jù)庫后綜合分析才可得到。其次進(jìn)行分組．對(duì)一個(gè)嶄新事物的認(rèn)識(shí)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(jī)分組．以組為單位去檢索相關(guān)基因和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫。如何使用檢索工具、哪些數(shù)據(jù)庫需要檢索、哪些指標(biāo)是可以限定、哪些地方不可以忽略等方面的問題，指導(dǎo)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題，如SSR引物，則本著資源共享的原則，陳述檢索過程、分析結(jié)果，并就檢索過程中存在的問題及技巧進(jìn)行共同討論，最后由指導(dǎo)教師就檢索結(jié)果進(jìn)行取舍、總結(jié)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況作出點(diǎn)評(píng)。并提出改進(jìn)意見及進(jìn)一步要求。
3．2理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)整合
3．2．1通過生物數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)的參與，分子生物學(xué)對(duì)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(shù)據(jù)庫總數(shù)已達(dá)500個(gè)以上，在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等；在蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)方面有SWISS—PROT、PIR和MIPS等：在蛋白質(zhì)和其他生物大分子的結(jié)構(gòu)方面有PDB等：在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類方面有SCOP和CATH等．各數(shù)據(jù)庫均通過Intemet提供多種形式的數(shù)據(jù)檢索服務(wù)。例如：NCBI—Gen．Bank數(shù)據(jù)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)。這類檢索服務(wù)是生物數(shù)據(jù)庫所能提供的多種服務(wù)中最基本的信息共享和應(yīng)用服務(wù)．也是生物專業(yè)學(xué)生和科研工作者經(jīng)常使用的。
3．2．2通過序列比對(duì)軟件的開發(fā)．增強(qiáng)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(shù)據(jù)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(qiáng)有力的研究手段。對(duì)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)行成千上萬次的序列比對(duì)和數(shù)據(jù)庫搜索。實(shí)驗(yàn)操作中通過序列比對(duì)軟件開發(fā)的培訓(xùn)，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)問題的小軟件。
3．2．3運(yùn)用生物信息學(xué)相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生獲取蛋白質(zhì)信息的能力由于構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸化學(xué)構(gòu)造上的差別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)成核酸的4種堿基的差別。因而蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)和功能上存在更大的多樣性。目前實(shí)驗(yàn)方法獲取蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息仍然需要大量的時(shí)間，而且對(duì)技術(shù)和技巧都有很高的要求。越來越多的蛋白質(zhì)在測(cè)定空間結(jié)構(gòu)后尚不清楚其生物功能，因此蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)日益受到重視。預(yù)測(cè)的方法是目前提供蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能信息的重要方法。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)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，通過對(duì)生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)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(yàn)教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是針對(duì)海量生物數(shù)據(jù)處理與分析的實(shí)際需要，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用生物信息學(xué)知識(shí)和方法進(jìn)行生物信息提取、儲(chǔ)存、處理、分析的能力．提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決問題的能力和獨(dú)立思考、綜合分析的能力。生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇與安排應(yīng)按照循序漸進(jìn)的原則．針對(duì)特定的典型性的生物信息學(xué)問題設(shè)計(jì)，以綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，明確目的要求，突出重點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和探索精神，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性為出發(fā)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。
生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介、計(jì)算機(jī)為工具，全部在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。在教學(xué)中，充分利用網(wǎng)絡(luò)的交互特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課程的結(jié)合。教師通過電子郵件將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)序列、工具等傳遞給學(xué)生，學(xué)生同樣通過電子郵件將實(shí)驗(yàn)報(bào)告、作業(yè)、問題和意見等反饋給教師，教師在網(wǎng)上批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告后將成績(jī)和評(píng)語發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)情況。
3．2．5加強(qiáng)實(shí)踐能力考核生物信息學(xué)主要是學(xué)習(xí)利用互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)和應(yīng)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(duì)生物信息分析的基本方法和技能的掌握程度和對(duì)結(jié)果的分析解釋能力。因此，通過上機(jī)實(shí)踐操作重點(diǎn)考核學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對(duì)序列進(jìn)行生物信息分析并對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋。不僅考核學(xué)生對(duì)基本知識(shí)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(nèi)容。通過上述教學(xué)措施．提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐操作能力、解決實(shí)際問題的綜合應(yīng)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(qiáng)的實(shí)踐性和可操作性。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，隨著教師自身素質(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(yǎng)具有跨越生命科學(xué)、現(xiàn)代信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)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(shí)的生物信息學(xué)人才。
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