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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。針對目前國內(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，提出“以知識為中心，理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機結(jié)合”的教學(xué)模式。
論文關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)教學(xué)模式理論實驗
2l世紀(jì)是高科技發(fā)展的世紀(jì)，隨著人類基因組計劃的完成、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)實踐，提出幾點見解，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)和計算機科學(xué)交叉所形成的一門新興學(xué)科，它主要運用信息科學(xué)和計算機手段通過數(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(tǒng)生物學(xué)解決問題的方式是實驗的�，F(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)點應(yīng)是理論的，一個科學(xué)家將從理論推測出發(fā)，然后再回到實驗中去追蹤或驗證這些理論假設(shè)”。該論點預(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；一是數(shù)據(jù)庫龐雜，僅人類基因組一項，就大約有3．0×l0個A、G、C、T構(gòu)成：二是操作主要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運行，通過網(wǎng)絡(luò)強大的搜索功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、檢索和分析；三是由于是一門由計算機技術(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，教師隊伍的整體數(shù)量和質(zhì)量與我國生物信息學(xué)教育快速發(fā)展的規(guī)模極不相稱。
2．2對生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的認識各異，造成課程設(shè)置不合理。我國高等教育的傳統(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)與實踐加強學(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。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(yǎng)。此外，缺乏理論教學(xué)與實驗教學(xué)的有機整合，實驗教學(xué)只是以驗證理論為目的，內(nèi)容單一，無創(chuàng)新點，忽視了對學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng)。
2．5教學(xué)中還缺乏適合的理論和實驗教材。授權(quán)影印國外原版教科書和翻譯書籍仍占主導(dǎo)地位，而國人自編的教材寥寥無幾。例如，我們在教學(xué)實踐中已深感到《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)主義認為：學(xué)生在現(xiàn)實世界的真實環(huán)境中去感受和體驗該知識所反映事物的性質(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)，來完成對所學(xué)知識的意義建構(gòu)。多媒體計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境提供了理想認知工具．能更有效地促進學(xué)生的認知發(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，筆者提出“一個中心，兩者結(jié)合”的教學(xué)模式。即“以知識為中心，理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機結(jié)合”。突出學(xué)生的主體地位，強化了個性教育。
3。1知識定位為中心以教學(xué)活動的真正對象——知識定位為中心．在不同的具體教學(xué)活動中教師與學(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，針對不同的教學(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)，涉及的知識面即深又廣，學(xué)生進行獨立自學(xué)的難度很大。尤其是生物信息學(xué)中的相關(guān)數(shù)學(xué)知識，諸如隱馬爾科夫鏈、動態(tài)規(guī)劃算法和幾何拓撲理論等，在教學(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)時的限制，通過探究式方法，引導(dǎo)學(xué)生利用課余時間拓展知識，是不可或缺的教學(xué)方法，其教學(xué)過程大致分為3個步驟：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，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。其次進行分組．對一個嶄新事物的認識單靠個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(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行共同討論，最后由指導(dǎo)教師就檢索結(jié)果進行取舍、總結(jié)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況作出點評。并提出改進意見及進一步要求。
3．2理論教學(xué)與實驗教學(xué)的有機整合
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(shù)據(jù)庫總數(shù)已達500個以上，在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等；在蛋白質(zhì)一級結(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通過序列比對軟件的開發(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數(shù)據(jù)庫中的已知序列進行比較分析是研究者手中的一個強有力的研究手段。對2個物種進行全基因組序列比較已不再是一個夢想．進行序列比較的目的之一是判斷2個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)家每天都要進行成千上萬次的序列比對和數(shù)據(jù)庫搜索。實驗操作中通過序列比對軟件開發(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(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸化學(xué)構(gòu)造上的差別遠遠大于構(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。目前實驗方法獲取蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息仍然需要大量的時間，而且對技術(shù)和技巧都有很高的要求。越來越多的蛋白質(zhì)在測定空間結(jié)構(gòu)后尚不清楚其生物功能，因此蛋白質(zhì)功能預(yù)測日益受到重視。預(yù)測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)化實驗教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢生物信息學(xué)實驗教學(xué)主要是針對海量生物數(shù)據(jù)處理與分析的實際需要，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用生物信息學(xué)知識和方法進行生物信息提取、儲存、處理、分析的能力．提高學(xué)生應(yīng)用理論知識解決問題的能力和獨立思考、綜合分析的能力。生物信息學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的選擇與安排應(yīng)按照循序漸進的原則．針對特定的典型性的生物信息學(xué)問題設(shè)計，以綜合性、設(shè)計性實驗內(nèi)容為主，明確目的要求，突出重點，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和探索精神，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性為出發(fā)點，加強學(xué)生創(chuàng)新精神和實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。
生物信息學(xué)實驗教學(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)實驗室內(nèi)完成。在教學(xué)中，充分利用網(wǎng)絡(luò)的交互特點實現(xiàn)信息技術(shù)與課程的結(jié)合。教師通過電子郵件將實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗序列、工具等傳遞給學(xué)生，學(xué)生同樣通過電子郵件將實驗報告、作業(yè)、問題和意見等反饋給教師，教師在網(wǎng)上批改實驗報告后將成績和評語發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生及時了解自己的學(xué)習(xí)情況。
3．2．5加強實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)、計算機和應(yīng)用軟件進行生物信息分析的基本理論和基本方法。考試重點是考察學(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(jié)果的分析解釋能力。因此，通過上機實踐操作重點考核學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對序列進行生物信息分析并對結(jié)果進行解釋。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)生進行生物信息分析的實際能力和分析思考能力。通過實踐技能考試．促進學(xué)生注重提高理論用于實踐的綜合能力。
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、實踐操作能力、解決實際問題的綜合應(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，具有較強的實踐性和可操作性。在今后的教學(xué)實踐中，隨著教師自身素質(zhì)的提高和進一步的教學(xué)改革將會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)、計算機科學(xué)、統(tǒng)計學(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)新性意識的生物信息學(xué)人才。
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