生物信息學創新教學模式初探論文
論文摘要：生物信息學是生物科學中一門新興的前沿學科。針對目前國內生物信息學教學現狀，基于其他學科的成功教學模式，結合生物信息學課程特點，提出“以知識為中心，理論教學與實驗教學有機結合”的教學模式。
論文關鍵詞：生物信息學教學模式理論實驗
2l世紀是高科技發展的世紀，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構研究，一門嶄新的、擁有巨大發展潛力的新的學科生物信息學悄然興起并得以蓬勃發展。生物信息學已成為分子生物學家和從事生物學研究和學習的科研人員、教師和學生的必備工具。在生物信息學開設條件尚不成熟的情況下，目前還沒有完善的教學模式，如何在高校進行生物信息學教學則亟需探索。為此，筆者根據幾年的生物信息學教學實踐，提出幾點見解，期盼能“拋磚引玉”，引起同行專家學者的關注，由此推動生物信息學教學質量的提高。
1生物信息學概述
生物信息學(Bioinformatics)是生物學、數學和計算機科學交叉所形成的一門新興學科，它主要運用信息科學和計算機手段通過數據分析和處理．揭示海量數據間的內在聯系和生物學含義，進而提煉有用的生物學知識。諾貝爾獎獲得者W．Gilbert在1991年曾經指出：“傳統生物學解決問題的方式是實驗的。現在，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，新的生物學研究模式的出發點應是理論的，一個科學家將從理論推測出發，然后再回到實驗中去追蹤或驗證這些理論假設”。該論點預示了生物信息學在生物科學中的重要地位。
生物信息學的最大特點；一是數據庫龐雜，僅人類基因組一項，就大約有3．0×l0個A、G、C、T構成：二是操作主要在網絡環境中運行，通過網絡強大的搜索功能實現數據儲存、檢索和分析；三是由于是一門由計算機技術、數學、生物學等多學科綜合交叉產物．它的理論及內容尚在不斷地完善與更新中。
2教學現狀
2．1缺乏合格的生物信息學師資，教師隊伍的整體數量和質量與我國生物信息學教育快速發展的規模極不相稱。
2．2對生物信息學專業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新性人才和交叉學科人才的培養方面本身就存在不少薄弱環節，如何通過生物信息學專業課程教學與實踐加強學生的研究能力，從而加快培養不同專業背景的“復合型”人才是擺在我們面前的一項艱巨任務
2．3生物信息學教育與其他專業的合作還有待加強。盡管生物信息學是一門新興學科，但與其他專業之間存在不少聯系。現階段的問題是不同專業學科的教師之間缺乏交流與合作，難以滿足生物信息學教學的需求。
2．4在教學方法上．重視系統知識的傳授和授課計劃的完成，而忽視學生能力和素質的培養。此外，缺乏理論教學與實驗教學的有機整合，實驗教學只是以驗證理論為目的，內容單一，無創新點，忽視了對學生實際操作能力的培養。
2．5教學中還缺乏適合的理論和實驗教材。授權影印國外原版教科書和翻譯書籍仍占主導地位，而國人自編的教材寥寥無幾。例如，我們在教學實踐中已深感到《基礎生物信息學及其應用》一書已不能滿足實際教學工作的需要，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教材中普遍存在的一個問題。
3創新教學模式探討
作為教學論三大流派之一的建構主義認為：學生在現實世界的真實環境中去感受和體驗該知識所反映事物的性質、規律以及該事物與其他事物之間聯系，通過學生的自主學習和協助學習，來完成對所學知識的意義建構。多媒體計算機和網絡通信技術的發展，為建構主義學習環境提供了理想認知工具．能更有效地促進學生的認知發展。基于其他學科的成功教學模式。結合生物信息學課程特點，筆者提出“一個中心，兩者結合”的教學模式。即“以知識為中心，理論教學與實驗教學有機結合”。突出學生的主體地位，強化了個性教育。
3。1知識定位為中心以教學活動的真正對象——知識定位為中心．在不同的具體教學活動中教師與學生的“主角”與“配角”地位相互轉換．即在某些教學環節中，教師是知識建構的主角，學生當配角，而在另一些教學環節中，則相反。同時，針對不同的教學內容和教學需要．采取不同的教學方法。生物信息學是一門多學科交叉的科學，涉及的知識面即深又廣，學生進行獨立自學的難度很大。尤其是生物信息學中的相關數學知識，諸如隱馬爾科夫鏈、動態規劃算法和幾何拓撲理論等，在教學中則需采用教師主導的傳統講授方法。 課堂教學受學時的限制，通過探究式方法，引導學生利用課余時間拓展知識，是不可或缺的教學方法，其教學過程大致分為3個步驟：首先確立教學目標，目標可以由教師設定，也可以是學生所感興趣的內容。如：玉米基因組SSR引物設計，這類問題一般無法找到現成答案．必須通過學生自己去查閱和檢索相關數據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。分組就是將學生隨機分組．以組為單位去檢索相關基因和蛋白質數據庫。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題，指導教師可給予一定的啟發提示和幫助，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，最后由指導教師就檢索結果進行取舍、總結，對學生的學習情況作出點評。并提出改進意見及進一步要求。
3．2理論教學與實驗教學的有機整合
3．2．1通過生物數據庫的使用，提高學生處理生物信息的能力由于大型服務器和計算機的參與，分子生物學對生物分子(主要是核酸和蛋白質)研究工作的效率大大提高。到目前為止，生物學數據庫總數已達500個以上，在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等；在蛋白質一級結構方面有SWISS—PROT、PIR和MIPS等：在蛋白質和其他生物大分子的結構方面有PDB等：在蛋白質結構分類方面有SCOP和CATH等．各數據庫均通過Intemet提供多種形式的數據檢索服務。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。這類檢索服務是生物數據庫所能提供的多種服務中最基本的信息共享和應用服務．也是生物專業學生和科研工作者經常使用的。
3．2．2通過序列比對軟件的開發．增強學生使用生物信息處理軟件的能力將未知序列同整個數據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，科學家每天都要進行成千上萬次的序列比對和數據庫搜索。實驗操作中通過序列比對軟件開發的培訓，使學生熟練掌握生物信息處理軟件．并能編制解決相關問題的小軟件。
3．2．3運用生物信息學相關知識，提高學生獲取蛋白質信息的能力由于構成蛋白質的20種氨基酸化學構造上的差別遠遠大于構成核酸的4種堿基的差別。因而蛋白質在結構和功能上存在更大的多樣性。目前實驗方法獲取蛋白質結構信息仍然需要大量的時間，而且對技術和技巧都有很高的要求。越來越多的蛋白質在測定空間結構后尚不清楚其生物功能，因此蛋白質功能預測日益受到重視。預測的方法是目前提供蛋白質結構及功能信息的重要方法。蛋白質結構與功能的復雜性必須借助生物信息學的`技術手段才能更好的闡明，通過對生物信息學的學習和掌握，可使學生更多更快地了解蛋白質的信息。
3．2．4優化實驗教學內容，發揮網絡教學優勢生物信息學實驗教學主要是針對海量生物數據處理與分析的實際需要，培養學生綜合運用生物信息學知識和方法進行生物信息提取、儲存、處理、分析的能力．提高學生應用理論知識解決問題的能力和獨立思考、綜合分析的能力。生物信息學實驗教學內容的選擇與安排應按照循序漸進的原則．針對特定的典型性的生物信息學問題設計，以綜合性、設計性實驗內容為主，明確目的要求，突出重點，充分發揮學生的主觀能動性和探索精神，以激發學生學習的主動性和創造性為出發點，加強學生創新精神和實驗能力的培養。
生物信息學實驗教學以互聯網為媒介、計算機為工具，全部在計算機網絡實驗室內完成。在教學中，充分利用網絡的交互特點實現信息技術與課程的結合。教師通過電子郵件將實驗教學內容、實驗序列、工具等傳遞給學生，學生同樣通過電子郵件將實驗報告、作業、問題和意見等反饋給教師，教師在網上批改實驗報告后將成績和評語發送給學生，讓學生及時了解自己的學習情況。
3．2．5加強實踐能力考核生物信息學主要是學習利用互聯網、計算機和應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，通過上機實踐操作重點考核學生在互聯網環境下，對序列進行生物信息分析并對結果進行解釋。不僅考核學生對基本知識和基本原理的掌握，而且考察學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．促進學生注重提高理論用于實踐的綜合能力。
總之．生物信息學教學是網絡環境下生物學教學的全新內容。通過上述教學措施．提高了學生的學習積極性、實踐操作能力、解決實際問題的綜合應用能力及創新能力，收到了良好的教學效果．得到了學生的普遍歡迎，具有較強的實踐性和可操作性。在今后的教學實踐中，隨著教師自身素質的提高和進一步的教學改革將會不斷完善生物信息學教學，培養具有跨越生命科學、現代信息科學、計算機科學、統計學、數理科學等不同領域的綜合型的高素質和創新性意識的生物信息學人才。
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