生物技术专业生物信息学课程的教学研究

王康宇 李晓玲 王志英

摘要：生物信息学是随着基因组学和系统生物学发展起来的一门重要的新兴交叉学科，也是很多高校中生物学专业的专业核心课程之一。吉林农业大学生命科学学院已将生物信息学课程纳入生物技术专业本科生人才培养环节，基本建成了完善的以教师授课为基础、实验操作为核心、学生自主操作与练习为过程、教学效果为目的的教学体系。

关键词：生物技术 生物信息学 教学研究 本科生 虚拟仿真

中图分类号：Q811 4-4 文献标识码：A 文章编号：1009-5349（2019）08-0173-02

生物信息学（Bioinformatics）是随基因组学、系统生物学兴起而发展产生的一门交叉学科，它是当今生命科学和自然科学的前沿领域之一，也是21世纪自然科学的核心领域，具有前沿性新、交叉性广、实践性强等特点。[1]吉林农业大学生命科学学院针对生物技术专业开设了生物信息学课程，授课对象为本科生。通过生物信息学课程的特点，建立适合农业高校生物技术专业本科生的教学方法，是促进该专业学生掌握所学基础理论知识和应用专业知识的重要方式。

一、生物技术专业生物信息学课程教学体系架构特点

生物信息学主要讲授基因组学（Genomics）和蛋白质组学（Proteomics）两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能的生物信息。该课程内容包括：生物数据库类型与检索、序列比对与分析、分子进化树的构建、功能基因组学与系统生物学、非编码区的信息分析、生物大分子可视化与蛋白质结构预测等内容。我校生物技术专业的生物信息学课程为必修专业核心课，理论教学20学时，实验教学20学时。并具有以下的教学体系架构特点。

（1）基础学科知识。我校生物技术专业开设的生物信息学是植物学、遗传学、细胞生物学、微生物学等学科相结合的交叉点，该课程涉及领域广、内容纵横交错、高度综合。在学习生物信息学课程时，应该掌握和完成基础课和相关专业课的基本理论知识，因此我校生物技术专业将该课程安排在第6学期开设。

（2）生物数据库和序列资源。生物信息学课程涉及的生物数据库和序列资源存在多种类型，包括综合数据库（如NCBI、EMBL库、KEGG数据库）、蛋白质结构和分类数据库、基因突变数据库、代谢途径和细胞调控数据库等。不同的数据库所收集的数据类型和研究内容存在较大的差异，但是也有一些不同的数据库之间存在着数据共享和相互连通的关系。因此，在教学中，应该重点教会学生在科学研究中选择合适的数据库进行检索、下载数据、分析和匹配使用。

（3）基本原理和操作流程。生物信息学涉及众多繁杂的基本原理和操作流程，而基本原理和操作流程是每一章基本内容的重要组成。基因组学序列比对章节中，序列比对概念、序列比对基本原理、数据库选择和检索、比对软件参数设定等基本原理和技术体系出现，构成了生物信息学分析数据库的建立和优化内容。因此，通过扎实地掌握生物信息学课程中出现的基本原理和操作流程，是帮助学生系统掌握这门课程研究的关键。

二、生物技术专业开设生物信息学课程的基本要求和条件

（1）理论课程中教材、参考书和参考文献选择。农业高校生物技术专业开设生物信息学课程应该根据专业需要，选择适合教学的教材、参考书和参考文献。经过八年的教学经验积累，吉林农业大学了解到生物信息学课程特点，选用了由李霞主编、人民卫生出版社出版的《生物信息学》（第2版）和吉林农业大学自编教材《生物信息学实验》，为我校生物技术专业生物信息学课程的本科生教材。同时，检索每年Nature、Science、Cell等国际著名杂志发表的生物信息学相关参考文献，补充到理论课的经典实例和最新前沿实例中，让学生充分学习生物信息学研究基本理论、技术体系和最新发展方向。

（2）实验课程内容的设置。根据我校生物技术专业开设的生物信息学课程的基本理论、实验操作流程和实验条件，开设了生物数据库查询与检索、核酸序列分析与功能注释、引物设计与酶切位点分析、多序列比对与系统进化树构建以及蛋白质序列和结构分析五个专题性实验。利用实验课程阶段，使学生通过实验操作熟悉实验内容流程，理解和掌握所学的理论课程知识充分。

（3）实验课程教学课件制备与教学素材收集。收集和制备符合我校生物技术专业的生物信息学教学课件和教学素材，并科学合理地将收集的素材与自编教材相结合，制备适合的教学课件，是讲好生物系信息课程的必要要求和重要环节。

（4）生物信息学虚拟仿真实验教学平台的建立。吉林农业大学生命科学学院已经建立省级虚拟仿真实验教学中心，并将生物信息学所用到的相关软件全部集成到实验教学平台，方便生物信息学实验课程的教师授课和学生操作。通过生物信息学仿真实验教学平台，实现了“教”与“学”的有效沟通，不仅可以和学生直接交流，更可以从根本上了解或收集教学过程中存在的问题和修改的建议。

三、优化生物信息学教学方法和手段

（1）案例式教学法为教学主线。案例式教学法是一种通过经典案例或者代表案例的启发式教学方法，非常适合具有较强实践性的生物信息学课程的教学方法。[2]通过选择高层次杂志上发表的经典案例作为切入点，讲述基因组学的研究进展、数据库的选择、多序列比对等方面的实验操作重点和要点，不仅能使学生学习并熟练掌握理论知识和实验操作技能，更可以让学生明白生物信息学所要研究的内容和意义，更可以形成对生物信息学课程的兴趣。

（2）课堂和课后作业。课堂作业是将复习理论知识和基本操作为内容，帮助学生熟练掌握重点和难点问题。而课后作业可以通过建立生物信息学虚拟仿真实验教学平台发送给学生，与学生建立密切的联系，通过收集和整理学生对生物信息学课程的评价、建议和意见，及时调整教学内容、方法和进度等。

（3）设定科学的考核方式。生物信息学课程与其他课程相比，实验课程实践操作能力要多于其他课程，需要设定符合突显实践性特点的考核方案。将期末考试的考核评定方式设置为理论内容占50%、实验内容占50%。一方面降低了基本原理和分析流程的枯燥性，另一方面增强了学生实践能力和科学思路的强化。以我校2014级生物技术专业的学生为例，91.2%以上的学生掌握了生物信息学课程的基本理论，并熟练掌握了操作流程，已经初步建立了一定的科学研究的思维能力和创新能力。

四、教学效果

吉林农业大学生命科学学院从2010年的人才培养方案中已将生物信息学课程作为生物技术专业必修课程开设。经过八年多的生物信息学教学经验、方法和方式的积累，已经具备了实战、教学经验丰富的师资团队和不断提升的教学条件，已经将生物信息学课程打造为我校生物技术专业的专业核心课。

五、结语

生物信息学贯穿了生命科学领域，是生物技术专业本科生人才培养方案中的重要环节。及时丰富、完善教学内容，坚持以学生为主体，以案例式教学为手段，与时俱进地优化教学模式，最终获得适用于农业高校生物技术专业本科生生物信息学课程的教学方法。

参考文献：

[1]易图永，李兰芝，周玮.农业院校开展生物信息学本科教育的实践与体会——基于湖南农业大学的实践[J].教育教学论坛，2018（13）：238-239.

[2]张振旺，李梦茜.生物技术专业生物信息学课程教學的改革与实践研究[J].安徽农业科学，2014（11）：3453-3454.

责任编辑：杨国栋

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