应用型专业生物信息学教学体系改进与实践

石晓卫, 张 靖, 王林嵩

(1. 新乡医学院三全学院， 新乡 453003； 2. 河南师范大学 生命科学学院， 新乡 453007)

生物信息学是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互渗透而形成的交叉学科，是集生物学、数学、信息学和计算机科学一体化的一门新兴学科[1-2]；它的形成和发展仅有近20年的时间，我国有20余所高校开设有生物信息学专业，更多的学校则开设有生物信息学课程[3]。与生命科学其他学科不同的是，生物信息学不是主要依赖于理论上的重大突破，生物信息学发展的源动力来自于从实验中获得的海量数据、基于这些数据建立的生物信息数据库以及新的软件工具的开发。基因组信息学、蛋白质结构模拟以及药物设计是生物信息学的3个有机结合的重要组成部分[4]。由此可见，生物信息学是一门应用学科，作为独立学院的新乡医学院三全学院，人才培养的目标是为地方社会经济发展服务提供应用技术型人才。本文根据作者的教学经验就应用型专业生物信息学教学体系改进提出自己的见解，以图推进生物信息学的教学改革。

1 生物信息学教材的选用

教学首先要选择合适的教材。虽然生物信息学是一门新兴学科，但相关教材琳琅满目，早期以翻译教材为主，现在由我国学者编著的教材占据主导地位。2006年，向太和[5]曾撰文对我国现有“生物信息学”教材进行了评价。总体来讲，“生物信息学”教材可分为两大类。一类以生物信息学基本理论知识的讲解为主，主要介绍生物信息学发展史，与生物信息学相关的生物学理论，如：基因组学、蛋白质组学、生物进化等，与生物信息学相关的数学、统计学和计算机理论，如：人工神经网络、隐马尔可夫模型、支持向量机等，以及网络数据库等，这类教材相对系统全面地介绍了生物信息学的基本概念和研究内容。另一类教材则以生物信息学技术和方法的应用为主，着重介绍各种数据库，以及数据分析软件、工具的使用方法和技巧，这类教材将生物信息学相关理论的介绍点到为止，重点在于培养学生的实际操作能力。

我们学校自2008年开始，为本科生物技术、生物工程专业学生开设“生物信息学”课程，使用过的教材有张阳德主编的《生物信息学》、陈铭主编的《生物信息学》和吴祖建等[6]主编的《生物信息学分析实践》。将陈铭主编的国家“十二五”规划教材《生物信息学》(第2版)和吴祖建等主编的《生物信息学分析实践》的主要内容进行比较不难发现，《生物信息学》一书全面而且系统地介绍了生物信息学理论和方法，理论性较强，而《生物信息学分析实践》则以操作方法介绍和技术应用为目的，通过具体实例介绍数据库资源、网络相关分析工具等的使用方法，实用性较强，有利于实际操作。目前，在教材选用方面，我们的做法是以《生物信息学分析实践》为实践教学教材，辅以陈铭主编的国家“十二五”规划教材《生物信息学》(第2版)作为理论教学参考书。从我们使用的体会来看，针对新乡医学院三全学院应用型人才培养的目标，同时所面对的学生理论基础较弱，但思维活跃、动手能力较强的特点，目前选用教材的做法相对适合应用型专业人才培养目标的实现。

2 生物信息学教学安排和教学方法

随着教育教学技术的发展，先进的教育方法和教学手段不断融入各学科教学中[7-8]。生物信息学的教学安排一般在学生学习相应的生物学和计算机基础后，即在第五或第六学期学习该课程，学时为理论36学时加上机实习12学时，或36学时包括上机实习学时[9-11]。我校生物信息学课程安排在第五学期，此时学生已经学习完专业基础课，如：生物化学、分子生物学、细胞生物学和微生物学等，且正在或即将学习基因工程、酶工程、细胞工程等专业课，同时毕业实习和毕业设计(论文)制作也将于第七学期开始，都有可能使用生物信息学的技术方法。学时安排方面，由于培养方案中整体学时限制，实行的是理论讲授和上机操作共计36学时，两者学时比例约为1∶2的模式。总体来看，生物信息学的教学还处于一种学时少内容多的状态，因此，学生的自学凸显重要。

从教学内容上来看，生物信息学以数据库和相应软件、工具的使用为主要内容和教学重点，所以仅有图文并茂的多媒体教学不足以很好地完成教学内容，况且大部分软件、工具还是在线操作，因此，稳定的网络环境对生物信息学的教学十分重要。我校现已建成覆盖整个校园的有线及无线网络，为生物信息学教学体系的改进和实践奠定了基础。

3 生物信息学教学改进

3.1 以点带面、以点串线

生物信息学数据库总数已超过1000个，不仅数量大而且内容多，比较著名的综合性数据库有隶属于美国国立医学图书馆的国立生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information，NCBI)数据库、隶属于欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory，EMBL)的欧洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institute，EBI)数据库等，和瑞士日内瓦大学的SWISS-PROT、国际蛋白质序列数据库PIR，以及蛋白质结构数据库PDB等。由于学时限制不可能对每个数据库都进行详细介绍，我们根据学生培养目标和学生特点，在教学中重点介绍了NCBI、PIR、PDB等常用核酸、蛋白质数据库，以及这些数据库中的重要功能，如BLAST、Pubmed、OMIM、EXAPASY等，其他数据库仅点出其独特之处作为补充，从而起到“以点带面”的作用。这种方式使学生既熟练掌握了部分常用数据库，用于实验数据和结果的常规系统分析，又了解其他数据库的特点，根据学生兴趣自学、应用。

类似于数据库，用于生物信息分析的软件工具也十分丰富，而每种软件又都有其优缺点，在教学中我们同样以最常用的核酸、蛋白质分析软件，如：DNAMAN、Primer、BioEdit、Clustal、MEGA、ANTHEPRAOT等为突破口，让学生掌握其操作，并用来熟练分析各种实验数据，同时简单介绍其他软件的优势功能，起到“以点串线”的作用。

同样，在学生上机实践中，采用综合设计性实验的模式，为学生提供几个基因(蛋白质)名称，让学生选择其中之一，从数据库获得该基因开始，到Blast搜索比对、电子克隆、引物设计、基因结构分析、蛋白序列分析、结构域分析、空间结构预测和进化树构建等进行模拟仿真操作，对该基因(蛋白质)进行全面深入分析，并得出结果。同时，在教师指导下对分析结果进行解读，认识该基因(蛋白质)的性质、结构和功能，并鼓励学生将分析结果中的部分内容通过实验课、创新性实验和大学生科研课题、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、毕业设计(论文)制作等形式进行验证。

通过这种模式不仅使学生从枯燥的理论中解放出来，极大增加了学生学习的积极性，又让学生学会了如何使用数据库和分析软件，同时也有一个清晰的思路将基因和蛋白质的结构与功能之间联系起来，为相关课程理论、实验和将来的应用，特别是毕业设计(论文)制作打下良好基础。

3.2 流程图指导课上课下实践锻炼

针对独立学院应用技术型人才培养目标(以实践能力培养为主)和学生“动多于静”，且学生个人电脑、移动设备和学校网络已普及等特点[12]，我们在课堂上将每种分析操作方法绘制成流程图，例如PCR引物设计流程图(图1)和蛋白质分析流程图(图2)等，并结合相应软件或数据库的演示，讲解流程图的使用，使学生从抽象的理论以及众多的数据中有一个明确的思路。结合课后作业，让学生以流程图为指导，利用课余时间进一步熟悉相关数据库和软件的使用，从而提高学生的操作能力。

图1 引物设计流程图

3.3 重视英语的教与学

目前，生物信息学数据库和分析软件均为英文界面，而独立学院学生英语水平相对较弱，况且生物信息学中英语专业词汇较多。为此，我们在教学中先介绍相关英文单词，督促学生学习，让学生在熟悉这些词汇后学习操作方法，避免操作上的误判以及畏难情绪，从而提高学习效率。

几年来，我们针对应用型专业学生的特点，在生物信息学教学过程中，对其教学体系进行了一些改革和实践，对提高学生能力和老师素质都起到较好的促进作用。我们同样认为这仅仅是开始，相信在未来会不断完善和提高，以适应应用型专业人才培养的需要。