謝小芳， 何華勤， 許衛(wèi)鋒， 連玲麗， 陶 歡， 楊佳翰

(福建農(nóng)林大學 生命科學學院， 福州 350002)

生物信息學是生命科學領域的一門新興學科。隨著人類基因組測序計劃項目的完成，生命科學發(fā)展非常迅猛，各種各樣的生物基因組相繼被成功測序，基因組學知識和技術日益更新，生物信息學已成為生命科學領域重要的研究工具。生物信息學具有綜合性高、實踐性強、進展快等特點，因此，該專業(yè)具有很強的專業(yè)性和實踐性，迫切需要培養(yǎng)具備跨生命科學、計算機科學和醫(yī)學等不同領域，能夠綜合利用計算機、數(shù)學、物理和生物等學科的基本原理和生物信息學方法，對海量生物數(shù)據(jù)和生命信息進行收集、加工、儲存、傳播與解析等能力的復合型人才。為達到該人才培養(yǎng)目標，不僅要讓學生掌握系統(tǒng)全面的科學理論基礎知識，而且更需要訓練學生自主學習、綜合分析能力以及創(chuàng)新能力，只有這樣才能適應未來的職業(yè)需求，解決實際問題。因此，傳統(tǒng)廣泛采用的驗證性實踐教學不足以應對迅猛發(fā)展的生物信息學。建立以創(chuàng)新與實踐能力為核心，以“能力訓練”為導向的生物信息學專業(yè)綜合能力的實驗教學體系至關重要。

為提高學生的綜合能力和創(chuàng)新意識，依托教學團隊教師的科研平臺和科研項目推進實驗教學的發(fā)展，在授課過程中融入科研相關的應用性強的實驗技術與方法是非常有效的改革措施[1]。本校生物信息學教學團隊通過十多年的教學探索，基于學生前期所修“生物信息學”和“基因組學”等核心課程所積累的基礎知識和文獻精讀基礎[2]，以及“R語言”和“生物信息程序設計”等工具類課程的基礎上，利用教師團隊的科研平臺和項目，在大三下學期開設的為期6周(共240學時)的“生物信息學綜合實驗”課程中采用了以專題研究為載體的探究式教學法。探究式教學理念是由美國著名課程理論家施瓦布教授提出的[3-4]。該教學法顛覆了傳統(tǒng)教學中以教師為中心的形式，采用在課程開展過程中提出一系列探究項目為出發(fā)點，以學生為教學活動的主體，教師指導為輔，教師引導學生自主開展學習和合作探究的教學模式，從而極大地激發(fā)學生的學習熱情與潛力，以達到提升學生的學習能力與創(chuàng)新能力的目的[5]。本文將闡述探究式教學模式積累的一些經(jīng)驗，并以“轉錄組分析LOC_Os05g01710基因介導的水稻細條病抗性機理”為專題教學實例，展示探究式教學模式在“生物信息學綜合實驗”課程中的應用，擬與同行分享。

1 內(nèi)容設計與教學流程

探究的專題項目內(nèi)容是激發(fā)學生探索動機的關鍵。為充分調(diào)動學生的興趣，在專題項目的擬定環(huán)節(jié)中，教師依據(jù)“學生為主體，教師輔導”的原則，根據(jù)教學大綱設定的教學內(nèi)容和教學目標設定，針對當前生物信息學領域的熱點問題和生物信息學專業(yè)核心課程所涉及的知識技能，整合教師團隊的科研資源和課程資源以及公共的生物數(shù)據(jù)庫資源，設置專題研究方向，明確需要達到的具體教學目標和要求，例如在2019年我們開設了4個專題方向(表1)，分別為基因組重測序數(shù)據(jù)的組裝與分析、轉錄組數(shù)據(jù)的分析、基因家族的生物信息學分析，以及水稻部分性狀的全基因組關聯(lián)分析，依據(jù)這4個方向選擇12個題目，每組2～3位學生。具體的課堂教學環(huán)節(jié)主要包括(圖1)：探究專題篩選與分析流程講授、引導分組和項目選題，提供學習資源和相關數(shù)據(jù)、小組和全班交流研討，以及研究成果考核評價等環(huán)節(jié)。為了讓學生全面掌握專業(yè)核心技能，避免分組造成學生對知識掌握的片面性(僅熟悉各自選擇的專題方向)，教師在學生各自開展項目研究前，講授每個專題(表1)的研究內(nèi)容和分析流程，并安排時間讓學生熟悉每個專題的分析流程；隨后，學生根據(jù)興趣選題，教師依托具體項目的研究專題情境，分小組提供一系列數(shù)據(jù)資源和相關文獻資料，引導各組學生自主開展項目研究；教師參與每個小組的研討并及時答疑；最后，開展總結匯報，全班交流，從而相互學習各組專題的內(nèi)容。在考核評價環(huán)節(jié)中，教師將結合小組討論、全班交流和研究論文等情況，進行綜合評價。

表 1 生物信息學綜合實驗專題教學設計

圖1生物信息學綜合實驗教學設計模式圖

Figure 1 Schematic chart of integrated design of comprehensive experiment of bioinformatics

2 轉錄組分析LOC_Os05g01710基因介導的水稻細條病抗性機理專題教學實例

2.1 專題背景

專題的內(nèi)容選擇不僅要貼近生活，還要能引發(fā)學生的探索熱情。水稻細菌性條斑病(簡稱細條病)，是水稻的主要病害之一，該病的大面積發(fā)生會嚴重降低水稻的產(chǎn)量，因此，對該病抗病機理的研究具有重要意義。教師通過強調(diào)該病害的特征，危害的嚴重性以及研究的重要意義，引發(fā)學生探究的好奇心和熱情。

2.2 資源提供

為保證任務的順利開展，教師需要為學生完成項目提供必要的數(shù)據(jù)和軟件工具等。前期研究發(fā)現(xiàn)，水稻LOC_Os05g01710基因與細條病的抗性有關[6]。因此，教師結合科研項目，給學生提供水稻LOC_Os05g01710基因干擾材料和對照(野生型材料)在細條病菌侵染5 h后的轉錄組數(shù)據(jù)，讓學生分析該轉錄因子介導的抗病機理。與此同時，提供教學團隊的轉錄組數(shù)據(jù)分析流程視頻課程(MOOC課程：生物大數(shù)據(jù)https://www.icourse163.org/course/FAFU-1001766004)，讓學生提前預習，做好項目開展的準備。

2.3 項目流程講授

為了讓學生對項目有整體認識，在學生動手實施前，分析流程講授至關重要。該環(huán)節(jié)是基于學生已有的基礎知識，盡量拓寬學生的視野，讓學生達到知其然，也知其所以然的目的，而不是按部就班地演示操作。在本專題中，教師首先介紹RNA-seq分析實驗設計的常規(guī)思路和分析流程(圖2)，然后詳細介紹實現(xiàn)每個流程步驟的常用方法，結合實際適當演示并講解圖表的解讀方法。內(nèi)容包括：參考基因組的選擇(基因組序列或三代全長轉錄本等)，比對方法的選擇(HISAT2和STAR等軟件工具)，差異表達分析(基因表達量標準化PFKM、RPKM 和TPM等方法，差異表達統(tǒng)計方法中經(jīng)典的exact test(classic)，廣義線性模型(GLM)和擬似然F檢驗(Quasi-LikelihoodF-test，QLF)，差異表達倍數(shù)logFC的確定等)，GO分析(在線工具和R腳本的本地分析等)，表達熱圖繪制(在線分析和heatmap2的R腳本制作等)，代謝途徑分析(KEGG分析和MapMan軟件工具)等一系列的內(nèi)容。通過該環(huán)節(jié)的學習，學生能充分地理解和掌握專題所涉及的基礎知識和技術，同時，能夠將片段的知識整體化，提高學生綜合分析的意識和應用能力。

圖2 轉錄組(RNA-Seq)專題分析流程

2.4 教學要求與實施過程

項目任務的具體化是實現(xiàn)教學目標的關鍵，學習任務的制定必須明確清晰，可操作性強。教師結合專題流程(圖2)，要求學生在本專題中開展以下學習任務：1)利用HISAT2方法[7]，進行 RNA 測序讀段的比對，隨后根據(jù)參考序列的順序利用Samtools[8]對匹配項進行排序，獲得 BAM格式比對結果，統(tǒng)計比對結果并構建列表；2)基于比對結果，進一步利用 Stringtie[9]估計基因的表達量，輸出基因的FPKM值和read count結果；3)利用Bioconductor 的R語言包 edgeR[10]進行兩兩比較的差異表達分析，獲得差異表達基因的具體信息，包括差異表達基因編號，表達定量值，差異倍數(shù)和相應P值等；4)掌握Heatmap2 (https://cran.r-project.org/.)繪制基因表達水平熱圖的方法，并根據(jù)基因的PFKM值，繪制熱圖；5)通過網(wǎng)站(http://plantregmap.cbi.pku.edu.cn/go.php)對差異表達基因做GO功能分析，明確與抗病抗逆相關的差異表達基因，對結果進行分類描述；6)利用MapMan工具 (http://MapMan.gabipd.org) 分析生物脅迫代謝途徑中的差異基因，分析與抗病相關基因信息；7)綜合差異表達基因及其功能和代謝途徑分析，推斷TFIIAγ5可能介導的水稻細條病抗性機理；8)小組根據(jù)分工，完成專題任務并整合圖表，撰寫課程論文，制作PPT分小組在全班范圍內(nèi)交流匯報。

2.5 教學效果

該專題緊扣當前生物學的研究方向，專題任務涉及了生物信息學專業(yè)的數(shù)據(jù)處理和分析等核心技能，從總結匯報和撰寫的課程論文可以看出：大多數(shù)學生熟悉了轉錄組數(shù)據(jù)分析的流程，掌握了比對分析，差異表達基因確定和GO基因功能富集及代謝途徑分析等相關工具的使用(部分結果如圖3所示)。該教學方式激發(fā)了學生對科學研究的興趣，訓練了學生的科研思維，讓學生能夠主動研讀文獻，獨立思考并形成自己的觀點。由于每位學生的思維和理解不盡相同，所以出現(xiàn)豐富多彩的結果，其中不乏富有創(chuàng)意的觀點和有趣的結論。如有一位同學通過分析發(fā)現(xiàn)：差異表達基因與細胞死亡有關，而且上調(diào)的基因大多與激素類物質(zhì)、防衛(wèi)蛋白、細胞壁成分和信號傳導等代謝途徑相關(圖3)。學生通過團隊合作，在完成專題研究的基礎上，進一步通過總結提升，在全班范圍內(nèi)展現(xiàn)匯報，既鍛煉了協(xié)作能力、口頭表達和寫作能力，也體驗了應用所學知識解決實際問題的成就感。

A：差異表達基因聚類圖；B：生物學途徑GO富集分析；C：差異基因在生物脅迫代謝途徑中的分析情況

2.6 考核評價與總結提升

科學的考核方式對提高教學質(zhì)量和調(diào)動學生學習主動性具有十分重要的作用。實踐課程的評價更應該注重評價的多元性，從而營造良好的研討氛圍。本課程的考核不苛求結果的準確性，在考核過程中特別強調(diào)評價的全程化，隨時跟蹤學生課內(nèi)外的參與及投入情況。課程的考核由過程評價(任務實施30%與討論問答20%)和結果評價(總結匯報20%與課程論文30%)兩部分組成，其中過程評價由學生自我評價和老師評價共同衡量。過程評價是師生互動與教學相長的有力措施，該措施可以讓教師實時了解學生學習進展，及時解決學生各種疑難，而結果評價過程則是學生思維創(chuàng)新能力提升的關鍵環(huán)節(jié)。在全班范圍內(nèi)的總結匯報過程中，教師發(fā)現(xiàn)學生往往只停留在對實驗結果的表面解析，無法深入解讀，甚至可能出現(xiàn)錯誤的解析。教師應及時糾正錯誤、注重思維引導，適時總結提升，并提出建設性的建議引導學生進一步探究思考。在轉錄組分析專題中，學生經(jīng)常只能獲得差異基因的個數(shù)和差異基因富集GO條目等表層信息，而不知如何將結果用于闡明LOC_Os05g01710基因在細條病抗性中的作用。因此，教師應該引導學生思考，了解這些按流程操作獲得的一系列結果如何應用于解釋具體的科學問題。如有一組同學發(fā)現(xiàn)野生型植株在細條病菌接種前后差異表達的基因數(shù)目并不多，而干擾植株材料在接種前后的差異表達基因數(shù)量卻比野生型材料高了近5倍。教師根據(jù)該結果進一步引導學生從干擾基因的類型和抗病響應方面進行分析。隨后，學生通過查閱資料發(fā)現(xiàn)：干擾基因(LOC_Os05g01710)屬于通用轉錄因子，因此推測該通用轉錄因子不僅影響了抗病響應的強度和速度，改變了抗病相關基因的表達，而且可能參與了其他生長發(fā)育途徑相關基因的表達，從而導致兩份材料間差異表達基因數(shù)量的差異。學生在撰寫論文過程中進一步整理思路，將各自富有創(chuàng)新性的想法都融入課程論文中，并在成果評價中得到肯定?？傊?，全程指導監(jiān)督評價的方法能充分激發(fā)學生的學習興趣，較大程度地改變學生的學習方式和學習目標，提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 結論

“生物信息學綜合實驗”課程是學生鍛煉專業(yè)核心技能的重要載體。本課程結合當前生物信息學領域的熱點問題，整合教師團隊的科研資源和課程資源，開展探究式教學。在該課程的授課過程中，要求教師們不斷地提升自身的素質(zhì)，隨時跟蹤學生的開展情況，及時解決學生的疑問。通過該課程的學習，學生熟悉了當前主流的數(shù)據(jù)分析流程，并結合實際開展與當前科研活動類似的項目研究，能解決相關問題，使學生體驗了“學以致用”的成就感?？傊?，該教學法對學生專業(yè)綜合技能的提升有明顯促進作用，適合應用于其他生物學專業(yè)的實踐課程。