王 慧，張培培，蔡潤林，陳 亮，杜 虹，胡 忠

（1.汕頭大學理學院生物系，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學教務處，廣東 汕頭 515063 3.汕頭大學工學院計算機科學與技術系，廣東 汕頭 515063）

隨著生命科學和計算機科學的迅猛發(fā)展及大數(shù)據(jù)研究的興起，生物信息學作為一門融合了生物學、統(tǒng)計學及信息技術等多學科知識的交叉學科，已經(jīng)逐步發(fā)展成為現(xiàn)代生物學和醫(yī)學研究等領域的關鍵核心課程[1].汕頭大學生物系已將《生物信息學》作為生物技術專業(yè)本科學生的必修課程.該課程是一門跨學科專業(yè)課程，具有很強的理論性和實踐性，需要學生不僅具有生物化學、分子生物學等生物學知識，也要有一定的統(tǒng)計學和計算機基礎.為了更好地完善課程設置和教學計劃并探索更加合理的人才培養(yǎng)模式，本文以《生物信息學》的本科教學為例，對于交叉學科在本科教學中存在的問題以及跨學科教學模式的實踐措施及成效進行思考和討論.

1 生物信息學教學中存在的問題

1.1 跨學科師資力量缺乏

生物信息學既需要生物學專業(yè)知識，又需要掌握統(tǒng)計學和計算機科學的理論與技術，同時還需要將這兩方面的技術應用于解決生物學的問題，因此對教師的專業(yè)知識背景要求較高.國內(nèi)最早設立生物信息學本科專業(yè)的哈爾濱醫(yī)科大學在課程設置和教師隊伍配置上均注重了跨學科這一特點，其本科專業(yè)必修課包括了《生物信息學導論》、《算法分析》、《生物數(shù)據(jù)可視化技術》、《蛋白質(zhì)組信息學》、《生物數(shù)據(jù)信息挖掘》、《生理系統(tǒng)建模》等不同學科范圍的課程.因此，對于生物信息學課程，特別需要具有生物學和信息科學專業(yè)背景的教師，同時還需要具有從事生物信息學研究經(jīng)驗的教師參與本科教學和人才培養(yǎng)，建立一支多學科交叉的高水平教學隊伍[1].

1.2 學生計算機等相關交叉學科基礎薄弱

《生物信息學》作為生物系的一門專業(yè)核心課程，面向的學生群體是生物系學生.大部分學生在統(tǒng)計學和計算機編程等方面基礎較為薄弱.由于生物信息學工具的應用偏重計算，如果不能有效掌握某些知識點，就會導致很多計算機基礎較弱的同學在理解相關知識、應用相關知識進行數(shù)據(jù)處理的過程中會遇到一些困難，這些困難會使他們逐漸喪失學習的動力和興趣.與此同時，生物信息學相關網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫和軟件等學習資源均以英文為主[2]，部分學生相關的專業(yè)英語不夠扎實，使得學習的知識不能融會貫通，進一步造成了學習困難.

1.3 教學內(nèi)容的學科交叉難融合

由于《生物信息學》課程涉及的新知識點、新技術及各學科交叉點較多，并且各種生物信息學軟件及分析平臺均為英文界面，所以學好生物信息學就要求學生必須具備良好的計算機知識、數(shù)學知識、生物學知識及專業(yè)英語等知識[3].這種學科交叉融合的教學內(nèi)容使生物信息學課程在非生物信息學專業(yè)進行教學時難以真正實現(xiàn)跨學科教學.要想成體系的完成教學工作，需要各個領域的教師協(xié)同教學，各個院系相互協(xié)調(diào).

2 跨學科教學模式的改革實踐

為解決上述問題，我們對跨學科教學模式進行相應調(diào)整、改革.具體體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 建立具備多學科知識背景的教學團隊

良好的教學團隊是支撐教學順利有效進行的重要條件.《生物信息學》是一門交叉學科，需要建立具備多學科知識背景的教學團隊.在改革過程中，課程負責人通過吸納具有生物統(tǒng)計學和計算機基礎的教師，形成課程組，建立強有力的教學團隊.其中課程負責人主要負責理論知識的講授；具有統(tǒng)計學背景的教師則負責生物統(tǒng)計學相關基礎知識的講授和上機訓練的指導；而計算機語言程序設計方面的內(nèi)容由計算機系教師講授.通過教學團隊的建立和共同教學，可以使學生更全面地掌握生物信息學基礎知識、統(tǒng)計學和計算機語言的應用，而且可以在計算機程序方面進行更深層次的學習和研究.專業(yè)的生物信息學教學團隊應具備扎實的理論基礎和豐富的教學研究經(jīng)驗.專業(yè)的團隊能夠?qū)⒔虒W和科研融會貫通，真正做到將生物信息學為生命科學研究服務；能夠及時且全面地把握科學前沿和發(fā)展動態(tài)，抓住課程的重點；能夠?qū)⒆钚碌目茖W研究與課堂上的知識進行關聯(lián).依托于具備多學科知識背景教學團隊的教學活動，不但能夠拓寬學生的知識面，同時還能夠激起學生的興趣[4].

2.2 教學內(nèi)容和課程結(jié)構設計的改革

2.2.1 兼顧基礎知識與前沿科研熱點的課程內(nèi)容

目前的教學內(nèi)容在序列比對、表達譜分析、分子進化、芯片數(shù)據(jù)處理等經(jīng)典的生物信息學內(nèi)容的基礎上，同時開展生物信息學前沿與熱點的生物信息學教學內(nèi)容，例如：蛋白質(zhì)結(jié)構分析、新一代測序技術發(fā)展及應用、基因編輯技術等科學前沿.通過引入最新發(fā)表在《Nature Genetics》上的豌豆基因組研究文章[5]、發(fā)表在《The ISME J》上的細菌轉(zhuǎn)錄組文章[6]等最新科研進展，將前沿的生物信息學研究與基礎的課本知識相結(jié)合，使學生了解本學科最前沿的研究熱點和數(shù)據(jù)處理方法.

2.2.2 自主學習與E-learning相結(jié)合的學習方式

在具體的教學實施環(huán)節(jié)中，要求每個小組預習同一個章節(jié)的教學內(nèi)容，以小組為單位獨立制作整章的課件.將章節(jié)拆解為不同的部分，在課堂上隨機選擇不同的小組分別講授，最后，再由各個小組一起進行比較分析.通過這種結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂及團隊協(xié)作的學習方式，有利于促使學生融入課堂，善于提出問題、分析和解決問題，并且敢于批判和懷疑.通過搭建生物信息學相關資料網(wǎng)站、利用MAKA制作移動端的學習資源等，與學生進行在線的輔導與答疑互動.

為了給學生創(chuàng)造一個良好的自學環(huán)境，我們應用屏幕錄像軟件制作了上機實踐操作演示等教學資源；提供了詳盡的課件供學生從網(wǎng)絡上下載學習，該課件資源覆蓋了生物信息學課程的全部教學內(nèi)容和所需的擴展資料，包括論文、動畫演示、視頻教程等信息；另外還提供了DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BioEdit、Cytoscape等常用軟件的安裝程序，并提供配套的使用手冊、英文參考文獻等支撐材料，從而有效地擴大了學生的自學空間，并提供了足夠的支持.

2.2.3 建立基于團隊的上機實操訓練模式

根據(jù)生物信息學實踐性強的特點，將課程分為理論課和上機課兩部分，理論課講授基礎知識，上機課強調(diào)軟件的實操，使學生能夠更好掌握和應用生物信息學知識以及相關軟件.在完成上述理論儲備的基礎上，將更多時間交給學生進行上機實際操作，處理相關數(shù)據(jù)，達到學以致用的效果[7].

2.3 學習效果檢驗與評價的改革

《生物信息學》課程的目的是提高學生利用信息技術解決生物學問題的能力，因此主要考查學生綜合利用所學知識分析問題和解決問題的能力.為加強對學生學習效果的檢驗與評價，將考核分為日常學習評估及期末非標準化答案試題考試.日常學習評估方式分為兩部分：第一部分，要求不同的小組完成課件的制作和講授，隨后不同小組之間再相互評價、質(zhì)疑，通過這個過程將有助于任課教師初步了解學生的掌握情況；第二部分，借助網(wǎng)絡工具來設置課程相關基礎知識的問卷（課堂小測試），通過問卷調(diào)查，及時了解學生對知識掌握的情況和對課堂效果的反饋.期末非標準化答案試題考試即開卷考試和上機實操并重，在考試命題時重點考核學生對知識是否能夠全面掌握和靈活運用.上機實操則要求學生利用課堂所學的程序和軟件來分析解決生物學中的實際問題，以此重點考核學生的實際操作及應用能力.

2.4 在課程中融入思政元素

在本課程設計及實施過程中，將思政教育一以貫之地融入到課程教學中，在向?qū)W生傳授專業(yè)知識的同時兼顧培養(yǎng)學生正確的價值觀.采用寓德于教，潤物無聲的方式，將專業(yè)課與思政教育有機結(jié)合，例如：通過人類基因組計劃、腦計劃等前沿科學計劃項目的講述，培養(yǎng)學生探索未知的興趣及投身科學研究的責任感和使命感；通過講授國際知名數(shù)據(jù)中心及我國在數(shù)據(jù)存儲方面面臨的問題，激發(fā)學生的愛國熱情以及不畏艱難勇于探索和創(chuàng)新的科研精神；通過講述生物信息學軟件的版權使用問題，培養(yǎng)學生的民族責任感和立志開發(fā)自主產(chǎn)權軟件的信念與決心等.

3 改革成效

通過《生物信息學》課程的跨學科教學實踐，汕頭大學生物系建立了業(yè)務水平高、責任心強的生物信息學教學團隊，在育人方面取得了一定的成效.“跨學科教學模式的探索與實踐”這一理念還可以推廣到生物系其它專業(yè)課程，也可以為兄弟院校的生物信息學教學提供參考.

3.1 本專業(yè)學生對課程的認可和學習的主動性大大提升

在跨學科教學改革探索和實踐期間，學生通過將生物信息學理論知識與上機實踐和自己參加的生物學競賽活動、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目等結(jié)合，去解決科學研究中的實際問題，既可以增強生物信息學課程學習的趣味性和學生對這門課程的學習主動性，也可以在課外競賽和研究中提升自己，取得成績.通過學校學分制系統(tǒng)中學生在課程期間反饋意見可以看出，有同學表示生物信息學實用性比較強且較為熱門，希望可以增加課時從而學習更多的知識，還有部分同學的評價如下：“這門課是為了讓我們學會使用軟件工具處理信息，上機課學到很多有用的軟件”；“老師上課很有趣，講得通俗易懂”.

3.2 學生創(chuàng)新和應用能力得到提升

《生物信息學》是一門以實踐為目的的課程，通過本課程的學習，希望學生能夠?qū)⒄n堂上學習到的生物信息學知識應用到解決生物學實際問題中.因此，課程團隊鼓勵本科生參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、全國大學生生命科學競賽等，做到活學活用，學以致用.團隊指導的2016級、2017級本科生參加第三屆全國大學生生命科學競賽和第二屆、第三屆廣東省大學生生命科學競賽，分別獲得優(yōu)勝獎、二等獎和三等獎.除了各類競賽，我們還鼓勵本科生參與到導師的科研中來，讓同學們參與到實際的實驗研究和生物信息學分析.科研方面同樣取得了顯著的成果，其中由本科生參與發(fā)表的研究成果包括《Differences in metabolic potential between particle-associated and free-living bacteria along Pearl River Estuary》[8]、《Pyrene biodegradation and its potential pathway involving Roseobacter clade bacteria》[9]、《High antioxidant capability interacts with respiration to mediate two Alexandrium species growth exploitation of photoperiods and light intensities》[10]等在內(nèi)的多篇高水平科研論文.在上述論文相關研究和競賽項目中，學生們將課程上所學的理論知識和上機實踐中所學的數(shù)據(jù)處理方法充分的、靈活的運用到實際問題的解決和數(shù)據(jù)分析當中，并取得了良好的成績.

3.3 學生對科技興國的認知增強

通過上述寓德于教，潤物無聲的思政教育，學生對探索未知的興趣及投身科學研究的責任感和使命感得到極大增強，積極參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、大學生生命科學競賽等（詳見3.2部分）；同時，學生充分認識到生物信息學領域極度缺少國產(chǎn)分析軟件的現(xiàn)狀，不少同學立志開發(fā)自主產(chǎn)權軟件，其中2018級鞏遵運和程宇同學分別考入深圳華大生命科學研究院、廈門大學生物信息專業(yè)繼續(xù)深造.

4 思考與討論

當前《生物信息學》課程的最終目的在于讓學生在了解生物化學、分子生物學等生物學知識的基礎上，將生物信息學、生物統(tǒng)計學、計算機科學進行融合，以計算機的應用推動生物大數(shù)據(jù)的處理[11].在今后《生物信息學》課程的教學中，我們應當更加注重引導學生深入思考和鉆研拓展生物信息學在數(shù)據(jù)處理中的應用，幫助學生建立復合型知識體系，追蹤學科發(fā)展的前沿研究動態(tài)，同時鼓勵學生自主閱讀相關文獻，在課堂上進行文獻分享與討論.另外，我們將適當延長生物信息學的教學課時，并采取PBL（Problem-based learning，以問題為基礎的學習）模式結(jié)合多媒體教學方式，引導學生自主學習，提升學生學習興趣[12].在課程的開始階段，將課堂內(nèi)容偏向于學習及探究，使學生通過閱讀教材、查找并閱讀文獻了解近期生物信息學領域研究進展，并通過課堂報告促進學生交流和深入思考，發(fā)現(xiàn)研究中的關鍵問題；在課程的后期階段，將課堂內(nèi)容偏向于發(fā)揮及綜合應用，圍繞教師在生物學研究中的實際問題，鼓勵學生提出解決問題的方案，提高學生綜合利用所學知識和方法的能力，真正使學生做到學以致用.