生物信息学课程设计教学研究

【摘要】通过对生物医学工程专业(生物技术与生物信息专业方向)的本科生的生物信息学课程设计教学的探索与实践,有效的培养和提高了该专业学生将生物信息学有关理论知识应用于科学实践的能力,培养了学生的创新能力。

【关键词】生物信息学 课程设计 创新能力

【中图分类号】N41 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0028-01

生物信息学课程设计是生物医学工程专业(生物技术与生物信息专业方向)的本科生在完成了《分子生物学》、《生物计算技术》、《生物信息网络及数据库》、《生物信息学》等课程后,开设的一门关于生物信息网络数据资源的提取、处理、分析、预测等综合性的实验课程。它是以计算机、网络为工具,用数学和信息科学的理论、方法和技术去研究生物大分子,发现生物分子信息组织的规律。

随着分子生物学技术的不断进步和基因组研究的不断深入,生物分子数据迅速增长,数据量巨大,其中即有生物分子序列的信息,又有结构和功能的信息;即有生命本质信息,又有生命表象信息,并且数据之间存在着密切的联系。这些生物分子数据具有丰富的内涵,其背后隐藏着人类目前尚不知道的生物学知识。生物信息学课程设计就是让学生学会如何充分利用这些数据,通过数据分析、处理,揭示这些数据的内涵,得到对人类有用的信息。

课程设计的内容是通过以问题为中心的综合性、设计性实验,重点在于培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的实践能力,并通过课程设计扩大学生知识面,激发学生的学习热情,培养和提高学生的创新意识和创新能力,从而使学生具有初步从事科研的能力,为今后的研究工作打下坚实的基础。同时,培养和提高学生分析、整理数据、撰写工作报告的能力。

以下介绍我们在生物信息学课程设计环节,培养和提高生物医学工程专业(生物技术与生物信息专业方向)的本科生整体创新研究能力的教学改革的实践与体会。

1充分发挥学生的主体性,激发学生的学习热情

学生是学习的主体,只有充分发挥学生的主体性,才能激发他们的学习热情,才能高质量的完成教学环节。

生物信息学课程设计是我校生物医学工程专业(生物技术与生物信息专业方向)本科生的必修课,共36学时,2个学分。以2004级学生的生物信息学课程设计为例,该班共有学生27名,每3名同学为一组。根据生物信息学的特点,由课程设计教学组给出9个生物信息学方面的不同方向的题目,学生可以根据自己以往的学习兴趣,从给定的题目中选出自己感兴趣的题目,也可以自选题目,上报课程设计教学组,经教学组老师的讨论,每组确定一个课题。本次课程设计选题针对生物信息学所涉及的生物序列比对、生物信息学数据资源、基因组信息分析、分子系统发育分析、蛋白质结构预测等内容,具体题目为:①基于MZEF的基因识别;②应用Expasy、InterProScan等进行基因的序列分析;③蛋白质二级结构预测和功能推测;④蛋白质二级结构预测的PredictProtein、GOR、SOPMA方法比较;⑤应用MATLAB生物信息学平台的基因序列分析;⑥基于BP人工神经网络的基因识别;⑦基于隐马尔可夫模型的基因识别;⑧ 基于CLUSTAL 算法的基因多重序列比对分析;⑨基于距离法的基因系统发育分析。这样从选题开始,就鼓励学生去积极主动参与整个课程设计,在完成自己感兴趣的课题过程中,激发学生的学习热情,同时把他们智慧的火花激发出来。

2 尊重学生的设计思想,培养学生的创新意识

课程设计题目确定后,每个学生都会得到一份相应的课程设计任务书,其中包括:课程设计题目、课程设计目的要求、设计内容、技术指标、课程设计报告书的格式要求、课程设计答辩要求以及学时进度要求。整个课程设计包括:查阅资料(2学时)、确定设计实验方案(2学时)、完成设计实验及结果分析(18学时)、撰写课程设计报告(10学时)、答辩(4学时)等5个环节。课程设计实行导师制,导师全权负责自己学生的课程设计质量。

虽然3名学生为一组,完成同一个课题,但课题组要求同组的每位学生要根据自己的医学知识和兴趣,选择不同的基因和蛋白,不得有重复,这样有利于培养学生独立思考,独立分析,独立完成课程设计的学习习惯。

学生在拿到课程设计任务书后,要根据自己的题目查阅相关的文献,然后确定设计实验方案。在这个环节中,课题组要求学生独立完成实验方案的设计,并向指导老师汇报,导师在指导学生设计实验方案确定的同时,要尊重学生的设计思想,鼓励学生标新立异,探索自己独特的实验途径,培养学生的创新意识。

3 导师参与学生实验结果的分析,培养学生科学研究的能力

生物信息学课程设计是生物医学工程专业(生物技术与生物信息专业方向)的本科生在完成相关课程学习后,首次进行的综合性实验设计,其教学目的是训练学生科学研究的思维方法,培养和提高学生将理论知识与科研实践相结合的能力。因此,该课程设计中对学生的训练是否规范,直接关系到学生今后的科研能力的培养和提高。

课题组要求指导教师在整个课程设计过程中对学生实行随时辅导,根据实验的中间结果,随时调整实验方案,特别是要参与学生的实验结果分析,指导学生要对实验结果进行全面客观的分析,指导学生按照正确格式撰写课程设计报告,对学生进行科学研究的规范化训练。

在学生完成课程设计报告后,安排4学时的课程设计答辩。要求每位学生在5分钟内通过幻灯片和讲解,尽可能全面的汇报自己的课程设计,然后有3分钟的提问时间,鼓励同组的同学互相提问。答辩委员会由本专业的5位指导教师组成,分别给出答辩成绩。课程设计考核成绩由两部分组成:一部分是课程设计实施和课程设计报告,占总成绩的80％,由指导教师评分;另一部分是答辩成绩,占20％,是答辩的平均成绩。

4 结语

在三年来的生物信息学课程设计教学的探索和实施中,我们不断总结经验,进行了教学研讨,取得了很好的效果,最重要的是培养和提高了学生的创新意识和科学研究能力。在今后的教学中还要不断地进行改进,比如增加课程设计的题目,扩展题目的研究范围,使学生有更多的选择余地;课程题目尽量与指导教师的科研项目相结合,使学生能够尽早地接触实际的科学研究过程和前沿的研究课题。

总之,我们教学改革的目的是使学生将课堂学习的理论知识与科研实践相结合,培养本科生的科研能力,提高学生解决实际问题的综合能力,培养我国发展交叉学科需要的、具有科研能力的创新型人才。

参考文献

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——大学征收学费引发社会动荡。目前,除了柏林等少数几个州外,德国其他各个联邦州先后推行了“超时费”,就是要求那些超过规定毕业限期若干学期的学生每学期交纳一定数额的学费(北威州和莱法州650欧元,萨克森州300-450欧元,黑森州是以500欧元为起点逐年递增)。2005年1月 26日,联邦宪法法院宣布由施罗德领导的红绿政府给高校征收学费所做的限制违宪。于是,由基民盟和基社盟等保守党执政的联邦州政府纷纷开始进入学费征收阶段。为了阻止收费政策,德国各地大学生竞相组织抗议示威活动。比如,在黑森州,大学生就到州政府和州议会门前摇旗呐喊;而在北威州,学生就给校方难堪,而且还上演了不少闹剧:科隆大学的学生冲击学校行政机构,致使校务委员会的例行会议数次中断,最终被迫转移到一个秘密点完成了征收学费的投票表决。“从闹剧化到无政府主义化”已成为这类大学生示威活动的鲜明特色,杜伊斯堡-埃森大学校务委员会主席、青少年问题专家威尔弗里德-布莱弗格尔教授认为,大学生示威活动的内涵由此被湮没了,从而缺乏政治号召力。同样是在杜伊斯堡-埃森大学的学生与校方就征收学费问题所举行的一次辩论会上,学生们就收费问题一针见血地指出:在全球化不断发展的浪潮中,德国仅凭区区八千万人口如何在未来的全球竞争中立于不败之地？显然是靠人才,而大学收费制度的实行无疑将众多有才华的平民青年挡在了成才的大门之外。尽管各地大学生拒付行动和诉讼还在持续着,然而,大学生最终还是认知到,征收学费已是大势所趋,便开始与政府和校方交涉学费的使用问题,他们不希望政府拿征收来的学费去堵财政漏洞。他们认为,学费应该留在学校百分之百地用于提高教学质量。让大学生更为忧虑的是,学费的闸门一旦拉开,学费的金额便会即刻飙升。而同时,国家的高等教育财政投入也会随之缩减。

不过,各联邦州政府也允许一部分大学生免交学费,但主要是针对那些有孩子的年轻父母(单亲家庭优先)、在家庭中承担护理任务的学生以及在学生会担任重要职务的学生,然而,助学金制度的不健全仍然是众矢之的。 2005年,全德国共有34.5万名大学生申请获得每月最高可达585欧元的贷学金,但相对于近210万的大学生总量来说。联邦贷学金发放的面还是太窄,仅占25.1％。总的说来,联邦贷学金制度成全了部分社会底层群体接受高等教育的夙愿,有关调查显示,三分之二的联邦贷学金获得者承认,没有这份贷学金,他们是绝对不可能上大学的。

——制定旨在提高高等教育普及率的高校协定。为了充分保障下一代学子的深造机会以及科研的创新能力,尤其是为了应对2013年新增60万大学入学申请者的求学高峰。联邦政府与各州政府拟定了一个《2020年高校协定》,在 2020年之前共同在高校增建9万个大学生名额(对于每个新增名额每年资助5500欧元),从而理顺新一轮高等教育扩张过程中联邦政府与州政府在高教领域的权限和责任,由此为高等教育的发展提供坚实的法律依据。 2006年10月,德国政府提议拿出10亿欧元(2010年前拿出5．65亿欧元)来承担这9万个大学生中的部分名额增量给高校带来的经济压力。面对这块诱人的“大蛋糕”,各联邦州竞争激烈,几次因州政府代表意见分歧严重导致愤怒退场而告休会。2006年11月20日,各个联邦对《2020年高校协定》的拟定方案达成了共识,并确定了三条特例。在科研方面,联邦政府在今后4州主管高校的部长们几经周折,终于年投入的总资金将达4亿欧元。协定还要求各联邦州政府预测出未来几年大学生入学人数相对于2005年增加的数量。

总体来讲,德国高等教育改革是一种被动的变革。它暴露了德国高等教育长期积累的顽疾,特别是2006年以来德国高等教育改革更是变幻莫测。为了使德意志民族在全球化竞争过程中立于不败之地,国家必须鼓励更多的青年人接受高等教育。但是,此时却遇上了猛烈的入学潮和即将来临的人口峰值。为求生存的高校采取的无非是两种应对举措:专业限制与征收学费。不料,正是这两个“杀手锏”措施使德国的高校处在生存的危险中,因为生源少了,而生源是德国高校生存的根本。这样一来,《2020年高校协定》无疑成了一根救命稻草。德国高校校长联席会议认为,《2020年高校协定》给德国高等教育带来的仅仅是杯水车薪。德国高等教育需要的是一个开放的、公正的体系。所谓开放,就是允许青年人通过各种途径接受高等教育,目前通过传统的高中毕业证书进入大学的学生占入学总数的93％,经自学考试和专业技术教育入学的学生仅分别占2％和0.5％。所谓公正,就是保障社会各个阶层入学机会均等,如今,100个低收入阶层的子女中只有11人跨进大学校门,但是81％的高收入家庭的子女能够进入大学攻读学位。

学位转制(博洛尼亚进程)和选拔“精英大学”可以说是德国高等教育卷入全球人才争霸的无奈之举,以至于使一个发展的机遇变成了生存的陷阱——背离了人文精神的高等教育,被动性改革的弊端暴露无遗。社会精英惋惜的不是所谓的“洪堡精神”的失落,令他们痛心的则是德国高等教育体系中人文精神的沦丧。据德国国家科学委员会的一份有关高校人文科学专业的报告,一名人文科学专业教授平均要指导的大学生数量从1999年的75.3名攀升到2003年的93.7名。早在两百多年前,为了扭转重理工、轻人文社科的高等教育实用主义潮流,哲学家康德曾着力把隶属于神学、法学和医学的哲学置于百科之首,这就是历史上著名的“学科之争”。可如今,学科顺序重新被颠倒;于是,有学者惊呼德国大学灭亡了！至于洪堡模式是否终结,我们目前断然判定尚为时过早。但至少从2006年10月德国北威州颁布的对传统的“教授治校”具有颠覆意义的《高校自治法》便可从中窥测到,德国高等教育的改革思路与洪堡理念及“六八运动”(1968年在几乎整个欧洲爆发的、至今仍对欧洲及欧洲以外许多国家的思想、制度有深远影响学生运动,又被称为“1968红色风暴”)所追求的高校民主化变得渐行渐远。不管怎么说,德国目前的高等教育改革已经处于开弓之箭。问题的关键在于,像德国这样的社会福利国家,高等教育的每一个细微变革都势必牵动社会各个阶层方方面面利益的神经。怎样将高等教育改革成为既符合传统“平民化”——让众多有创新才能的贫困平民青年享受到优质的高等教育,又能割除传统“平民化”高等教育中所形成的惰性及弊端,是德国高等教育改革面临的痛苦选择。