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生物信息學 生物科學 實踐教學
生物信息學作為一門新興的交叉性學科,綜合生物學、計算機科學和信息技術試圖,從大量數據中尋找具有指導和開創性價值的依據,為生命科學研究提供必要的、有效的系統模擬和信息預測結果。目前,生物信息學在生物醫學、生物工程、植物學、動物學、生態學、遺傳學、制藥和高科技產業領域中的應用越來越廣泛,產生巨大的影響力和推動力。
一、生物信息學在生物科學領域的作用
生物科學是研究生物結構、功能、發生和發展規律,及其與周圍環境關系的科學。在分子生物學技術突飛猛進的發展過程中,生物科學從傳統的個體及群體表征研究逐步演變為內在分子機制的研究,隨著基因測序技術的發展,生物科學領域的研究不僅聚焦于生物個體的內在分子機制,同時還從大量的生物個體的基因數據中獲取和解析生命的本質和規律,并以此嘗試對生命過程進行干涉和改造。而在獲取、解析、干涉和改造的過程中扮演重要角色的就是生物信息學。
生物信息學是在生物科學領域各個學科發展的過程中逐步產生的一門綜合性學科,該學科在生物科學領域的應用極為廣泛。目前,植物基因組研究取得了重大進展,水稻、大豆、小麥等農作物的遺傳圖譜、基因序列、基因組注釋已公布于美國國立生物技術信息中心(NCBI)的生物信息數據庫中。利用生物信息學的相關方法和技術能夠對這些數據進行查詢、統計和分析,從而更好地理解和認識植物基因組的功能,指導后續的科學研究和生產應用。傳統的生物學分類方法已經鑒定及分類了成千上萬的物種,但是隨著生物科學的發展和認知,越來越多的物種在遺傳進化上的分類依據較為模糊,而利用生物信息學結合傳統的分類學可以更好的研究生物類群間(植物、動物、微生物等)的異同性、親緣關系、遺傳進化過程和發展規律,這在當今的生物分類學中應用日趨廣泛。生物信息學還可以綜合利用數學、統計學和計算機等學科對生態系統進行模擬和計算分析,探索物種間基因流動的本質,揭示生態系統的物質和能量循環規律,從而為找到決定生態系統平衡和穩定的根本因素提供重要的依據,幫助生態系統平衡的恢復。此外,通過生物信息學技術構建遺傳工程菌,降解目標污染物的分子遺傳物質,從而達到催化目標污染物的降解,維護生態環境的空氣、水源、土地等質量,也是當今生態環境保護的新興研究方向。
二、生物信息學的學科內容和課程要求
生物信息學主要由基因組學、蛋白質組學、系統生物學、比較基因組學、計算生物學等學科構成,主要涉及的內容有生物數據的收集、存檔、顯示和分析,體外預測、模擬基因及蛋白質的結構和功能,對生物的遺傳基因圖譜進行分析處理,對大量的核苷酸和氨基酸序列進行比對分析,確定進化地位等。從生物信息學的概念及其涉及的內容中可以明確生物信息學不是一門獨立的學科,所以要求教師在教學過程中掌握多領域的知識和技能,才能較好地把握該課程。
1.高等數學和統計學基礎
生物信息學將數學和統計學作為主要的計算理論基礎,主要包括數學建模、統計方法、動態規劃方法、數據挖掘等方面。此外還包括隱馬爾科夫鏈模型(HMM)在序列識別上的應用,蛋白質空間結構預測的最優理論,DNA超螺旋結構的拓撲學,遺傳密碼和DNA序列的對稱性方面的群論等。因此,在生物信息學教學過程中要求教師具備數學及統計學的計算方法的基礎知識,能夠利用牛頓迭代法、線性方程回歸分析、矩陣求擬、最小二乘法等進行數學建模和計算,從而對基因和蛋白質序列進行比對、進化分析和繪制遺傳圖譜等。
2.生物科學基礎
生物信息學包含的生物類學科有,生物化學、分子生物學、遺傳學等基礎學科,基因工程、蛋白工程、生物技術等應用學科。根據其課程特點,學生在學習生物信息學課程前需要學習生物化學、分子生物學、遺傳學、基因組學、蛋白質組學等基本生物學課程,對于基因序列、蛋白質序列、啟動子、非編碼區等概念有深刻的理解,同時需要對一些重要的生物學數據庫有一定的了解,如美國基因數據庫(GeneBank)、歐洲分子生物學實驗室數據庫(Embl)和日本核酸數據庫(DDBJ)等。此外,要求學生能夠利用生物學數據庫查找基因序列、蛋白質序列、基因及蛋白質結構模型,能夠讀懂數據庫中基因和蛋白質的信息注釋,能夠計算蛋白質序列的分子量和等電點,能夠為擴增特定的基因片段設計引物,能夠對特定物種進行系統發育分析等。
3.計算機科學基礎
計算機是生物信息學的主要輔助工具,利用生物信息學研究生物系統的過程需要能夠熟練使用計算機對大量的生物信息數據進行處理和分析,這主要包括對數據信息進行搜索(收集和篩選)、處理(編輯、整理、管理和顯示)及利用(計算、模擬)。所以,學生在學習生物信息學的過程中需要了解和掌握一些常用的生物信息學軟件,如BLAST和FASTA序列比對分析軟件,Oligo和Primer引物設計軟件,VectorNTI、DNASTAR、DNASIS等綜合分析軟件。此外,學生還需要學習和掌握一些常用的計算機語言,如正則表達式、Unix shell腳本語言和Perl語言。
利用生物信息學在處理和分析海量生物數據的過程中,計算機軟硬件資源需要配合處理分析軟件的運行,因此要求計算機操作系統使用Unix和Linux操作系統,這些操作系統需要大量的操作命令進行輸入執行過程,對于經常使用Windows操作系統的學生來說是一個較難跨越的障礙。
三、生物信息學課程教學中存在的問題
目前國內大多數高校的生物信息學教學采用傳統的教學模式,即以課堂式的理論教學為主,缺乏必要的實踐教學。理論教學模式固定、教學方法單一、教學內容狹窄,通常是介紹性、科普性的課程,甚至作為公選課程。少數高校開展生物信息學的實踐課程教學,但多以驗證性實驗為主,缺乏和專業相適應的綜合性、設計性實驗,而開放性實驗更無從談起。
1.教學模式固定單一
生物信息學在內容層面涵蓋諸多學科領域,注重應用性和實踐性。然而,目前大部分高校把生物信息學作為一門孤立的課程,這導致教師需要將大多數課程內容壓縮到一門課程進行教學,在有限的教學時數下灌輸大量內容,增加了學生學習的難度,降低了教學質量。再者,大多數高校僅開展生物信息學的理論教學,忽視實踐教學過程,造成生物信息學理論與實踐內容的脫節,使學生在學習完理論知識后難以深入理解和吸收,無法將所學的知識應用到后續的工作和學習中,最終未能體現出該門課程的價值。
2.教師專業背景薄弱
作為一門交叉學科,生物信息學的教學要求教師具有較強的數學、生物學和計算機科學背景。然而,目前從事生物信息學教學的教師即便具備深厚的生物學背景,但是多數教師在數學和計算機方面較為薄弱,并不具備完整的生物信息學知識體系,對生物信息學發展趨勢也了解不多。在師資缺乏的情況下,院系開設生物信息學課程,教師為了完成教學任務,僅僅在教學中進行介紹性的講解,在課程考查方式上通過小論文、綜述和課外活動等方式完成該課程的學習。因此,無論是理論教學還是實踐教學均無法實現該課程大綱的要求,從而影響學生對生物信息學課程的理解和掌握,生物信息學的實踐操作能力更無從談起。
3.實踐教學薄弱,專業教材缺乏
生物信息學實踐課需要學生在網絡環境下用計算機學習NCBI數據庫的檢索與使用、序列比對分析軟件的應用、蛋白質空間結構圖視軟件的應用、序列拼接軟件的應用等。但是目前,大多數高校開設的生物信息學課程多以理論教學為主,實踐教學課時非常少或者為零,學生對于生物信息學課程的學習僅僅通過教材上抽象的文字描述進行理解和掌握,這導致學生在理論課中學到的知識無法在實踐課中進行驗證或操作,嚴重影響了生物信息學的教學質量,也偏離了教學大綱中強調的重在培養學生實踐操作能力的培養目標。
另外,目前還沒有適用于生物科學專業的生物信息學教材。國內各大高校使用的教材多為國外教材的影印版或者中文翻譯版本,這些教材偏重介紹生物信息學的理論和方法,涉及的實踐內容較少,學生需要具有較高的相關知識才能接受和使用這些教材。因此,部分高校在生物信息學教學過程中往往使用自家編寫的簡化教材,從而造成生物信息學教學內容不統一,教學大綱混亂等情況。
4.實踐課程經費不足,實踐教學環境落后
當今,許多發達國家都很重視生物信息學的教學和研究,積極開展各種生物信息資源的收集和分析工作,培養大量生物信息學人才,為整個生物學的理論研究及其相關產業創新(主要是醫藥和農業)提供指導和支撐。國內對生物信息學的關注和認識起步較晚,其發展落后于國際發達國家。國家和高校對生物信息學的教學和科研資金投入力度不大,缺乏必要的儀器設備,生物信息學的實踐教學條件得不到保障,比如大多數高校的生物科學專業沒有相應的計算機實訓室,配套軟件也相對匱乏,落后于國際發展水平。
四、生物信息學教學模式改革的探索
1.修改理論和實踐教學大綱,編寫適用的實踐教材
根據當今生物信息學的發展方向,制定和修改理論教學大綱,除了引物設計、基因和蛋白質序列比對、基因和蛋白質結構功能預測等基本內容外,還需添加系統進化樹分析、聚類分析、蛋白質互作網絡譜圖等較為綜合的內容。另外,增加實踐教學課程比例,充實實踐教學內容,結合理論教學內容增加綜合性、設計性實驗,適當提供科研環境,鼓勵開展開放性實驗。
目前國內并沒有系統的、專業的生物信息學實踐教材,因此針對高校生物科學專業方向的特點,聯合多學科領域(數學、生物科學、計算機科學)編寫相應的生物信息學實踐教材,在制定、修改實踐教學大綱和編寫教材的過程中結合學生的接受能力,由淺入深,多設實例和相關練習,使學生循序漸進的理解和掌握生物信息學的原理和方法,掌握更多的生物信息學工具。
2.緊密聯系科研、基于實踐問題開展教學
通過實踐教學把生物信息學教學與科研有機結合起來,能夠促進教學與科研的共同發展。在緊密聯系科研的過程中,采用基于問題的教學(PBL)方法,通過實踐教學環節,培養和訓練學生把所學的生物信息學的知識和方法應用于各種生物科學領域的科研活動中,通過解決實際問題訓練學生的實踐技能,從而促進教學與科研的雙重發展。例如,在生物信息學實踐教學中多加入生產和科研中遇到的經典實例,鼓勵學生利用相關的生物信息學軟件及相關的理論和方法解決問題。學生也可以選擇自己感興趣的課題,利用自己熟悉的、合適的生物信息學軟件和相關知識開展課題研究。此外,專業教師在指導學生課題研究的過程中還可以發現理論和實踐教學的不足,不斷的完善生物信息學理論和實踐課程大綱和內容,提高教學質量。
3.開展多學科實踐結合的教學模式
生物信息學屬交叉學科,包含了不同領域的專業知識和技能,為使生物信息學教學達到教學的目標,該課程教學需要采用多學科實踐結合的教學模式。
多學科實踐結合的教學模式是指聯合不同領域、不同學科、不同專業的課程在教學的過程中結合生物信息學涉及到的知識和技能進行基礎性、鋪墊性教學。比如,在高等數學和統計學的教學過程中,針對生物信息學的需求,適當增加數學建模、統計方法、動態規劃方法、數據挖掘等方面的基礎內容,同時,開設實例實踐教學,使學生理解和掌握隱馬爾科夫鏈模型,牛頓迭代法、最小二乘法等方法的應用原理和規則;在生物科學專業課程設置上,尤其是實踐課程的教學過程中,結合生物信息學涉及的引物設計、序列比對分析、基因及蛋白質結構功能預測等方面開展相應的設計性、綜合性、開放性實驗項目,使學生了解和掌握基本的生物信息學原理及軟件的應用;在計算機科學的教學過程中,應根據生物信息學的需求,開設正則表達式、Perl語言、R語言等課程學習,以及增加Linux和Unix操作系統課程學習,使學生在學習生物信息學前打好堅實的基礎。
值得注意的是,生物信息學課程與其他課程的開設時間和順序需要有一定的探索和評估,對于開設該課程的時間把握是開展多學科實踐結合的教學模式的關鍵因素。過早開設生物信息學則會導致學生在不具備相應學科基礎的條件下跨越式的接觸生物信息學,無法理解和掌握相關的知識和技能;過晚開設則會使學生學習了相關學科知識和技能后,由于課程銜接不緊,導致在學習生物信息學時出現理解滯后和無法適應的現象。因此,針對不同專業和學科的特點,根據具體情況進行統籌安排,使生物信息學和其他相關學科課程有很好的銜接和過渡,以確保和提高生物信息學的教學質量。
五、結語
生物信息學是現代基因組學時代的開闊者,也是生物科學研究的重要的工具和載體。針對生物信息學的特點,高校生物科學專業課程設置、教學方法、教學模式和教學軟硬件等需進行一定的改革,將多學科實踐結合的教學模式運用到生物信息學的教學實踐中,在提高教學質量的同時將更好的提升學生科研、應用和創新能力。
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【關鍵詞】生物醫學工程普通化學課程教學改革
【中圖分類號】G【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889(2012)10C-0135-02
一、生物醫學工程專業的特點
生物醫學工程旨在運用工程技術的原理和方法,研究和解決生物學和醫學問題的新興、邊緣、交叉學科。其主要任務是:從工程學角度研究、解釋生物體特別是人體的生理、病理變化過程。其主要研究方向包括:生物系統的建模與仿真、生物醫學信號的檢測與分析、生物醫學成像和圖像處理、電磁場生物效應、腦科學與認知、人工器官以及相關的醫療設備的研制等。生物醫學工程學是醫療衛生健康、保健性產業的重要基礎和動力,它所帶動的產業在國民經濟中占有重要地位,世界各國都在不斷加大對生物醫學工程的投入。經過本專業培養的學生,不僅應能夠在醫學中較熟練地運用電子技術、信息處理技術、計算機技術,而且還應具備生物科學理論基礎以及醫工結合的研究和實驗技能,以及醫療電子設備、醫學信息處理的初步開發、研究、應用、維護和管理能力。本專業畢業的學生擇業面寬,就業適應能力強。畢業生既可以在醫療儀器行業從事新產品的開發與應用,又可以在醫院醫學工程部門比如醫學儀器、醫學影像設備與技術,國家技術監督部門,以及其他電子技術、計算機技術、信息產業等部門從事研究、開發、維護與維修、教學及管理等方面的工作。此外,本專業的學生還可以進入生物醫學工程、電子信息工程、通信工程與技術、計算機應用技術等方向繼續深造。生物醫學工程專業培養要求知識方面:打好堅實的數學、化學、物理學、外語、計算機與信息科學和電子技術的基礎,掌握寬厚的生物醫學工程專業知識,具備寬廣而深遠的科技視野、強烈的求知欲望、事業心和創新意識。
二、普通化學課程及其教學的基本要求
(一)課程的地位、性質和任務
化學是在原子、分子層次上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的一門科學。在解決人類最關心的環境、材料、能源、醫藥保健、糧食增產、資源利用等問題中,化學科學處于中心地位。而普通化學則是化學的導言,它包含了現代化學的基本理論、基礎知識和基本技能,是現代大學生應該普遍掌握的自然科學基礎知識的重要部分,是高等院校非化學專業必修的一門重要的基礎課。通過本課程的學習,學生在一定程度上掌握一些必需的近代化學基本理論、基本知識和基本技能,并了解這些理論、知識和技能在生物醫學工程領域中的應用;培養學生具有應用化學觀點分析生活、生產中的一些簡單的化學問題的初步能力;為今后的專業學習和工作打下一定的化學知識基礎。
(二)課程教學的基本要求
通過對普通化學課程的學習,學生應掌握化學熱力學、化學動力學、化學平衡以及原子、分子結構等方面的基本理論和基礎知識;掌握一定的元素化合物的基本知識;掌握重要的有機化合物結構、性能以及一些重要的有機合成反應;掌握分析化學基本原理和一些重要的化學、儀器分析方法;并了解化學在生物醫學、環境保護、新材料的研究與應用、能源開發與利用以及生命科學研究等領域的作用,為生物醫學工程專業課程打下化學理論基礎。
三、普通化學教學改革的具體措施
(一)修改教學大綱
應根據生物醫學工程專業的培養方案,修改普通化學的教學大綱,并將本課程分為理論教學和實驗教學。理論課時為32學時,實驗課時為16學時。首先從普通化學課程的地位、性質和任務來定位。普通化學則是化學的導言,它包含現代化學的基本理論、基礎知識和基本技能,使學生掌握化學熱力學、化學動力學、化學平衡;掌握一定的元素化合物的基本知識;掌握重要的有機化合物結構、性能以及一些重要的有機合成反應;掌握分析化學基本原理和一些重要的化學、儀器分析方法;并了解化學在生物醫學以及生命科學研究等領域的作用,為生物醫學工程專業課程打下化學理論基礎。
為了培養學生的動手能力,應讓學生熟悉化學實驗及實驗室的基本規則;培養學生認真觀察實驗現象、正確記錄和實驗數據的習慣;了解常用化學儀器的性能、使用和維護方法。同時,應培養學生正確處理實驗數據,正確書寫實驗報告的能力;促使學生逐漸養成嚴謹的科學態度、實事求是的實驗習慣和工作作風,并初步具有獨立思考、獨立設計實驗、獨立進行實驗以及獨立分析、綜合問題的能力,從而為后續課程的學習和進一步的科學研究打下基礎。主要實驗項目如下:玻璃工操作實驗(2學時);離解平衡與沉淀一溶解平衡(2學時);銅、鋅、銀、鎘及其離子的鑒定(2學時);烴的性質和鑒定(2學時);粗鹽的提純(4學時)。
值得注意的是,理論教學大綱和實驗教學大綱的修訂,應體現專業特色明確、重點突出、思路清晰的教學思路。
(二)探索新的教學方法
1.理論聯系實際。普通化學是非化學化工類專業學生開設的一門基礎化學課,主要介紹化學學科基本情況,化學各個分支對社會發展的作用,化學學科的發展現狀、發展趨勢,化學與其他自然科學、工程技術學科的關系。因此,普通化學課程知識點多、內容復雜、概念跨度大,需要與學生所學專業及實際情況有機結合起來。然而,在教學實踐中,本課程的教學課時不足,教學過程中,化學理論和化學與專業結合選擇是,教師往往容易顧此失彼,使化學教學演變成一堆化學名詞和專業術語的堆積,枯燥乏味。同時,學生重視度不夠、學習興趣不濃。但是化學知識在各種領域中不斷滲透,在日常社會生活中起著越來越重要的作用。面對實際問題,針對生物醫學工程專業特點,在教學過程中,教師可首先和學生進行討論,解決如下問題:(1)學習的原動力。(2)學習的方法和習慣;告訴大學課程內容多,上課進度快、信息量大,并且輔導課和習題課少,要掌握好學習方法;設計了從實驗現象一引發思考一理論內容一實驗內容一在線測試的教學路線。(3)學習精神,只有更加刻苦才有可能適應大學階段的學習。通過討論和示范,激發學生的學習興趣,以求達到最佳教學效果。
將普通化學中基礎部分的講授與中學化學教學良好接軌,在上課時首先回顧一下中學化學相關知識點,再引入新的知識點。在講例題的采用為“先示例、后解析”的方式。上實驗課,采用實驗前提問和預習,代替實驗課先講實驗原理和步驟的方式,要求、鼓勵學生預習和思考。在指導實驗時,及時發現問題,引導學生深入思考。建議學校平時適當開放實驗室,為對化學感興趣的學生提供實際操作平臺。鼓勵學生根據個人興趣參加項目創新活動,和指導教師一起選題,查閱文獻,學習相關知識,進行科研活動。當然,也可結合其他課外科技活動展開教學。
2引入實例。在實際的教學過程中,針對生物醫學工程專業特點,可適當引入生活和專業應用中的具體實施例。課堂講授時,利用具體實例,引入每一章節內容,再將每一章節的重點、難點內容在學生深入挖掘的基礎上,將內容分解成若干小問題或將若干相關小問題合并起來,指導學生聯想、討論思考、聯想歸納、比較總結本課程的目標是系統講授化學基本理論和知識,加強基礎,提煉基本,按需拓寬,注重實踐性和應用性。
在講到酸堿時,可把知識點延伸,把電子舌知識和酸堿性結合起來。電子舌測量酸味時就是利用酸性,檢測出酸的濃度,也就是將酸的濃度通過化學傳感器轉化為可檢測的信號,信號的強弱就能反映酸的濃度。同樣,電子舌檢測其他味覺,就是將其味覺物質,通過化學傳感器轉化為可檢測的信號,通過信號的強弱來反映味覺物質的含量,進一步體現味道的內涵。
可引入直觀形象的化學反應動畫效果,加強學生對反應機理和抽象概念的理解;同時,可采用動態圖表,充分發揮各類圖形的優勢。
3.突出重點,擴大信息量。根據培養方案和生物醫學工程專業的特點,可將下列內容列為普通化學的教學重點和難點:熱力學的基本概念;蓋斯定律和標準生成焓、標準熵、標準吉布斯自由能計算方法;化學反應自發進行的判劇;化學平衡常數、化學平衡移動的規律及有關計算;分散體系的概念及分類;溶液的依數性;膠體分散體系的性質及結構;弱酸、弱堿解離平衡;溶度積規則和溶解平衡;電極電勢的概念;用電極電勢的數據判斷氧化劑和還原劑的相對強弱及氧化還原反應自發進行的方向和程度;配位體的相關概念及命名規則;核外電子運動的特殊性;四個量子數的取值及物理意義。教學難點為:化學反應等溫方程式的應用;相似相溶液原理;能斯特方程式的應用;吉布斯自由能變、原電池電動勢、氧化還原反應平衡常數的關系。根據重點和難點,可采取理論講解、PPT、板書和學生互動相結合的教學模式,講解后再讓學生來回答問題,加深學生對重點知識點的印象與理解,在原有知識點的基礎上擴大信息量。
1教材的選擇
教材是學生掌握知識的最直接工具,也是教師與學生之間的橋梁。但是,如果教材編寫的過于深奧,不易理解,學生將產生厭學情緒,同時也會對所學知識的實用性產生懷疑,不利于生物工程或相關專業人才的培養[3]。因此,選擇完整、系統的知識體系,以及可以反映與本學科相關的產業背景和最新研究成果的優秀教材,是保證教學質量和教學效果的關鍵之一。在教學過程中,注重理論和實際相結合,堅持以學生為本的原則,內容兼顧實際生產過程中遇到的實際問題。除了教材上的知識之外,也要注意整個生物能源領域不斷出現的新理論、新思路、新技術和新成果。通過閱覽國內外優秀期刊和專業網站,訪問行業內相關企業和研究機構,及時將新的知識介紹給學生,擴充學生的信息量,拓寬學生思路,提高學生學習興趣,為學生今后的就業或繼續在本專業領域進行研究打下基礎。
2教學互動
教學方式也是體現教學質量的一大重點。在教學方式上,我們首先運用現代化的多媒體將教學過程中的重點難點內容通過圖片、視頻、動畫等多種方式呈現給學生[4]。從而使得抽象難懂的內容具體化、形象化、趣味化,激發學生的學習熱情。特別是,涉及到生物能源生產過程中的流程圖、設備圖以動畫及視頻的形式穿插在教學過程中,使學生更好理解,也更加直觀。除此之外,我們也注重邀請一些專家學者、或與本專業相關企業的人士來進行一些講座介紹。這樣,可以使學生從科研或生產等不同角度對這個行業進行了解,加深學生對本專業的理解和認知度,而不是僅僅停留在理論知識上。此外,學期中和學期末,我們會安排幾節課讓學生自己上臺,結合課上所學的知識,對自己感興趣的產品做項目調研和介紹,甚至可以向老師提問,增加課堂的互動性、調動學生的積極性,以提高學習效率。
3實驗教學的建立
學生畢業以后會進入工作崗位或科研單位繼續深造,對理工科學生來說,動手能力是重要的一環。因此,除了課堂講學以外,培養學生的實驗操作能力也是生物能源課程重要環節。以生物能源中的纖維素乙醇為例,生產過程涉及到的纖維素預處理反應器操作、纖維素酶活測定,酶水解及發酵過程操作,均是課堂講解所不能涉及的范圍。因此,在生物能源課程中需穿插幾次實驗課,以便學生對生物能源涉及的實驗及生產過程有一定的感性認識,從而對所學內容有更透徹的理解。蘇州科技學院化學生物與材料工程學院在各級領導的關心下,擁有發酵罐、搖床等大型實驗設備,并具有實驗所需的HPLC,IC,HPLC-MS,GC-MS等分析儀器。同時,學院分析測試中心還具備核磁共振、電鏡等大型精密分析儀器,可以說儀器設備齊全,為學生實驗的開展和學習打下了較為堅實的物質基礎。
4企業參觀交流
為了進一步強化和促進學生對生物能源課程的認識,同時進一步提高學生學習知識的主觀能動性和積極性,在學習期間,有必要安排學生到一些生物能源相關企業去進行參觀學習。了解工廠基本的生產方法,熟悉基本的生產設備等等。并且,在參觀之前,給學生布置任務,學生參觀結束后需對產品的基本生產工藝流程、使用的主要設備、產品提取和質量控制等環節撰寫報告,并作為平時成績。讓學生帶著問題去學習,增加學習興趣,以達到良好的教學目的。
5結論和體會
生物工程 實驗課程 教學改革
生物工程專業是繼生命科學專業和生物技術專業之后出現的生命科學領域的第三大專業,是以生命科學為基礎,綜合基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程和生化工程等技術手段在內的學科。生物工程是一門實驗性和應用性很強的專業,生物工程領域作為生命科學的下游學科,也是比較容易進行產業開發的專業領域,這就對學生的認知能力、實驗技能、應用能力和創新意識提出了比較高的要求。近年來,我國對生物工程領域的關注度日益增強,政策性導向也在向生物工程學科傾斜,為生物工程專業的發展創造了機遇。為適應和促進生物工程學科的進一步發展,需要大量高素質的人才,而人才培養中很重要的一個組成部分就是基礎的實驗課程訓練。我們針對生物工程專業的特點,在實驗課教學過程中嘗試進行改革,初步摸索出一套比較適應現代生物工程學科發展的實驗教學方法。
一、改變傳統教學觀念,提高實驗課程關注度
傳統教學觀念認為,實驗課程只是理論課程教學的輔助,處于從屬的位置,因而對實驗課教學關注度要小于理論教學。但就生物工程專業最近的發展和學生就業情況來看,僅僅具備扎實的理論知識是完全不夠的,這和生物工程專業應用性強和產業化開發需求較多的特征不相符合。為適應生物工程領域發展對人才的需要,必須培養基礎理論扎實,又同時具備相應的應用能力的綜合素質人才。因此,實驗教學改革首先要做的是轉變傳統的“實驗課程教學輔助理論課程教學”觀念,確立實驗課程相對獨立的地位,提高實驗任課教師對教學的關注度,使教師能夠全身心投入到實驗課教學中,提高教學效率和教學效果;同時也提高學生對實驗課程的關注度,使學生能夠通過實驗對理論知識進一步理解掌握,也能將所學理論知識更加靈活有效地運用到實驗學習過程中。
二、設置合理科學的實驗教學內容
生物學科發展迅速,新的技術和新的方法出現和應用很快。因此,實驗課程的內容要緊跟學科發展前沿,結合經典實驗技術和方法,設置適應學科發展和社會需要的相關實驗教學內容。同時,生物工程專業具有應用性和前沿性的特點,這就決定生物工程專業實驗課程內容設置的目的是培養具備實踐能力和創新能力的人才。因此,在實驗內容設置的時候就要考慮實驗的實用性和靈活性。
我們實驗設置把握的總體思路是以經典技術方法鍛煉基礎實驗操作能力,以探索型實驗鍛煉學生發現問題及初步解決問題的能力,以綜合性連續實驗檢驗學生對實驗的整體把握能力。教學內容設置的連續性可以對學生進行循序漸進的實驗能力培養,避免出現實驗設置順序混亂對學生思維及能力培養造成不必要的誤區。
三、改進教學方式,提高教學效率
與理論課程不同的是,實驗課程更多的是考察學生獨立發現問題、獨立思考解決方法、獨立操作驗證的能力,整體來講,學生的相對獨立性要高于理論課程。因此,我們在進行實驗課教學時,對教學方式進行了一些改進。
首先,實驗的理論知識準備要充分。實驗課在準備階段,我們就要和理論課的進度結合起來,避免出現實驗課提前于理論課的情況發生,同時也要盡量避免理論課結束很久之后再進行相關的實驗課教學,盡量做到理論課和實驗課同步進行,這樣可以避免在進行實驗課教學時進行長篇累牘的理論知識講解,影響實驗課教學時間和效果;同時,學生在實驗課前準備相關理論知識的時候,也可以做到趁熱打鐵、有的放矢。
其次,實驗教學的講解要簡明扼要。以往的實驗課程教學,從實驗原理到實驗器材,從操作注意事項到實驗結果處理,甚至實驗分析和結果討論,教師都要進行詳細的講解,這樣的教學容易造成教師工作壓力增加,而學生對教師的依賴心理過重,甚至覺得實驗課就是走過場,對教學效果產生很大的不利影響。我們在教學過程中,針對不同的實驗內容,制定相應的教學講解時間,一般情況不超過25分鐘,理論課講述過的內容,進行簡單的提問了解學生掌握情況,把講解重點放在影響實驗成敗的細節的指導上,并加一些與實驗相關的理論發展過程的講解,以利于學生對實驗的理解掌握。同時,簡明扼要的講解也要求學生在實驗課進行前進行大量的相關理論準備工作,把“被動接收”變為“主動獲取”,藉此培養學生獨立思考的自主性,調動學生積極參與實驗教學的主動性。
第三,實驗課程進行過程中操作部分要放手。在實驗操作過程中,突出學生的主體地位,放手讓學生去進行實驗的各個步驟,教師的作用是監督實驗過程、保證實驗安全、保障實驗順利完成。我們在講解過程中僅演示實驗操作的關鍵細節,其余的實驗操作在不影響實驗準確性的情況下,讓學生根據自己的個人習慣進行操作。在實驗整個過程中,教師會全程關注學生的操作,發現操作方面的錯誤及時進行糾正和輔導。而對實驗過程中出現的問題,僅做必要的引導,啟發學生依靠自己掌握的理論知識和實驗技能進行分析和解決,培養學生獨立思考問題和解決問題的能力。
第四,處理數據要縝密,確定結論要慎重。實驗結果和結論是對整個實驗的總結,是最終要得到的最重要的內容。因此,我們要求學生在處理實驗數據時一定要縝密,嚴格按照相關的實驗處理方法進行,得到正確的實驗結果;在依照實驗結果下結論時考慮周全,不能擴大或者出現不符合實驗結果的結論,最終慎重下定結論。以此培養學生科學的思維方式,具備良好的分析能力和總結能力。
第五,最終提交的實驗報告能做到實驗的可重復性。我們評價學生提交的實驗報告是否合格的最重要標準是能否依靠該實驗報告重復出該實驗,這是對學生表達能力的一種培養。我們在教學過程中要讓學生意識到,只有做到清楚表達自己的實驗成果,并且能夠讓別人成功重復,才能證明整個實驗是成功的,如果只有自己清楚自己的實驗成果而不為別人接受,那么整個實驗就是失敗的。
四、改進成績考核方式,激發學生主動性
以往的實驗教學考核主要是以學生提交的實驗報告作為主要的評分參考,學生為了獲得好的成績,關心最多的是實驗結果是否和教科書上描寫的一致,是否達到了實驗的預期目標,而往往忽視了實驗課程設置的最初目的和實驗過程中出現的關鍵實驗現象,這種考核機制難以考察學生真實的綜合實驗技能,也不能有效了解學生對實驗課程的掌握情況,不利于學生將來從事科研或生產工作。我們認為,實驗課程成績的考核相比較于理論課程考試,更多的是要考察學生對實驗目的和實驗原理的認識程度、對實驗技能的掌握程度,對實驗過程出現的問題的發現能力、針對問題的解決能力以及在實驗過程中表現出來的創新思維能力;結合學生提交的實驗報告是否能準確描述實驗現象、是否能正確處理實驗數據、對實驗結果討論分析是否合理以及書寫是否規范等,綜合評定學生實驗課程成績。
在實驗教學中,我們從一開始就向學生明確實驗課程的考核標準,讓他們了解到僅僅靠實驗報告是不能獲得一個好成績的,需要全身心投入到實驗課程中去才能獲得好的成績和掌握優秀的實驗技能,這樣能夠提高學生對實驗課程的關注程度,激發學生積極參與實驗教學的主動性。我們在教學過程中,專門準備有課堂教學備案記錄本,從學生進入實驗室之后,從講課過程中學生的回應程度、實驗過程中的具體操作、對出現問題的剖析理解、解決問題方法的選擇等方面,對每一位學生的具體表現隨時在記錄本上進行記錄備案,作為學生實驗課程成績考核的重要評定依據,再結合學生提交的實驗報告進行綜合的成績考核評定。
五、結語
生物工程是生命科學的下游學科,對學生的應用能力和創新能力有更高的要求。作為培養生物工程高素質人才中關鍵一步的實驗教學,不能采取傳統的教學方式。經過我們對教學理念及教學方式方法的改變和探索,初步摸索出一套比較適合生物工程本科生實驗課程的教學方法。整個生物工程學科要發展,只有做好各個基礎性的工作,本科生的實驗教學就是其中的一環,因此,生物工程專業的實驗課程教學改革還需要朝著更好的方向繼續進行下去。
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關鍵詞生物信息學;教學;教學改革
生物信息學是生物學、計算機科學、信息科學、數學等多學科交叉融合的新興學科,可培養學生綜合運用知識解決科學問題的思維水平和能力,學科內容具有極強的前沿性、開放性、實踐性和探索性,有助于培養寬口徑、厚基礎、創造性、應用型的專業人才[1-2]。但因生物信息學的知識龐博、原理抽象,使得該課程不能采用傳統的教學模式進行教學,現行的課程教學方法尚未完善,需根據不同學校、不同專業的發展定位和學生培養目標有針對性地設計和開展課程教學。浙江大學寧波理工學院生物工程和生物技術為工科專業,以培養高水平的應用型人才為目標。近幾年開設了生物信息學課程,通過不斷的課程教學改革和實踐,筆者發現影響教學效果的多方面因素,包括地方院校生物信息課程授課過程中的共性問題[3]。逐步對課程目標、教學內容、教學方法和考核方法等方面進行了有益探索,探索適合工科專業學生的生物信息學課堂教學模式。通過努力,初步解決了浙江大學工科大學生的生物信息學課堂教學的主要問題,有效提高課程教學效果,同時也獲得了一些經驗和認識。
1工科專業的生物信息學課程教學問題
1.1課程教學內容新穎繁多,與專業課程體系設計不匹配
生物信息學作為一門新興的交叉學科,要求學生了解、掌握的基礎知識非常多,但學校側重于工程人才培養,工科應用課程多,生物基礎知識薄弱,且將生物信息學作為專業選修課,僅安排24學時的授課時間,這就形成教學內容新穎繁多與專業課程體系安排設計不匹配,難以有效利用已學知識對這個綜合性新興學科課程進行全面學習,部分大學生還因學無所成或跟不上授課進程而產生厭學情緒。
1.2授課學時短,教學和考核模式落后
生物信息學知識龐博、原理抽象、實踐性強,但因課程授課學時嚴重不足,課堂教學通常以理論教學為主,采用以教師講授為主體的傳授式教學方法,幻燈片課件展示容量很大,學生缺少足夠的時間思考和消化,常感到學習千頭萬緒,不得要領。傳統教學方式無法滿足該課程教學需求,在生物信息學教學中存在較大局限性。在傳統教學方法下,課程考核仍以卷面形式進行,忽視實踐技能,不能有效考查大學生的學習效果。因此,傳統教學和考核方法忽視了該課程前沿性、實踐性強的特點,使學生失去了主動思考和積極創新的動力和機會。
1.3教學資源不充足,教材選擇困難
生物信息學作為一門新興學科,教學資源不充足成為普遍現象。生物信息學教材在教學內容的新穎性、時效性和對各專業的適用性等方面有所欠缺,例如一些數據庫及軟件總在不停更新,教材內容有比較大的滯后性。由于高校開設該課程的時間通常較晚,適用于工科專業的生物信息學教學資源,如教學教案、多媒體課件、教學視頻等尤為欠缺。同時,由于生物信息學課程的前沿性,與生物信息學有關的網頁大部分都是英文,工科大學生的生物信息學專業詞匯極其匱乏,開展實踐教學時學生學習非常吃力,甚至造成學生學習困難,教學效果比較差。
2工科專業的生物信息學課程教學改革
2.1根據專業特點改革教學內容
結合工科專業特點及培養特色,選用相對簡潔,基礎知識與實踐應用相結合的教材,如陳銘編寫《生物信息學(第二版)》等。同時不拘泥于教材,針對具體講授情況進行有機取舍和補充,合理制訂教學方案。比如,對浙江大學生物工程專業的本科生來說,生物信息學更多的是一種輔助分析工具,不需要深入學習數據庫的構建方法、軟件算法等基礎知識,更多的是培養他們應用生物信息學技術和思維方法來服務本專業知識的能力。因此,大力引入實踐教學,大幅度壓縮理論教學,理論教學和實踐上機操作時間基本按等比例分配。改革后的理論教學內容包括生物數據庫及其信息檢索、序列比對與分子進化、核酸序列分析、蛋白質性質和結構分析、基因組信息學、蛋白質組信息學等;實踐教學引入了常用生物信息學數據庫的應用、核酸和蛋白質序列的進化分析、DNA序列的信息學和功能分析、蛋白質序列分析和結構預測、常用生物軟件的應用、綜合實驗等。該教學計劃不僅使學生有效學習生物信息學的理論和技術,還可使學生深刻體會和貫通一些生物化學、分子生物學、基因工程等生物課程的知識,夯實了工科大學生的生物學基礎理論知識,為學生開展專業相關的實踐創新項目和后續畢業論文設計提供技術支持。
2.2革新基于多媒體的互聯網教學方法
多媒體網絡教室借助于計算機網絡和多媒體技術,輕松實現生物信息學理論講授、數據庫搜索及軟件應用演示,便于師生課堂交流,增強學生的教學參與意識[4]。再加上大多生物信息學數據庫及軟件工具在因特網上免費提供,引導學生充分利用這些網絡資源尤為重要。因此,必須建立有效的基于多媒體的生物信息學互聯網教學方法,給大學生提供更多動手操作機會,改善學習效果,充分體現生物信息學的實踐性。基于此,將每個生物信息學教學主題的課堂講授內容分為2部分:一是用幻燈片進行理論知識講授和操作演示,二是指導學生利用豐富的網絡資源和軟件工具完成相關上機實習,引導學生進行探索式練習,培養主動學習的習慣。例如在GenBank數據庫教學活動中,首先用幻燈片講授該數據庫的簡要情況;接著演示GenBank數據庫的搜索方法和搜索結果的要點,結合搜索內容講解核酸及蛋白序列的格式、主要字段的含義、序列下載的方式;最后,布置相關上機操作內容,由學生上機操作該數據的搜索,并對搜索到的序列進行解讀,教師全程指導解疑。另外,為擺脫該課程學時短的限制,結合教學內容適量安排課后作業,鼓勵學生利用課余時間上機操作,鞏固和拓展生物信息學知識。這樣的教學方式簡明扼要,既節約了課堂時間,還教會了學生主動獲取信息的手段。
2.3開設創新型開放性實驗
生物信息學課程的開放性和前沿性可以開拓學生的視野,幫助開發新的思維方式。因此,在生物信息學實踐環節增設創新型開放性實驗[5],綜合采取啟發式、研討式、運用式等教學方法[6],強調大學生的創新思維、實踐動手能力的培養,有效調動學生的學習興趣。新型開放性實驗包括演示實驗實例模塊和綜合研究實驗模塊,讓學生自己提出問題、設計和探索解決方案,引導學生獨立思考、大膽動手,充分發揮學生的主動性和創造性,培養學生發現問題、綜合分析處理問題、信息的收集和整理、創造性思維等獨立動手能力以及團結協作能力。就綜合實驗模塊而言,例如,學生想研究自己感興趣的一個基因,要求學生獨立查找相關文獻和資料,收集和分析核酸、蛋白質序列及其同源性關系,預測該基因的結構、功能,最后總結這個實驗過程并分析實驗結果,撰寫一份實驗報告。通過創新型開放性實驗訓練,可以全方位、多角度、重能力地訓練學生的綜合素質。
2.4制訂理論與實踐并重的教學效果考核方法
根據新的教學內容和模式,積極改革生物信息學考核方式,制定理論和實踐并重的考核制度,增強考察大學生對生物信息分析的基本技能的掌握程度以及對結果的分析能力。例如,課程的學生總評成績由平時成績和期末成績組成,分別占25%和75%。期末成績評定由理論考核和上機考核組成,比例分別占40%和35%。上機考核包括2部分:一是針對課堂教學內容隨堂布置上機作業,讓學生深化理論教學和演示實驗教學的學習,評定學生作業成績;二是讓學生選定感興趣的研究課題或教師設定研究主題,學生結合所學生物信息學知識,獨立制訂完整的研究方案,通過上機操作完成方案中的生物信息學操作,并對結果進行解讀,形成一份實驗報告,教師評定學生的報告成績。通過這種考核可以全面評定學生的學習效果,促進學生主動學習,同時還可以準確發現教學過程中存在的問題,為課程教學的進一步優化提供指導。
3結語
根據生物信息學課程特點,針對工科專業培養特點,結合近年來筆者的課程教學實踐,精心選擇教學內容,突出并合理組織實踐教學,注重培養大學生的核心技能;充分采用基于多媒體的互聯網絡教學,增設創新型開放性實驗,構建多樣性教學方法,強調學生的創新思維、實踐動手能力的培養;注重教學效果評價,制訂突出實踐能力的考核方法,促進學生主動學習能力。通過這些教學改革和實踐,逐步探索適合工科大學生的生物信息學課堂教學模式,有效提高課堂教學效果,切實增強學生的專業知識和技能。
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關鍵詞:生物信息學;生物專業; 教學方法;學科交叉
中圖分類號:G64 文獻標識碼:A
Abstract: The characteristics of the professional teaching of bioinformatics are introduced , then the paper analyzes on the professional students of biological problems existing in the teaching of computer, biological computer curriculum teaching methods are put forward.
Keywords: Bioinformatics; biology; teaching method; course cross
0.概述
近年來,伴隨著生命科學的快速發展,有關生物的數據逐漸增多,而分析手段也很多,產生了生物信息學這個概念。生物信息學是由生物學與計算機科學、應用數學以及統計學等學科相互交叉而形成的一門新興學科,它使用計算機和信息技術對生物信息數據進行采集、處理、存儲、檢索和分析,從而達到揭示相關數據中所蘊含的生物學意義的目的[1]。為了快速有效地從海量的生物數據中獲得所需信息,提高發現問題、解決問題的能力,在生物信息學教學過程中有必要開設一些計算機課程、數學及工程相關課程,這樣可以啟發學生綜合運用數學、物理、工程科學和計算機知識的能力,拓寬其知識面,了解學科前沿和最新進展,培養跨越生命科學、計算科學、數理科學等不同領域的大科學素質和意識,為今后選擇新興交叉學科領域進行深造奠定基礎。因此很多大學增設了生物信息學這個本科專業,有的在計算機學院中增加生物信息專業本科,有的在生命學院增加生物信息本科,在本文中主要討論在生命學院中開始生物信息學專業。作為一門交叉學科,不同專業的學科體系對生物信息學課程教學提出了不同的要求,如何在生物專業學生中開展生物信息與計算機課程的結合,是培養更高理論和實踐能力的生物信息專業人才的關鍵。
1 生物信息學的特點
生物信息學涉及分子生物學、微生物學、生物化學、蛋白質化學、分子遺傳學、基因組學、生物物理學、概率論與數理統計、信息論及計算機技術等學科,學科交叉性極強。僅就計算機技術而言,計算機編程、數據庫技術和模式識別、軟件工程及網絡技術等都在生物信息學中有廣泛的應用[1,2]。因此,生物信息學是將不同領域知識高度集中的學科。
2 計算機課程的設置
對生物信息學來說,計算機技術就是一個工具,用來對生物數據進行處理。工欲善其事,必先利其器,所以要做好數據的分析工作,必須讓學生學好計算機課程,但更應該在生物信息學專業的教學計劃中把計算機課程設置恰當,讓學生受益[2]。
2.1 課程的選擇順序
生物信息學面對的是海量生物數據,所以首先需要學習使用編程工具,如JAVA或者C++語言或者Perl語言等編程工具,然后安排數據結構等課程對編程課程進行深入了解,后期安排數據庫技術、數據挖掘等課程,方便學生進行實踐應用。
2.2 教材和授課內容的合理選擇
在學習生物的學生中開設生物信息學專業,那么教材的選擇應該兼顧學生的知識背景和學習興趣,由于學生對蛋白、進化、蛋白質結構、基因序列有一些認識,但對計算機比較恐懼,因此計算機教材可選用比較簡單、易懂的,如JAVA課程主要講解編程思想,那么主要包括環境變量設置、語法和如何編程,那么選擇教材時就選包括這些內容的教材就可以了,并在上課過程中,結合一些生物信息軟件來講解,激發學生的學習興趣。同時,選擇適合的授課內容也是必不可少的環節:序列比對算法、基因識別算法、蛋白質結構預測、分子動力學模型及機器學習或模式識別算法在生物信息學中的應用等方面的內容,此外在大學初期也要加強數學、物理和計算機方面的基本知識的課程開設[2]。能夠從他們自己的知識體系出發, 闡述生物數據如何用計算機方法和技術進行獲得并處理;并且了解學生已經掌握哪些生物學知識,在授課過程中,針對學生的特點綜合使用多本教材更能達到預期效果。使學生認識到計算機技術和方法在生物學研究領域的廣闊應用空間。隨著生物信息學研究的深入,國內外出現了大量的生物信息學教材、專著和一些最新的文獻。
2.3從抽象到具體的教學理念
由于生物信息學涉及數學、統計學及算法等眾多理論知識,但有生物基礎的學生具有生物學知識儲備,缺乏計算機知識。所以在為生物學專業上進行計算機課程時盡量采用結合實例進行講解。首先,針對生物學專業學生計算機知識薄弱的特點,盡可能將生物信息學問題轉化為學生熟知領域的問題,例如,在講解蛋白質二級結構預測時,可考慮學生學習過螺旋、折疊和無規則卷曲的特征,講解模式識別算法預測二級結構的過程時用可采用一些模型如蘋果等進行形象講解更容易被學生接受了;其次,充分利用現代化教育技術及網絡資源,對于未接觸過計算機實驗學生來說,程序代碼對于他們而言是枯燥無味的,在教學過程中充分利用計算機實驗和網絡資源,讓學生了解計算機程序的運行過程和網絡中生物信息軟件的使用,從而對計算機處理生物學數據產生感性認識。例如,在講解利用聚類算法分析基因芯片數據時,可以先播放基因芯片制作過程的Flas,讓學生身臨其境,這樣不僅可以激發學生的學習興趣,更可以加深學生對知識的理解和掌握。或者講解聚類算法可以用物種分類進行類比來講解[2]。
2.4加強實驗環節
生物專業的生物信息學課程的教學過程就是讓學生了解并掌握計算機科學和技術如何處理分析生物學數據的過程。因此,進行理論教學的同時,實驗教學環節也是必不可少的[3]。計算機實驗不同于生物實驗,而是主要通過計算機進行處理,例如可通過計算機實驗直觀的了解三大核酸數據庫:蛋白質序列和結構數據庫的數據組織方式;通過實驗可以讓學生掌握如何利用Acclrys Discovery Stdio軟件進行蛋白質結構預測,感受蛋白質結構顯示軟件的強大威力,更重要的是,使學生了解到計算機技術和方法在生物數據處理過程中的舉足輕重的作用。從生物信息學實驗課中,他們可以領略到計算機科學技術的魅力,增加作為生物信息學專業學生的自豪感,并堅定學好生物信息學知識的信念。
3 后續課程的構想
在后續課程中,由于前面為學生設置數據庫原理與設計及數據挖掘等課程,可開設一些專題講座,如了解數據庫設計后,可結合生物專業的特點,可能了解了在網絡環境中三大核酸數據庫的組織結構,講解它們是如何采用數據庫知識進行組織的,并進行一些簡單數據庫的設計工作;在數據挖掘課程后可采用一些統計學軟件如MATLAB處理生物數據的一些專題[4,5]。又如開設講解生物信息學的研究熱點與與原來講解的課程進行對接。也可講解一下藥物信息學的設計、疾病靶點的選擇等,激發學生學習生物信息學的意義,讓有可能進一步深造的學生知道前進的動力。
4 結束語
作為一門新興的學科,生物信息學專業的發展非常迅速,新的理論、算法和應用程序不斷涌現。因此在進行生生物信息學專業教學中,不拘泥于現有的生物信息學教材和計算機教材時納入最新的研究成果,將相關研究領域的一些新的研究方法、網絡資源以及工具軟件介紹給學生。例如, GCG軟件是一套蛋白質、核酸序列分析軟件,一般在Linux環境下使用,包括130多個軟件,但現在這些類似功能的軟件很多可網絡上下載到Windows系統環境下進行蛋白質、核酸序列分析,因此可介紹這些軟件給同學使用,方便同學在自己的電腦里熟練使用這些軟件,同時有些軟件有更新的算法和版本也可以介紹,及時更新學生的知識體系,培養學生相關學科前沿的意識,拓展學生視野。
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論文摘要:教師要正確認識商檢技術專業開設生物化學課程的必要性且有效地構建課程內容體系,并對商檢技術專業生物化學課程內容的改革和實踐進行了探討。
生命科學在20世紀后葉取得了突破性的進展,并將成為下個世紀自然科學發展與社會進步的關鍵學科。近年來,生物化學已滲透到各個領域,生物化學課程進入化學類專業學生課堂也已逐漸成為事實。教育部理科化學教學指導委員會在1999年制定的《理科化學專業和應用化學專業化學教學基本內容》中首次列入了生物化學,國內外一些名牌大學的化學化工院系在教學計劃中也將生物化學這門課程放在了重要的位置,其教學課時及所占學分與有機化學等骨干課程相近或持平。我院也適時地在商檢技術專業課程體系中開設了該課程。如何引導學生系統地掌握本門課程的整體結構、基本概念及實驗技能,了解學科發展前沿,是進行素質教育,開發潛能,發展個性,進行創新教育,培養跨世紀人才重要的一環,掌握本學科知識也是為學習后續相關課程打下扎實的基礎。在此我們結合實際教學工作,對生物化學的課程改革做一探討。
1、結合實際,把握教學內容的側重點不同
生物化學作為商檢技術專業的必修課程,作為高職高專院校,要以必需夠用為原則,除了強調基礎理論知識的講解外,還需對具體章節有所側重,比如,該專業一些后續課程與蛋白質結構及其代謝關聯比較大,還經常接觸酶的有關知識與應用,所以這些相關章節的知識就需多花些精力,而有關分子方面的理論就并非重點。生物化學對商檢技術專業重在具體實踐應用,如在講解蛋白質含量測定時,要聯系農谷類商品的檢驗技術,以及酶的抑制作用在制藥行業和農藥等行業的應用。充分做到理論聯系實際,激發學生的學習興趣,提高教學效果。
2改革教學方法和模式,提高學習興趣
2.1注意不同層次學生的知識銜接
商檢技術專業招生是文理兼招,因此學生存在知識結構的差異,對生物化學課程的理解和心理要求也存在差異。教師應根據需要,從不同知識層次和心理需求出發,講授內容要與其各自的知識結構相銜接,這樣更有利于學生接受。一般在第一次課中,可以將生物化學課的特點、對學生學習的具體要求以及自己授課的方法計劃等簡單介紹一下,使學生對該課程體系與結構框架有一個大概的了解,并且讓學生明白該以何種態度、采取哪些措施學習該課程。介紹生物化學與商檢技術專業的關系,使學生了解生物化學對其專業學習的重要性,引起學生對生物化學學習的高度重視。在以后授課中,教師要立足在現有知識的基礎上,注意對相關知識的復習和聯系,突出重點,講授生化的基本理論、基本技能,使學生對其特點和基本知識有一個明晰的理解,并引入生物化學在商品檢驗技術中的新進展,既能體現專業特點,又能把當今生命科學發展的新知識、新觀點,介紹給學生,使學生認識到該課程內容豐富,且書本以外的知識更廣泛,大有作為,從而提高對本門課程的學習興趣。
2.2提倡形象化教學手段,多種教學方法靈活使用
生物化學是基礎課,一般在二年級開設。低年級大學生的學習方法和思維方法仍受高中的影響,他們對一般的化學反應并不感到難學,但對生化機理就覺得比較抽象、枯燥、難懂。因此,教師在講授過程中用準確易懂的語言,恰當的例子和形象生動的比喻,結合和諧的肢體語言進行生動有趣的講解,使學生的感官處于積極的狀態,既能現場思維、當課理解,又能記下內容,留下深刻印象。
改革教學方法的實質就是教學主體的轉變,即以教師為主導,以學生為主體,根據課堂內容和教學過程的具體實際采用不同的教學方法,把重點放在開發學生智力、培養學生創造思維上。在課堂上針對不同情況采用不同方式。①在講授需進一步提升的概念和規律時, 采用啟發式教學法。通常先提問,引導學生探索,并逐步得出結論;②對一些有質疑的問題,則采用討論式教學法。引導學生在課堂上即興討論,達到以疑解惑的目的;③對于一些章節之間或與相關學科之間縱橫交錯的問題,則采用研究式教學法,安排進行專題討論或課后撰寫小論文;④對于一些語言描述比較困難,結構模型的使用又很不方便的章節,要采用多媒體教學,借助計算機特殊的動畫功能逼真地模仿出;⑤其中部分內容是學生經過認真看書可以解決、理解并消化的內容,可以“學生自主學習”的模式。同時將一些次要的內容,一些學生能夠看懂的內容留給學生自學,既可保證教學進度,又有助于培養學生獨立思考的能力;⑥利用網絡教學模式,將相關的教學資料上網,通過電子郵件和BBS建立師生交流論壇,定期答疑。從而更好地提高學生學習效率,實現真正的個性化教學。
《生物化學》課程教學改革是一項長期艱苦的工作,怎樣在教改中更好地貫徹實施培養學生綜合素質和創新能力這一根本性的指導思想,使之與科技和社會的迅速發展相適應,還需要我們繼續探索和研究。
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關鍵詞:高職高專 基礎化學 課程改革 制藥
中圖分類號:G712 文獻標識碼: A 文章編號:1672-1578(2013)11-0044-02
《基礎化學》是生物制藥專業的重要的基礎課,課程包括無機化學、儀器分析、分析化學、有機化學、物理化學及其相應的實驗課程。通過本課程的學習,可以為專業學習提供基本化學理論知識和基本實驗技能。本課程通常是在大學一年級開設,所以教學質量的優劣直接決定了學生對化學知識體系的掌握和運用,對學生專業素養的形成以及良好學習習慣的形成起到至關重要的作用[1]。所以,我們依據本校生物制藥專業學生現狀對基礎化學課程提出如下改革措施。
1 學生學習態度的轉變
1.1激發學生的學習興趣
高職高專的學生總體基礎薄弱,我校生物制藥專業招收的學生類型有:普通理科、普通文科、農學類,有的同學甚至沒有高中化學基礎。因此,部分學生對基礎化學的學習產生畏懼的心理,有些學生甚至因為懼怕學習基礎化學而產生厭學情緒。所以激發學生的學習興趣顯得尤為重要。學生有了學習興趣,才能在學習過程中迎難而上,克服各種主觀和客觀因素,使其學習水平提高到一個更高的層次[2]。
學生的學習的興趣很大程度上取決于學生對基礎化學知識的需要,以及由此而產生的滿意感,教師要讓學生充分了解到基礎化學的魅力,了解到基礎化學和專業課的關系,這樣才能使學生產生學習基礎化學的需要,從而激發學生的興趣。比如,講到有機化合物的結構、性質時,可以舉幾種新藥、特藥,或者眾所周知的藥物來分析,說明這些藥物具有某種作用是由于藥物分子結構中含有某一基團的緣故,讓學生明確基礎化學知識是學好專業知識必備的基礎,由此激發學生學習的積極性和興趣。另外,在課堂上及時介紹本專業發展動態,并積極引導學生關注本專業的研究熱點[3],使他們盡可能多地掌握具有超前和應用價值的新知識及新信息,學生對這些前沿的、能學以致用的內容非常感興趣,由此激發了學生學習化學的熱情。
1.2培養學生的自信心
有了學習興趣,還得有學習的自信心。學生對基礎化學學習的畏懼的心理致使部分學生失去學習的自信心,認為自己不是這塊料。教學過程中,首先,教師對所授課程應抱有積極、熱情的態度去感召學生,學生由于對教師的尊敬而采取積極的行動來迎合教師的期望,教師也往往會從學生積極的反饋中獲得自身的價值,增強做好教學工作的信心,形成良性循環。其次,教師要營造良好的課堂氣氛和師生關系,要進行賞識教育,多鼓勵,少批評。要從學生的角度考慮問題,及時關注學生的情感,了解學生,因材施教;對不同層次學生提出的問題,解答時有的放矢。同時應尊重學生,愛護學生的自尊心,還要信任學生,采取有效措施鼓勵學生學習基礎化學的自信心。教師應關注學生的學習,對其所取得的進步及時進行表揚,使學生在學習基礎化學知識的過程中獲得愉快的體驗,從而激發其學習的自信心。比如,在學習滴定分析時,我們重點講解酸堿滴定法,學生運用對照學習法,學會了氧化還原滴定、配位滴定、沉淀滴定的終點確定方法、滴定突越范圍確定、滴定誤差以及指示劑選擇等知識,教師要及時給與肯定,這樣學生就有了成就感,從而改變了原來對學習化學知識的逆反心理,消除了學習的恐懼心理,增強了學習自信心。
2 實驗課改革
基礎化學實驗是基礎化學課的一部分內容,實驗對于培養學生專業技能和思維方式是非常好的途徑。通過多年的教學實踐,可以看出高職高專的學生動手操作能力很強,幾乎所有的學生都喜歡做實驗。為此,在培養方案中要加大實驗課的力度。
2.1實驗課的授課方式改革
實驗課的授課方式可以采用“教、學、做”一體化教學,讓學生在做中學、在學中做,使學生在完成一個個實驗的過程中掌握知識與技能,培養良好的素質,這種教學體系既能使枯燥的基礎知識易于被高職學生接受,又符合高職院校“以能力為本位、以就業為導向”的培養要求。比如:將溶液濃度的表示方法這部分放在實驗室講解,讓學生在溶液的配制實驗中學習溶液濃度的表示方法,通過親自動手獲得的知識要比課堂上被動接受獲得的知識更能靈活應用,提升了學生的實踐能力和創新能力。
2.2實驗課授課內容改革
實驗課內容的選取要與專業密切相關,在學生掌握基本實驗操作,具備一定實驗能力的基礎上,可嘗試安排1-2次設計性綜合實驗。比如:在掌握滴定操作的基礎上可以設計測定某種藥物中某一成分,讓學生自己查資料設計實驗方案,自己配制溶液,設計實驗步驟完成實驗,教師在實驗過程中給與一定的指導。通過開設設計性實驗,學生的專業技能水平和思維方式得到很大的提高,教師也能從學生的多種設計中得到啟發,達到教學為科研和生產服務的目的。
3 教學手段改革
3.1多媒體輔助使教學更生動[4]
基礎化學教學中可以運用多媒體輔助手段,通過視頻、動畫、聲音吸引學生注意力,活躍課堂氣氛,加深學生對抽象、枯燥的化學知識的印象。比如:在講到物質結構這一章內容時,通過多媒體動畫模擬雜化軌道的形成過程,學生可以直觀感受、主動思考,從而更有效地學習雜化軌道的類型、各種類型的形成過程及特點,培養學生的主動學習能力。在有機化學部分內容的講解中多媒體手段的作用更是不言而喻,比如:通過多媒體演示來理解取代反應、加成反應的過程,一些藥物分子的結構分析等。但是,在運用多媒體教學手段時很容易出現屏幕代替教案的現象,致使教師照本宣科,這樣就起不到多媒體的作用,筆者認為多媒體是一種輔助教學手段,需要配有傳統的黑板教學,特別是青年教師要在黑板教學熟悉的前提下進行多媒體輔助教學。
3.2開展網絡教學平臺
隨著社會的發展,網絡已經成為我們日常生活中必不可少的信息化資源。近年來,筆者所在的學校大力發展質量工程,積
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極鼓勵教師創建網絡課堂,教師需將本課程相關的電子課件、電子教案、課后習題及答案、參考文獻等教學資源放在網絡教學平臺中,其他教師和學生均可以登陸查閱,可以教學平臺上進行在線答疑、在線討論和布置作業,克服了傳統教學受課時、地點的限制,這樣不但可以及時解決學生學習中的問題,教師也可以通過教學平臺進行交流,提升了教學的效果,實現了優質教學資源的網絡共享。
4 考核方式多樣化
采用平時考核、實驗考核與期末考試相結合考核方式[5],對學生的學習活動和學習效果進行評價。平時考核包括出勤、課堂提問及作業完成情況,要求學生不得曠課、遲到和早退。擅自曠課者每次扣5分,曠課學時超過總學時的三分之一以上者不能參加期末考試,遲到和早退者每次扣1分,這種扣分制度可以督促學生按時上課,培養學生的時間觀念,使學生時刻保持積極的學習心態,養成良好的學習習慣,這部分占總成績的20%;實驗考核包括出勤、實驗報告書寫、實驗操作技能、實驗態度及實驗方案設計,每一個實驗教師都要制定評分標準,實驗過程采取學生自評和教師評定相結合,這樣可以敦促學生積極參與、親自動手實驗,這部分占總成績的40%;期末考試為理論考試,考試內容包括基礎知識和聯系實際自由發揮,占總成績的40%;多樣化的考核方式使學生能夠積極主動參與教學過程,既有利于學生的情感發展,又體現了技能獲得的重要性,實踐證明教學效果良好。
通過一系列的改革措施,學生學習化學的興趣提高了,學習主動性提高了,化學基礎扎實了,專業技能也得到了很好的鍛煉,實踐證明,該教學模式有利于高職高專高素質、技能型人才的培養。
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摘要:基因工程學課程在生物技術專業培養目標中定位于專業必修課,是專業主干課程。該課程與生命科學密切相關,前后與其他學科的有機化學、基礎生物化學、分子生物學、細胞生物學等課程有密切聯系。基因工程學課程是一門承上啟下的高端課程,是連接于本科生和研究生之間的紐帶課程。為適應現代高等農業院校生物技術專業培養創新型人才的需要,基因工程類課程在理論教學、實驗教學以及實踐教學等方面進行了一系列改革創新,并取得了一定的教學成果,為生物技術專業創新人才培養打下了良好的基礎。
關鍵詞:農業院校;生物技術;基因工程;教學改革;實踐
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)21-0133-02
生物技術專業是在順應時代經濟科技發展的條件下建立起來的,學制四年,授予理學學位,培養具備較系統的生物技術專業及相關學科的基本理論和實踐技能,能在有關高等學校或科研單位從事教學或科學研究,能在生物產業、醫藥衛生、農、林、漁、環保、園林等行業從事與生物技術相關的基礎與應用研究、技術開發或管理工作的高級專門技術人才。基因工程學作為生物技術專業的一門專業基礎課,在臨床醫學、農業生產等若干領域實際應用的一門學科,也是最具生命力和最引人注目的前沿學科之一。其任務主要是從分子水平闡明基因操作主要技術的基本原理、載體的構建與應用、基因的表達與調控等內容。目的是使學生掌握高等生物基因工程的研究目標、現狀與進展,以及基本實驗操作技能。
一、教學建設與改革
(一)教學內容與課程設計
基因工程學理論教學內容主要介紹基因工程的基本理論、基本實驗方法以及最新研究成果,闡明基因與基因工程操作的主要技術原理,基因克隆的酶學基礎及基因克隆的各種質粒載體,原核、真核基因的表達與調節,基因的分離與鑒定等內容。基因工程學實驗教學內容以大腸桿菌的感受態制備為基礎,進行質粒DNA轉化大腸桿菌感受態細胞,質粒DNA的提取、鑒定,以及質粒DNA的酶切與連接等實驗。目的是使學生全面、系統地了解和掌握基因工程學的基本理論、實驗技術及實踐技能。
(二)教學方法與教學手段改革
在教學方法上,改變傳統“填鴨式”教學方法,引入案例教學法、互動式教學法及討論式教學法。根據教學目標的要求,課堂上利用案例引起教學活動,將在生產一線、基層培訓中遇到的實際問題和解決的實踐經驗帶入課堂,將參加全國各大學術會議中學習到的最新研究成果、最新學術前沿知識融入課堂,再把諾獎、院士、知名學者等名人事跡和科研成果引入課堂,進行案例式教學。對有爭議性問題,組織學生進行互動式研討,采取具有針對性、實踐性、啟發性、研究性和時效性的教學方式,進行互動式、討論式、啟發式教學。開發學生智力,培養學生能力,提升學生素質。啟發學生思維,增強學習興趣,提高教學效率,最終達到學生自主學習的目的。在教學手段上,采用教學效果更加形象和直觀的現代化多媒體與講授相互結合的手段進行教學,有利于學生對知識的理解和記憶。
(三)教學管理改革
在各個教學環節中,對教學的每一過程都要求一絲不茍、精益求精、認真負責。對課程梯隊新任教師實行試講制度、聽課制度及進修制度,制定自我進修提高計劃,支持青年教師到外校進修或去國外攻讀學位。認真備課,疑難問題及時請教老教授。認真批改作業,詳細解答學生的疑問,做到當堂課問題當場解決。積極開展與本課程有關的第二課堂活動和課題組活動,充分利用實驗環節中的科研訓練項目,促進學生理論聯系實際,培養學生的實踐動手能力、分析問題能力和綜合能力。在課程考核中,課程理論考核占70%,實驗考核占30%。實驗考核根據實驗表現、操作能力及實驗報告綜合評定成績,成績分為A、B、C、D四個等級,即優秀為A、良好為B、一般為C、差者為D。另外,在實驗考核中,納入了科研訓練環節,獨立設計并完成試驗的學生給予實驗考核分數的適當傾斜。
二、教學效果
(一)學生學習效果
基因工程學課程使學生能夠全面系統的了解高等生物基因工程的研究內容、現狀與進展,以及在臨床醫學、農業生產、化學制劑等方面的應用;使學生掌握了基因工程學最基本的五大實驗技術,成為繼續深造讀研學生必備的基本技能。本課程學生考試成績合格率為100%,優秀率達85%以上;在學習本課程的基礎上,考研學生的錄取率達90%,入學研究生學校的反饋評價優秀率為100%。
(二)學生科研成果
近年來,通過一系列的教學改革與創新,本專業學生根據基因工程學課程實驗和實踐教學中科研訓練項目的研究內容和試驗經驗,本科生申請立項大學生創新創業訓練計劃項目20余項,其中“國家級大學生創新創業訓練計劃”項目2項,“省級大學生創新創業訓練計劃”項目3項,“校級大學生創新創業訓練計劃”項目18項;20余人本科生發表科研論文,其中本科生為第一作者發表科研論文10余篇,核心期刊論文8篇;本科生獲獎20余人次,其中獲得第十三屆、第十四屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽三等獎2項,獲得第十三屆、第十四屆“挑戰杯”吉林省大學生課外學術科技作品競賽二等獎2項,院校級學科競賽獎多項。在取得上述成果的基礎上,3名學生獲得本科生優秀畢業論文,6名學生保送碩士研究生,10余名學生順利考入南開大學等知名院校研究生。
總之,基因工程學課程作為生命科學領域的核心課程,在理論教學、實驗教學以及實踐教學等方面進行了一系列改革創新,取得了一定的教學成果。尤其在基因工程學實踐教學方面使學生獲得了實實在在的基本實驗操作技能,為學生繼續深造攻讀學位、完成畢業論文試驗做好了墊,也為生物技術專業創新人才培養打下了良好的基礎。在今后的教學中,對生物技術專業課程將繼續進行探索和創新,以期達到培養具有高科研素質創新人才的目的。
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收稿日期:2016-12-10