生物信息學的概念大全11篇

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探究性學習運用于生物的概念教學，問題情境的設置可從學生已有的基本概念出發，這樣可以幫助學生在鞏固舊知識的同時同化形成新概念。在初步形成對DNA分子的結構的認識之后，可以讓學生讀課本的結構模式圖，圖中的信息可以使學生全面了解DNA的組成、化學鍵的形成、配對方式、鏈的方向等相關的原理，幫助學生理解復雜的概念，同時也培養了學生的空間想象能力，構建難忘的知識體系。

探究的問題情境：

（1）請你觀察DNA是由幾條鏈構成的？它們的位置關系怎樣？它們的方向一致嗎？DNA具有怎樣的立體結構？

（2）DNA的基本骨架是由哪些物質構成的？它們位于DNA的什么部位？

（3）DNA中的堿基是如何配對的？它們位于DNA的什么部位？

（4）怎樣叫一個脫氧核苷酸？它的三個組成成分是怎樣鏈接起來的？

（5）脫氧核苷酸間是怎樣鏈接的？

對于第一個問題中DNA分子的兩條鏈的方向的回答，學生一開始認為兩條鏈的方向都是右旋，是一致的，這時教師不應急于點評。后來通過第二和第四個問題的討論，有學生提出根據脫氧核苷酸的連接方式，兩條鏈的末端的分子并不一樣，這時教師要鼓勵學生的質疑，組織學生重新認識DNA分子的結構。

通過這幾個問題，使學生關注到DNA分子組成的幾個關鍵點，并在大腦里形成有關DNA的具體清晰的結構圖。在此基礎上，通過對課本文字資料的閱讀，整理出有序的、規范的、簡潔的文字描述，形成對DNA分子結構概念的第二步認識。

例2：模型構建，小組合作檢驗概念教學效果，引發新的問題探究。

對于結構概念的學習，模型構建是最直接最有效的教學途徑。在現代生物科學研究中，模型方法被廣泛運用。新課標提出“要讓學生領悟生物科學理論或模型的科學美”。在生物科學學習中，模型提供觀念和印象，是非常吸引學生的生動的感性材料，是學生知識結構的重要組成部分，所以建構模型也可以培養學生的科學探究能力。有效地進行這部分的教學還有助于學生對結構和功能的統一及其它相關內容如“DNA的復制”的理解。

模型建構：每個四人小組自備制作DNA分子雙螺旋結構的材料用具。每個小組組裝一個含有二十個堿基對的雙螺旋DNA分子片斷。時間：10分鐘。超時的小組，全班放學時罰跑步兩圈。

建模活動除了有教學意義之外，還在于回應第一個探究情境的問題四：協作能力的重要性。活動結束后的分享和知識延伸：

（1）當你發現組員出錯或者自己出錯時有什么感受？你周圍的組員中哪些人的行為讓你記憶尤深？問題最后是怎樣得到解決的？

（2）你和你的同桌選用的堿基在一開始就能正確配對嗎？你對你們的成功（不成功）的經驗（教訓）有什么感想？

知識延伸的方面主要在于兩條鏈的方向、DNA的多樣性、DNA的穩定性、DNA中遺傳信息的攜帶、DNA的解旋。據此可以設置如下問題：

（3）各小組DNA的連接是不是都是正確的？

各小組展示自己的制作成果，發現多數小組分子間連接正確，各種小分子的形態、顏色區分明顯，整個DNA分子比例恰當，制作精良。也有個別小組材料準備不充分，如：四種堿基沒有用不同的顏色和形態區分、磷酸和脫氧核糖沒有用形狀區分、沒有立體構型等。多數學生都能指出這些錯誤，說明已經掌握相關知識。

有些班這里沒有錯誤，教師可以自己設置錯誤，如調換磷酸的位置、更換不同顏色的堿基位置等。在明確概念的基本內容的基礎上，給學生舉出有關概念的正面和反面的典型例子，是深刻理解概念的必要手段。學生由于認知能力的局限性，在討論、探究中難免有偏差、錯誤，這就需要教師的指導、點撥。新課標強調“對學生獨特的感受和體驗應加以鼓勵”， 教師也應及時對學生的觀點看法進行點評、補充。

在課堂教學中，學生對概念的掌握往往是一個逐步深入和提高的過程，一般都是由現象到本質、由簡單到復雜、由具體到抽象的完善過程。因此，在教學過程中，感性材料的認識和分析、感性到理性的提升、概念本質的剖析、知識結構的系統化是教師進行概念教學的幾個突破點。在新教材的探究性學習中，基于學生的知識水平和認識規律進行的有計劃的探究性學習，能幫助教師有效的進行概念教學，成功地引導學生沿“感知――分析、綜合等抽象思維――形成概念”這樣的路徑，正確地形成、理解、掌握和運用概念。讀圖分析，動手建模有利于學生加強感性認識，使知識概念經驗化、直觀化，有助于學生記憶和理解，還可以反饋學生對DNA分子結構概念的認識。

本案例主要從教師創設探究情景的角度，對生物概念的課堂教學展開了分析和探究，而創設情景的主要目的是引發學生的探究活動，尤其是思維探究的活動，教師必須對教學進行過程中學生因思維活躍以后迸發出的教學設計、教材外的資源具有敏感性和重組的能力，實現師生積極、有效和高質量的多向互動。因此，教師除了在設計中要有“結構”意識和形成“彈性化”方案，在課堂教學過程中，更重要的是必須學會傾聽，把注意力主要放在學生身上，要學會及時作出合適的應答，通過多向交互作用，推進教學過程。

在教學過程中，教師不僅把學生看作“對象”、“主體”，而且看作是教學“資源”的重要構成和生成者。學生在課堂活動中的狀態，包括他們的學習興趣、積極性、注意力、學習方法與思維方式、合作能力與質量、發表的意見、建議、觀點，提出的問題與爭論乃至錯誤的回答等等，無論是以言語，還是以行為、情緒方式的表達，都是教學過程中的生成性資源。教師要不斷捕捉、判斷、重組課堂教學中從學生那里涌現出來的各種各類信息，推進教學過程在具體情境中的動態生成。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.生物課程標準.北京師范大學出版社，2003，2.

［2］任長松.探究式學習:18原則.

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生活是一個巨大的資料庫，儲存著眾多的知識寶藏，這些知識寶藏都是以生活現象的形式存在著的，教師應該挖掘生活中與課堂內容有關的一些現象，將它們置于學生面前，并將課堂內容植入其中，讓學生更能透徹地對具有理論性的課堂內容加以理解.以“細胞呼吸”這一核心概念的教學為例，教師在進行課堂教學內容導入的時候，可以將生活中的有關現象擺在學生面前，這些在生活當中發生的現象是學生日常所接觸的，但由于沒有理論知識做支撐，這些現象對學生而言既熟悉又陌生.由于他們對這些發生在周圍的現象的緣由不清楚，再加上他們自身受強烈求知欲的支配，使其被該內容吸引，并隨著教師一步步的引導，漸入課堂的臻境.例如，在講解“細胞呼吸”這一概念的時候，教師可以將生活現象作為引線，以提問的方式導入課堂內容：同學們你們知道為什么我們每天都離不開一日三餐嗎？起初，學生認為這一問題很簡單，顯然是為了填飽肚子，補充身體所需的能量.“那么我們吃下去的食物又是如何轉變為自身的能量的呢？”面對這一問題，在場的學生啞然.然后教師再進行新課導入，“要想了解能量轉變的過程，我們首先就要揭開'細胞呼吸'這一面紗.”通過教師這一順勢的引導，學生就會注意力集中，聽教師將謎底一步步揭開.細胞呼吸是在細胞內，生物體內的有機物經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產物，并且釋放能量的總過程.

二、問題情境創設，學生自主探究

一個問題的產生又會牽引出一系列的問題，形成問題的連環扣.而對于這些問題來說，它們都是以生活作為源頭，以生活作為存在的情境，是我們常常接觸到，既熟悉又陌生的問題現象，對我們的生活起著重要的影響，可以說，它是組成生活的一部分，這就決定了它的可探究性.在生物課堂教學中，教師要利用這一點，創設有效的問題情境，讓學生通過自主探究，進一步深刻地了解生活，走進生活.

對于“細胞呼吸”這一概念而言，在生活中我們常常會接觸到.它是生物體內的有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產物，并且釋放能量的總過程.從細胞呼吸的方式來看，主要分為兩種，一種為有氧呼吸，另一種為無氧呼吸.這兩種呼吸方式在生活中各有指涉現象，所以為了更好的研究，教師應該挖掘生活當中潛藏的有關現象，進行循序漸進的提問，并鼓勵學生進行自主探究.在生活當中，用于釀酒以及發面的酵母菌是一種單細胞真菌，無論是在有氧還是無氧的情況下，酵母菌都可以很好的生存，而且該菌屬于兼性厭氧菌.正因為這種雙重的呼吸方式，才便于教師引導學生研究細胞呼吸的方式.關于酵母菌的呼吸現象在生活中比比皆是，例如在日常生活中我們所吃的饅頭或者面包，你會發現它們在利用酵母菌之后而變得疏松多孔，這就是酵母菌在發酵的過程中，發生了氣體膨脹所導致的.基于這一情景資料，教師可以向同學提出問題，并引導其自主地解決問題.例如教師可以問學生：對于酵母菌來說，它實質上是以怎樣的方式來進行細胞呼吸的？其二，發酵時，酵母菌主要產生的是哪種氣體？學生根據已有的知識和經驗，以及所創設的情境資料，就會針對問題進行假設性回答：如果說酵母菌在無氧以及有氧的情況下都能生存，那么這就說明酵母菌既可進行有氧呼吸，又可以進行無氧的呼吸.其二，既然酵母菌可以用來發面，那么其有氧呼吸的產物可能是CO2.這樣一來學生就會對細胞呼吸有一個整體的了解，為以后進一步的學習奠定了基礎.

三、分組實驗，突破難點、重點

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1.以生命科學史教學為主的高中生物課堂教學

新課改以來，生物教材的編寫更加注重生物科學素養的培養和科學方法的訓練，使得學生更加理解知識以至形成較為正確的科學觀念和正規生物學科學習理念，讓學生對生物科學史能夠加深其自身過程理解能力和本質理解能力等，此類方式無疑是當前我國高中生物教學過程中教學效果最為明顯的一種教學形式。需要注意的是，就具體高中生物教學而言，生物課程概念理解尤為重要，其主要體現在核心概念形成上、核心概念發展過程上和核心概念內部自含方法上，所以利用生物科學史速進學生對生物核心概念建構的確切實可行。

2.通過比喻來使一些抽象化的問題變得簡單易懂

在生物學核心概念中，抽象化生物概念居多，學生并不是很好理解，那么我們就需要將這些抽象化概念來進行具體化形式體現，再把具體事物抽象出來，同時將其運用適當方法加以表現，可使學生直觀了解相關高中生物抽象化基本概念和基本含義。最為常見的例子即為生物核心概念“染色體組”，在此案例中，可用撲克牌的類比方法來教予學生；“減數分裂”可以通過橡皮泥反應染色體形態變化模型方法來進行傳授，把父母雙方染色體分別用不同顏色的橡皮泥來予以正確表示，只有這樣才能夠在一定程度上以生動形象的方式表現出減數分裂各個時期染色體所表現的行為。這種比喻方法可以使學生對生物學概念的抽象從而變得簡單通俗，更能夠加強學生對此種教學方法的理解能力。

3.運用比較來尋找差異

生物核心概念中大都意義相近或關系較為密切，這便會使學生對一些生物概念比較容易混淆，以至不便于學生理解和學生掌握。例如就拿光合作用于呼吸作用來比較，可以通過它們的反應場所、條件以及物質變化和能量變化等四個方面來做對比，從中可以看出，光合作用是通過植物、藻類和某些細菌以二氧化碳和水做原料，必須有葉綠體的情況下通過光合作用形成含糖的有機物，之后在此基礎上進行有機物的合理存儲，但此時呼吸作用則與之相反。這樣通過對比來了解兩者之間的聯系和差異，以便加深學生對這兩個概念的理解和認知。

4.對高中生物核心概念的剖析

從生物學資料和生物學科網絡資源中可以看出，現下國內較為常見的一種高中生物核心概念就是一種名字解釋和學科基本定義。我們通常所說的高中生物核心概念就是高中生物重點概念和學科自身內部重點名詞以及解釋等。所以，高中生物學科蛋白質、高中生物學科核酸、高中生物學科光合作用、高中生物學科呼吸作用、高中生物學科中心法則、高中生物學科生態系統等等皆被視為高中生物學科核心概念，教師認同感倍增。此條首要一點就是要抓住生物核心概念關鍵詞，例如同源染色體的概念是：配對兩條染色體，染色體形狀和染色體大小一般情況下大都處于等同狀態，一條來自父方，一條來自母方，此種形式亦被稱為叫做同源染色體。

5.使用多媒體輔助工具等進行加深理解和認知

隨著現代社會科技的飛速發展，多媒體文化教育技術已經越來越成熟普遍。通過計算機對視圖、文字、動畫、音頻的處理可以使一些抽象的生物概念被形象生動的表現出來，此項技術具有圖、文、聲并茂，刺激多種感官認知以至學生加強對生物概念理解和對此類生物學概念意義長久保持，同時也能夠渲染優異教學環境，營造良好學習氣氛。之后在此基礎上做出概念圖來對基本概念進行系統分析，一般構建一個完整的概念圖需要以下幾個步驟：擬定一個生物概念主題，列出與主題相關的概念；將被整理出的主要概念進行科學合理排序，按照概念的邏輯關系和等級確定關系；初步擬定概念圖的縱向分層和橫向分支；用連線方式建立概念之間關系連接并注明兩者之間關系；通過射線來標明兩者間主從關系；為了更加全面了解概念圖的解析，下面復雜概念圖便能夠對此類知識進行全面闡述和說明，表明了高中生物概念教學細胞增殖方式、高中生物概念教學意義等生物核心概念的基礎性關聯，適時突出各種核心概念間的有效關系。

上圖我們可以清楚劃分各概念之間主從關系，高中生物核心概念教學中，學生更能夠對部分高中生物學科概念和內容加深理解，無論是在教師授課上，還是以后學生的系統復習中，教學效果尤為明顯，可將零散知識逐步系統化，系統知識逐步零散化，使學生在生物概念的整個學習過程更加積極、主動。

結束語

綜上所述，高中生物課堂教學過程中應以學生為整個結構教學體系中的主體，發揮出教室原有教學引導作用，加大概念教學力度，大力培養學生自主實踐能力和綜合素質，對課堂任務和課堂教學內容進行仔細分配，然后根據學生具體學習情況，合理安排課后作業和實踐活動。本文針對當前我國高中生物教學現狀，對高中生物課堂有效教學的相應教學策略和教學途徑進行詳細分析和闡述，希望為我國高中教育事業的發展提出相應合理化建議。

參考文獻：

[1]裴新寧。概念圖及其在理科教學中的應用[J]。全球教育展望2001，8：47-51

[2]張洪榮。《淺談生物學基本概念教學中的設疑方法》中學生物學2002（02）：：1-14

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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、Unixshell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。

二、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。

三、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。

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關鍵詞：師范教育改革；生物學信息學；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0102-02

隨著教育的發展，教師體制也不斷發生改變，順應發展的趨勢，教師資格證的改革開始不斷推進與完善。2012年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》精神和教育部部署啟動全國中小學和幼兒園教師資格證改革試點工作，2013年《中小學教師資格考試暫行辦法》出臺并規定：試點啟動后入學的師范專業學生申請中小學教師資格應參加教師資格考試。2015年我國正式實施教師資格證國考制度，并實行五年一個周期的注冊制度。教師資格證制度的變革是對高師院校實施教學改革的促進同時也是對師范生的挑戰。改革制度下更要求提高教師的綜合素質和學生能力的培養，而《生物信息學》所具備的專業性與前沿性正是師范教育對學生著重培養的方向與目標。

《生物信息學》是一門交叉學科，包含了對生物信息的獲取、加工、存儲、分配、分析、解釋等在內的所有方面，運用數學、計算機科學和生物學的各種工具闡明和理解大量數據所包含的生物學意義。隨著大規模的基因組測序工作的開展，生物學數據獲得了大量的積累，生物信息學悄然興起并得以蓬勃發展。生物信息學使學生了解學科前沿和新技術進展，同時培養學生綜合運用知識的能力。但目前多數院校只將其設為選修課程，重視程度很低，而且在教學內容、方法等方面存在一些問題。由于師范教育改革對師范生要求不斷提高，課程的學法和內容也要與時俱進，怎樣建構新的課程體系是高師院校需要解決的問題。

一、課程教學現狀

1.師資力量薄弱。生物信息學不僅對教師專業知識要求高，同時也需要有計算機理論基礎的教師來授課。但目前教授生物信息學課程的教師大多都為其他生物學課程的教師，這些教師往往缺乏專業的生物信息學分析軟件操作訓練和計算機基礎，不能將各學科更好融合。

2.教學方法滯后。生物信息學是一門交叉學科，但教師在教學過程依舊采用傳統教學方法，計算機輔助教學不常見，這種授課方式不僅效果欠佳也沒有發揮此學科的優勢。而且在教學過程中不注重培養學生對生物信息學的重要性的認識，所以學生認為該課程只是理論學科，認識不到其對實踐操作能力的重要和生物數據分析的意義。

3.實踐教學不足。受傳統的教學觀念影響，教師在教學過程中只注重理論教學忽視實踐教學，導致學生所學的理論知識與實踐脫節。因為生物信息學對于網絡高度依賴，但由于受學時限制，課堂教學的內容有限，實踐教學課時數較少，內容也比較簡單，缺乏完善的實踐教學過程，學生也缺乏實際動手操作的能力。

4.考評方案簡單。生物信息學的考核重點是學生對生物信息基本概念的理解，軟件操作的掌握程度及生物數據分析解釋的能力。但一些學校的考試形式還全部是理論知識，缺少實際操作能力的檢驗，這種考評辦法的評價效能差，而且不能體現學科的特點。

二、課程體系建設優化

1.提高教師素質。教師是教學的核心資源，其知識水平和操作技能都會影響教學的效果。提高教師素質首先要對任課教師開展《生物信息學課程教學改革和實踐》專題講座，其次鼓勵教師通過查閱相關文獻，了解課程的特點及發展，組織大家進行討論，再次，也要積極組織教師參加科研活動，提高科研新能力，在科研過程中進一步了解本學科的前沿內容。

2.編寫教學標準。如今的教師專業化不只是強調教師要有扎實的理論知識，更要有實踐能力。所以生物信息學的課程建設改革要組織新的教學內容，合理安排理論學時特別是實驗學時。課程標準對生物信息學的研究內容、現狀和發展前景做具體的介紹，主要對生物信息學的基本概念和基本方法進行講解，重點是分析軟件的操作方法和生物學數據庫的使用方法的講解。

3.改進教學方法。師范教育改革意味著對師范生各方面要求的逐漸提高，學生不能只被動接受知識，所以教師在教學中要利用多媒體輔助進行直觀教學，演示生物學數據庫的瀏覽與檢索，軟件的使用，基因序列的檢索、基因閱讀框架的找尋、序列比對、進化樹的構建等操作。教師也可以提供課件和DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BIOEDIT等軟件安裝程序及使用手冊等擴大學生的自學空間，使學生的被動學習變為主動學習，也符合師范教育對學生創造能力、應用能力的培養。

4.教學科研結合。生物信息學教學強調能力的培養，且學科的交叉性也能使學生將所學知識與之結合。教師可以鼓勵學生參與相關課題研究，學校也可以提供機會讓學生參與到創新創業性研究的科研項目中，這樣的學習方式可以激發學生對科研的興趣，鞏固課程中所學到的知識，使學生掌握生物信息學課程的實踐技能，也更好的體現對師范生創新能力培養。

5.優化理論課結構。師范教育提倡以學生為主體的授課方式，所以課堂可以采取不同的學習方式如小組合作或學生講述等以此豐富理論課的教學模式。教師可以提出問題由小組成員討論研究學習，課堂也可以以自講的方式進行學習，學生通過查閱資料了解學科在臨床醫學、藥物產業等方面的應用以及在后基因組時代的主要研究內容等，不僅掌握了前沿知識同時也鍛煉教師技能，對于師范教育培養有很好的促進作用。

6.加強實驗課建設。師范教育在強調師范生理論知識的同時更注重實際的操作能力，所以實驗教學起著越來越重要的作用，在學習中通過生物數據庫的使用，可以提高學生處理生物信息的能力。生物學數據庫均可以通過網絡提供數據檢索服務，學生可以根據理論知識進行相應的實際操作。學院可以進一步開放實驗室，為學生創造動手操作的自學實驗環境。

7.改革考核方法。考試是檢測教學效果的方法，也是促進學生學習的有力手段。如何考核需要制定詳細的評價指標體系。生物信息學的考核改革是在基礎考核之上增加了小組答辯和論文成績。小組答辯以生物信息學在疾病研究中的應用為擬設計命題，培養學生協作收集整理相關文獻并展示其整合分析結果的能力。論文以蛋白質生物信息學分析在藥物靶點挖掘和藥物設計中的應用為題。最后根據論文結構完整性和內容獨創性、條理邏輯性和學術水平進行評分。

三、課程體系構建的進一步設想

進一步利用網絡學習平臺慕課擴展生物信息學的理論深度與新技術發展，學生可以進一步接觸并利用云計算等技術對大數據進行處理，或基于手機客戶端讓學生隨時可以查詢及學習，這樣的構建既是生物信息學課程建設的發展，也是培養學生能力的體現。生物信息學課程建設改革對學生綜合運用知識的能力起到了促進作用，也加強了理論聯系實踐的操作能力。生物信息學能夠培養學生全面掌握生物學知識，對今后選擇生物學科領域的工作有推動作用，也是師范生成為合格人民教師的理論基礎。

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篇（6）

作者簡介：劉偉（1979-），女，遼寧鐵嶺人，國防科技大學機電工程與自動化學院，講師；張紀陽（1979-），男，湖南泌陽人，國防科技大學機電工程與自動化學院，講師。（湖南?長沙?410073）

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）23-0060-02

21世紀是生命科學的世紀，生物技術飛速發展，生物學數據大量積累。而生物信息學正是在這種大背景下蓬勃興起的交叉型學科，旨在用信息學方法解決生物學問題。為了培養復合型人才，大力發展交叉學科，國防科技大學（以下簡稱“我校”）近年來面向全校理工科研究生開設了“生物信息學”選修課程。

“生物信息學”作為新興的交叉學科，具有融合性、發展性和開放性的特點。[1]融合性是指生物信息學涉及的生物、計算機、數學等多個學科的交叉與融合。從20世紀90年代到現在，該學科發展非常迅速，研究熱點發生了數次改變。開放性是指該學科存在大量有待探索和研究的新問題。這些特點一方面為課堂教學提供了大量的主題和素材，一方面也對授課方式提出了較高的要求。經過認真分析，選定研討式教學作為該課程的主要授課方式。研討式教學即研究討論式教學，是將研究與討論貫穿于教學的全過程。[2]在教師的具體指導下，充分發揮學生的主體作用，通過自我學習、自我教育、自我提高來獲取知識和強化能力培養。[3]通過確立教學目標，精心設計和組織教學內容，在實踐中貫徹研討式教學理念和方法，在生物信息學課程中對研討式教學模式進行了理論探索和實踐創新。

一、教學目標的確立

合理的課程目標與定位是決定課程建設成敗和教學效果的基礎，其主要依據是人才培養需求和授課對象的實際情況。首先，教學對象是研究生，已具備一定的自主學習和創新思維的能力。教師不僅要傳授知識，而且要講解基本的研究方法，讓學生具備獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力。其次，作為軍校學生，以后從事的工作可能涉及很多學科方向，展現如何針對一門新的學科方向進行研究的整體思路顯得很有意義。最后，考慮到學生不同的知識背景，對于各部分內容的理解程度不同，必須兼顧不同的專業方向，讓每個學生都能有所收獲。因此，確立教學目標為：介紹生物信息學的基本概念和方法，通過案例分析展現科學研究的基本方法和實踐過程。

二、教學內容的設計和組織

1.教學內容的總體設計

確定了教學目標之后，需要對課程的教學內容進行總體設計。參考國內外多所高校的相關課程設置，如北京大學的“生物信息學導論”、中科大的“生物信息學”、中科院的“生物信息學與系統生物學”和MIT的“Bioinformatics and Proteomics”等，發現這些課程主要是針對生物專業的學生開設，側重于方法學介紹。而我校學生大部分是工科背景，對于統計和機器學習方法有一定基礎，重點是了解相關的生物學問題，并應用已有的工科知識去分析和解決這些問題。同時，隨著生物信息學的快速發展，研究領域不斷擴大，有必要展現該學科的最新進展。

因此，課程內容總體設計上以生物學問題為主線，結合最新的研究成果，對各種計算方法的應用過程進行深入和細致的講解。在介紹生物信息學的研究現狀和生物學基礎知識之后，分多個專題詳述生物信息學最新的研究進展，各專題在內容上相互銜接，由淺入深，以便學生理解和接受。以問題為導向的課程設計對于啟發學生思考，積極參與課堂研討具有重要作用。

進一步，為了突出部分重點專題及其分析方法，采用案例分析課的形式，針對一些重要問題進行深入探討。鼓勵學生應用所學知識，結合自身的專業背景，通過積極地思考和討論提出相應的解決方案。案例選擇為教師有一定研究基礎的開放性問題，一方面介紹已有的研究成果，一方面結合教師的研究體會，通過積極討論拓展新的研究思路。案例分析課有助于學生更多地參與課堂研討，對于知識的綜合應用和科學研究過程產生切身體會。

2.教學內容的組織

研討式教學的關鍵是調動學生的積極性，鼓勵學生踴躍地參與課堂討論，提出自己的觀點。通過集中備課，學習和吸取老教師的成功經驗，總結調動學生積極性的基本要素，對授課內容進行了認真的組織和編排。

（1）重點突出，詳略得當。由于生物信息學涵蓋內容非常豐富，有必要對課程內容進行取舍，在保證知識面的基礎上，突出授課的重點。減少或刪除重要性較低的部分，采用圖片和動畫等形式對重要的知識點加以強調，以深化學生的理解。只有學生對重點內容理解透徹，才能激發出濃厚的學習興趣，積極參與課堂研討，碰撞出智慧的火花。

篇（7）

【中圖分類號】O158 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0243-01

1.引言

21世紀是“生命科學的世紀”，隨著實驗技術的突飛猛進，人類對生命現象的理解也越來越深入，國內各大實驗室和科研機構正在進行大規模的濕實驗，產生的實驗數據量驚人，已經突破傳統的實驗科學研究的范圍。從20世紀末，伴隨著人類基因組計劃的開展，許多計算機科學家，應用數學家，物理學家都參與系統處理和分析涌現的大量實驗數據的研究中，并形成了一個新的交叉學科“生物信息學”。生物信息學在近二十年來得到快速的發展，在國內外知名院校的研究生教育中已經開展了生物信息學課程。近些年，國內各知名院校相繼開設了生物信息學本科專業，專門培養生物信息學人才。然而在本科生物信息學課程規劃和設計方面，各個學校都處在探索階段，本文淺談將離散數學作為生物信息專業基礎課設立的必要性，課程設計和規劃，及在教學中遇到的問題和體會等幾個方面。

2.離散數學在生物信息學專業開展的必要性

生物信息學是生命科學、計算機科學和數學相交叉所形成的新學科，因而生物信息學的專業基礎的課的設置比較復雜。 雖然這三個傳統學科的基礎課的設置可以作為生物信息學課程設置的參考，然而他們每個學科的知識量非常大，如何在本科階段的基礎課階段精選出合理的課程體系，讓生物信息學專業的學生在兩年內掌握三個學科的基礎知識，并能較好的與后續學習的專業課結合上是目前生物信息學本科教育的一個急需解決的問題。 生物信息學專業從無，到課程體系的基本構建完成大概經歷十年左右的時間，具有相關專業的院校都進行了有益的探索，特別是在本科教育前兩年基礎課授課的內容已經基本完成。 哈爾濱醫科大學生物信息科學和技術學院是國內首個開設生物信息學本科專業的學院，在過去近十年的本科教育中積累豐富的經驗，并進行了多次教學討論和改革。 隨著計算機科學的快速發展，離散數學這個古老的學科又重新煥發了青春，并在現代數學中得到了快速的發展，它已經成為了計算機科學和數學兩個學科教學的核心課程， 并成為了我院生物信息學專業的基礎教學的一門重要課程。結合近些年，在生物信息專業教授離散數學的過程，深刻體會到離散數學在本科基礎教學中開設的必要性。離散數學是指研究離散量的結構及其相互關系的綜合學科。離散數學的重要性逐漸被人們認識，從理論計算機科學到計算機應用，從計算機的硬件和軟件開發到人工智能和人工識別，無處不在體現著離散數學包含的思想和方法。而生物信息學研究中核心的工具是計算機，培養生物信息學專業學生利用計算機這個強大和有效的工具解決實際問題是基礎課設過程中需要考慮的重要方面。離散數學因為在計算機科學中獨特的地位，使得它已經成為生物信息學專業必不可少的一門基礎課。

3.離散數學的課程規劃和設計

由于生物信息學是一個多學科的交叉的專業，因而離散數學的課程規劃和設計是不可能如計算機專業和數學專業那樣分成幾門課程：組合數學，圖論，數理邏輯和運籌學等分別授課，這樣會導致學生的學業負擔過重，而且是難以實現的。因而需要根據學生認知規律，從數理邏輯，組合數學，圖論和運籌學精簡一部分和生物學信息學及計算機程序設計密切相關的內容進行講授。講授的時間一般應在本科階段第三個學期。 此時，與數學相關的基礎課高等數學，計算機科學相關的計算機理論基礎、C語言，及生命科學相關的分子生物學等課程已經講授完畢，離散數學的授課將可以和這些基礎知識結合，促進對離散數組的分析研究的認識，并對后續的計算機程序設計課程的開展打下堅實的基礎。

離散數學的課程設計的總學時一般為72學時，分為理論課和實驗課兩部分。理論課一般為56學時，計算機實驗課為16學時。由于生物信息學是一門側重應用型的專業，因而理論課和實驗課，可以實現理論和實踐的有效結合，把數學知識轉化成解決問題的有效工具。由于離散數學中包含的內容較多，因而需要數理邏輯，組合數學，圖論和運籌學的基礎知識進行精簡。基礎課中，數理邏輯一般授課為8學時，重點講授集合論知識；組合數學是授課的重點，課時數為24學時，重點講授組合計數和排列組合的生成算法等基礎知識；圖論是側重應用部分，授課學時數為12學時，授課重點為無向圖和有向圖的基本概念及最短道路和最小生成樹的搜索算法的知識；運籌學方面的授課學時為12學時，授課重點為線性的最優化的理論知識。實驗課是對學生學習理論知識的有效檢驗和升華，可以調動學生的學習積極性和熱情，實驗課共16學時，可分為4次，每次4學時。實驗課內容可設為：排列組合生成算法，最短道路搜索算法，最小生成樹的搜索算法和二次線性規劃的搜索算法的實現，實驗課順利開展便于培養學生的動手能力和學習的自信心。

4.教學實踐及體會

在講授離散數學的過程中，深刻體會離散數學具有知識點多及交互性強的特點，因而在授課過程中不可能把每一個知識點講細，面面俱到。教師授課應力求“講思想，講重點，講方法，講體會”，應該充分相信學生的自學能力和探索的潛力，著重培訓學生的探索發現的能力，給學生一個足夠大的思想空間，培訓學生獨立解決問題的能力。由于離散數學的發展目前處于活躍期，很多新的知識正不斷補充進來，而且這些知識和現實中存在的問題能夠結合，從而要求教師需要不斷學習和進修，提高自己的數學修養，來引導學生更好的學習離散數學，為生物信息學相關的其他課程打下一個良好的基礎。

篇（8）

關鍵詞：生物信息學；生物科學；生物技術；教學模式改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）26-0145-02

一、開設生物信息學課程的必要性

生物信息學學科發展迅速，不斷與其他學科相互滲透，而醫學院校生物科學和生物技術專業的學生主要從事生命科學相關的研發和技術，涉及生物、醫藥、食品、環境、農業等領域。掌握生物信息學這門工具，為今后走上工作崗位，提供新的研究手段和途徑是十分必要的。因此，在醫學院校部分專業（如生物科學，生物技術等）開設生物信息學必選課程具有重要意義。

二、目前存在的問題

1.教學內容陳舊和教學資源缺乏。我國高等院校開設生物信息學時間相對較晚，在教材選擇中首先調研了其他院校和目前出版的教材內容情況。發現大部分生物信息學教材都包括生物大分子（核酸和蛋白質）的信息資源，基因組分析信息資源，數據庫搜索軟件，核酸序列分析和多序列比對等軟件的核心內容，除了共性的章節外，不同的教材內容和重點各不相同。但是生物信息學發展迅速，除了基礎內容外，大部分內容都在快速地更新，比如引物設計軟件的使用等。而目前，生物信息學教學資源較匱乏，完善的生物信息學課程的教學大綱、教案、教學視頻、多媒體課件和習題等教學資源稀少。

2.課程內容與教學課時不匹配，教學進程安排不夠合理。首先，由于生物信息學是一門多學科交叉的綜合性學科，生物信息學課程學習前需要理解和掌握一些生命科學相關知識背景，如基因組學、蛋白質組學、生物化學、分子生物學和遺傳學等，深刻理解一些生物學基本概念，如基因序列、蛋白質序列、非編碼區、啟動子等，并初步了解一些重要的生物學數據庫。因此，講解透徹該門課程需要教師在課堂上花費一定的時間介紹相關背景知識。然而由于醫學院校學生課程門類眾多，客觀條件決定無法為生物信息學安排足夠多的課時。目前我校教學大綱規定的授課僅為20學時，學時少與教學內容多的矛盾就顯得非常突出。教師需要在有限的教學時數下灌輸大量內容，因此無法深入講解每個章節的內容，增加了學生學習的難度，降低了教學質量。

其次，教學進程安排不夠合理。以我校生物技術專業學生為例，本科二年級第一學期學習生物信息學課程。此階段學生雖然學習了一年多的專業基礎理論知識，但是專業基礎知識較為薄弱，同時實驗設計等相關實踐較少，缺乏對實驗細節的理解與實驗設計的整體把握。而生物信息學課程是一門實踐性學科，所以有必要在生物信息學課程的教學中滲透實驗設計的理念，課程學習中靈活運用專業基礎知識，達到學生的專業基礎知識與生物信息學的知識與不脫節，從而激發學生學習熱情。

3.教學模式單一，理論與實踐教學脫節。對于醫學院校生物科學和生物技術專業的學生，本課程培養的主要目標是：如何在現有數據庫中查找想要的信息，如何通過在線程序或利用現有的分析軟件，處理相關數據，解決生物學問題。學生需要通過親身實踐，才能熟練掌握生物信息學的數據庫、分析方法、軟件。但是很多醫學院校教學條件有限，沒有相應的計算機實訓室，配套軟件也相對匱乏，教師在授課過程中根據課件照本宣科，并不能結合具體實例邊講解邊示范操作，同時，多數高校開設的生物信息學課程以理論教學為主，缺乏實踐教學課時。然而，生物信息學的學習，如數據庫的檢索與使用、序列比對分析軟件的應用、引物設計軟件的應用等都需要學生在實踐課中進行驗證或操作，理論知識與實踐環節脫節嚴重，從而影響了學生對課程的理解和掌握。

三、生物信息學教學模式改革探索

1.修改理論教學大綱，精選教學內容。由于生物信息學內容繁多，應針對不同專業特點精心挑選授課內容，在有限的課時中讓學生學到最基本且重要的生物信息學理論知識。目前我們選用的是浙江大學出版社第一版的生物信息學，結合生物科學和生物技術兩個專業的特點，本教學團隊編寫了教學大綱，對教材內容進行了更新和優化，將重點集中于應用性較強的生物信息學實踐分析技能和離線單機版生物信息學軟件的使用上，具體內容包括核酸及蛋白序列數據庫、序列的相似性搜索、序列比對、系統進化樹的構建以及蛋白質的結構與預測和引物設計等基本內容。同時考慮生物信息學學科的前沿性和交叉性，我們又增加了蛋白質組學和非編碼RNA，基因芯片、qPCR、深度測序等操作原理及流程預測等內容。為了適應生物信息學快速發展的要求，擴大學生的知識面，推薦了包括DavidW .Mount編寫的《Bioinformatics Sequence and Genome Analysis》和國家“十一五”規劃教材李霞主編的生物信息學等幾種不同類型的參考教材供同學課外閱讀。

2.創新教學方式，推行靈活多樣的教學模式。生物信息學的課程學習和軟件使用與網絡的使用緊密相關，一方面，為克服學生多，無法使每位學生實時進行電腦操作的弊端，我們利用能夠接收無線網絡信號的設備，實現上課時教室內有網絡，這樣在授課過程中就可以實時在線帶領學生進行生物信息學分析，如稻菘獠檠、序列提交過程、蛋白質結構域分析、蛋白理化性質及結構預測等重要內容，通過實時演示連貫教學內容，讓學生得到了更加直觀的實踐體驗，加深了對各種分析方法的學習和理解[1]。另一方面，由于課程學時（僅20學時）的限制，學生們不可能完全依賴課堂時間很好的掌握該課程，除了采取集中授課方式之外，本團隊利用搭建的“分子生物學”省級精品資源共享課程網絡平臺，開辟了“生物信息學”專欄，提供相關文獻、相關分析軟件及其使用步驟等信息；并聘請校內外相關領域專家開展專題講座，組織相關領域青年教師開展專題研討等形式，從而加深學生對課程內容的理解。

3.緊密聯系科研，開展基于實踐的問題式教學。針對生物信息學課程的特點，打破應試考核方式，本教學團隊注重理論結合實踐的問題式教學方式引導。一方面，各專業課程中增加實踐教學課程比例，根據生命科學的發展，不斷充實實踐教學內容，增加綜合性、設計性實驗，從而將生物信息學技術滲入日常教學環節中；另一方面，面向全校招募相關領域青年教師，鼓勵并指導學生參與青年教師科研項目，并積極申報國家級和省級大學生科研項目。目前創新性實驗和探索性實驗全面覆蓋生物科學和生物技術專業全體學生，學生在解決科研問題時逐步學會運用生物信息學知識，如文獻查閱、目的基因序列的獲取、基因序列的分析方法等，提高了學生生物信息學知識和技術的實踐能力和理論理解力。

四、結語

生物信息學是生命科學領域研究的重要的工具和載體[2]，針對生物信息學課程的特點，醫學院校生物信息課程的改革可進一步加強理論教學的系統性、規范性和針對性，提高學生對生物信息學知識的應用能力。在課程體系建設基礎上，大膽嘗試新的教學方法和手段，突出醫學特色，培養適用于現代精準醫療的創新型生物學專業人才。

篇（9）

中圖分類號：Q811-4 文獻標識碼：A

21世紀是生命科學的世紀，人類及模式生物基因組計劃的全面實施，使分子生物學數據以爆炸性速度增長。面對基因組學、蛋白質組學、基因芯片、分子進化等大量的生物信息，在計算機科學、網絡技術以及生物分析技術的相互作用和滲透下，誕生了一門嶄新的學科――生物信息學（Bioinformatics）。生物信息學利用計算機和互聯網，以數據庫為載體，運用數學算法和計算模型，研究生物信息數據的獲取、處理、存儲、分發、分析和解釋等方面，進而闡明和解釋龐雜的生物數據所蘊含的意義。生物信息學跨越了整個生命科學領域，近年來在醫藥學研究中發揮了不可替代的作用，無論是從分子生物學的角度闡述病因，還是對疾病的預防、診斷、治療與新藥研發都將產生巨大的推動作用，醫學生物信息學必然在未來的醫學研究中處于關鍵地位，但生物信息學的理工科特性決定了該課程在醫學教育中開展的難度。本文結合醫學院校特色和生物信息學課程特點，探討開設醫學生物信息學課程的必要性，分析生物信息學課程在教學實踐中存在的問題，提出本校開展生物信息學教學的實施方法。

1 醫學生物信息學的主要研究內容

1.1 疾病基因的發現與鑒定

約有6000種以上的人類疾患與特異基因的改變有關，某些關鍵性基因或其產物的結構功能異常，可以直接或間接地導致疾病的發生。使用基因組信息學的方法通過超大規模計算是發現新基因的重要手段。例如：通過構建腫瘤cDNA文庫或表達序列標簽（expression sequence tag，EST）分析差異表達基因，揭示腫瘤發生的分子水平變化，尋找靶基因。

1.2 藥物設計與新藥研發

生物信息技術為藥物研究、設計提供了嶄新的研究思路和手段。利用數據資料、軟件工具篩選藥物作用的靶位和候選基因，闡明其結構和功能關系，指導設計能激活或阻斷生物大分子發揮其生物功能的治療性藥物。

生物信息藥物設計常用的方法有：①三維結構搜尋，尋找符合特定性質和三維結構的分子，從而發現合適的藥物分子。②分子對接，建立大量化合物的三維結構數據庫，依次搜索小分子配體使其與受體的活性位點結合，通過優化使得配體與受體的形狀和相互作用最佳匹配。③全新藥物設計，利用計算機自動設計出與受體活性部位的幾何形狀和化學性質相匹配的結構新穎的藥物分子。

生物信息學方法為藥物研制提供了更多的、潛在的靶標，大大減少藥物研發的成本，提高研發的質量和效率。

1.3 流行病學研究中的應用

將流行病學的遺傳和非遺傳性的研究與生物信息學結合起來，會對疾病的機理、個體對某種疾病的易感性和疾病在群體中的分布有更明確的認識，對疾病的預防和治療有極大的指導意義。

2 醫學生物信息學課程的特點及主要困難分析

2.1 課程內容豐富，學科交叉，數據龐雜

生物信息學利用生物學，計算機科學和信息技術揭示大量復雜的生物數據所賦有的生物學奧秘，是一門交叉性學科，并且理科特性很強，需要深入理解分析。目前生物信息學包含了基因組、蛋白質組、代謝及藥物等多個部分，每個部分都具有各自的特色和相應的分析技術。根據《Nucleic Acids Research》統計，全球共有約1000多個主要的生物醫學數據庫，涵蓋了生物醫學研究的諸多領域。學生不僅要掌握獲取和利用海量生物信息的基本知識和技術，還應掌握相關的數學、物理學、計算機程序設計等知識和技術，又因為醫學專業學生的數理知識有限，學習起來有一定的困難。

2.2 操作性和實踐性強

生物信息學是一門操作性和實踐性很強的學科，主要是在互聯網環境中，依靠計算機，利用數據庫和各種信息處理軟件來進行生物信息學方面的分析工作。針對醫學專業學生開設生物信息學課程，其教學內容應注重理論與實踐緊密結合，著重學習利用計算機對各種生物信息資源和數據庫的檢索，使用方法與技巧，真正做到學有所用。

2.3 現狀與困難分析

目前，國內的生物信息學教學基本沿用以“教師講授為主”的傳統教學模式，與生物信息學交叉前沿性特點不相適應，實驗教學單一，多為驗證性試驗，缺乏綜合性和設計性。此外，醫學專業學生計算機知識薄弱，對生物信息學的算法與數據庫的原理和特點等不甚了解，在高通量數據處理面前力不從心，影響對問題的分析能力。

3 醫學生物信息學課程開設實施方法和對策

3.1 根據醫學專業特點設計教學內容，建立具有模塊化的教學大綱

目前尚未形成系統、成熟的生物信息學教學模式。開設課程之前，對醫學專業學生進行問卷調查，讓他們選擇醫學生物信息學課程中感興趣的、需要學習的知識內容，并提出難點問題。教師匯總問卷結果，對授課內容進行調整，建立模塊化的教學大綱，例如：導論模塊、數據庫及使用模塊、基因組信息學及其分析方法模塊、蛋白質組生物信息學模塊、代謝和藥物生物信息學及系統生物學模塊等，使學生清楚每個模塊的特點和作用，提高學生的學習興趣，激發學生的學習熱情。

3.2 強化實驗教學，激發學生的創新思維和創新意識

生物信息學的學習是運用生物醫學、數學、以及計算機科學等諸多學科知識進行分析、判斷、推理、綜合的實踐過程，強化實驗教學顯得尤為重要。另外，采用PBL（Problem Based Learning）教學法，可以有效地激發學生的創新思維和創新意識。

3.2.1 注重實驗操作

生物信息學實驗課程以計算機操作為主，需要學生靈活應用互聯網、數據庫和多種生物信息學軟件，所以實驗操作顯得尤為重要，加大實驗比例，為學生提供較多的實驗操作機會，不僅提高了學生的動手能力，而且大大提高了學生在因特網環境下對生物大分子序列、生物大分子結構進行生物信息學分析的能力，是提高學生學習生物信息學效果的有力保障。

3.2.2 采用PBL教學模式，優化實驗內容

加大設計性實驗的比例，采用PBL教學法，根據學生能力和興趣進行分組，由教師提出問題并布置真實性任務，使學生在已有的知識基礎上，通過查找文獻、小組討論、探索，最終完成任務，寫出試驗報告。由教師對任務完成過程及結果進行點評，對學生掌握知識的程度及學生的科研、應用能力進行評價，并提出進一步的提高方向。學生在實驗操作的過程中，不斷地發現問題、解決問題，有效地激發了學生的創新思維和創新意識。

3.3 改革教學方法，革新考核方式

3.3.1 結合多媒體技術與雙語教學

多媒體技術教學靈活生動，教師在講授難于理解的概念和生物信息學工具時，可以直接打開相關軟件和網站進行演示，使抽象的生物信息學知識以具體的、動態的形式展現出來，從而加深學生對課程的掌握程度。此外，生物信息學涉及到的數據庫、網站、應用軟件多為英文界面，所以雙語授課顯得尤為重要，教師可借助多媒體，對課程進行中英整合講解。

3.3.2 結合科研實例進行教學

生物信息學是一門不斷完善和發展的學科，數據庫的更新、相關軟件的升級、算法的優化等，通常會隨著科研中遇到的生物學問題變化而變化，所以教師可以結合現階段的科研背景和具體的研究方向，結合實例進行教學，可以讓學生真正掌握利用生物信息學方法解決生物學問題的思路，并培養和提高學生的科學思維能力，使學生由知識的被動接受者變為知識的主動發現者、探究者，教師則由知識的傳授者轉變為教學活動的指導者、組織者。

3.3.3 采用無紙化考核方式

適當降低課程理論難度，減少不必要的數學理論推導，注重實際應用、解決問題能力的培養，通過上機實踐操作，考核學生對基本知識和原理的掌握情況，克服傳統的死記硬背現象。

4.結語

生物信息學作為一門交叉學科，發揮了其獨特的橋梁作用，已經廣泛地滲透到醫學的各個研究領域。本文針對開設醫學生物信息學課程的必要性和教學模式進行了探討，以提高學生學習的自主性、實際操作能力和解決問題的應用能力為目標，不斷改進教學手段、加強教學過程的趣味性，以期培養綜合型的、高素質、現代化醫學人才。

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篇（10）

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：A文章編號：1674-9324（2017）51-0146-03

生物信息學是20世紀80年代末隨著人類基因組計劃的啟動而興起的一門新的交叉學科[1-2]。它包含了生物信息的獲取、處理、儲存、分發、分析和解釋等在內的所有方面；綜合運用數學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量數據所包含的生物學意義。目前，生物信息學在醫學領域中已廣泛應用于基礎醫學、臨床醫學及藥學等多個學科。特別在科學研究工作中，生物信息學的作用逐步顯現，越來越受到重視。近期，精準醫療概念的提出與相應模式的推進，進一步強化了運用生物信息學工具的要求。精準醫療是將臨床信息、患者表型與基因蛋白譜進行整合，從而為患者量身制定精準診斷、預后及治療策略。因此在高通量測序產生數以萬計的龐大組學數據中，只有依托生物信息學技術，才能探尋基因突變、藥物靶向等隱含遺傳學奧秘的精確位點，進而提供可靠的個性化治療方案。可見，生物信息學是精準醫療的核心內容之一。當前，大多數醫學院校均已開設研究生生物信息學課程，但尚未將生物信息學正式列入本科生培養方案，以選修課形式開設生物信息學課程的院校也極為鮮見。醫學本科生是祖國醫學的未來，是臨床一線最直接的儲備軍，面對飛速發展的生物技術和以幾何級數增長的生物大數據，如果現階段的醫學本科生還不能學會如何利用和解讀這些資源，這將大大阻礙臨床醫學的發展。綜上，一方面醫學領域對生物信息學方面存在旺盛的需求，另一方面大多數院校均未正式開設本科生生物信息學課程，造成生物信息學人才極度緊缺。針對這一現狀，筆者近年來圍繞在研的各項科研課題，選拔學有余力的優秀學生，在學校開展的各項大學生科研能力訓練、創新創業項目支持下，吸收本科生進入實驗室，對醫學類本科生的生物信息學教學實踐方面做了一些嘗試，培養了一些初步掌握生物信息學知識與方法的本科學生。在此對教學過程中的感想和體會做一簡要總結，并對本科生生物信息學的教學模式進行了探討。

一、在醫學本科生中開展生物信息學的教學實踐

（一）尊重學生的教育主體地位，實施因材施教

由于生物信息學涵蓋了計算機科學、統計學、分子生物學和分子遺傳學等諸多學科相關知識，所以一般情況下生物信息學科研實踐的開展要遲于上述各門課程。在開展的過程中，要充分考慮學生的自身條件，進行分組施教。因為不同學生對相關背景知識的掌握不同，會導致他們接受相關教學內容的快慢程度不一樣，因此要針對不同層次的學生開設不同等級的實踐內容。此外，根據學生將來從事的工作類型導致的對生物信息學的需求不同，可有針對性地分成科研組和臨床組。如有些學生將來可能主要從事科研工作，因此希望掌握較多的生物信息學知識，包括各種計算機語言的使用、編程、復雜統計軟件的使用等等，這類學生學習熱情比較高漲。

（二）構建多學科教師組成的教學團隊，實現知識的互補與整合

由于生物信息學是一門新興的交叉學科，需要計算機學、統計學、醫學生物化學、醫學遺傳學等相關學科的共同發展來支撐。此外，生物信息學專業知識較為前沿，而且涉及的醫學研究領域較多。再加上目前生物信息學的專業教師缺少，這就限制了學科的發展。因此，在教學過程中應該合理組建教學團隊，授課教師需要來自不同的專業，了解本專業最新的知識，教師之間相互學習溝通，將不同學科的相關知識整合起來[3]，并需持續補充和學習生物信息學前沿知識，在授課內容上還要體現教師自身優勢。這樣不但可以在知識結構上互補，還可以滿足不同專業學生的需求。

（三）圍繞教師在研科研課題和學術會議，追蹤醫學研究前沿

生物信息學是一門快速發展的學科。近年來計算機技術、生物技術以及醫學技術及醫療模式都在快速更新。因此醫學生生物信息學實踐教學不能拘泥于原有教材。在進行基礎和共性的知識教學時要利用教材。而對于前沿的知識，教師一方面要結合在研的各項科研課題引入知識點，另一方面可帶學生參加一些與生物信息學相關的學術會議，讓他們開闊眼界，增長見識，激發科研靈感。

（四）調動學生主觀能動性，激發其學習潛能

由于學生專業背景知識掌握程度差異較大，以及學生自身興趣不同，傳統的大班教學較難達到一致性的教學效果。因此，在教學過程中可以采取不同的分組方式以滿足學生不同的需求。由于現階段生物信息人才非常缺乏，因此在教學過程中，對于個別基礎較強的學生，教師可以有針對性地對他們進行一些更深層次的培養，充分挖掘學生的潛力，利用課余時間，合理安排一些“實戰”性任務，通過實踐鍛煉，提升他們的專業科研素質，為當代生物信息學的發展培養特色人才。如我校2009級臨床專業熊同學、2010級藥學專業本科生熊同學，都對生物信息學興趣非常濃厚，在科研實踐中表現得十分出色，充分利用課余和寒暑假時間，在老師的精心指導下，用perl語言成功編寫出分析組學數據的一系列程序。在研究生面試時，他們扎實的生物信息學功底獲得導師的青睞，并成功讀取/保送了國內知名大學的研究生。

二、醫學本科生生物信息學教學方法、教學模式的探討

（一）PBL教學法在案例教學中的應用

PBL（Problem-BasedLearning）教學法[4]，也稱作問題式學習。生物信息學是一門操作性和實驗性很強的學科，要利用互聯網、計算機和各種生物信息學數據處理軟件來解決實際問題。目前，生物信息學已成為生命科學研究領域的重要工具。在實際訓練中應以問題為導向，針對每個知識點盡量從實際的應用案例出發，引導學生自主探究、合作學習、進行交流。注重培養學生的實際操作能力和解決問題的能力，使學生能在解決問題的過程中學會各種技能，如統計方法、計算機語言和軟件的基本使用、編程技巧及數據庫的運用等。隨著生物信息學技術的快速發展，整合不同生物技術產生的數據將有利于人們發現疾病致病相關位點和藥物作用靶點。在本實驗室開展的PBL教學實踐中，我們以代謝性疾病作為主要研究方向，對糖尿病、高膽固醇血癥及肝癌等展開了疾病相關基因/位點的全基因組篩查。

（二）在教學過程中發揮優秀學生的引領作用，以點帶面

由于生物信息學在醫學研究中的重要性逐漸凸現，因此要求參加科研實踐培訓的學生人數逐年增多。而目前生物信息學專業的老師相對缺乏，為了解決這一矛盾，我們在實踐教學和科研中摸索出一種新的方法，即以“導師-學生雙向選擇制”遴選學生進入老師課題組后，以優秀學生為中心，采用以點及面式訓練。與以往的老師帶學生做試驗的傳統模式不同，在培訓中教師除作為指導老師外，還要善于在眾多的學生中發現優秀的人才，并對這些有天分的學生進行精細培養，然后以這些人才為中心點，進行放大，即由一個優秀的學生指導幾個后參加培訓的學生，在這幾個學生中再選出優秀的學生作為下一輪的指導“老師”，這種以點帶面的特色實踐教學模式不但能節約大量教學資源，而且將最大限度地挖掘學生的科研潛力，有利于培養學生的科研創新素質。

（三）以大學生的各類科研訓練、創新創業項目為載體開展教學活動

目前，科技創新已成為發達國家保持持久競爭力的“法寶”。中國早在若干年前就確立了“科技興國”的戰略目標。大學生是祖國的未來，大學生科研創新能力的培養是21世紀高校人才培養的核心內容。國內外眾多高校都開展了多種形式的大學生創新訓練計劃。因此，將生物信息學科研訓練與學校開展的各類科研創新訓練計劃（如大學生“挑戰杯”、“創新學分”或“大學生創新性實驗計劃”等）相結合，將更加有效地利用各種資源，全面鍛煉學生的科研創新能力，例如，文獻的檢索與閱讀，各種組學數據的收集、處理和分析，程序的編寫，實驗設計和操作，科研項目書的撰寫，科研論文的書寫等。

（四）同步開展科技文書的寫作訓練，總結成果保持學生的熱情

疾病的發生發展與特異基因的改變密切相關，鑒定與疾病相關的基因是醫學科研工作的重要內容之一。在科研實踐訓練中，學生利用生物信息學方法，通過分析處理感興趣的數據（如基因組、轉錄組、單核苷酸多態性、全基因組關聯分析等），可挖掘出一些與疾病相關的內在信息，或再通過實驗對分析結果加以驗證。教師可鼓勵學生將這些階段性的成果進行發表，這對學生來說是一種能力上的認可，可以增加學生的科研信心，激發他們的科研熱情和動力。此外還要鼓勵學生積極申請學校乃至全國性的大學生“挑戰杯”等競賽。培養學生的創新和挑戰激情，以便激勵他們在科研之路上能再創新高。如我校2012級本科生王同學，從大學一年級開始就進入實驗室學習生物信息學分析數據，勤奮鉆研，已分別于2013和2014年發表了2篇核心文章，并已成功申請到我校大學生“挑戰杯”項目，在我校大學生作品“挑戰杯”競賽中獲得二等獎。這些成果極大地鼓舞了同學們的科研熱情。

三、本科生生物信息學科研實踐中存在的問題

隨著生物信息學在醫學領域的廣泛應用，越來越多的學生意識到這門學科的重要性，都積極參與實踐練習。而生物信息學實踐離不開計算機這一硬件設備，同時由于生物數據量龐大，這就要求較高的計算機的配置。此外，現階段生物信息學專業教師比較缺乏，在一定程度上也會影響教學實踐的開展。因此，對醫學本科生開展生物信息學實踐訓練尚需相關資源的配套和完善。

四、結語

本文主要探討了對醫學本科生開展生物信息學科研實踐過程中的一些感想和體會，并在多年教學實踐基礎上，總結出一種以科研為核心、學生為主體、訓練項目為載體的科研實訓教學模式。當前雖然一些醫學院校已經開設了生物信息學課程，但是在教學內容、教學方法和教學模式上還有很多不足，尚有待進一步的摸索和改進[5-6]。此外，我們要加大硬件設施的投入，并不斷加強師資隊伍建設，積極參與教學改革，整合各種教學力量，從而提高生物信息學教學質量。

致謝：感謝南昌大學醫學實驗教學中心汪雁老師生前對本科生生物信息學教學方面的貢獻！

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[4]祝鴻程，劉浩，王迎偉，等.基礎醫學課程PBL教學應用的新思路[J].基礎醫學與臨床，2011，31（12）：1410-1412. 

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1.生物信息學學科特點

生物信息學是當今生命科學的重大前沿領域之一，是一門交叉學科，包含生命過程中各種信息的獲取、加工、存儲、分配、分析、解釋等在內的所有方面，綜合運用數學、計算機科學和生物學等方法與技術，闡明和理解大量數據包含的生物學意義[1]。隨著20世紀80年代人類基因組計劃的實施，生物信息學蓬勃發展，并滲透到生物學研究的各個領域。掌握生物信息學相關技術及分析能力已成為生物專業本科畢業生的必要要求[2]。因此，做好生物信息學教學工作對提高生物信息學研究水平具有重要的理論和實踐意義[3]。然而由于學科的綜合性和學科本身的迅猛發展，生物信息學課程教學仍然處于探索階段，目前還沒有成熟的生物信息學教學模式，各高校尚處于摸索探討階段。

2.案例教學法概述

案例教學法（Case-Based Learning），指在教師的指導下，根據教學目的，通過呈現案例材料，組織學生以團體和小組討論、角色扮演等方式對案例進行調查、閱讀、思考、分析、討論和交流等活動；經過分析討論，將課本中的理論與案例材料結合起來，并利用理論分析說明復雜的案例內容。案例教學法引導學生學習新的知識，加深對理論的認識，訓練學生運用所學知識分析和解決實際生物學問題[4]。

不同于傳統教學模式注重“知識的傳授”，案例教學法更注重“能力培養”。案例教學法不直接給學生提供解決案例問題的標準答案或者具體方法，而通過教師引導學生積極討論得出問題的解決方法，側重于理論應用，是一種“以學習者為中心的學習方法”。

案例教學可劃分為講解定義型、綜合分析型和操作技能型三種類型。（1）講解定義型，引入案例，對基本概念和原理進行講解；（2）綜合分析型，提出問題，學生通過討論給出解決案例問題的方案或者對已有方案進行評價；（3）操作技能型，引入案例，使學生掌握相關理論課程的基本應用技能。案例教學還可以綜合其他教學方法，如以問題為基礎的教學法共同改善課堂教學效果[5]。

案例教學法基本環節包括：教師根據學科特點提出案例；引導學生辯論交流、提出解決方案；完成與解決案例；教師評價與總結[4]，[6]，[7]。案例教學過程中，首先教師把握整體教學進度，選用與本專業課程有關的案例，案例選擇要具體、易于學習和理解，能夠引起學生的興趣，調動學生學習主動性；其次，將案例分解，從子案例中提出問題，啟發學生思考，鼓勵學生對案例進行分析、討論甚至辯論，提出解決方法，逐步完成案例；最后，引導學生完成和解決案例，分析點評整個案例教學過程及結果[4]。

3.案例教學法應用于生物信息學本科教學的意義

生物信息學課堂講授以介紹生物信息學的相關算法、原理、方法為主，這也是教學的重點和難點。傳統“知識傳授”型講課方式容易讓學生覺得枯燥乏味、晦澀難懂，產生畏懼心理[8]。運用案例教學法，能夠幫助學生更深入理解算法的思想，真正掌握解決問題的思路，培養科學的思維能力。

另外，生物信息學是一門實用性較強的學科，大學本科階段開設生物信息學課程主要目的不是開發新的數據庫和發展新的生物數據分析方法，而是如何利用現有數據庫資源查找特定數據，并根據科研實踐需要分析整合數據資源，為后續科研奠定基礎，具有極強的實踐意義。要達到實踐目的，除了讓學生掌握生物信息學的基本理論和方法、數據庫和軟件的原理外，更重要的是讓學生親身實踐，在實踐中對所學理論進行驗證、對數據和軟件的使用加以熟悉[9]。但生物信息學涉及專業領域內容廣泛，學生不可能做到完全親身實踐，因此，案例教學法能替代親身實踐，吸取前人經驗，是理論聯系實踐的一個便捷通道，是培養學生解決實際問題能力的好方法[7]。

4.案例教學法在生物信息學本科教學中的應用

4.1 案例選擇

筆者針對生物信息學本科的教學大綱和知識體系，以及多年從事昆蟲線粒體基因組分析的科研工作情況，精心選擇了一系列分析案例，其中以鱗翅目灰蝶科線粒體基因組[10]數據分析為例說明。

4.2 教學過程

4.2.1學生分組。根據學生專業、興趣分組，每組6人，統一采用同一案例。

4.2.2案例背景介紹。讓學生了解該論文的目的、操作過程及意義。學生查找相關文獻資料，歸納總結知識背景。

4.2.3案例分解。將整個案例分為若干個子案例：①序列數據來源；②序列比對分析③計算遺傳距離；④分子系統發育重建；⑤蛋白質家族和基序與結構域分析；⑥蛋白質三級結構與結構分類分析。對每一個子案例完成的關鍵步驟提出問題，啟發學生思考，鼓勵學生對案例進行分析、討論甚至辯論，提出解決方法，逐步完成案例。每個子案例的順利完成都需要特定的生物信息知識作為基礎，對應于教學大綱中完整的知識體系。

4.2.4評價考核。引導學生完成案例，教師歸納學生在整個案例教學過程中出現的普遍性問題并進一步講解，對于個別小組在解決案例過程中展現出來的創造性解決方案進行分享學習。采用PPT成果展示、提交每一個子案例生物信息分析結果和解釋報告，考查學生對案例設計的相關生物信息學理論知識和操作技能的掌握情況。

案例教學法作為一種具有啟發性和實踐性的教學方法，有效提高學生利用生物信息學工具獲取相關知識解決生物學問題的學習興趣和能力，增強教學效果。然而實踐過程中還存在一些問題，例如：如何選擇合適的案例既能激發學生的學習興趣又反映生物信息學教學大綱的知識體系內容、如何有效把握課堂討論的節奏和方向及與其他教學方法的融合，在今后教學工作中還需要不斷改進教學方法，優化教學模式，豐富教學案例庫，在實踐中不斷探索案例教學法在生物信息學本科教學中的適用性和有效性。

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