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生物信息学 生物科学 实践教学
生物信息学作为一门新兴的交叉性学科,综合生物学、计算机科学和信息技术试图,从大量数据中寻找具有指导和开创性价值的依据,为生命科学研究提供必要的、有效的系统模拟和信息预测结果。目前,生物信息学在生物医学、生物工程、植物学、动物学、生态学、遗传学、制药和高科技产业领域中的应用越来越广泛,产生巨大的影响力和推动力。
一、生物信息学在生物科学领域的作用
生物科学是研究生物结构、功能、发生和发展规律,及其与周围环境关系的科学。在分子生物学技术突飞猛进的发展过程中,生物科学从传统的个体及群体表征研究逐步演变为内在分子机制的研究,随着基因测序技术的发展,生物科学领域的研究不仅聚焦于生物个体的内在分子机制,同时还从大量的生物个体的基因数据中获取和解析生命的本质和规律,并以此尝试对生命过程进行干涉和改造。而在获取、解析、干涉和改造的过程中扮演重要角色的就是生物信息学。
生物信息学是在生物科学领域各个学科发展的过程中逐步产生的一门综合性学科,该学科在生物科学领域的应用极为广泛。目前,植物基因组研究取得了重大进展,水稻、大豆、小麦等农作物的遗传图谱、基因序列、基因组注释已公布于美国国立生物技术信息中心(NCBI)的生物信息数据库中。利用生物信息学的相关方法和技术能够对这些数据进行查询、统计和分析,从而更好地理解和认识植物基因组的功能,指导后续的科学研究和生产应用。传统的生物学分类方法已经鉴定及分类了成千上万的物种,但是随着生物科学的发展和认知,越来越多的物种在遗传进化上的分类依据较为模糊,而利用生物信息学结合传统的分类学可以更好的研究生物类群间(植物、动物、微生物等)的异同性、亲缘关系、遗传进化过程和发展规律,这在当今的生物分类学中应用日趋广泛。生物信息学还可以综合利用数学、统计学和计算机等学科对生态系统进行模拟和计算分析,探索物种间基因流动的本质,揭示生态系统的物质和能量循环规律,从而为找到决定生态系统平衡和稳定的根本因素提供重要的依据,帮助生态系统平衡的恢复。此外,通过生物信息学技术构建遗传工程菌,降解目标污染物的分子遗传物质,从而达到催化目标污染物的降解,维护生态环境的空气、水源、土地等质量,也是当今生态环境保护的新兴研究方向。
二、生物信息学的学科内容和课程要求
生物信息学主要由基因组学、蛋白质组学、系统生物学、比较基因组学、计算生物学等学科构成,主要涉及的内容有生物数据的收集、存档、显示和分析,体外预测、模拟基因及蛋白质的结构和功能,对生物的遗传基因图谱进行分析处理,对大量的核苷酸和氨基酸序列进行比对分析,确定进化地位等。从生物信息学的概念及其涉及的内容中可以明确生物信息学不是一门独立的学科,所以要求教师在教学过程中掌握多领域的知识和技能,才能较好地把握该课程。
1.高等数学和统计学基础
生物信息学将数学和统计学作为主要的计算理论基础,主要包括数学建模、统计方法、动态规划方法、数据挖掘等方面。此外还包括隐马尔科夫链模型(HMM)在序列识别上的应用,蛋白质空间结构预测的最优理论,DNA超螺旋结构的拓扑学,遗传密码和DNA序列的对称性方面的群论等。因此,在生物信息学教学过程中要求教师具备数学及统计学的计算方法的基础知识,能够利用牛顿迭代法、线性方程回归分析、矩阵求拟、最小二乘法等进行数学建模和计算,从而对基因和蛋白质序列进行比对、进化分析和绘制遗传图谱等。
2.生物科学基础
生物信息学包含的生物类学科有,生物化学、分子生物学、遗传学等基础学科,基因工程、蛋白工程、生物技术等应用学科。根据其课程特点,学生在学习生物信息学课程前需要学习生物化学、分子生物学、遗传学、基因组学、蛋白质组学等基本生物学课程,对于基因序列、蛋白质序列、启动子、非编码区等概念有深刻的理解,同时需要对一些重要的生物学数据库有一定的了解,如美国基因数据库(GeneBank)、欧洲分子生物学实验室数据库(Embl)和日本核酸数据库(DDBJ)等。此外,要求学生能够利用生物学数据库查找基因序列、蛋白质序列、基因及蛋白质结构模型,能够读懂数据库中基因和蛋白质的信息注释,能够计算蛋白质序列的分子量和等电点,能够为扩增特定的基因片段设计引物,能够对特定物种进行系统发育分析等。
3.计算机科学基础
计算机是生物信息学的主要辅助工具,利用生物信息学研究生物系统的过程需要能够熟练使用计算机对大量的生物信息数据进行处理和分析,这主要包括对数据信息进行搜索(收集和筛选)、处理(编辑、整理、管理和显示)及利用(计算、模拟)。所以,学生在学习生物信息学的过程中需要了解和掌握一些常用的生物信息学软件,如BLAST和FASTA序列比对分析软件,Oligo和Primer引物设计软件,VectorNTI、DNASTAR、DNASIS等综合分析软件。此外,学生还需要学习和掌握一些常用的计算机语言,如正则表达式、Unix shell脚本语言和Perl语言。
利用生物信息学在处理和分析海量生物数据的过程中,计算机软硬件资源需要配合处理分析软件的运行,因此要求计算机操作系统使用Unix和Linux操作系统,这些操作系统需要大量的操作命令进行输入执行过程,对于经常使用Windows操作系统的学生来说是一个较难跨越的障碍。
三、生物信息学课程教学中存在的问题
目前国内大多数高校的生物信息学教学采用传统的教学模式,即以课堂式的理论教学为主,缺乏必要的实践教学。理论教学模式固定、教学方法单一、教学内容狭窄,通常是介绍性、科普性的课程,甚至作为公选课程。少数高校开展生物信息学的实践课程教学,但多以验证性实验为主,缺乏和专业相适应的综合性、设计性实验,而开放性实验更无从谈起。
1.教学模式固定单一
生物信息学在内容层面涵盖诸多学科领域,注重应用性和实践性。然而,目前大部分高校把生物信息学作为一门孤立的课程,这导致教师需要将大多数课程内容压缩到一门课程进行教学,在有限的教学时数下灌输大量内容,增加了学生学习的难度,降低了教学质量。再者,大多数高校仅开展生物信息学的理论教学,忽视实践教学过程,造成生物信息学理论与实践内容的脱节,使学生在学习完理论知识后难以深入理解和吸收,无法将所学的知识应用到后续的工作和学习中,最终未能体现出该门课程的价值。
2.教师专业背景薄弱
作为一门交叉学科,生物信息学的教学要求教师具有较强的数学、生物学和计算机科学背景。然而,目前从事生物信息学教学的教师即便具备深厚的生物学背景,但是多数教师在数学和计算机方面较为薄弱,并不具备完整的生物信息学知识体系,对生物信息学发展趋势也了解不多。在师资缺乏的情况下,院系开设生物信息学课程,教师为了完成教学任务,仅仅在教学中进行介绍性的讲解,在课程考查方式上通过小论文、综述和课外活动等方式完成该课程的学习。因此,无论是理论教学还是实践教学均无法实现该课程大纲的要求,从而影响学生对生物信息学课程的理解和掌握,生物信息学的实践操作能力更无从谈起。
3.实践教学薄弱,专业教材缺乏
生物信息学实践课需要学生在网络环境下用计算机学习NCBI数据库的检索与使用、序列比对分析软件的应用、蛋白质空间结构图视软件的应用、序列拼接软件的应用等。但是目前,大多数高校开设的生物信息学课程多以理论教学为主,实践教学课时非常少或者为零,学生对于生物信息学课程的学习仅仅通过教材上抽象的文字描述进行理解和掌握,这导致学生在理论课中学到的知识无法在实践课中进行验证或操作,严重影响了生物信息学的教学质量,也偏离了教学大纲中强调的重在培养学生实践操作能力的培养目标。
另外,目前还没有适用于生物科学专业的生物信息学教材。国内各大高校使用的教材多为国外教材的影印版或者中文翻译版本,这些教材偏重介绍生物信息学的理论和方法,涉及的实践内容较少,学生需要具有较高的相关知识才能接受和使用这些教材。因此,部分高校在生物信息学教学过程中往往使用自家编写的简化教材,从而造成生物信息学教学内容不统一,教学大纲混乱等情况。
4.实践课程经费不足,实践教学环境落后
当今,许多发达国家都很重视生物信息学的教学和研究,积极开展各种生物信息资源的收集和分析工作,培养大量生物信息学人才,为整个生物学的理论研究及其相关产业创新(主要是医药和农业)提供指导和支撑。国内对生物信息学的关注和认识起步较晚,其发展落后于国际发达国家。国家和高校对生物信息学的教学和科研资金投入力度不大,缺乏必要的仪器设备,生物信息学的实践教学条件得不到保障,比如大多数高校的生物科学专业没有相应的计算机实训室,配套软件也相对匮乏,落后于国际发展水平。
四、生物信息学教学模式改革的探索
1.修改理论和实践教学大纲,编写适用的实践教材
根据当今生物信息学的发展方向,制定和修改理论教学大纲,除了引物设计、基因和蛋白质序列比对、基因和蛋白质结构功能预测等基本内容外,还需添加系统进化树分析、聚类分析、蛋白质互作网络谱图等较为综合的内容。另外,增加实践教学课程比例,充实实践教学内容,结合理论教学内容增加综合性、设计性实验,适当提供科研环境,鼓励开展开放性实验。
目前国内并没有系统的、专业的生物信息学实践教材,因此针对高校生物科学专业方向的特点,联合多学科领域(数学、生物科学、计算机科学)编写相应的生物信息学实践教材,在制定、修改实践教学大纲和编写教材的过程中结合学生的接受能力,由浅入深,多设实例和相关练习,使学生循序渐进的理解和掌握生物信息学的原理和方法,掌握更多的生物信息学工具。
2.紧密联系科研、基于实践问题开展教学
通过实践教学把生物信息学教学与科研有机结合起来,能够促进教学与科研的共同发展。在紧密联系科研的过程中,采用基于问题的教学(PBL)方法,通过实践教学环节,培养和训练学生把所学的生物信息学的知识和方法应用于各种生物科学领域的科研活动中,通过解决实际问题训练学生的实践技能,从而促进教学与科研的双重发展。例如,在生物信息学实践教学中多加入生产和科研中遇到的经典实例,鼓励学生利用相关的生物信息学软件及相关的理论和方法解决问题。学生也可以选择自己感兴趣的课题,利用自己熟悉的、合适的生物信息学软件和相关知识开展课题研究。此外,专业教师在指导学生课题研究的过程中还可以发现理论和实践教学的不足,不断的完善生物信息学理论和实践课程大纲和内容,提高教学质量。
3.开展多学科实践结合的教学模式
生物信息学属交叉学科,包含了不同领域的专业知识和技能,为使生物信息学教学达到教学的目标,该课程教学需要采用多学科实践结合的教学模式。
多学科实践结合的教学模式是指联合不同领域、不同学科、不同专业的课程在教学的过程中结合生物信息学涉及到的知识和技能进行基础性、铺垫性教学。比如,在高等数学和统计学的教学过程中,针对生物信息学的需求,适当增加数学建模、统计方法、动态规划方法、数据挖掘等方面的基础内容,同时,开设实例实践教学,使学生理解和掌握隐马尔科夫链模型,牛顿迭代法、最小二乘法等方法的应用原理和规则;在生物科学专业课程设置上,尤其是实践课程的教学过程中,结合生物信息学涉及的引物设计、序列比对分析、基因及蛋白质结构功能预测等方面开展相应的设计性、综合性、开放性实验项目,使学生了解和掌握基本的生物信息学原理及软件的应用;在计算机科学的教学过程中,应根据生物信息学的需求,开设正则表达式、Perl语言、R语言等课程学习,以及增加Linux和Unix操作系统课程学习,使学生在学习生物信息学前打好坚实的基础。
值得注意的是,生物信息学课程与其他课程的开设时间和顺序需要有一定的探索和评估,对于开设该课程的时间把握是开展多学科实践结合的教学模式的关键因素。过早开设生物信息学则会导致学生在不具备相应学科基础的条件下跨越式的接触生物信息学,无法理解和掌握相关的知识和技能;过晚开设则会使学生学习了相关学科知识和技能后,由于课程衔接不紧,导致在学习生物信息学时出现理解滞后和无法适应的现象。因此,针对不同专业和学科的特点,根据具体情况进行统筹安排,使生物信息学和其他相关学科课程有很好的衔接和过渡,以确保和提高生物信息学的教学质量。
五、结语
生物信息学是现代基因组学时代的开阔者,也是生物科学研究的重要的工具和载体。针对生物信息学的特点,高校生物科学专业课程设置、教学方法、教学模式和教学软硬件等需进行一定的改革,将多学科实践结合的教学模式运用到生物信息学的教学实践中,在提高教学质量的同时将更好的提升学生科研、应用和创新能力。
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【关键词】生物医学工程普通化学课程教学改革
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889(2012)10C-0135-02
一、生物医学工程专业的特点
生物医学工程旨在运用工程技术的原理和方法,研究和解决生物学和医学问题的新兴、边缘、交叉学科。其主要任务是:从工程学角度研究、解释生物体特别是人体的生理、病理变化过程。其主要研究方向包括:生物系统的建模与仿真、生物医学信号的检测与分析、生物医学成像和图像处理、电磁场生物效应、脑科学与认知、人工器官以及相关的医疗设备的研制等。生物医学工程学是医疗卫生健康、保健性产业的重要基础和动力,它所带动的产业在国民经济中占有重要地位,世界各国都在不断加大对生物医学工程的投入。经过本专业培养的学生,不仅应能够在医学中较熟练地运用电子技术、信息处理技术、计算机技术,而且还应具备生物科学理论基础以及医工结合的研究和实验技能,以及医疗电子设备、医学信息处理的初步开发、研究、应用、维护和管理能力。本专业毕业的学生择业面宽,就业适应能力强。毕业生既可以在医疗仪器行业从事新产品的开发与应用,又可以在医院医学工程部门比如医学仪器、医学影像设备与技术,国家技术监督部门,以及其他电子技术、计算机技术、信息产业等部门从事研究、开发、维护与维修、教学及管理等方面的工作。此外,本专业的学生还可以进入生物医学工程、电子信息工程、通信工程与技术、计算机应用技术等方向继续深造。生物医学工程专业培养要求知识方面:打好坚实的数学、化学、物理学、外语、计算机与信息科学和电子技术的基础,掌握宽厚的生物医学工程专业知识,具备宽广而深远的科技视野、强烈的求知欲望、事业心和创新意识。
二、普通化学课程及其教学的基本要求
(一)课程的地位、性质和任务
化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学。在解决人类最关心的环境、材料、能源、医药保健、粮食增产、资源利用等问题中,化学科学处于中心地位。而普通化学则是化学的导言,它包含了现代化学的基本理论、基础知识和基本技能,是现代大学生应该普遍掌握的自然科学基础知识的重要部分,是高等院校非化学专业必修的一门重要的基础课。通过本课程的学习,学生在一定程度上掌握一些必需的近代化学基本理论、基本知识和基本技能,并了解这些理论、知识和技能在生物医学工程领域中的应用;培养学生具有应用化学观点分析生活、生产中的一些简单的化学问题的初步能力;为今后的专业学习和工作打下一定的化学知识基础。
(二)课程教学的基本要求
通过对普通化学课程的学习,学生应掌握化学热力学、化学动力学、化学平衡以及原子、分子结构等方面的基本理论和基础知识;掌握一定的元素化合物的基本知识;掌握重要的有机化合物结构、性能以及一些重要的有机合成反应;掌握分析化学基本原理和一些重要的化学、仪器分析方法;并了解化学在生物医学、环境保护、新材料的研究与应用、能源开发与利用以及生命科学研究等领域的作用,为生物医学工程专业课程打下化学理论基础。
三、普通化学教学改革的具体措施
(一)修改教学大纲
应根据生物医学工程专业的培养方案,修改普通化学的教学大纲,并将本课程分为理论教学和实验教学。理论课时为32学时,实验课时为16学时。首先从普通化学课程的地位、性质和任务来定位。普通化学则是化学的导言,它包含现代化学的基本理论、基础知识和基本技能,使学生掌握化学热力学、化学动力学、化学平衡;掌握一定的元素化合物的基本知识;掌握重要的有机化合物结构、性能以及一些重要的有机合成反应;掌握分析化学基本原理和一些重要的化学、仪器分析方法;并了解化学在生物医学以及生命科学研究等领域的作用,为生物医学工程专业课程打下化学理论基础。
为了培养学生的动手能力,应让学生熟悉化学实验及实验室的基本规则;培养学生认真观察实验现象、正确记录和实验数据的习惯;了解常用化学仪器的性能、使用和维护方法。同时,应培养学生正确处理实验数据,正确书写实验报告的能力;促使学生逐渐养成严谨的科学态度、实事求是的实验习惯和工作作风,并初步具有独立思考、独立设计实验、独立进行实验以及独立分析、综合问题的能力,从而为后续课程的学习和进一步的科学研究打下基础。主要实验项目如下:玻璃工操作实验(2学时);离解平衡与沉淀一溶解平衡(2学时);铜、锌、银、镉及其离子的鉴定(2学时);烃的性质和鉴定(2学时);粗盐的提纯(4学时)。
值得注意的是,理论教学大纲和实验教学大纲的修订,应体现专业特色明确、重点突出、思路清晰的教学思路。
(二)探索新的教学方法
1.理论联系实际。普通化学是非化学化工类专业学生开设的一门基础化学课,主要介绍化学学科基本情况,化学各个分支对社会发展的作用,化学学科的发展现状、发展趋势,化学与其他自然科学、工程技术学科的关系。因此,普通化学课程知识点多、内容复杂、概念跨度大,需要与学生所学专业及实际情况有机结合起来。然而,在教学实践中,本课程的教学课时不足,教学过程中,化学理论和化学与专业结合选择是,教师往往容易顾此失彼,使化学教学演变成一堆化学名词和专业术语的堆积,枯燥乏味。同时,学生重视度不够、学习兴趣不浓。但是化学知识在各种领域中不断渗透,在日常社会生活中起着越来越重要的作用。面对实际问题,针对生物医学工程专业特点,在教学过程中,教师可首先和学生进行讨论,解决如下问题:(1)学习的原动力。(2)学习的方法和习惯;告诉大学课程内容多,上课进度快、信息量大,并且辅导课和习题课少,要掌握好学习方法;设计了从实验现象一引发思考一理论内容一实验内容一在线测试的教学路线。(3)学习精神,只有更加刻苦才有可能适应大学阶段的学习。通过讨论和示范,激发学生的学习兴趣,以求达到最佳教学效果。
将普通化学中基础部分的讲授与中学化学教学良好接轨,在上课时首先回顾一下中学化学相关知识点,再引入新的知识点。在讲例题的采用为“先示例、后解析”的方式。上实验课,采用实验前提问和预习,代替实验课先讲实验原理和步骤的方式,要求、鼓励学生预习和思考。在指导实验时,及时发现问题,引导学生深入思考。建议学校平时适当开放实验室,为对化学感兴趣的学生提供实际操作平台。鼓励学生根据个人兴趣参加项目创新活动,和指导教师一起选题,查阅文献,学习相关知识,进行科研活动。当然,也可结合其他课外科技活动展开教学。
2引入实例。在实际的教学过程中,针对生物医学工程专业特点,可适当引入生活和专业应用中的具体实施例。课堂讲授时,利用具体实例,引入每一章节内容,再将每一章节的重点、难点内容在学生深入挖掘的基础上,将内容分解成若干小问题或将若干相关小问题合并起来,指导学生联想、讨论思考、联想归纳、比较总结本课程的目标是系统讲授化学基本理论和知识,加强基础,提炼基本,按需拓宽,注重实践性和应用性。
在讲到酸碱时,可把知识点延伸,把电子舌知识和酸碱性结合起来。电子舌测量酸味时就是利用酸性,检测出酸的浓度,也就是将酸的浓度通过化学传感器转化为可检测的信号,信号的强弱就能反映酸的浓度。同样,电子舌检测其他味觉,就是将其味觉物质,通过化学传感器转化为可检测的信号,通过信号的强弱来反映味觉物质的含量,进一步体现味道的内涵。
可引入直观形象的化学反应动画效果,加强学生对反应机理和抽象概念的理解;同时,可采用动态图表,充分发挥各类图形的优势。
3.突出重点,扩大信息量。根据培养方案和生物医学工程专业的特点,可将下列内容列为普通化学的教学重点和难点:热力学的基本概念;盖斯定律和标准生成焓、标准熵、标准吉布斯自由能计算方法;化学反应自发进行的判剧;化学平衡常数、化学平衡移动的规律及有关计算;分散体系的概念及分类;溶液的依数性;胶体分散体系的性质及结构;弱酸、弱碱解离平衡;溶度积规则和溶解平衡;电极电势的概念;用电极电势的数据判断氧化剂和还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度;配位体的相关概念及命名规则;核外电子运动的特殊性;四个量子数的取值及物理意义。教学难点为:化学反应等温方程式的应用;相似相溶液原理;能斯特方程式的应用;吉布斯自由能变、原电池电动势、氧化还原反应平衡常数的关系。根据重点和难点,可采取理论讲解、PPT、板书和学生互动相结合的教学模式,讲解后再让学生来回答问题,加深学生对重点知识点的印象与理解,在原有知识点的基础上扩大信息量。
1教材的选择
教材是学生掌握知识的最直接工具,也是教师与学生之间的桥梁。但是,如果教材编写的过于深奥,不易理解,学生将产生厌学情绪,同时也会对所学知识的实用性产生怀疑,不利于生物工程或相关专业人才的培养[3]。因此,选择完整、系统的知识体系,以及可以反映与本学科相关的产业背景和最新研究成果的优秀教材,是保证教学质量和教学效果的关键之一。在教学过程中,注重理论和实际相结合,坚持以学生为本的原则,内容兼顾实际生产过程中遇到的实际问题。除了教材上的知识之外,也要注意整个生物能源领域不断出现的新理论、新思路、新技术和新成果。通过阅览国内外优秀期刊和专业网站,访问行业内相关企业和研究机构,及时将新的知识介绍给学生,扩充学生的信息量,拓宽学生思路,提高学生学习兴趣,为学生今后的就业或继续在本专业领域进行研究打下基础。
2教学互动
教学方式也是体现教学质量的一大重点。在教学方式上,我们首先运用现代化的多媒体将教学过程中的重点难点内容通过图片、视频、动画等多种方式呈现给学生[4]。从而使得抽象难懂的内容具体化、形象化、趣味化,激发学生的学习热情。特别是,涉及到生物能源生产过程中的流程图、设备图以动画及视频的形式穿插在教学过程中,使学生更好理解,也更加直观。除此之外,我们也注重邀请一些专家学者、或与本专业相关企业的人士来进行一些讲座介绍。这样,可以使学生从科研或生产等不同角度对这个行业进行了解,加深学生对本专业的理解和认知度,而不是仅仅停留在理论知识上。此外,学期中和学期末,我们会安排几节课让学生自己上台,结合课上所学的知识,对自己感兴趣的产品做项目调研和介绍,甚至可以向老师提问,增加课堂的互动性、调动学生的积极性,以提高学习效率。
3实验教学的建立
学生毕业以后会进入工作岗位或科研单位继续深造,对理工科学生来说,动手能力是重要的一环。因此,除了课堂讲学以外,培养学生的实验操作能力也是生物能源课程重要环节。以生物能源中的纤维素乙醇为例,生产过程涉及到的纤维素预处理反应器操作、纤维素酶活测定,酶水解及发酵过程操作,均是课堂讲解所不能涉及的范围。因此,在生物能源课程中需穿插几次实验课,以便学生对生物能源涉及的实验及生产过程有一定的感性认识,从而对所学内容有更透彻的理解。苏州科技学院化学生物与材料工程学院在各级领导的关心下,拥有发酵罐、摇床等大型实验设备,并具有实验所需的HPLC,IC,HPLC-MS,GC-MS等分析仪器。同时,学院分析测试中心还具备核磁共振、电镜等大型精密分析仪器,可以说仪器设备齐全,为学生实验的开展和学习打下了较为坚实的物质基础。
4企业参观交流
为了进一步强化和促进学生对生物能源课程的认识,同时进一步提高学生学习知识的主观能动性和积极性,在学习期间,有必要安排学生到一些生物能源相关企业去进行参观学习。了解工厂基本的生产方法,熟悉基本的生产设备等等。并且,在参观之前,给学生布置任务,学生参观结束后需对产品的基本生产工艺流程、使用的主要设备、产品提取和质量控制等环节撰写报告,并作为平时成绩。让学生带着问题去学习,增加学习兴趣,以达到良好的教学目的。
5结论和体会
生物工程 实验课程 教学改革
生物工程专业是继生命科学专业和生物技术专业之后出现的生命科学领域的第三大专业,是以生命科学为基础,综合基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程和生化工程等技术手段在内的学科。生物工程是一门实验性和应用性很强的专业,生物工程领域作为生命科学的下游学科,也是比较容易进行产业开发的专业领域,这就对学生的认知能力、实验技能、应用能力和创新意识提出了比较高的要求。近年来,我国对生物工程领域的关注度日益增强,政策性导向也在向生物工程学科倾斜,为生物工程专业的发展创造了机遇。为适应和促进生物工程学科的进一步发展,需要大量高素质的人才,而人才培养中很重要的一个组成部分就是基础的实验课程训练。我们针对生物工程专业的特点,在实验课教学过程中尝试进行改革,初步摸索出一套比较适应现代生物工程学科发展的实验教学方法。
一、改变传统教学观念,提高实验课程关注度
传统教学观念认为,实验课程只是理论课程教学的辅助,处于从属的位置,因而对实验课教学关注度要小于理论教学。但就生物工程专业最近的发展和学生就业情况来看,仅仅具备扎实的理论知识是完全不够的,这和生物工程专业应用性强和产业化开发需求较多的特征不相符合。为适应生物工程领域发展对人才的需要,必须培养基础理论扎实,又同时具备相应的应用能力的综合素质人才。因此,实验教学改革首先要做的是转变传统的“实验课程教学辅助理论课程教学”观念,确立实验课程相对独立的地位,提高实验任课教师对教学的关注度,使教师能够全身心投入到实验课教学中,提高教学效率和教学效果;同时也提高学生对实验课程的关注度,使学生能够通过实验对理论知识进一步理解掌握,也能将所学理论知识更加灵活有效地运用到实验学习过程中。
二、设置合理科学的实验教学内容
生物学科发展迅速,新的技术和新的方法出现和应用很快。因此,实验课程的内容要紧跟学科发展前沿,结合经典实验技术和方法,设置适应学科发展和社会需要的相关实验教学内容。同时,生物工程专业具有应用性和前沿性的特点,这就决定生物工程专业实验课程内容设置的目的是培养具备实践能力和创新能力的人才。因此,在实验内容设置的时候就要考虑实验的实用性和灵活性。
我们实验设置把握的总体思路是以经典技术方法锻炼基础实验操作能力,以探索型实验锻炼学生发现问题及初步解决问题的能力,以综合性连续实验检验学生对实验的整体把握能力。教学内容设置的连续性可以对学生进行循序渐进的实验能力培养,避免出现实验设置顺序混乱对学生思维及能力培养造成不必要的误区。
三、改进教学方式,提高教学效率
与理论课程不同的是,实验课程更多的是考察学生独立发现问题、独立思考解决方法、独立操作验证的能力,整体来讲,学生的相对独立性要高于理论课程。因此,我们在进行实验课教学时,对教学方式进行了一些改进。
首先,实验的理论知识准备要充分。实验课在准备阶段,我们就要和理论课的进度结合起来,避免出现实验课提前于理论课的情况发生,同时也要尽量避免理论课结束很久之后再进行相关的实验课教学,尽量做到理论课和实验课同步进行,这样可以避免在进行实验课教学时进行长篇累牍的理论知识讲解,影响实验课教学时间和效果;同时,学生在实验课前准备相关理论知识的时候,也可以做到趁热打铁、有的放矢。
其次,实验教学的讲解要简明扼要。以往的实验课程教学,从实验原理到实验器材,从操作注意事项到实验结果处理,甚至实验分析和结果讨论,教师都要进行详细的讲解,这样的教学容易造成教师工作压力增加,而学生对教师的依赖心理过重,甚至觉得实验课就是走过场,对教学效果产生很大的不利影响。我们在教学过程中,针对不同的实验内容,制定相应的教学讲解时间,一般情况不超过25分钟,理论课讲述过的内容,进行简单的提问了解学生掌握情况,把讲解重点放在影响实验成败的细节的指导上,并加一些与实验相关的理论发展过程的讲解,以利于学生对实验的理解掌握。同时,简明扼要的讲解也要求学生在实验课进行前进行大量的相关理论准备工作,把“被动接收”变为“主动获取”,藉此培养学生独立思考的自主性,调动学生积极参与实验教学的主动性。
第三,实验课程进行过程中操作部分要放手。在实验操作过程中,突出学生的主体地位,放手让学生去进行实验的各个步骤,教师的作用是监督实验过程、保证实验安全、保障实验顺利完成。我们在讲解过程中仅演示实验操作的关键细节,其余的实验操作在不影响实验准确性的情况下,让学生根据自己的个人习惯进行操作。在实验整个过程中,教师会全程关注学生的操作,发现操作方面的错误及时进行纠正和辅导。而对实验过程中出现的问题,仅做必要的引导,启发学生依靠自己掌握的理论知识和实验技能进行分析和解决,培养学生独立思考问题和解决问题的能力。
第四,处理数据要缜密,确定结论要慎重。实验结果和结论是对整个实验的总结,是最终要得到的最重要的内容。因此,我们要求学生在处理实验数据时一定要缜密,严格按照相关的实验处理方法进行,得到正确的实验结果;在依照实验结果下结论时考虑周全,不能扩大或者出现不符合实验结果的结论,最终慎重下定结论。以此培养学生科学的思维方式,具备良好的分析能力和总结能力。
第五,最终提交的实验报告能做到实验的可重复性。我们评价学生提交的实验报告是否合格的最重要标准是能否依靠该实验报告重复出该实验,这是对学生表达能力的一种培养。我们在教学过程中要让学生意识到,只有做到清楚表达自己的实验成果,并且能够让别人成功重复,才能证明整个实验是成功的,如果只有自己清楚自己的实验成果而不为别人接受,那么整个实验就是失败的。
四、改进成绩考核方式,激发学生主动性
以往的实验教学考核主要是以学生提交的实验报告作为主要的评分参考,学生为了获得好的成绩,关心最多的是实验结果是否和教科书上描写的一致,是否达到了实验的预期目标,而往往忽视了实验课程设置的最初目的和实验过程中出现的关键实验现象,这种考核机制难以考察学生真实的综合实验技能,也不能有效了解学生对实验课程的掌握情况,不利于学生将来从事科研或生产工作。我们认为,实验课程成绩的考核相比较于理论课程考试,更多的是要考察学生对实验目的和实验原理的认识程度、对实验技能的掌握程度,对实验过程出现的问题的发现能力、针对问题的解决能力以及在实验过程中表现出来的创新思维能力;结合学生提交的实验报告是否能准确描述实验现象、是否能正确处理实验数据、对实验结果讨论分析是否合理以及书写是否规范等,综合评定学生实验课程成绩。
在实验教学中,我们从一开始就向学生明确实验课程的考核标准,让他们了解到仅仅靠实验报告是不能获得一个好成绩的,需要全身心投入到实验课程中去才能获得好的成绩和掌握优秀的实验技能,这样能够提高学生对实验课程的关注程度,激发学生积极参与实验教学的主动性。我们在教学过程中,专门准备有课堂教学备案记录本,从学生进入实验室之后,从讲课过程中学生的回应程度、实验过程中的具体操作、对出现问题的剖析理解、解决问题方法的选择等方面,对每一位学生的具体表现随时在记录本上进行记录备案,作为学生实验课程成绩考核的重要评定依据,再结合学生提交的实验报告进行综合的成绩考核评定。
五、结语
生物工程是生命科学的下游学科,对学生的应用能力和创新能力有更高的要求。作为培养生物工程高素质人才中关键一步的实验教学,不能采取传统的教学方式。经过我们对教学理念及教学方式方法的改变和探索,初步摸索出一套比较适合生物工程本科生实验课程的教学方法。整个生物工程学科要发展,只有做好各个基础性的工作,本科生的实验教学就是其中的一环,因此,生物工程专业的实验课程教学改革还需要朝着更好的方向继续进行下去。
参考文献:
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关键词生物信息学;教学;教学改革
生物信息学是生物学、计算机科学、信息科学、数学等多学科交叉融合的新兴学科,可培养学生综合运用知识解决科学问题的思维水平和能力,学科内容具有极强的前沿性、开放性、实践性和探索性,有助于培养宽口径、厚基础、创造性、应用型的专业人才[1-2]。但因生物信息学的知识庞博、原理抽象,使得该课程不能采用传统的教学模式进行教学,现行的课程教学方法尚未完善,需根据不同学校、不同专业的发展定位和学生培养目标有针对性地设计和开展课程教学。浙江大学宁波理工学院生物工程和生物技术为工科专业,以培养高水平的应用型人才为目标。近几年开设了生物信息学课程,通过不断的课程教学改革和实践,笔者发现影响教学效果的多方面因素,包括地方院校生物信息课程授课过程中的共性问题[3]。逐步对课程目标、教学内容、教学方法和考核方法等方面进行了有益探索,探索适合工科专业学生的生物信息学课堂教学模式。通过努力,初步解决了浙江大学工科大学生的生物信息学课堂教学的主要问题,有效提高课程教学效果,同时也获得了一些经验和认识。
1工科专业的生物信息学课程教学问题
1.1课程教学内容新颖繁多,与专业课程体系设计不匹配
生物信息学作为一门新兴的交叉学科,要求学生了解、掌握的基础知识非常多,但学校侧重于工程人才培养,工科应用课程多,生物基础知识薄弱,且将生物信息学作为专业选修课,仅安排24学时的授课时间,这就形成教学内容新颖繁多与专业课程体系安排设计不匹配,难以有效利用已学知识对这个综合性新兴学科课程进行全面学习,部分大学生还因学无所成或跟不上授课进程而产生厌学情绪。
1.2授课学时短,教学和考核模式落后
生物信息学知识庞博、原理抽象、实践性强,但因课程授课学时严重不足,课堂教学通常以理论教学为主,采用以教师讲授为主体的传授式教学方法,幻灯片课件展示容量很大,学生缺少足够的时间思考和消化,常感到学习千头万绪,不得要领。传统教学方式无法满足该课程教学需求,在生物信息学教学中存在较大局限性。在传统教学方法下,课程考核仍以卷面形式进行,忽视实践技能,不能有效考查大学生的学习效果。因此,传统教学和考核方法忽视了该课程前沿性、实践性强的特点,使学生失去了主动思考和积极创新的动力和机会。
1.3教学资源不充足,教材选择困难
生物信息学作为一门新兴学科,教学资源不充足成为普遍现象。生物信息学教材在教学内容的新颖性、时效性和对各专业的适用性等方面有所欠缺,例如一些数据库及软件总在不停更新,教材内容有比较大的滞后性。由于高校开设该课程的时间通常较晚,适用于工科专业的生物信息学教学资源,如教学教案、多媒体课件、教学视频等尤为欠缺。同时,由于生物信息学课程的前沿性,与生物信息学有关的网页大部分都是英文,工科大学生的生物信息学专业词汇极其匮乏,开展实践教学时学生学习非常吃力,甚至造成学生学习困难,教学效果比较差。
2工科专业的生物信息学课程教学改革
2.1根据专业特点改革教学内容
结合工科专业特点及培养特色,选用相对简洁,基础知识与实践应用相结合的教材,如陈铭编写《生物信息学(第二版)》等。同时不拘泥于教材,针对具体讲授情况进行有机取舍和补充,合理制订教学方案。比如,对浙江大学生物工程专业的本科生来说,生物信息学更多的是一种辅助分析工具,不需要深入学习数据库的构建方法、软件算法等基础知识,更多的是培养他们应用生物信息学技术和思维方法来服务本专业知识的能力。因此,大力引入实践教学,大幅度压缩理论教学,理论教学和实践上机操作时间基本按等比例分配。改革后的理论教学内容包括生物数据库及其信息检索、序列比对与分子进化、核酸序列分析、蛋白质性质和结构分析、基因组信息学、蛋白质组信息学等;实践教学引入了常用生物信息学数据库的应用、核酸和蛋白质序列的进化分析、DNA序列的信息学和功能分析、蛋白质序列分析和结构预测、常用生物软件的应用、综合实验等。该教学计划不仅使学生有效学习生物信息学的理论和技术,还可使学生深刻体会和贯通一些生物化学、分子生物学、基因工程等生物课程的知识,夯实了工科大学生的生物学基础理论知识,为学生开展专业相关的实践创新项目和后续毕业论文设计提供技术支持。
2.2革新基于多媒体的互联网教学方法
多媒体网络教室借助于计算机网络和多媒体技术,轻松实现生物信息学理论讲授、数据库搜索及软件应用演示,便于師生课堂交流,增强学生的教学参与意识[4]。再加上大多生物信息学数据库及软件工具在因特网上免费提供,引导学生充分利用这些网络资源尤为重要。因此,必须建立有效的基于多媒体的生物信息学互联网教学方法,给大学生提供更多动手操作机会,改善学习效果,充分体现生物信息学的实践性。基于此,将每个生物信息学教学主题的课堂讲授内容分为2部分:一是用幻灯片进行理论知识讲授和操作演示,二是指导学生利用丰富的网络资源和软件工具完成相关上机实习,引导学生进行探索式练习,培养主动学习的习惯。例如在GenBank数据库教学活动中,首先用幻灯片讲授该数据库的简要情况;接着演示GenBank数据库的搜索方法和搜索结果的要点,结合搜索内容讲解核酸及蛋白序列的格式、主要字段的含义、序列下载的方式;最后,布置相关上机操作内容,由学生上机操作该数据的搜索,并对搜索到的序列进行解读,教师全程指导解疑。另外,为摆脱该课程学时短的限制,结合教学内容适量安排课后作业,鼓励学生利用课余时间上机操作,巩固和拓展生物信息学知识。这样的教学方式简明扼要,既节约了课堂时间,还教会了学生主动获取信息的手段。
2.3开设创新型开放性实验
生物信息学课程的开放性和前沿性可以开拓学生的视野,帮助开发新的思维方式。因此,在生物信息学实践环节增设创新型开放性实验[5],综合采取启发式、研讨式、运用式等教学方法[6],强调大学生的创新思维、实践动手能力的培养,有效调动学生的学习兴趣。新型开放性实验包括演示实验实例模块和综合研究实验模块,让学生自己提出问题、设计和探索解决方案,引导学生独立思考、大胆动手,充分发挥学生的主动性和创造性,培养学生发现问题、综合分析处理问题、信息的收集和整理、创造性思维等独立动手能力以及团结协作能力。就综合实验模块而言,例如,学生想研究自己感兴趣的一个基因,要求学生独立查找相关文献和资料,收集和分析核酸、蛋白质序列及其同源性关系,预测该基因的结构、功能,最后总结这个实验过程并分析实验结果,撰写一份实验报告。通过创新型开放性实验训练,可以全方位、多角度、重能力地训练学生的综合素质。
2.4制订理论与实践并重的教学效果考核方法
根据新的教学内容和模式,积极改革生物信息学考核方式,制定理论和实践并重的考核制度,增强考察大学生对生物信息分析的基本技能的掌握程度以及对结果的分析能力。例如,课程的学生总评成绩由平时成绩和期末成绩组成,分别占25%和75%。期末成绩评定由理论考核和上机考核组成,比例分别占40%和35%。上机考核包括2部分:一是针对课堂教学内容随堂布置上机作业,让学生深化理论教学和演示实验教学的学习,评定学生作业成绩;二是让学生选定感兴趣的研究课题或教师设定研究主题,学生结合所学生物信息学知识,独立制订完整的研究方案,通过上机操作完成方案中的生物信息学操作,并对结果进行解读,形成一份实验报告,教师评定学生的报告成绩。通过这种考核可以全面评定学生的学习效果,促进学生主动学习,同时还可以准确发现教学过程中存在的问题,为课程教学的进一步优化提供指导。
3结语
根据生物信息学课程特点,针对工科专业培养特点,结合近年来笔者的课程教学实践,精心选择教学内容,突出并合理组织实践教学,注重培养大学生的核心技能;充分采用基于多媒体的互联网络教学,增设创新型开放性实验,构建多样性教学方法,强调学生的创新思维、实践动手能力的培养;注重教学效果评价,制订突出实践能力的考核方法,促进学生主动学习能力。通过这些教学改革和实践,逐步探索适合工科大学生的生物信息学课堂教学模式,有效提高课堂教学效果,切实增强学生的专业知识和技能。
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关键词:生物信息学;生物专业; 教学方法;学科交叉
中图分类号:G64 文献标识码: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
近年来,伴随着生命科学的快速发展,有关生物的数据逐渐增多,而分析手段也很多,产生了生物信息学这个概念。生物信息学是由生物学与计算机科学、应用数学以及统计学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科,它使用计算机和信息技术对生物信息数据进行采集、处理、存储、检索和分析,从而达到揭示相关数据中所蕴含的生物学意义的目的[1]。为了快速有效地从海量的生物数据中获得所需信息,提高发现问题、解决问题的能力,在生物信息学教学过程中有必要开设一些计算机课程、数学及工程相关课程,这样可以启发学生综合运用数学、物理、工程科学和计算机知识的能力,拓宽其知识面,了解学科前沿和最新进展,培养跨越生命科学、计算科学、数理科学等不同领域的大科学素质和意识,为今后选择新兴交叉学科领域进行深造奠定基础。因此很多大学增设了生物信息学这个本科专业,有的在计算机学院中增加生物信息专业本科,有的在生命学院增加生物信息本科,在本文中主要讨论在生命学院中开始生物信息学专业。作为一门交叉学科,不同专业的学科体系对生物信息学课程教学提出了不同的要求,如何在生物专业学生中开展生物信息与计算机课程的结合,是培养更高理论和实践能力的生物信息专业人才的关键。
1 生物信息学的特点
生物信息学涉及分子生物学、微生物学、生物化学、蛋白质化学、分子遗传学、基因组学、生物物理学、概率论与数理统计、信息论及计算机技术等学科,学科交叉性极强。仅就计算机技术而言,计算机编程、数据库技术和模式识别、软件工程及网络技术等都在生物信息学中有广泛的应用[1,2]。因此,生物信息学是将不同领域知识高度集中的学科。
2 计算机课程的设置
对生物信息学来说,计算机技术就是一个工具,用来对生物数据进行处理。工欲善其事,必先利其器,所以要做好数据的分析工作,必须让学生学好计算机课程,但更应该在生物信息学专业的教学计划中把计算机课程设置恰当,让学生受益[2]。
2.1 课程的选择顺序
生物信息学面对的是海量生物数据,所以首先需要学习使用编程工具,如JAVA或者C++语言或者Perl语言等编程工具,然后安排数据结构等课程对编程课程进行深入了解,后期安排数据库技术、数据挖掘等课程,方便学生进行实践应用。
2.2 教材和授课内容的合理选择
在学习生物的学生中开设生物信息学专业,那么教材的选择应该兼顾学生的知识背景和学习兴趣,由于学生对蛋白、进化、蛋白质结构、基因序列有一些认识,但对计算机比较恐惧,因此计算机教材可选用比较简单、易懂的,如JAVA课程主要讲解编程思想,那么主要包括环境变量设置、语法和如何编程,那么选择教材时就选包括这些内容的教材就可以了,并在上课过程中,结合一些生物信息软件来讲解,激发学生的学习兴趣。同时,选择适合的授课内容也是必不可少的环节:序列比对算法、基因识别算法、蛋白质结构预测、分子动力学模型及机器学习或模式识别算法在生物信息学中的应用等方面的内容,此外在大学初期也要加强数学、物理和计算机方面的基本知识的课程开设[2]。能够从他们自己的知识体系出发, 阐述生物数据如何用计算机方法和技术进行获得并处理;并且了解学生已经掌握哪些生物学知识,在授课过程中,针对学生的特点综合使用多本教材更能达到预期效果。使学生认识到计算机技术和方法在生物学研究领域的广阔应用空间。随着生物信息学研究的深入,国内外出现了大量的生物信息学教材、专著和一些最新的文献。
2.3从抽象到具体的教学理念
由于生物信息学涉及数学、统计学及算法等众多理论知识,但有生物基础的学生具有生物学知识储备,缺乏计算机知识。所以在为生物学专业上进行计算机课程时尽量采用结合实例进行讲解。首先,针对生物学专业学生计算机知识薄弱的特点,尽可能将生物信息学问题转化为学生熟知领域的问题,例如,在讲解蛋白质二级结构预测时,可考虑学生学习过螺旋、折叠和无规则卷曲的特征,讲解模式识别算法预测二级结构的过程时用可采用一些模型如苹果等进行形象讲解更容易被学生接受了;其次,充分利用现代化教育技术及网络资源,对于未接触过计算机实验学生来说,程序代码对于他们而言是枯燥无味的,在教学过程中充分利用计算机实验和网络资源,让学生了解计算机程序的运行过程和网络中生物信息软件的使用,从而对计算机处理生物学数据产生感性认识。例如,在讲解利用聚类算法分析基因芯片数据时,可以先播放基因芯片制作过程的Flas,让学生身临其境,这样不仅可以激发学生的学习兴趣,更可以加深学生对知识的理解和掌握。或者讲解聚类算法可以用物种分类进行类比来讲解[2]。
2.4加强实验环节
生物专业的生物信息学课程的教学过程就是让学生了解并掌握计算机科学和技术如何处理分析生物学数据的过程。因此,进行理论教学的同时,实验教学环节也是必不可少的[3]。计算机实验不同于生物实验,而是主要通过计算机进行处理,例如可通过计算机实验直观的了解三大核酸数据库:蛋白质序列和结构数据库的数据组织方式;通过实验可以让学生掌握如何利用Acclrys Discovery Stdio软件进行蛋白质结构预测,感受蛋白质结构显示软件的强大威力,更重要的是,使学生了解到计算机技术和方法在生物数据处理过程中的举足轻重的作用。从生物信息学实验课中,他们可以领略到计算机科学技术的魅力,增加作为生物信息学专业学生的自豪感,并坚定学好生物信息学知识的信念。
3 后续课程的构想
在后续课程中,由于前面为学生设置数据库原理与设计及数据挖掘等课程,可开设一些专题讲座,如了解数据库设计后,可结合生物专业的特点,可能了解了在网络环境中三大核酸数据库的组织结构,讲解它们是如何采用数据库知识进行组织的,并进行一些简单数据库的设计工作;在数据挖掘课程后可采用一些统计学软件如MATLAB处理生物数据的一些专题[4,5]。又如开设讲解生物信息学的研究热点与与原来讲解的课程进行对接。也可讲解一下药物信息学的设计、疾病靶点的选择等,激发学生学习生物信息学的意义,让有可能进一步深造的学生知道前进的动力。
4 结束语
作为一门新兴的学科,生物信息学专业的发展非常迅速,新的理论、算法和应用程序不断涌现。因此在进行生生物信息学专业教学中,不拘泥于现有的生物信息学教材和计算机教材时纳入最新的研究成果,将相关研究领域的一些新的研究方法、网络资源以及工具软件介绍给学生。例如, GCG软件是一套蛋白质、核酸序列分析软件,一般在Linux环境下使用,包括130多个软件,但现在这些类似功能的软件很多可网络上下载到Windows系统环境下进行蛋白质、核酸序列分析,因此可介绍这些软件给同学使用,方便同学在自己的电脑里熟练使用这些软件,同时有些软件有更新的算法和版本也可以介绍,及时更新学生的知识体系,培养学生相关学科前沿的意识,拓展学生视野。
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论文摘要:教师要正确认识商检技术专业开设生物化学课程的必要性且有效地构建课程内容体系,并对商检技术专业生物化学课程内容的改革和实践进行了探讨。
生命科学在20世纪后叶取得了突破性的进展,并将成为下个世纪自然科学发展与社会进步的关键学科。近年来,生物化学已渗透到各个领域,生物化学课程进入化学类专业学生课堂也已逐渐成为事实。教育部理科化学教学指导委员会在1999年制定的《理科化学专业和应用化学专业化学教学基本内容》中首次列入了生物化学,国内外一些名牌大学的化学化工院系在教学计划中也将生物化学这门课程放在了重要的位置,其教学课时及所占学分与有机化学等骨干课程相近或持平。我院也适时地在商检技术专业课程体系中开设了该课程。如何引导学生系统地掌握本门课程的整体结构、基本概念及实验技能,了解学科发展前沿,是进行素质教育,开发潜能,发展个性,进行创新教育,培养跨世纪人才重要的一环,掌握本学科知识也是为学习后续相关课程打下扎实的基础。在此我们结合实际教学工作,对生物化学的课程改革做一探讨。
1、结合实际,把握教学内容的侧重点不同
生物化学作为商检技术专业的必修课程,作为高职高专院校,要以必需够用为原则,除了强调基础理论知识的讲解外,还需对具体章节有所侧重,比如,该专业一些后续课程与蛋白质结构及其代谢关联比较大,还经常接触酶的有关知识与应用,所以这些相关章节的知识就需多花些精力,而有关分子方面的理论就并非重点。生物化学对商检技术专业重在具体实践应用,如在讲解蛋白质含量测定时,要联系农谷类商品的检验技术,以及酶的抑制作用在制药行业和农药等行业的应用。充分做到理论联系实际,激发学生的学习兴趣,提高教学效果。
2改革教学方法和模式,提高学习兴趣
2.1注意不同层次学生的知识衔接
商检技术专业招生是文理兼招,因此学生存在知识结构的差异,对生物化学课程的理解和心理要求也存在差异。教师应根据需要,从不同知识层次和心理需求出发,讲授内容要与其各自的知识结构相衔接,这样更有利于学生接受。一般在第一次课中,可以将生物化学课的特点、对学生学习的具体要求以及自己授课的方法计划等简单介绍一下,使学生对该课程体系与结构框架有一个大概的了解,并且让学生明白该以何种态度、采取哪些措施学习该课程。介绍生物化学与商检技术专业的关系,使学生了解生物化学对其专业学习的重要性,引起学生对生物化学学习的高度重视。在以后授课中,教师要立足在现有知识的基础上,注意对相关知识的复习和联系,突出重点,讲授生化的基本理论、基本技能,使学生对其特点和基本知识有一个明晰的理解,并引入生物化学在商品检验技术中的新进展,既能体现专业特点,又能把当今生命科学发展的新知识、新观点,介绍给学生,使学生认识到该课程内容丰富,且书本以外的知识更广泛,大有作为,从而提高对本门课程的学习兴趣。
2.2提倡形象化教学手段,多种教学方法灵活使用
生物化学是基础课,一般在二年级开设。低年级大学生的学习方法和思维方法仍受高中的影响,他们对一般的化学反应并不感到难学,但对生化机理就觉得比较抽象、枯燥、难懂。因此,教师在讲授过程中用准确易懂的语言,恰当的例子和形象生动的比喻,结合和谐的肢体语言进行生动有趣的讲解,使学生的感官处于积极的状态,既能现场思维、当课理解,又能记下内容,留下深刻印象。
改革教学方法的实质就是教学主体的转变,即以教师为主导,以学生为主体,根据课堂内容和教学过程的具体实际采用不同的教学方法,把重点放在开发学生智力、培养学生创造思维上。在课堂上针对不同情况采用不同方式。①在讲授需进一步提升的概念和规律时, 采用启发式教学法。通常先提问,引导学生探索,并逐步得出结论;②对一些有质疑的问题,则采用讨论式教学法。引导学生在课堂上即兴讨论,达到以疑解惑的目的;③对于一些章节之间或与相关学科之间纵横交错的问题,则采用研究式教学法,安排进行专题讨论或课后撰写小论文;④对于一些语言描述比较困难,结构模型的使用又很不方便的章节,要采用多媒体教学,借助计算机特殊的动画功能逼真地模仿出;⑤其中部分内容是学生经过认真看书可以解决、理解并消化的内容,可以“学生自主学习”的模式。同时将一些次要的内容,一些学生能够看懂的内容留给学生自学,既可保证教学进度,又有助于培养学生独立思考的能力;⑥利用网络教学模式,将相关的教学资料上网,通过电子邮件和BBS建立师生交流论坛,定期答疑。从而更好地提高学生学习效率,实现真正的个性化教学。
《生物化学》课程教学改革是一项长期艰苦的工作,怎样在教改中更好地贯彻实施培养学生综合素质和创新能力这一根本性的指导思想,使之与科技和社会的迅速发展相适应,还需要我们继续探索和研究。
参考文献
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关键词:高职高专 基础化学 课程改革 制药
中图分类号:G712 文献标识码: A 文章编号:1672-1578(2013)11-0044-02
《基础化学》是生物制药专业的重要的基础课,课程包括无机化学、仪器分析、分析化学、有机化学、物理化学及其相应的实验课程。通过本课程的学习,可以为专业学习提供基本化学理论知识和基本实验技能。本课程通常是在大学一年级开设,所以教学质量的优劣直接决定了学生对化学知识体系的掌握和运用,对学生专业素养的形成以及良好学习习惯的形成起到至关重要的作用[1]。所以,我们依据本校生物制药专业学生现状对基础化学课程提出如下改革措施。
1 学生学习态度的转变
1.1激发学生的学习兴趣
高职高专的学生总体基础薄弱,我校生物制药专业招收的学生类型有:普通理科、普通文科、农学类,有的同学甚至没有高中化学基础。因此,部分学生对基础化学的学习产生畏惧的心理,有些学生甚至因为惧怕学习基础化学而产生厌学情绪。所以激发学生的学习兴趣显得尤为重要。学生有了学习兴趣,才能在学习过程中迎难而上,克服各种主观和客观因素,使其学习水平提高到一个更高的层次[2]。
学生的学习的兴趣很大程度上取决于学生对基础化学知识的需要,以及由此而产生的满意感,教师要让学生充分了解到基础化学的魅力,了解到基础化学和专业课的关系,这样才能使学生产生学习基础化学的需要,从而激发学生的兴趣。比如,讲到有机化合物的结构、性质时,可以举几种新药、特药,或者众所周知的药物来分析,说明这些药物具有某种作用是由于药物分子结构中含有某一基团的缘故,让学生明确基础化学知识是学好专业知识必备的基础,由此激发学生学习的积极性和兴趣。另外,在课堂上及时介绍本专业发展动态,并积极引导学生关注本专业的研究热点[3],使他们尽可能多地掌握具有超前和应用价值的新知识及新信息,学生对这些前沿的、能学以致用的内容非常感兴趣,由此激发了学生学习化学的热情。
1.2培养学生的自信心
有了学习兴趣,还得有学习的自信心。学生对基础化学学习的畏惧的心理致使部分学生失去学习的自信心,认为自己不是这块料。教学过程中,首先,教师对所授课程应抱有积极、热情的态度去感召学生,学生由于对教师的尊敬而采取积极的行动来迎合教师的期望,教师也往往会从学生积极的反馈中获得自身的价值,增强做好教学工作的信心,形成良性循环。其次,教师要营造良好的课堂气氛和师生关系,要进行赏识教育,多鼓励,少批评。要从学生的角度考虑问题,及时关注学生的情感,了解学生,因材施教;对不同层次学生提出的问题,解答时有的放矢。同时应尊重学生,爱护学生的自尊心,还要信任学生,采取有效措施鼓励学生学习基础化学的自信心。教师应关注学生的学习,对其所取得的进步及时进行表扬,使学生在学习基础化学知识的过程中获得愉快的体验,从而激发其学习的自信心。比如,在学习滴定分析时,我们重点讲解酸碱滴定法,学生运用对照学习法,学会了氧化还原滴定、配位滴定、沉淀滴定的终点确定方法、滴定突越范围确定、滴定误差以及指示剂选择等知识,教师要及时给与肯定,这样学生就有了成就感,从而改变了原来对学习化学知识的逆反心理,消除了学习的恐惧心理,增强了学习自信心。
2 实验课改革
基础化学实验是基础化学课的一部分内容,实验对于培养学生专业技能和思维方式是非常好的途径。通过多年的教学实践,可以看出高职高专的学生动手操作能力很强,几乎所有的学生都喜欢做实验。为此,在培养方案中要加大实验课的力度。
2.1实验课的授课方式改革
实验课的授课方式可以采用“教、学、做”一体化教学,让学生在做中学、在学中做,使学生在完成一个个实验的过程中掌握知识与技能,培养良好的素质,这种教学体系既能使枯燥的基础知识易于被高职学生接受,又符合高职院校“以能力为本位、以就业为导向”的培养要求。比如:将溶液浓度的表示方法这部分放在实验室讲解,让学生在溶液的配制实验中学习溶液浓度的表示方法,通过亲自动手获得的知识要比课堂上被动接受获得的知识更能灵活应用,提升了学生的实践能力和创新能力。
2.2实验课授课内容改革
实验课内容的选取要与专业密切相关,在学生掌握基本实验操作,具备一定实验能力的基础上,可尝试安排1-2次设计性综合实验。比如:在掌握滴定操作的基础上可以设计测定某种药物中某一成分,让学生自己查资料设计实验方案,自己配制溶液,设计实验步骤完成实验,教师在实验过程中给与一定的指导。通过开设设计性实验,学生的专业技能水平和思维方式得到很大的提高,教师也能从学生的多种设计中得到启发,达到教学为科研和生产服务的目的。
3 教学手段改革
3.1多媒体辅助使教学更生动[4]
基础化学教学中可以运用多媒体辅助手段,通过视频、动画、声音吸引学生注意力,活跃课堂气氛,加深学生对抽象、枯燥的化学知识的印象。比如:在讲到物质结构这一章内容时,通过多媒体动画模拟杂化轨道的形成过程,学生可以直观感受、主动思考,从而更有效地学习杂化轨道的类型、各种类型的形成过程及特点,培养学生的主动学习能力。在有机化学部分内容的讲解中多媒体手段的作用更是不言而喻,比如:通过多媒体演示来理解取代反应、加成反应的过程,一些药物分子的结构分析等。但是,在运用多媒体教学手段时很容易出现屏幕代替教案的现象,致使教师照本宣科,这样就起不到多媒体的作用,笔者认为多媒体是一种辅助教学手段,需要配有传统的黑板教学,特别是青年教师要在黑板教学熟悉的前提下进行多媒体辅助教学。
3.2开展网络教学平台
随着社会的发展,网络已经成为我们日常生活中必不可少的信息化资源。近年来,笔者所在的学校大力发展质量工程,积
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极鼓励教师创建网络课堂,教师需将本课程相关的电子课件、电子教案、课后习题及答案、参考文献等教学资源放在网络教学平台中,其他教师和学生均可以登陆查阅,可以教学平台上进行在线答疑、在线讨论和布置作业,克服了传统教学受课时、地点的限制,这样不但可以及时解决学生学习中的问题,教师也可以通过教学平台进行交流,提升了教学的效果,实现了优质教学资源的网络共享。
4 考核方式多样化
采用平时考核、实验考核与期末考试相结合考核方式[5],对学生的学习活动和学习效果进行评价。平时考核包括出勤、课堂提问及作业完成情况,要求学生不得旷课、迟到和早退。擅自旷课者每次扣5分,旷课学时超过总学时的三分之一以上者不能参加期末考试,迟到和早退者每次扣1分,这种扣分制度可以督促学生按时上课,培养学生的时间观念,使学生时刻保持积极的学习心态,养成良好的学习习惯,这部分占总成绩的20%;实验考核包括出勤、实验报告书写、实验操作技能、实验态度及实验方案设计,每一个实验教师都要制定评分标准,实验过程采取学生自评和教师评定相结合,这样可以敦促学生积极参与、亲自动手实验,这部分占总成绩的40%;期末考试为理论考试,考试内容包括基础知识和联系实际自由发挥,占总成绩的40%;多样化的考核方式使学生能够积极主动参与教学过程,既有利于学生的情感发展,又体现了技能获得的重要性,实践证明教学效果良好。
通过一系列的改革措施,学生学习化学的兴趣提高了,学习主动性提高了,化学基础扎实了,专业技能也得到了很好的锻炼,实践证明,该教学模式有利于高职高专高素质、技能型人才的培养。
参考文献:
[1]董泽华,刘宏芳,邱于兵,等.工科基础化学在交叉学科人才培养模式中的研究与实践[J].化工高等教育,2013,1:38-41.
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[4]林春田.浅谈多媒体和网络技术支持下的高职数学教学模式[J].教育与职业,2011(14):100-103.
摘要:基因工程学课程在生物技术专业培养目标中定位于专业必修课,是专业主干课程。该课程与生命科学密切相关,前后与其他学科的有机化学、基础生物化学、分子生物学、细胞生物学等课程有密切联系。基因工程学课程是一门承上启下的高端课程,是连接于本科生和研究生之间的纽带课程。为适应现代高等农业院校生物技术专业培养创新型人才的需要,基因工程类课程在理论教学、实验教学以及实践教学等方面进行了一系列改革创新,并取得了一定的教学成果,为生物技术专业创新人才培养打下了良好的基础。
关键词:农业院校;生物技术;基因工程;教学改革;实践
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)21-0133-02
生物技术专业是在顺应时代经济科技发展的条件下建立起来的,学制四年,授予理学学位,培养具备较系统的生物技术专业及相关学科的基本理论和实践技能,能在有关高等学校或科研单位从事教学或科学研究,能在生物产业、医药卫生、农、林、渔、环保、园林等行业从事与生物技术相关的基础与应用研究、技术开发或管理工作的高级专门技术人才。基因工程学作为生物技术专业的一门专业基础课,在临床医学、农业生产等若干领域实际应用的一门学科,也是最具生命力和最引人注目的前沿学科之一。其任务主要是从分子水平阐明基因操作主要技术的基本原理、载体的构建与应用、基因的表达与调控等内容。目的是使学生掌握高等生物基因工程的研究目标、现状与进展,以及基本实验操作技能。
一、教学建设与改革
(一)教学内容与课程设计
基因工程学理论教学内容主要介绍基因工程的基本理论、基本实验方法以及最新研究成果,阐明基因与基因工程操作的主要技术原理,基因克隆的酶学基础及基因克隆的各种质粒载体,原核、真核基因的表达与调节,基因的分离与鉴定等内容。基因工程学实验教学内容以大肠杆菌的感受态制备为基础,进行质粒DNA转化大肠杆菌感受态细胞,质粒DNA的提取、鉴定,以及质粒DNA的酶切与连接等实验。目的是使学生全面、系统地了解和掌握基因工程学的基本理论、实验技术及实践技能。
(二)教学方法与教学手段改革
在教学方法上,改变传统“填鸭式”教学方法,引入案例教学法、互动式教学法及讨论式教学法。根据教学目标的要求,课堂上利用案例引起教学活动,将在生产一线、基层培训中遇到的实际问题和解决的实践经验带入课堂,将参加全国各大学术会议中学习到的最新研究成果、最新学术前沿知识融入课堂,再把诺奖、院士、知名学者等名人事迹和科研成果引入课堂,进行案例式教学。对有争议性问题,组织学生进行互动式研讨,采取具有针对性、实践性、启发性、研究性和时效性的教学方式,进行互动式、讨论式、启发式教学。开发学生智力,培养学生能力,提升学生素质。启发学生思维,增强学习兴趣,提高教学效率,最终达到学生自主学习的目的。在教学手段上,采用教学效果更加形象和直观的现代化多媒体与讲授相互结合的手段进行教学,有利于学生对知识的理解和记忆。
(三)教学管理改革
在各个教学环节中,对教学的每一过程都要求一丝不苟、精益求精、认真负责。对课程梯队新任教师实行试讲制度、听课制度及进修制度,制定自我进修提高计划,支持青年教师到外校进修或去国外攻读学位。认真备课,疑难问题及时请教老教授。认真批改作业,详细解答学生的疑问,做到当堂课问题当场解决。积极开展与本课程有关的第二课堂活动和课题组活动,充分利用实验环节中的科研训练项目,促进学生理论联系实际,培养学生的实践动手能力、分析问题能力和综合能力。在课程考核中,课程理论考核占70%,实验考核占30%。实验考核根据实验表现、操作能力及实验报告综合评定成绩,成绩分为A、B、C、D四个等级,即优秀为A、良好为B、一般为C、差者为D。另外,在实验考核中,纳入了科研训练环节,独立设计并完成试验的学生给予实验考核分数的适当倾斜。
二、教学效果
(一)学生学习效果
基因工程学课程使学生能够全面系统的了解高等生物基因工程的研究内容、现状与进展,以及在临床医学、农业生产、化学制剂等方面的应用;使学生掌握了基因工程学最基本的五大实验技术,成为继续深造读研学生必备的基本技能。本课程学生考试成绩合格率为100%,优秀率达85%以上;在学习本课程的基础上,考研学生的录取率达90%,入学研究生学校的反馈评价优秀率为100%。
(二)学生科研成果
近年来,通过一系列的教学改革与创新,本专业学生根据基因工程学课程实验和实践教学中科研训练项目的研究内容和试验经验,本科生申请立项大学生创新创业训练计划项目20余项,其中“国家级大学生创新创业训练计划”项目2项,“省级大学生创新创业训练计划”项目3项,“校级大学生创新创业训练计划”项目18项;20余人本科生发表科研论文,其中本科生为第一作者发表科研论文10余篇,核心期刊论文8篇;本科生获奖20余人次,其中获得第十三届、第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖2项,获得第十三届、第十四届“挑战杯”吉林省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖2项,院校级学科竞赛奖多项。在取得上述成果的基础上,3名学生获得本科生优秀毕业论文,6名学生保送硕士研究生,10余名学生顺利考入南开大学等知名院校研究生。
总之,基因工程学课程作为生命科学领域的核心课程,在理论教学、实验教学以及实践教学等方面进行了一系列改革创新,取得了一定的教学成果。尤其在基因工程学实践教学方面使学生获得了实实在在的基本实验操作技能,为学生继续深造攻读学位、完成毕业论文试验做好了垫,也为生物技术专业创新人才培养打下了良好的基础。在今后的教学中,对生物技术专业课程将继续进行探索和创新,以期达到培养具有高科研素质创新人才的目的。
参考文献:
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收稿日期:2016-12-10