生物信息学教学探索实践

［摘要］探讨将哲学原理融入生物信息学课堂教学，不仅可以激发学生兴趣和掌握知识，而且可以帮助学生树立正确的世界观和方法论。课题组在融入过程中始终贯穿以人为本、唯物辩证、知行合一的理念，运用马克思主义哲学原理完善生物信息学教学理论，使晦涩抽象的理论转化为学生可感知的、易于接受的、指导实践的知识架构体系。

［关键词］哲学；生物信息学；融入生物信息学

作为新兴学科，其理论的产生、发展和完善蕴含着丰富的马克思主义哲学思想。哲学作为关于一切运动最普遍规律的学科，对高等教育和生命科学领域复杂问题的解决，显示出了强大生命力[1-3]。哲学是人类思维的高度概括和总结，其原理可以渗透到生物信息学教学的各个章节和领域。就当前国内而言，哲学与其他一级学科的融合发展尚未引起足够重视[3]，生物信息学教材中也未出现哲学术语。笔者结合三年教学实践，认为生物信息学课程虽为理科教育，但教学改革过程中穿插引入哲学思维至关重要，自觉渗透哲学原理，将有助于开拓学生视野和优化学生思维。笔者提出，教师要重视哲学思维，善用哲学方法。在总结生物信息学课堂教学不足的基础上，下面从三方面对哲学原理融入课堂教学展开论述。

一、生物信息学课堂教学现状和难题

生物信息学是生物学和信息学的交叉科学，包含了对各种组学数据（转录组、蛋白质组、非编码RNA组、表观遗传组、代谢组、宏基因组等）的获取、处理、存储、分发、分析等以及生物系统层面的解读，综合运用数学、计算机科学、生物学和医学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义[4]。课程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比对分析、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。学好本课程，准确找出与疾病有关的生物标志物，就是在实现和满足人民对美好生活的向往。当前国内外顶尖的自然科学研究，一定是定量科学（干实验）与实验科学（湿实验）并驾齐驱、相辅相成的一种研究模式。伴随着高通量生物技术的快速发展和后基因组时代的到来，生物信息学课程在国内多所高校纷纷开设，成为生物学本科生必须掌握的基本知识和核心技能。借鉴各兄弟院校的课堂教学经验[5-8]，发现国内生物信息学课堂教学目前面临的难题主要有三方面：（1）大多偏重于结论性知识的传授，很少关注理论产生的哲学内涵和思维。（2）课程对教师的授课水平和学生的学习能力要求较高，学生专业基础差，远不能适应生物信息学教学的需要[9]。（3）课程大都处于摸索和起步阶段，教材内容不够全面，实验教学案例不足[10]。深入学习贯彻育人育才思想是新时代教育工作和教师工作的重中之重。从课程理论创新角度看，通过哲学原理从不同角度融入生物信息学课堂教学可以夯实高校育人育才思想根基和满足学科发展需要[11]。

二、马克思主义哲学原理融入课程教学改革的实现路径

（一）以人为本以人为本，注重哲学教育对师生本身的完善。高校教师只有思想上清醒和认同“四有”好教师标准，才能培养出未来更优秀的社会发展中坚力量。部分新任教师虽然学历较高，但思想抛锚、能力不足，距离“四有”好教师尚有差距，接受生物信息学的新理论新观点不够及时，对课堂上学生的个体差异未能完全掌握。新时代新作为，生物信息学教师要时刻牢记人民教师的职责定位，坚持潜心问道和关注社会，增强核心意识，提高政治站位；要在学思践悟中联系新时代中国特色社会主义思想，要当好宣传员、示范员、战斗员，做到内化于心、外化于行；要善于运用马克思主义的世界观和方法论，从哲学角度来认识和把握教学中蕴含的矛盾和问题，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一，为国家培养合格建设者和可靠接班人。大学时期是青年学生树立“三观”的关键时期，具有好学、好思、好问的特质。教师要善于抓住学生可塑性的一面，坚持立德树人，把思想引导和价值观塑造融入教学之中；要注重学生意识形态方面的正确引领和培育，引导他们及早树立理想信念，激发他们主动学习的内生动力；要时刻以高尚的人格魅力赢得学生敬仰，以模范的言行举止感染学生，引导他们在观察、思考、实践和领悟中播撒真善美的种子；要坚持以学生为中心，开发设置一系列辩证统一的问题，引导学生懂得质疑、猜疑、解疑，成为一个具有创新思维、创造力的人。实践证明，生物信息学课堂上的教学出彩大多因为有充分发挥主观能动性、努力思考、求真求实的学生，即使一些出错学生的旁逸斜出也会给教学注入活力。（二）唯物辩证唯物辩证，注重理性思维在课堂上的潜移默化传授。在课堂教学中，课本内容多呈现一般性的解读、普遍性的结论和规律性的认识。若要加深理论的深刻性和科学性认识，就要求教师注重善用唯物辩证法培养学生的批判性思维。注重梳理和画出思维导图，使知识在学生头脑中形成竖成串、横成链的体系化网络。生命大分子无时无刻不在运动和变化，通过生物信息学数据解读系统生物学问题，必须坚持普遍联系地进行分析，培养学生多个视角来思考的习惯、批判性思维能力和集成决策能力。综合运用分析论证理论（比如还原分析、比较分析、挖掘背景、寻找替代等）以及数据挖掘方法（分类、关联分析、聚类分析、异常检测等），说明和预测有哪些问题是可以解决的，有哪些是可以计算的，有哪些仅仅停留在理解层面。例如，生物信息学可以更好揭示生物“表现型=基因型+环境”概念。DNA的表观修饰有近20种，RNA的表观修饰更多，用生物信息学对这些表观修饰进行分析可以扩充“中心法则”的概念，也可以解释为什么表现型不单单由基因型决定，还和所处环境有关。矛盾的对立统一规律是唯物辩证的核心，比如给学生讲解人类基因组计划可以了解疾病健康和基因遗传的关系，但一旦每一个人的基因组测序能够实现，则必然会出现基因歧视和种族灭绝的危险[12]。课堂教学运行是一个师生互动生成的动态过程，教师需要做好预设和生成之间的平衡处理，需要联系理论动态和前沿热点讲述某理论的应用价值以引人入胜，需要简明扼要地定义理论特点和推理过程，需要课后全面总结“预料之内”和“意料之外”的细节处理。教师要分清教师主导性和学生主体性的矛盾、教学内容与逻辑顺序上的矛盾、教学内容和受众对象非对等性的矛盾、教学内容和教材内容差异性的矛盾、教学内容和时间应用上的矛盾等。课程内容设计要坚持矛盾分析法中的“重点论”思维，既要全面又要突出重点。学生学习课程客观上存在各章节时间分配的对立，要把主要精力放在基础理论掌握和应用上；另一方面，课程各章节之间客观上存在内容相关的统一，也要求学生了解其他关联章节。在千头万绪的各类数据库中，学生要善于抓住编程中推理分析的主要矛盾和矛盾的主要方面，玩出高雅，悟出智慧，学出成绩，活出价值。（三）知行合一知行合一，注重理论联系实际和实践育人。理论指导实践，实践检验和丰富理论。课程理论抽象、实践性强，背后隐藏了许多识别模式和顺序，要求学生首先掌握生命科学和数理统计知识，并拥有数据库、数据可视化和各类编程语言如Python等基础知识。产业界的大数据人才，还要求掌握额外的关键技能，如文本挖掘、本体论、数据集成、机器学习和信息架构等，包括一系列的统计能力、计算能力和核心的编程能力，如C++或Java的编码，或PERL或Python的脚本编写，能够控制操作系统如Linux，并具备促使数据可视化和建立简约优美有效的用户界面的能力。实现以上目标，不仅要联系本地区学生实际循序渐进开展理论教学，更要注重引入实践不断健全课堂教学环节。完整的生物信息学课堂教学环节包含传统讲授、师生讨论、上机实验和写作训练。通过介绍我国大数据领域科学家的故事，引导学生崇尚科技创新、精益求精和用户至上的工匠精神。通过介绍中国参与人类基因组计划、无创产前基因检测技术、癌症早期诊断等，培养学生爱国忧国情怀。在授课中，教师要抓住知识体系的两条主线：序列—结构—功能—进化；基因组—转录组—蛋白组—代谢组，多组学贯穿。教师要善于用接入外部互联网的多媒体网络教室演示生物信息学理论、数据库搜索及软件应用等，便于师生课堂交流。教师在课堂上要鼓励学生随时提问，培养他们的批判性思维和创新思考能力，将传统的“传递”与“接受”转变为积极主动的“发现”和“建构”。通过与学生心平气和、推心置腹地交流沟通和答疑解惑，让学生产生共鸣。教学不仅在课堂，更在课后，教师不仅要重视理论知识的传授，更要强调学生知识建构能力的培养和生信技能的实际运用。要课后指导学生自己制订实践教学方案，鼓励学生利用生物信息学网络开放课程优质资源。例如，课堂上在介绍生物信息学的序列比对用法后，要求学生独立从公共数据库下载数据，挖掘有用信息完成上机操作。另外，要充分利用教师申报的各类科研项目，积极组建学生团队开展生物信息学相关毕业设计训练，提高就业竞争力。最后，要通过写作体现学生的逻辑思维和人生感悟，并要求学生在课堂上通过幻灯片明晰透彻地报告所得结果。学完课程后，学生们将有能力进行数据库搜索、序列比对、蛋白质结构预测等，最终达到预期的教学效果。

三、马克思主义哲学原理融入生物信息学教学实践的体会

马克思主义哲学原理内涵丰富，蕴藏着无穷魅力，值得我们去实践创新。它不仅包含了本文所探讨的一些观点，还包括许多经典的思想方法。比如，从有限到无限去领略基因组变化，从量变到质变去体验蛋白质网络和代谢网络变化，从静态到动态去感悟多序列分析算法规律，等等，这需要我们不断实践摸索。目前很多课堂面临学生思维活动活跃度低、师生缺少互动和“低头族”等难题，而育人育才重在育心育脑，因此，在课程教学中通过科学的思维方法传授科学知识显得愈加迫切。通过哲学原理有效融入课堂教学，使师生共有哲学思想，就容易达到同频共振和培养默契。一方面，促进教学组完善课程设计，注重挖掘生物信息学课程中的哲学素材，并使用部分哲学观点加以说明和解释；另一方面，学生一旦开始注重运用哲学经典理论指导学习，将方便构建起相应的知识网络，整体把握课程知识脉络的前提和界限，“自觉”相信马克思主义哲学的正确性和指导性。学生只有把哲学原理转换成实践操作技能，才能将哲学血肉化，避免花费大量时间刷题和死记硬背概念性、理解性知识，显著提高了学生的动手分析能力和创新能力。

综上所述，在生物信息学教学中渗入和体现马克思主义哲学原理，符合新时期人才培养的要求。它不仅有助于学生提高对专业理论知识内涵的认识，而且可以开阔视野、活跃思维，及早树立正确的世界观和方法论。

作者:王芬 裴会敏 单位:黔南民族师范学院生物科学与农学院