面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的 “生物統(tǒng)計”教學(xué)改革與實踐

賈藏芝 步媛媛 王志平

摘? ? 要：“生物統(tǒng)計”是大學(xué)統(tǒng)計專業(yè)一門重要專業(yè)課程，具有鮮明的學(xué)科交叉性，適合作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的平臺。文章以“生物統(tǒng)計”教學(xué)實踐為基礎(chǔ)，貫徹以學(xué)生為中心的理念，著力培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，引導(dǎo)其動手實踐每個教學(xué)模塊所涉及的算法，將統(tǒng)計學(xué)的理論知識融會貫通，并應(yīng)用于解決生物學(xué)問題，從而提升其綜合運用所學(xué)知識解決復(fù)雜實際科學(xué)問題的能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新型人才;“生物統(tǒng)計”;教學(xué)改革;教學(xué)模式;MATLAB編程

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）03-0057-02

創(chuàng)新是高等教育改革發(fā)展的必然趨勢。習(xí)近平總書記指出，惟改革者進，惟創(chuàng)新者強，惟改革創(chuàng)新者勝。創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為當前高等教育改革的一個重要目標。

“生物統(tǒng)計”是數(shù)理統(tǒng)計在生物學(xué)研究中的應(yīng)用，它是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的原理、運用統(tǒng)計方法來認識、分析、推斷和解釋生命過程中的各種現(xiàn)象和實驗調(diào)查資料的科學(xué)[1]。“生物統(tǒng)計”課程之前設(shè)定的研究內(nèi)容是利用假設(shè)檢驗、

方差分析、實驗設(shè)計等統(tǒng)計手段處理實驗得到的數(shù)據(jù)，進行總體趨勢的分析。近年來，測序技術(shù)及基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄學(xué)等生物學(xué)新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療等國民經(jīng)濟領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，目前社會需要大量的具有分析生物大數(shù)據(jù)能力的創(chuàng)新型人才。因此，高校迫切需要進行“生物統(tǒng)計”的教學(xué)改革，培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型人才[2]。高校需要從改革“生物統(tǒng)計”的教學(xué)內(nèi)容與方法等方面入手，讓學(xué)生了解當今科技發(fā)展趨勢及社會需求，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，并因勢利導(dǎo)地培養(yǎng)學(xué)生利用編程手段將統(tǒng)計學(xué)理論知識應(yīng)用于解決生物大數(shù)據(jù)處理這類實際問題的能力。

作者自2012年起擔任大連海事大學(xué)統(tǒng)計專業(yè)“生物統(tǒng)計”課程的教學(xué)工作，在教學(xué)實踐過程中，探索多種教學(xué)模式，提升學(xué)生的編程能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。文章對作者的教學(xué)實踐經(jīng)驗和成果，以及遇到的問題進行歸納和總結(jié)。

一、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計

統(tǒng)計專業(yè)三年級學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)”“多元統(tǒng)計”“抽樣調(diào)查”“實驗設(shè)計”“數(shù)學(xué)軟件與實驗”和“R語言”等課程，具備了扎實的統(tǒng)計理論基礎(chǔ)知識和編程基礎(chǔ)。因此，“生物統(tǒng)計”課程的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生將專業(yè)基礎(chǔ)理論課程中涉及的知識應(yīng)用到生物領(lǐng)域，將學(xué)生培養(yǎng)成為能夠綜合利用計算機軟件分析數(shù)據(jù)和建立數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新型人才[3]。

為了突出統(tǒng)計學(xué)在分子生物學(xué)方面的應(yīng)用，作者對教學(xué)內(nèi)容進行了革新，主要內(nèi)容包括：（1）“分子生物學(xué)”相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，主要包括核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和相互關(guān)系;（2）統(tǒng)計基礎(chǔ)回顧，包括方差分析、回歸與相關(guān)分析、μ檢驗、t檢驗等內(nèi)容;（3）生物數(shù)據(jù)庫的查詢及搜索;（4）核酸/蛋白質(zhì)序列的比較分析;

（5）分子進化及系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建;（6）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測及分析。

一方面，針對每個大的模塊，作者首先講述在解決此類問題時用到的統(tǒng)計學(xué)知識，采用案例教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生理解并運用公式解決實際問題，體會統(tǒng)計學(xué)在生物大分子領(lǐng)域的作用。讓學(xué)生結(jié)合學(xué)過的MATLAB編程語言，利用程序?qū)崿F(xiàn)理論算法。另一方面，根據(jù)“生物統(tǒng)計”這門課程與作者的研究方向基本一致的特點，作者在教學(xué)過程中也采用了“科研反哺教學(xué)”的教學(xué)方法[4]。將最新研究成果制作成微課件，上傳到BB課堂，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課間討論和課后復(fù)習(xí)使用。教學(xué)的內(nèi)容及方式如圖1所示。

二、教學(xué)方法的集成運用

“生物統(tǒng)計”課程的培養(yǎng)目標是讓學(xué)生能夠?qū)⒔y(tǒng)計理論運用到生物領(lǐng)域，并通過編程實現(xiàn)具體的算法，因此針對每個模塊，采取了多種教學(xué)方法相結(jié)合的模式。如第二個模塊——生物數(shù)據(jù)庫的查詢及搜索，主要采用互動式的教學(xué)方式。作者以編碼大腸桿菌 dUTPase 的基因為例，介紹美國國家生物技術(shù)中心數(shù)據(jù)庫的使用方法。在

NCBI的Genbank 數(shù)據(jù)庫搜索大腸桿菌X01714，并講解序列注釋的具體含義。作為實踐練習(xí)，讓學(xué)生搜索導(dǎo)致此次疫情的新型冠狀病毒MN908947的序列信息，并從序列注釋等方面對此病毒有更加深入的認識。通過與生活貼近的案例分析，引起學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生搜索數(shù)據(jù)庫的能力。核酸/蛋白質(zhì)的序列比較是“生物統(tǒng)計”課程的基礎(chǔ)，也是最初始的研究內(nèi)容，涉及的統(tǒng)計知識主要有動態(tài)規(guī)劃算法和隱馬爾可夫模型。作者通過案例教學(xué)法，引入序列比對的相關(guān)定義，并介紹動態(tài)規(guī)劃算法的偽代碼。然后要求學(xué)生利用MATLAB實現(xiàn)序列的全局比對和局部比對算法。教師給學(xué)生一組數(shù)據(jù)，讓每位學(xué)生運行自己的程序，根據(jù)運行時間和準確率予以打分。然后選?。ǔ煽儯┣?%的學(xué)生的程序進行案例分析，由學(xué)生講解自己的程序，并詳盡說明算法具有明顯優(yōu)勢的原因，同時教師會給予點評。

隱馬爾可夫模型是一種統(tǒng)計模型，廣泛應(yīng)用在語音識別、詞性自動標注、音字轉(zhuǎn)換、概率文法等自然語言處理領(lǐng)域。統(tǒng)計專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過隱馬爾可夫模型的理論部分，教師對其在序列比對上的應(yīng)用做了詳盡的介紹，給出了幾個主程序。這部分內(nèi)容作為學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，要求能讀懂主程序，學(xué)會調(diào)用，并理解結(jié)果輸出的含義。

“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測及分析”這部分內(nèi)容，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，教師將基于統(tǒng)計的預(yù)測方法包括Chou-Fasman、GOR和最小鄰近法的學(xué)習(xí)任務(wù)、課件以及FASTA格式的蛋白質(zhì)序列上傳到BB課堂，方便學(xué)生自學(xué)。在課堂教學(xué)中，針對學(xué)生在編寫程序的過程中遇到的問題進行梳理和答疑，最后將學(xué)生分為3組，每組負責一種預(yù)測方法，進行案例討論，要求學(xué)生能夠?qū)@3種預(yù)測的結(jié)果做出比較，并且分析其優(yōu)缺點及適應(yīng)范圍，并盡可能提出改進的思路。在報告的籌備過程中，學(xué)生是主角，教師的作用主要是啟發(fā)者。教師主要是介紹從權(quán)威期刊搜集到的最新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的研究進展，與學(xué)生共同探討，激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用，為以后的科研之路做好鋪墊。

三、考核方式的革新

本次考核方式的革新，主要是把平時成績所占比例從30%提高至50%，其原因在于編程能力的提高不在于一朝一夕的突擊，而是需要平時不間斷地練習(xí)與積累，通過案例分析鍛煉學(xué)生編程能力，提高編程水平，平時成績通過學(xué)生呈現(xiàn)的報告情況給出。期末考試形式為上機考試，以實際項目為考題，要求學(xué)生在指定時間內(nèi)完成編程，并提交代碼和結(jié)果。如序列比對模塊的考核，根據(jù)BAliBASE數(shù)據(jù)庫序列相似度的不同，得到了5個基準數(shù)據(jù)集，要求學(xué)生利用Needleman-Wunsch動態(tài)規(guī)劃算法和隱馬爾可夫模型進行多序列比對，并對比對結(jié)果的準確度進行分析。考核方式改革的目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主觀能動性，培養(yǎng)解決實際問題的能力。

“生物統(tǒng)計”是數(shù)學(xué)系統(tǒng)計專業(yè)重要的理論和實踐相結(jié)合的課程。作者根據(jù)授課對象的統(tǒng)計基礎(chǔ)夯實，而分子生物學(xué)基礎(chǔ)較薄弱的特點，在“生物統(tǒng)計”課程的授課內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式等方面進行了較為全面的革新，目的是為了培養(yǎng)具有理論與編程能力的創(chuàng)新型人才。經(jīng)過幾年的實踐，已經(jīng)取得了不錯的成效。目前已有四屆（8名）學(xué)生申請本科生進實驗室項目，與作者一起進行dsRNA分子設(shè)計與代謝動力學(xué)課題研究，并且有1名學(xué)生發(fā)表一篇科研論文（SCI檢索）。然而，現(xiàn)在的教學(xué)模式還有一些地方值得思考和繼續(xù)探索，例如，受課時和學(xué)生的基礎(chǔ)所限，課堂上所采用的案例不夠新穎，不能夠完全運用于當前熱點的研究領(lǐng)域。這就需要與“統(tǒng)計數(shù)據(jù)挖掘”“模糊統(tǒng)計”等課程做好協(xié)調(diào)，構(gòu)成完整的教學(xué)體系，從而加強對理論結(jié)合實踐等相關(guān)技能的訓(xùn)練。從教師的角度，在今后的教學(xué)工作中，作者將加強“與時俱進的案例研討+成果為導(dǎo)向的項目研討”相結(jié)合的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生解決科學(xué)問題的興趣、決心和耐心，有效鍛煉學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識來解決實際科學(xué)復(fù)雜問題的能力，培養(yǎng)真正具有創(chuàng)新能力的科學(xué)人才。

參考文獻：

[1]? 王繼蓮，卡迪爾·阿不都熱西提，李明源，等.應(yīng)用型人?才培養(yǎng)視角下的生物統(tǒng)計學(xué)教學(xué)改革探索與實踐[J].生命的化學(xué)，2020，40（6）：969.

[2]? 丁建華，金顯文，范玉朋.《生物統(tǒng)計學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀的?調(diào)查[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，37（4）：89.

[3]? 趙亮，高貴珍，劉小陽，等.應(yīng)用能力培養(yǎng)導(dǎo)向的生物統(tǒng)計學(xué)課程改革初探[J].宿州學(xué)院學(xué)報，2013，28（11）：109.

[4]? 劉田，屈明博，楊君.面向新工科的酶工程教學(xué)創(chuàng)新與實踐[J].生命的化學(xué)，2020，40（8）：1472.

■ 編輯∕李夢迪

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