生物信息学综合大实验体系构建与实践_曾垂省
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Key words： bioinformatics； comprehensive experiment； system construction
生物信息学作为一门新兴的交叉学科，是当今生命科学最 具活力的前沿领域之一，自 2002 年起，我国一些高等院校开 始设立生物信息学本科专业［1 － 2］。
实验教学作为高校教学活动的有机组成部分，是培养学生 理论联系实际，分析问题、解决问题能力的重要教学环节，是 实现人才培养目标的重要部分，在人才培养过程中具有重要的 地位和作用［3 － 5］。
Abstract： The bioinformatics comprehensive experiment was very important and was established for bioinformatics undergraduate major，and the construction and practice study of its system was very meaningful. According to several years experience，setting its background firstly and its importance and construction goal were summarized，then the construction specific content of its system were explored，and finally its implementation effect was summarized and its development was forecasted.
然后在此基础上，构建生物信息分析处理挖掘及其结果生
物学意义诠释、生物信息学算法设计及其编程实现和生物信息 相关软件开发三大实验教学模块，设计出综合性、设计性、前 瞻性、产学研紧密结合和可开放性实施的系列大实验项目，制 订出相应的实验教学大纲和实验计划。
3. 2 实验项目内容和评价体系确定
在实验项目内容设置过程中，我们通过对专业理论知识和 基础实验整合优化和升华，解决实验内容重复、衔接不合理、 综合和系统性不够等问题，设计出了三大实验教学模块： 第一 部分： 学习和掌握运用经典的生物信息分析工具和免费的生物 数据库，获取生物信息数据、对获取数据进行分析处理和对分 析结果进行生物学意义评估，学习和掌握应用主流数据挖掘工 具对生物信息进行数据进行预处理与数据挖掘分析； 第二部 分： 学习和掌握生物信息学经典算法编程实现和应用效果评 估； 第三部分： 学习和掌握运用 Java 技术开发生物信息学相关 软件技能。
对于生物信息分析处理与数据挖掘大实验模块，我们设计 出了 16 学时大实验： 包括 8 学时基因组序列分析综合大实验 （ 融基于 Phrap、NextGENe 基因序列拼接，基于 EuGene 基因识 别和基于 GlimmerHMM 内含子剪接位点识别等知识于一体） 和 8 学时系统 发 育 分 析 及 蛋 白 结 构 分 析 综 合 大 实 验 （ 融 基 于 clustalw 及 clustalx 基因家族的多序列比对分析，基 于 phylip、 mega 基因家族系统发育分析，基于 PAUP 及 MrBayes 基因家族 系统发育分析和基于 PAUP 及 MrBayes 基因家族系统发育分析 等知识于一体） 。
摘 要： 生物信息学综合大实验是生物信息学本科专业开设的一门重要实验课程，关于其体系构建研究实践具有重要意义。
根据几年来在生物信息学综合大实验体系构建中经验，先对生物信息学综合大实验设置背景、综合大实验体系构建重要性和建设 目标进行了阐述，然后对体系具体内容建设进行了探索，最后对综合大实验体系实施效果进行总结和对其发展进行了展望。
3. 1 实验项目顶层设计和实验教学大纲计划的制定
汲取国内外名校相关课程的实验教学内容的经验和长处， 并结合本校的信息学科优势和专业培养目标，以一个工程项目 或一个科研 项 目 完 整 开 展 过 程 为 主 线，综 合 生 物 信 息 采 集 获 取、生物信息分析处理与数据挖掘、生物信息学算法设计与软 件开发等理论知识以及先前实验教学知识，对将开出综合性、 设计性和前瞻性强的系列大实验进行顶层设计，总学时 64 学 时，开课时间设在第六学期，使该课程在学生的专业理论知识 以及专业基础实验的具体应用与毕业设计、就业选择或研究生 深造之间起到一个承前启后、相互联系、相互贯通的作用。
3 生物信息学综合大实验体系构建主要内容 与实施实践
首先根据专业发展要求和学校学院优势，对实验项目整体 进行顶层设计，在此基础上制定出实验教学计划和实验教学大 纲； 然后设计出实验项目的具体内容、确定实验执行要求细则 和评价指标，最后编写出相应的实验教学指导书； 最后进行实 施实践，评估实践效果，发现新问题，提出新的修改方案。
对于新专业新课程，没有现存书籍可选为实验教材，我们 根据制定出的教学大纲、教学计划、要求细则与评估体系，编 写了生物信息学综合大实验指导书，并每年根据往年教学中出 现的问题、教学内容的更新、在校学生的建议、已毕业生的反 馈、专业培养计划的变更以及社会需求变化等等方面信息，及 时修改更新实验内容与实验教材。
2. 2 生物信息学综合大实验体系构建思路与目标
重庆邮电大 学 生 物 信 息 学 院 根 据 生 物 信 息 学 学 科 的 新 发 展、教育改革的新方向、专业定位与专业培养目标等要求，确 定了生物信息学综合大实验体系构建思路： 即实验内容必须以 生物信息分析处理挖掘及其结果生物学意义诠释、生物信息学 算法设计及其编程实现和生物信息相关软件开发等知识为框 架，以一个工程项目或一个科研项目完整开展过程为主线，设 置出系列综合性系统性强实验，并确定相应的实验内容要求细 则与建立相应的实验教学效果评价体系。
关键词： 生物信息学； 综合大实验； 体系构建
中图分类号： O642
文献标志码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2014） 012 － 0210 － 03
Hale Waihona Puke Baidu
The Construction and Practice of Bioinformatics Comprehensive Experimental System*
2 生物信息学综合大实验体系构建的重要性 与建设目标
* 基金项目： 重庆邮电大学校级教改项目 （ 生物信息学综合大实验内容研究与实践 （ XJG1125） ； 生物技术与制药大类实验实践教学质量评价体系 的构建研究 （ XJG1316） ） ； 重庆邮电大学生物信息学专业提升计划 （ SJHD904） ； 重庆市教改重点项目 （ 大数据时代生物信息学创新 型人才，YJG132030） 。
第 42 卷第 12 期 2014 年 6 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 42 No. 12 Jun. 2014
生物信息学综合大实验体系构建与实践*
曾垂省，梁亦龙，解增言，舒坤贤，谢永芳，王 允，胡 波，白明泽
( 重庆邮电大学生物信息学院，重庆 400065)
作者简介： 曾垂省 （ 1974 － ） ，硕士学历，副教授，主要从事数据挖掘、Perl 程序设计等课程教学和生物信息数据挖掘与可视化研究等。
第 42 卷第 12 期
曾垂省，等： 生物信息学综合大实验体系构建与实践
211
2. 1 生物信息学综合大实验体系构建的重要性
由于生物信息学专业是我国最年轻的专业之一，也是重庆 邮电大学生物信息学院最新专业，在生物信息学专业实践教学 方面没有多少成功的经验值得借鉴，许多方面需要我们 “摸着 石头过河”，加上专业建 设 时 间 不 长， 这 方 面 自 身 经 验 积 累 不 足，许多想法和思路有待验证、改善和落实，实验教学内容设 置、内容衔接和效果评估建设等方面还较欠缺，传统性实验开 展较多，开放性实验开展过少，最新技术方法和社会对专业技 术新的要求在专业实验教学中融入还不够，内容还不成体系， 系统性还存在许多不足。这就导致学生无法利用综合知识解决 生物信息学中实际问题，也就限制了学生解决实际问题能力培 养和科学思维锻炼。鉴于此，这就要求我们必需根据专业特色 和发展要求进行相关实验教学改革，不能走老路，必须另辟新 径，设立生物信息学综合大实验，加强对学生综合知识的应用 能力、解决问题实际能力和科学思维的系统训练，从而培养出 能够符合社会需求的生物信息学专业学生，对促进生物信息学 专业整体提升具有重要的意义。
生物信息学综合大实验是针对生物信息学新专业开设的一 门新的综 合 实 验 课 程，作 为 新 专 业 新 开 设 的 课 程， 在 诸 多 方 面，尤其是教学内容、教材和评价体系等方面均没有现存资料 经验可供参考。我们教学团队在近几年教学过程中， “摸着石 头过河”，努力进取，深化改革，根据生物信息本科专业特点、 整个专业教学体系的完整性、专业培养目标和社会需求，在资 源整合和体系创新的基础上，设置、构建和优化生物信息学综 合大实验教学体系，以便更好推进生物信息学专业本科生的素 质培养。
同时，根据每个大实验模块特征和社会对生物信息学专业 素质要求，我们设计了相应的评价体系，融实验准备、实验内容 设计、实验操作、实验报告、实验效果、实验过程表现和实验答 辩于一体。制定生物信息学综合大实验实践教学内容要求细则 与评估体系，让教学开展有规可循，让教学效果评估有尺可度。
3. 3 实验教材编写和实施实践
本文根据近几年来的生物信息学综合大实验建设中经验从 专业设置背景、大实验体系构建的必要性和目标以及实验体系 构建内容与实施评估等几个方面进行总结，和同行进行交流，
以便抛砖引玉。
1 生物信息学综合大实验设置背景
重庆邮电大学在 2001 年根据学校信息学科优势和 21 世纪 是生物学的世纪趋势，建立了生物信息学院，申请并获得了生 物信息学本科专业办学招生许可，并于 2002 开始招生，是开 设生物信息学本科专业最早高校之一。
对于生物信息学算法设计及其编程实现大实验模块，我们 设计了 16 学时生物信息算法编程大实验 （ 融 Linux 管道命令 shell 编程，两两比对算法实现、调控元件建模串模型和矩阵模 型算法的实现、gibbs 算法和系统发生树构建算法实现于一体） 。
对于生物信息软件开发大实验模块，我们设计了 16 学时 生物信息软件开发大实验 （ 融 eclipse 开发平台应用、生物信息 可视化 （ 软件界面设计与生物信息分析图形绘制） 和 Pcr 电泳 图像分析 （ 图像解释、直方图分析、二值变换和图像识别分 析） 等于一体） 。
当初，设置 《生物信息学综合大实验》 课程本质目的是根 据学校专业定位与培养目标、根据学生就业要求或者将来进一 步深造需要，避免随课实验教学存在学时短、知识点散、系统 性综合性差、与实际应用要求相差较远等问题，以一个工程项 目或一个科研项目完整开展过程为主线，开设出层次高、系统 性综合性强和与社会需求紧密接轨的系列实验，从更高层次上 提升学生的专业技术综合应用实践技能。
ZENG Chui － sheng，LIANG Yi － long，XIE Zeng － yan，SHU Kun － xian， XIE Yong － fang，WANG Yun，HU Bo，BAI Ming － ze
（ Bioinformation College，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 40065，China）
然后，根据构建思路确定了生物信息学综合大实验体系构 建目标： 即在生物数据库技术及应用、数据挖掘原理及其在生 物信息学中的应用、生物信息软件工程实验、Perl 程序设计实 验和 Biojava 程序设计实验等随课实验基础上提升难度、增加连 贯性，增强系 统 性， 与 社 会 发 展 需 求 和 学 生 发 展 需 要 紧 密 接 轨，体现一个工程项目或一个科研项目完整开展过程为主线， 开设出了 30 余个综合性、设计性和前瞻性实验项目，便于实 施全开放式实验教学，充分培养学生的自学能力、思考能力和 专业知识的综合灵活运用能力，并设置相应的指导原则。
生物信息学作为一门新兴的交叉学科，是当今生命科学最 具活力的前沿领域之一，自 2002 年起，我国一些高等院校开 始设立生物信息学本科专业［1 － 2］。
实验教学作为高校教学活动的有机组成部分，是培养学生 理论联系实际，分析问题、解决问题能力的重要教学环节，是 实现人才培养目标的重要部分，在人才培养过程中具有重要的 地位和作用［3 － 5］。
Abstract： The bioinformatics comprehensive experiment was very important and was established for bioinformatics undergraduate major，and the construction and practice study of its system was very meaningful. According to several years experience，setting its background firstly and its importance and construction goal were summarized，then the construction specific content of its system were explored，and finally its implementation effect was summarized and its development was forecasted.
然后在此基础上，构建生物信息分析处理挖掘及其结果生
物学意义诠释、生物信息学算法设计及其编程实现和生物信息 相关软件开发三大实验教学模块，设计出综合性、设计性、前 瞻性、产学研紧密结合和可开放性实施的系列大实验项目，制 订出相应的实验教学大纲和实验计划。
3. 2 实验项目内容和评价体系确定
在实验项目内容设置过程中，我们通过对专业理论知识和 基础实验整合优化和升华，解决实验内容重复、衔接不合理、 综合和系统性不够等问题，设计出了三大实验教学模块： 第一 部分： 学习和掌握运用经典的生物信息分析工具和免费的生物 数据库，获取生物信息数据、对获取数据进行分析处理和对分 析结果进行生物学意义评估，学习和掌握应用主流数据挖掘工 具对生物信息进行数据进行预处理与数据挖掘分析； 第二部 分： 学习和掌握生物信息学经典算法编程实现和应用效果评 估； 第三部分： 学习和掌握运用 Java 技术开发生物信息学相关 软件技能。
对于生物信息分析处理与数据挖掘大实验模块，我们设计 出了 16 学时大实验： 包括 8 学时基因组序列分析综合大实验 （ 融基于 Phrap、NextGENe 基因序列拼接，基于 EuGene 基因识 别和基于 GlimmerHMM 内含子剪接位点识别等知识于一体） 和 8 学时系统 发 育 分 析 及 蛋 白 结 构 分 析 综 合 大 实 验 （ 融 基 于 clustalw 及 clustalx 基因家族的多序列比对分析，基 于 phylip、 mega 基因家族系统发育分析，基于 PAUP 及 MrBayes 基因家族 系统发育分析和基于 PAUP 及 MrBayes 基因家族系统发育分析 等知识于一体） 。
摘 要： 生物信息学综合大实验是生物信息学本科专业开设的一门重要实验课程，关于其体系构建研究实践具有重要意义。
根据几年来在生物信息学综合大实验体系构建中经验，先对生物信息学综合大实验设置背景、综合大实验体系构建重要性和建设 目标进行了阐述，然后对体系具体内容建设进行了探索，最后对综合大实验体系实施效果进行总结和对其发展进行了展望。
3. 1 实验项目顶层设计和实验教学大纲计划的制定
汲取国内外名校相关课程的实验教学内容的经验和长处， 并结合本校的信息学科优势和专业培养目标，以一个工程项目 或一个科研 项 目 完 整 开 展 过 程 为 主 线，综 合 生 物 信 息 采 集 获 取、生物信息分析处理与数据挖掘、生物信息学算法设计与软 件开发等理论知识以及先前实验教学知识，对将开出综合性、 设计性和前瞻性强的系列大实验进行顶层设计，总学时 64 学 时，开课时间设在第六学期，使该课程在学生的专业理论知识 以及专业基础实验的具体应用与毕业设计、就业选择或研究生 深造之间起到一个承前启后、相互联系、相互贯通的作用。
3 生物信息学综合大实验体系构建主要内容 与实施实践
首先根据专业发展要求和学校学院优势，对实验项目整体 进行顶层设计，在此基础上制定出实验教学计划和实验教学大 纲； 然后设计出实验项目的具体内容、确定实验执行要求细则 和评价指标，最后编写出相应的实验教学指导书； 最后进行实 施实践，评估实践效果，发现新问题，提出新的修改方案。
对于新专业新课程，没有现存书籍可选为实验教材，我们 根据制定出的教学大纲、教学计划、要求细则与评估体系，编 写了生物信息学综合大实验指导书，并每年根据往年教学中出 现的问题、教学内容的更新、在校学生的建议、已毕业生的反 馈、专业培养计划的变更以及社会需求变化等等方面信息，及 时修改更新实验内容与实验教材。
2. 2 生物信息学综合大实验体系构建思路与目标
重庆邮电大 学 生 物 信 息 学 院 根 据 生 物 信 息 学 学 科 的 新 发 展、教育改革的新方向、专业定位与专业培养目标等要求，确 定了生物信息学综合大实验体系构建思路： 即实验内容必须以 生物信息分析处理挖掘及其结果生物学意义诠释、生物信息学 算法设计及其编程实现和生物信息相关软件开发等知识为框 架，以一个工程项目或一个科研项目完整开展过程为主线，设 置出系列综合性系统性强实验，并确定相应的实验内容要求细 则与建立相应的实验教学效果评价体系。
关键词： 生物信息学； 综合大实验； 体系构建
中图分类号： O642
文献标志码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2014） 012 － 0210 － 03
Hale Waihona Puke Baidu
The Construction and Practice of Bioinformatics Comprehensive Experimental System*
2 生物信息学综合大实验体系构建的重要性 与建设目标
* 基金项目： 重庆邮电大学校级教改项目 （ 生物信息学综合大实验内容研究与实践 （ XJG1125） ； 生物技术与制药大类实验实践教学质量评价体系 的构建研究 （ XJG1316） ） ； 重庆邮电大学生物信息学专业提升计划 （ SJHD904） ； 重庆市教改重点项目 （ 大数据时代生物信息学创新 型人才，YJG132030） 。
第 42 卷第 12 期 2014 年 6 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 42 No. 12 Jun. 2014
生物信息学综合大实验体系构建与实践*
曾垂省，梁亦龙，解增言，舒坤贤，谢永芳，王 允，胡 波，白明泽
( 重庆邮电大学生物信息学院，重庆 400065)
作者简介： 曾垂省 （ 1974 － ） ，硕士学历，副教授，主要从事数据挖掘、Perl 程序设计等课程教学和生物信息数据挖掘与可视化研究等。
第 42 卷第 12 期
曾垂省，等： 生物信息学综合大实验体系构建与实践
211
2. 1 生物信息学综合大实验体系构建的重要性
由于生物信息学专业是我国最年轻的专业之一，也是重庆 邮电大学生物信息学院最新专业，在生物信息学专业实践教学 方面没有多少成功的经验值得借鉴，许多方面需要我们 “摸着 石头过河”，加上专业建 设 时 间 不 长， 这 方 面 自 身 经 验 积 累 不 足，许多想法和思路有待验证、改善和落实，实验教学内容设 置、内容衔接和效果评估建设等方面还较欠缺，传统性实验开 展较多，开放性实验开展过少，最新技术方法和社会对专业技 术新的要求在专业实验教学中融入还不够，内容还不成体系， 系统性还存在许多不足。这就导致学生无法利用综合知识解决 生物信息学中实际问题，也就限制了学生解决实际问题能力培 养和科学思维锻炼。鉴于此，这就要求我们必需根据专业特色 和发展要求进行相关实验教学改革，不能走老路，必须另辟新 径，设立生物信息学综合大实验，加强对学生综合知识的应用 能力、解决问题实际能力和科学思维的系统训练，从而培养出 能够符合社会需求的生物信息学专业学生，对促进生物信息学 专业整体提升具有重要的意义。
生物信息学综合大实验是针对生物信息学新专业开设的一 门新的综 合 实 验 课 程，作 为 新 专 业 新 开 设 的 课 程， 在 诸 多 方 面，尤其是教学内容、教材和评价体系等方面均没有现存资料 经验可供参考。我们教学团队在近几年教学过程中， “摸着石 头过河”，努力进取，深化改革，根据生物信息本科专业特点、 整个专业教学体系的完整性、专业培养目标和社会需求，在资 源整合和体系创新的基础上，设置、构建和优化生物信息学综 合大实验教学体系，以便更好推进生物信息学专业本科生的素 质培养。
同时，根据每个大实验模块特征和社会对生物信息学专业 素质要求，我们设计了相应的评价体系，融实验准备、实验内容 设计、实验操作、实验报告、实验效果、实验过程表现和实验答 辩于一体。制定生物信息学综合大实验实践教学内容要求细则 与评估体系，让教学开展有规可循，让教学效果评估有尺可度。
3. 3 实验教材编写和实施实践
本文根据近几年来的生物信息学综合大实验建设中经验从 专业设置背景、大实验体系构建的必要性和目标以及实验体系 构建内容与实施评估等几个方面进行总结，和同行进行交流，
以便抛砖引玉。
1 生物信息学综合大实验设置背景
重庆邮电大学在 2001 年根据学校信息学科优势和 21 世纪 是生物学的世纪趋势，建立了生物信息学院，申请并获得了生 物信息学本科专业办学招生许可，并于 2002 开始招生，是开 设生物信息学本科专业最早高校之一。
对于生物信息学算法设计及其编程实现大实验模块，我们 设计了 16 学时生物信息算法编程大实验 （ 融 Linux 管道命令 shell 编程，两两比对算法实现、调控元件建模串模型和矩阵模 型算法的实现、gibbs 算法和系统发生树构建算法实现于一体） 。
对于生物信息软件开发大实验模块，我们设计了 16 学时 生物信息软件开发大实验 （ 融 eclipse 开发平台应用、生物信息 可视化 （ 软件界面设计与生物信息分析图形绘制） 和 Pcr 电泳 图像分析 （ 图像解释、直方图分析、二值变换和图像识别分 析） 等于一体） 。
当初，设置 《生物信息学综合大实验》 课程本质目的是根 据学校专业定位与培养目标、根据学生就业要求或者将来进一 步深造需要，避免随课实验教学存在学时短、知识点散、系统 性综合性差、与实际应用要求相差较远等问题，以一个工程项 目或一个科研项目完整开展过程为主线，开设出层次高、系统 性综合性强和与社会需求紧密接轨的系列实验，从更高层次上 提升学生的专业技术综合应用实践技能。
ZENG Chui － sheng，LIANG Yi － long，XIE Zeng － yan，SHU Kun － xian， XIE Yong － fang，WANG Yun，HU Bo，BAI Ming － ze
（ Bioinformation College，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 40065，China）
然后，根据构建思路确定了生物信息学综合大实验体系构 建目标： 即在生物数据库技术及应用、数据挖掘原理及其在生 物信息学中的应用、生物信息软件工程实验、Perl 程序设计实 验和 Biojava 程序设计实验等随课实验基础上提升难度、增加连 贯性，增强系 统 性， 与 社 会 发 展 需 求 和 学 生 发 展 需 要 紧 密 接 轨，体现一个工程项目或一个科研项目完整开展过程为主线， 开设出了 30 余个综合性、设计性和前瞻性实验项目，便于实 施全开放式实验教学，充分培养学生的自学能力、思考能力和 专业知识的综合灵活运用能力，并设置相应的指导原则。