将大学生创新创业训练计划融入生物信息实验教学的探索_高帆.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 034将大学生创新创业训练计划融入生物信息实验教学的探索高帆a，b，冯佳a，谢树莲a(山西大学 a 国家级生物学实验教学示范中心;b 生命科学学院，太原 030006)摘要:“大学生创新创业训练计划”旨在推进高校本科教学质量改革，增强学生的创新实践能力。以生物信息实验教学为例，将大创项目 张氏江篱 microNA 及其靶基因的预测与特征分析成果融入实验教学过程，运用统筹和逻辑法构建特色生命科学实验教学体系。教学实践表明，该教学改革方式不仅实现了教学与科研的有机融合，促进实验教学模式的革新，而且培养了学生自主学习和科学探索能力，切实提高了人才培养和实验教学质量。关键词:创新创业训练计划;实验教学;生物信息学中图分类号:G 642 0文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0170 05Exploration of Integrating College StudentsInnovation andEntrepreneurship Training Plan into BioinformaticsExperimental TeachingGAO Fana，b，FENG Jiaa，XIE Shuliana(a National Experimental Teaching Demonstration Center of Biology;b College of Life Science，Shanxi University，Taiyuan 030006，China)Abstract:“Innovation and entrepreneurship training program for college students”aims to promote the reform ofundergraduate teaching and enhance studentsinnovative and practical ability In this study，taking the experimentalteaching of biological information as an example，identification and characteristic analysis of microNAs in Gracilariachangli and their target genes，an achievement of innovation and entrepreneurship training program for college students，was integrated into the experimental teaching process The unique life science experiment teaching reform system wasconstructed by using the overall planning and logical methods The teaching practice shows this teaching reform methodnot only realizes the effective integration between teaching and scientific researching，promotes the innovation ofexperimental teaching mode，but also cultivates the abilities of studentsautonomous learning and scientific explorationFurthermore，this teaching reform method also effectively improves the quality of talent training and experimentalteachingKey words:innovation and entrepreneurship training program;experimental teaching;bioinformatics收稿日期:2022-07-22基金项目:2021 年山西省一流课程认定项目(K2021027);2020 年度山西省高等学校教学改革创新项目(J2020009);2019 年度山西省高等学校科技创新项目(2019L0041);2021 年度第二批山西省基础研究计划(202103021224009)作者简介:高帆(1985 )，男，山西长治人，博士，高级实验师，研究方向为主要从事生物信息学教学改革与研究。Tel:[phone];E-mail:gaofan sxu edu cn0引言大学生创新创业训练计划(以下简称“大创”)是由教育部于 2012 年组织实施的高校本科教学质量与教学改革工程的重要内容之一1，旨在促进高等学校第 2 期高帆，等:将大学生创新创业训练计划融入生物信息实验教学的探索改革人才培养模式，强化大学生创新创业能力训练，增强大学生的创新能力和在创新基础上的创业能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。目前，高校本科实验教学面临着实验内容陈旧、教材更新缓慢、学生主动探索、创新实践能力不强，教师教学改革动力不足等问题。如何将大创项目与实验教学有机融合，进一步提高人才培养质量是“四新”建设背景下高校实验教学改革的重要努力方向之一。生物信息学是 21 世纪初兴起的生命科学与计算机科学与技术交叉融合的新兴学科，发展至今已在生物学、遗传学、动植物学、农学、医学等领域广泛应用2。生物信息学实验是依托生物信息学基础课程设置的一门专业实验课，实验强调理论与实践相结合，以实操与应用为主要学习内容3，适合将以生物信息学研究为主要内容的大创项目融入课程教学。目前，该课程常用教材为吕巍、李滨主编的生物信息学实验教程。该教材中“美国国家生物技术信息中心(NCBI)网站的相关应用”“双序列比对网络应用”“双序列比对本地应用”“多序列比对分析及进化分析”的章节内容应用性强，除教材要求的常规练习外，依托真实的研究案例进行实践训练，教学效果往往更佳。现以大创项目(张氏江篱 microNA 及其靶基因的预测与特征分析，项目编号:201810108025)为例，探索将大创项目融入生物信息实验的教学模式，构建生命科学实验教学改革体系，进而提高当代大学生的创新实践能力。1实验内容1 1实验原理与方法MicroNA(miNA)是在自然界中广泛存在一类非编码小 NA，长度在 19-23nt。研究证实，一些miNA 在动植物的生长发育、新陈代谢、信号转导、胁迫响应中起重要的调控作用4。目前，miNA 在植物中对靶基因的抑制方式主要有两种:一种是 miNA 与靶标 mNA 互补配对，并以 AGO1 为中心形成 NA 沉默复合体(ISC)，在 Dicer 酶的作用下切割靶 mNA，在后转录水平进行抑制;另一种是通过 ISC 与 HYL1互作，在翻译水平对靶基因表达蛋白进行沉默5。用生物信息学手段预测植物 miNA 的方法是6:从 miBase 数据库下载已知植物的 miNA 成熟体及其前体序列，去除冗余序列后，剩余序列作为待测植物 miNA 的参考序列;从 NCBI 数据库下载待测植物已知的 EST 序列、NA 序列作为查询序列;用BLAST 软件将查询序列与参考序列进行多序列比对分析;应用以下原则对比对结果进行筛选:配对序列间碱基错配数小于等于 3 个，前体序列能形成典型的颈环二级结构，成熟体序列位于茎环结构的一条臂上，配对区无环状或泡状结构;miNA 中 A/U 百分比在30%-70%，前体颈环结构最小折叠自由能值小于75 35 kJ/mol。从生物信息学角度预测 miNA 的抑制方式为:当 miNA 的 9-11 nt 位置与其互补的靶标序列完全配对，且错配碱基总数小于等于 3 时，预测为切割抑制;反之，则预测为翻译抑制。用生物信息学手段构建某一 miNA 家族系统进化树的方法是7:利用 Clustal X 软件将 miNA 家族前体序列进行多重序列比对;利用 MEGA 软件对miNA 前体序列进行系统进化分析:采用 Neighbor-Joining(NJ)算法或其他算法，模型选择 Kimura 两参数模型或 GT 时间可逆模型，bootstrap 重复检验值为1 000，删除空位及缺失;选择不同的树形结构，生成系统进化树。1 2实验过程1 2 1实验内容优化依据本大创项目研究内容，将生物信息学实验内容进行优化。将原课程 NCBI 网站的相关应用进行凝练，主要引导学生在 NCBI 网站上学习对不同类型核苷酸数据查询、筛选、下载及格式修改的方法，重点掌握对 EST、NA 序列的数据处理。将原课程双序列比对网络应用、双序列比对本地应用、多序列比对分析的内容进行整合，主要掌握双序列比对、多序列比对所涉及软件的使用与结果分析，重点掌握 miNA 多序列比对参数的设置、结果的筛选及 NA 二级结构预测分析。原课程进化分析的内容须补充对于常见生物信息学软件(包括常规建树软件)的下载、安装与使用的方法，重点引导学生掌握依据不同的研究案例进行建树模型构建及软件参数调整。1 2 2miNA 生物信息学预测以红藻中的一种代表性物种张氏江篱(Gracilariachangii)为例8，对其 miNA 进行生物信息学预测。先从 miBase 数据库中下载已知植物 miNA 序列，再从 NCBI 的 GenBank 数据库下载张氏江篱已知 EST、NA 序列，最后设置比对参数、用 BLAST 2 2 28 软件进行 BLASTn 多序列比对分析，筛选获得 miNA 候选序列。用 Mireap 软件对候选 miNA 前体序列进行二级结构预测，通过参数设置，进一步筛选获得可靠的前体序列，对应获得最终的 miNA 序列。由表 1 可知，预测获得的 6 条张氏江篱 miNA 长度在 20 22 nt，A/U 含量在 20%57%，碱基含量最高为 G，最少为A，首位碱基偏好 U，第 4 和第 11 位分别偏好 C 和 G，第 13 和 15 位分别偏好 G/A 和 G/U，以上符合植物miNA 序列基本特征。1 2 3miNA 靶基因及其功能预测以预 测 获 得 的 张 氏 江 篱 miNA 为 例，利 用TargetFinder软件搜索miNA靶标序列，再依据其与171第 42 卷表 1张氏江篱 miNA 预测结果名称MEF 值/(kJmol1)miNA 前体序列miNA 成熟体序列长度/ntgch-mi53432273(77 1)CTGCAGTTTGCATGTCCATTGCAGTTGCACCAACGATGCAATTTGCACACATGTGCAATCGCTCCAGATGCAGCAACATGCATGCCACATGCAGCTGCATGCAGACGGTGCTGACTCGACCTGCAGCCAUGUCCAUUGCAGUUGCACCA22gch-mi565835623(85 1)CATCCTCTGGATGAGGATGATGATGATGACGTACGTACATTCCGTGCCCAGCAATGCGGTTTGCCGACACAGGCTTCATGCTTGTGTATTCGTTGATAATGTCGTCATCCACTCCAGGATATCGCGTGTGCAGCCCGTACGGCTTGAGCTTCATGTAGCGGTTGACAATATCGTCATCCACTCCAGGACTTCAUGAGGAUGAUGAUGAUGACG21gch-mi5386a39975(95 5)TCGCTGTCGCTGTCGCTGTCGCGCGCGTGCCGCCTCTCCACGCGCGCCACCTCCTTCACCAGCGCGCGCCGCACGCCACTCGCGCTGGCGTCAAATCGAGCGCTGCGCGCGTTCACAATGACGGCGGGAAACAGCGAAUGUCGCUGUCGCGCGCGUGC20gch-mi15632691(78 1)CTCATACTACACACAGAAGAGAGTGAGCGATACAATGAGATGAGCGACGTCCGCCTCTTNGCGAGTAGAAGTAGCGTCACGCGTTCTCGAACCCGTGGTATACACCACACGACGTCCGCTTAGTCCGTNTCTGAGCTCGTTGCAATTATTACTATCCATCTCACATACCGTTGCGTCCAGGCGCGAGCGTCGCGATCACTGCTACTTCTCATTAGTTACCTACACAGAAGAGAGUGAGCGA20gch-mi39937882(90 5)CTGAACGGCATTGCAAACGAGAGCTGCTCTTTGCGCACGGTAGTGGTGTCGATGGGAAACACCGCGCACACGTTGGTCATCACCTGTTCTGGATCGACGGTGTCCACGATGGGTTCGGTTAGAGCTACGTTCTTGATGCAAGACATGTTGAGCUUGCAAACGAGAGCUGCUCUU21gch-mi5386b33529(80 1)TCAGCGCCGACGGCGAGCGCGCGCTGGCGGCGGCGCGCATGATGCGCTGCGAGCAGCTGCTACAATCGCTGCGCCTCTCGCTGCCGCGCGCGCTGGCGGCGCTGCUCUCGCUGCCGCGCGCGCUG20注:括号内数为 kcalmol1。靶 mNA 的错配碱基数及位置，筛选最优的靶标序列;利用 psNATarget 软件对 miNA 及其靶标互补序列进行分析，预测 miNA 的抑制类型;再用 BLAST 22 28 软件在藻类蛋白数据库中进行 BLASTp 比对分析，获得可靠的靶基因，并在 EMBL、Pfam 蛋白数据库中预测其功能;最后用 SWISS-MODEL 软件模拟感兴趣靶基因编码蛋白的三维结构。以预测获得的张氏江篱 mi399 为例，其靶标序列为:AAGAGCAGCTCTCGTTTGCAA，通过生物信息预测，mi399 对靶基因的抑制类型为切割抑制，其靶基因注释信息为精氨酸甲基转移酶基因，其功能与调控藻体器官发育有关，预测其编码蛋白的氨基酸序列为:MDLSSHVQNPFSYHSTVFNLLPPNSKPCVIEQGIACYDMTFSPNYVNSYAHFGIHETMLKDSVTNTFNAILQNDHLFGKVVLDVGCGTGILSCFAAKAGAAVYAVDCSHIVDQTLIVQKNGLSDVITVIESVEQLQLPEMVDIIVSEWMGYFLLDEFMLPSVLADTWLKPDGLMFPDHASISLCGCDDADLADKLDFWHDVSGFDMSCMKNFSISEPAIEVVPSNHITTTTQNVLSLNLTTCTISDLFASTFQLALNSLQAIVGYFTVSFTHGTKKIHLKTGPMHPTHWKQTIFFLEEPMPMEKDECISGVIAVQQNKNNEDLDIGMEYKFNGSMAICNILY，编码蛋白的模拟三维结构如图 1 所示。图 1张氏江篱精氨酸甲基转移酶三维结构预测图1 2 4miNA 家族系统进化树构建以张氏江篱 mi399 为例，构建植物 mi399 家族系统进化树。首先在 miBase 数据库中搜索并下载已知植物 mi399 前体序列，将其与预测获得的张氏江篱 mi399 前体序列(序列信息为:CTGAACGGCATTGCAAACGAGAGCTGCTCTTTGCGCACGGTAGTGGTGTCGATGGGAAACACCGCGCACACGTTGGTCATCACCTGTTCTGGATCGACGGTGTCCACGATGGGTTCGGTTAGAG271第 2 期高帆，等:将大学生创新创业训练计划融入生物信息实验教学的探索CTACGTTCTTGATGCAAGACATGTTGAGC)合并后，用Clustal W 软件进行多重序列比对，比对结果导入MEGA 软件，设置建树进化参数，选择最优建树方案，软件进行 NJ 算法运算，获得 mi399 家族系统进化树。由图2 可知，已知植物 mi399 系统进化树可划分为两簇，第一簇仅由 3 个 miNA 前体组成，第二簇又可划分为6 个分支，张氏江篱 mi399 前体被划分到第2 分支(蓝色箭头标识处)。图 2植物 mi399 家族系统进化树2创新能力培养及实验运行成效2 1学生创新能力培养基于该大创项目融入本科生物信息实验课程的教学改革方式，我们可以选取更多具有探索性的物种作为案例引入实验教学中，激发学生的发散性思维、训练实验操作技能、培养其挖掘并解决实际问题的能力。例如，以其他未公布 miNA 信息的藻类植物为例，学生可利用所学生物信息学方法及软件，预测其 miNA序列信息，通过熟悉国内外不同的生物信息学数据库，预测与该藻功能紧密相关的靶基因;通过设置不同的进化树模型、进化参数及不同的算法，构建适合不同物种的 miNA 系统进化树，探索关键 miNA 在植物界的系统进化地位;甚至可以将此方法延伸至 miNA 靶基因编码蛋白，构建蛋白质系统进化树。学生可通过研究核苷酸的保守性与多样性，探索 miNA 及其靶基因在低等藻类植物演化为高等植物过程中所起的作用。此外，对该课程感兴趣、并擅长计算机编程操作的学生，还可通过编程语言，自己开发设计简单、实用的生物信息处理小程序，为大量数据的快速运算、关键指标的抓取分析、图形的美化及合理构建提供便利。目前，通过该创新性实验教学，已有 1 名本科生参与完成了 另 一 种 特 色 红 藻 紫 球 藻(Porphyridiumpurpureum)的 mi398 及其靶基因序列的生物信息学预测，并拓展分析了植物界 mi398 家族的系统进化特征，成果以论文形式发表9。2 2实验运行成效该大创项目成果已融入我校生物信息学实验 3年，期间我校共 162 名学生进行了实验。通过搜集整理该课程改革调查问卷，约 82 4%的学生非常满意该实验课程的改革方式(见图 3)，实验成绩合格率达97 5%，其中优秀达 45 5%(见图 4)，成绩合格以上学生中约 68 2%的认为该实验操作有一定挑战度，表明该课程在我校获得了广泛认可，教学运行效果良好。此外，该实验课程教学改革范式已在太原师范学院、长治学院、吕梁学院得到部分推广。依托该课程改革成果，又申请获批山西省高等学校教学改革创新项目 1项(项目编号:J2020009)，获批国家级大学生创新创业训练计划项目 1 项(项目编号:202010108018)，发表教学改革论文 2 篇10，11，获得第四届全国大学生生命科学创新创业大赛优秀成果奖 1 项(证书编号:NDC2019CXCY02117)。通过该创新性实验的学习，学生系统地掌握了 生物信息学实验教程(高等教育出版社)实验二、三、四、五、六的内容，初步实践了生物信息学类课题的研究过程，增强了对生命科学交叉学科的学习兴趣，同时学生的计算机操作水平、数据处理能力、分析与解决实际问题的能力明显提高，为今后的升学深造奠定了基础。图 3创新实验课程改革满意度调查图 4授课学生期末成绩分布3教学改革模式探析3 1实验教学是大创项目实施的基础实验是培养大学生理论联系实际，训练其科学思维和创新实践能力的重要教学手段12。由图 5 可知，我校近 3 年立项的大创项目中理工科项目较多(平均占比 61 2%)，其中约 90 1%的项目须依托理工科教研实验室开展;部分文科项目(平均占比 37%)，如考古类、经管类、体育类、新闻传媒类、艺术类等，也须依托文科类实验室实施，且平均占比约 8 1%。因此，高校的多数大创项目须以基础理论及专业实验技能为基础，学生部分依赖或不依赖于教师的指导而进行探索性训练。此外，教师或学生在进行常规实验教学过程中，偶尔会遇到不同于教材内容或传统理论的新现象、新发现，或优于传统实验的新技术、新工艺(方案)，可371第 42 卷能成为大创项目选题的重要来源。生物信息学是一门聚焦生命科学前沿发展、倡导技术革新的交叉学科，其专业实验不同于生命科学基础实验，注重培养大学生在理解基础生物学理论及计算机算法的基础上，综合运用专业知识、数据库及软件来解决实际问题13。将生物信息类大创项目融入实验教学，有利于生命科学专业学生自主探索意识培养及创新能力提升14。图 5山西大学近三年大创项目立项数及实验室实施数统计3 2大创项目实施促进实验教学改革目前，我国高校本科实验教学普遍存在以下三方面问题:实验内容更新率低，综合性、设计性、研究性、创新性实验项目较少，学生发现问题、解决问题的能力欠缺;教师教学手段单一，以传统的“你教我学”方式为主，“双声道”授课方式较少;传统实验教学多受时空的限制，开放式的、以“互联网+”、虚拟仿真为手段的教学模式缺乏普通应用。依托学校国家级生物学实验教学示范中心，基于前期调研与实践，运用统筹法、逻辑法构建了特色生命科学实验教学改革体系(见图 6)。从体制机制上，中心将大创项目列入人才培养方案实践教学版块，项目结题验收可获得创新创业学分，学生参加教育部“国创计划”年会可认定为校定一级竞赛并获得相应奖励，指导教师获得相应教学工作量。从课程教学上，中心鼓励教师将大创项目成果转化为课堂教学资源，不仅丰富了实验教学内容15，为课程教学改革提供了素材和方向，而且为图 6示范中心生命科学实验教学体系改革老师开展互动式、翻转式教学提供了机会16，有利于教师业务能力的提高。从实践效果上，中心将大创项目列入学生第二课堂17，项目的实施给予配套经费及校内资源，从硬件角度，这将部分缓解实验教学经费的紧张，促进优质实验室资源的开放;从软件角度，这不仅培养了学生主动学习、团队协作、积极探索的能力，而且为创新拔尖型人才的遴选提供了契机。3 3实验教学改革成效基于上述实验教学改革体系，20212022 学年，国家级生物学实验教学示范中心开出的综合性、设计性、研究性实验项目较上学年增加 23 5%，20 门实验课教学内容中融入了大创项目研究成果(共 15 项)，13 门实验课程中增设了学科交叉融合的前沿性、探索性实验教学内容(累计 78 学时)。目前，该实验教学改革体系已在山西省内开设生物信息学实验课程的部分高校得到推广。4结语新时代背景下，高校承担着为国家创新驱动发展提供人才支撑的重要使命。将大创项目融入实验教学，既是深化高校实验教学改革，推进一流金课建设的重要手段，又是培养当代大学生创新意识与科研能力的重要途径。同样，实验教学也为大创项目的立项、实施提供了必要的资源与条件。本研究以生物信息学实验课程改革为例，探索了将生物信息类大创项目成果融入本科实验教学的过程与实践，实现了科研反哺教学，教学促进科研的双向互通。下一步，将进一步推动该教学改革范式在校内外其他专业的实践，提高学生受益率，为高校实验教学创新改革提供参考。参考文献(eferences):1教育部，财政部 关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见，教高 2011 6 号 Z 20112王顺才，王弋博，贾贞，等 地方本科高校生物信息学课程教学探索与实践 J 高等理科教育，2020(5):107-1113刘艳，朱瑞新，钱洁，等 数字化生物信息实践教学平台的构建和实践J 实验室研究与探索，2014，33(5):209-2124Su C，Yang X Z，Gao S Q，et al Identification and characterizationof a subset of microNAs in wheat(Triticum aestivum L)JGenomics，2014，103:298-3075Gao F，Nan F，Feng J，et al Characterization and comparativeanalysis of microNAs in 3 representative red algaeJ Iran JBiotechnol，2021，19(4):e28686Axtell M J，Meyers B C evisiting criteria for plant microNAannotation in the era of big dataJPlant Cell，2018，30:272-2847宋韡，尹旭岗，何中石，等 张氏江蓠 microNAs 鉴定及其基因家族系统进化 J 生物学杂志，2020，37(3):40-45(下转第 199 页)471第 2 期王辉，等:邻菲罗啉铜配合物的综合化学实验设计与教学分析4结语遵循学校一流专业与一流课程建设理念，实验设计包含文献查阅、配合物合成及表征和性质测定 3 个环节，涵盖了无机化学、配位化学、生物化学、结构化学、仪器分析知识的综合应用，在我校综合化学实验课程中，已进行了 2 年的教学实践，有效培养了学生的综合实验操作技能及分析问题、解决问题的实践能力，提升了学生的科学素养。全面提升了综合化学实验课程的教学成效与育人质量。参考文献(eferences):1高明丽，李光水，李婉，等 无机化学综合实验:葡萄糖酸锌的制备与成分分析J 化学教育(中英文)，2019，40(10):63-662李东祥，张晓芳，韦倩玲，等 科研转化的综合化学实验:银纳米粒子的制备及其催化反应动力学测量J 化学教育(中英文)，2020，41(16):49-543杨惠芳，董维超，任书霞，等 创新思维理念指导下的无机化学实验教学改革J 实验技术与管理，2019，36(2):204-2074郑琤，郭钰，柯子厚，等 探索地方高校一流化学专业实验室的建设与管理 J 实验技术与管理，2021，38(2):259-2645孙长艳，李文军，路丽英，等 线上开展无机化学实验教学的实践与思考 以“Cr(III)系列配合物的合成与分裂能的测定”为例J 大学化学，2020，35(2):70-746衣晓凤，吕戈，张立春，等 金属有机骨架固化杂多酸的综合性教学实验设计 J 实验技术与管理，2020，37(10):151-1547王伟，孟祥贵，安寅“创新人才培养模式”下的实验教学改革探索 J 实验科学与技术，2013，11(2):144-1468翟全国，李淑妮，蒋育澄，等 配位聚合物 Cu2I(DETZ)n合成与表征的综合型实验教学设计J 实验室研究与探索，2014，33(2):155-1609金为群，权新军，张国艳 应用型新化学实验的开发 J 实验室研究与探索，2012，31(3):138-139 10程爱玲，耿平，王清江，等 高校综合化学实验教学改革与探索 J 实验室研究与探索，2010，29(11):284-286 11姜晓庆，熊英，高敬群，等 多元化教学在无机化学实验教学中的应用 以粗食盐的提纯为例J 化学工程与装备，2021(11):313-314 12郑琤，郭钰，柯子厚，等 探索地方高校一流化学专业实验室的建设与管理 J 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