以提升研究生數(shù)據(jù)分析能力為目標(biāo)導(dǎo)向的《分子進(jìn)化生物學(xué)》教學(xué)改革

以提升研究生數(shù)據(jù)分析能力為目標(biāo)導(dǎo)向的《分子進(jìn)化生物學(xué)》教學(xué)改革Abstract：Thecoreofgraduateeducationistheteachingofresearchmethodsandthecultivationofresearchability.Thispaperintroducesthemethodofguidingstudentsreplayingdataanalysisofsomecutting-edgeresearchcasestostimulatetheirinterestinlearning,expandingacademichorizons,andrapidlyimprovingdataanalysisabilityintheteachingreformofmolecularevolutionarybiology.Thismethodnotonlyacceleratesthetransformationofscientificresearchachievementstoteachingcontents,butalsopromotestheimprovementofthescientificresearchlevelofthisspecialtyastheimprovementofdataanalysiscapabilityofpostgraduatestudents?Atthesametimeitmakessurethatscientificresearchandteachingcanpromoteeachotheranddeveloptogether.IthasacertainvalueofpromotioninthefutureteachingprocessKeywords：postgraduateeducation;MolecularEvolutionaryBiology;researchteaching;replayingresearchcase研究生教育的核心是研究思維的培養(yǎng)、研究方法的訓(xùn)練、獨(dú)立開(kāi)展研究能力的提升。課程教學(xué)是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式注重知識(shí)的傳授，容易忽視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),對(duì)研究方法的講解和訓(xùn)練不足。學(xué)生即使修完全部專業(yè)課程，仍不具備獨(dú)立開(kāi)展研究的能力。專業(yè)文獻(xiàn)閱讀量與閱讀效果都是差強(qiáng)人意，不僅無(wú)法將自身興趣與研究組承擔(dān)課題有機(jī)結(jié)合，做到自主選題;即便是面對(duì)確定好的研究課題，也不能做到獨(dú)立規(guī)劃試驗(yàn)方案。已有的教學(xué)效果實(shí)驗(yàn)研究表明，課堂講授的教學(xué)效果是最差的，24小時(shí)之后所學(xué)內(nèi)容僅剩5也要達(dá)到相對(duì)好的教學(xué)效果，就需要分組討論、親手實(shí)踐、學(xué)以致用。研究生教育的核心就是研究方法的教育、研究能力的培養(yǎng)。在專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程屮，最常見(jiàn)的研究方法教學(xué)是融入專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程Z屮的。問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)（Problem-BasedLearning,PBL）模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題情景屮，通過(guò)學(xué)習(xí)者的自主探究和合作來(lái)解決問(wèn)題，從而學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，鍛煉解決問(wèn)題的能力[3-4]o河北大學(xué)動(dòng)物學(xué)專業(yè)碩士研究生招生規(guī)模大約30人/年。主要研究特色是昆蟲(chóng)及蛛形動(dòng)物分類和系統(tǒng)進(jìn)化研究。近年來(lái)，各個(gè)研究組對(duì)開(kāi)展分子進(jìn)化研究需求強(qiáng)烈，并具備如下優(yōu)勢(shì)：1.對(duì)研究類群存在的系統(tǒng)學(xué)問(wèn)題具有深刻的認(rèn)識(shí)。2.積累了豐富的實(shí)驗(yàn)材料。3.能夠?qū)?shí)驗(yàn)材料進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定。但是，由于剛剛涉足分子進(jìn)化研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力非常欠缺，對(duì)研究結(jié)果的認(rèn)識(shí)僅停留在簡(jiǎn)單描述，無(wú)法用分子進(jìn)化理論對(duì)其進(jìn)行解讀。尤其是在分子進(jìn)化軟件的使用過(guò)程中，只滿足于（或只能做到）使用默認(rèn)參數(shù)“StepbyStep”得到一個(gè)結(jié)果。對(duì)軟件的各個(gè)參數(shù)所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，不會(huì)調(diào)整、也不敢調(diào)整。隨著高通量測(cè)序技術(shù)在分子進(jìn)化研究領(lǐng)域的運(yùn)用，非模式生物的組學(xué)數(shù)據(jù)完全可以交由專業(yè)的生物技術(shù)公司獲得。一般分子數(shù)據(jù)的獲得更是通過(guò)短期訓(xùn)練即可順利完成。分子進(jìn)化研究的工作重心已由前期的“數(shù)據(jù)生產(chǎn)”轉(zhuǎn)向“對(duì)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的進(jìn)化信息進(jìn)行深度挖掘”。要求研究人員最好可以掌握1?2門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（如：Perl、R、Java>Python等），能夠編寫一些簡(jiǎn)單腳本。即便無(wú)法達(dá)到上述要求，起碼也要對(duì)常用分子進(jìn)化分析軟件的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型假設(shè)能夠有較深認(rèn)識(shí)。為此，我們嘗試對(duì)《分子進(jìn)化生物學(xué)》課程的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行改革，試圖通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分子進(jìn)化領(lǐng)域的前沿研究案例的數(shù)據(jù)分析過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤，拓寬研究生的學(xué)術(shù)視野，提升其數(shù)據(jù)分析實(shí)踐能力。一、 梳理課程內(nèi)容，建立新型教學(xué)體系1859年，達(dá)爾文的《物種起源》發(fā)表以來(lái)，以自然選擇學(xué)說(shuō)和共同祖先原則為核心的進(jìn)化論不斷發(fā)展、完善。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以來(lái)，分子生物學(xué)的迅速發(fā)展使得進(jìn)化生物學(xué)發(fā)展的步伐大大加快。如今，進(jìn)化生物學(xué)，作為研究生命進(jìn)化的歷史過(guò)程、機(jī)制和規(guī)律的學(xué)科，不僅是解釋生物學(xué)現(xiàn)象的框架，還為人類自身的許多問(wèn)題提供了答案。例如，當(dāng)我們運(yùn)用DNA測(cè)序技術(shù)查明自己的祖先譜系時(shí)，便直接使用了分子進(jìn)化生物學(xué)的研究成果。如何才能更好地理解生物進(jìn)化、學(xué)好分子進(jìn)化生物學(xué)？由于生物及其特征都是進(jìn)化改變的歷史產(chǎn)物，所以進(jìn)化生物學(xué)的范疇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生命科學(xué)其他任何領(lǐng)域。分子進(jìn)化生物學(xué)課程不能拘泥于特定生物類群的演化細(xì)節(jié)，要強(qiáng)調(diào)進(jìn)化的普適原理、學(xué)會(huì)進(jìn)化假說(shuō)的檢驗(yàn)、解讀研究實(shí)例中的分析結(jié)果、推斷其進(jìn)化歷程。為了滿足研究生即將從事科研工作的需求，我們嘗試減少教師課堂進(jìn)化理論講授的學(xué)時(shí)比例，增加學(xué)生在教師指導(dǎo)下的自主閱讀、專題研討和獨(dú)立研究學(xué)時(shí)。注重經(jīng)典文獻(xiàn)閱讀，數(shù)據(jù)分析過(guò)程復(fù)盤重現(xiàn)，引入多元化的課程考評(píng)體系，具體設(shè)計(jì)思路見(jiàn)表lo二、 增設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，促進(jìn)數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)在進(jìn)行分子進(jìn)化理論講授的同時(shí)，增加數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)。引導(dǎo)學(xué)生閱讀文獻(xiàn)，借助本專業(yè)的一些前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索和閱讀能力。文獻(xiàn)選自生物系統(tǒng)進(jìn)化領(lǐng)域TrendsmEcologyEvolution、SystematicBiology>MolecularBiologyandEvolution>MolecularPhylogeneticsandEvolution、Cladistics等高水平雜志。在文獻(xiàn)選取時(shí)，既要考慮分子進(jìn)化領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題，也要兼顧本專業(yè)學(xué)生后期研究工作的實(shí)際需求。通過(guò)文獻(xiàn)研讀，師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，吃透一篇好文章的思想和架構(gòu)，需要解決的科學(xué)問(wèn)題、分子標(biāo)記選擇的標(biāo)準(zhǔn)、高效利用公共數(shù)據(jù)庫(kù)屮的現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源、熟練掌握數(shù)據(jù)分析方法和寫作技巧。例如，系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)的構(gòu)建是分子進(jìn)化研究中最重要內(nèi)容z—,我們不僅要讓學(xué)生“讀懂”進(jìn)化樹(shù)、明白各種建樹(shù)方法背后的進(jìn)化假設(shè)，還要讓學(xué)生熟練掌握各種建樹(shù)方法，以便于他們將其運(yùn)用于日后的研究工作中。根據(jù)學(xué)生個(gè)人興趣和實(shí)驗(yàn)室近期研究方向，將學(xué)生分為若干小組。綜合考慮該項(xiàng)研究的原始數(shù)據(jù)可獲得性、所需軟件及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)（個(gè)人電腦+學(xué)院小型服務(wù)器）能夠滿足需要，每組選定1個(gè)前沿研究案例對(duì)其進(jìn)行深度剖析，整理形成一個(gè)數(shù)據(jù)分析流程對(duì)其數(shù)據(jù)分析過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤（圖1）。積極引入“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式，建立課程微信群，隨時(shí)溝通復(fù)盤過(guò)程屮遇到的問(wèn)題，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下場(chǎng)所、時(shí)間固定等難題。這樣不僅有助于鍛煉研究生數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)授課教師自身也大有裨益，真正做到了教學(xué)相長(zhǎng)。近年來(lái)，河北大學(xué)動(dòng)物學(xué)專業(yè)主要專注于蛛形動(dòng)物、昆蟲(chóng)綱鞘翅目、直翅目分類及系統(tǒng)進(jìn)化研究。利用線粒體基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)重建高級(jí)階元間系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和基于DNA條形碼進(jìn)行物種分子界定是各研究組近期最為關(guān)注的兩項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。本文結(jié)合我們課題組近期發(fā)表的兩篇論文進(jìn)行研究案例復(fù)盤舉例，主要有以下兩方面考慮：1.讓學(xué)生覺(jué)著這些研究工作自己完全可以做到，增加學(xué)生自信心;2.響應(yīng)教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)（教高（2018）2號(hào)），提出的強(qiáng)化科教協(xié)同育人，將最新科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教育教學(xué)內(nèi)容，以高水平科學(xué)研究支撐高質(zhì)量本科人才培養(yǎng)。研究案例I：基于線粒體基因組數(shù)據(jù)的蠡亞目系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系重建該項(xiàng)研究發(fā)表于MolecularPhylogeneticsandEvolution108：22-33,分別使用長(zhǎng)距PCR擴(kuò)增后Sub-PCR擴(kuò)增產(chǎn)物ABISanger測(cè)序和IlluminaHiSeq2000高通量測(cè)序策略獲得32蠡亞目昆蟲(chóng)線粒體基因組序列。聯(lián)合由公共數(shù)據(jù)庫(kù)NCBI下載的27種蠡亞目昆蟲(chóng)線粒體基因組序列數(shù)據(jù)，以2種蝗亞目昆蟲(chóng)為外群，對(duì)蠡亞目系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行重建，數(shù)據(jù)分析過(guò)程涉及的軟件如表2所7J\o研究案例II：基于COI-5P物種界定揭示屮國(guó)蠡斯高水平隱存/未描述物種多樣性該項(xiàng)研究發(fā)表于BMCEvolutionaryBiology19：79,共產(chǎn)生2131條高質(zhì)量的COI-5P蠡斯DNA條形碼序列，使用NJ-K2P建樹(shù)和7種物種界定常用方法(表3)o并對(duì)不同物種界定方法劃分的OUT結(jié)果進(jìn)行了成對(duì)比較。目的在于使學(xué)生熟悉基于DNA條形碼進(jìn)行物種分子鑒定的原理、BOLD系統(tǒng)的架構(gòu)及其整合的數(shù)據(jù)分析工具，如：RESL、DistanceSummary>BarcodeGapAnalysis、Geo-DistanceCorrelation等。不同方法OTU劃分結(jié)果比較WebsiteComparingPartitions(http：///)三、建立多元化課程考核評(píng)價(jià)體系充分認(rèn)識(shí)建立多元化課程考核評(píng)價(jià)體系對(duì)教學(xué)改革工作的重要影響?？茖W(xué)的課程評(píng)價(jià)體系能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，達(dá)到教與學(xué)的良性循環(huán)。一般情況下，研究生課程考核由過(guò)程性考核(30%)+期末考試(70%)構(gòu)成。過(guò)程性評(píng)價(jià)主要包括課堂出勤、課堂紀(jì)律、課堂回答問(wèn)題等。期末考試則通過(guò)試卷答題評(píng)價(jià)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況，無(wú)法對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。新的課程考核評(píng)價(jià)體系采用過(guò)程評(píng)價(jià)為主(70%)、總結(jié)性評(píng)價(jià)為輔(30%)的綜合式評(píng)價(jià)體系。通過(guò)對(duì)經(jīng)典研究案例的數(shù)據(jù)分析過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤，設(shè)置分組討論、根據(jù)復(fù)盤過(guò)程屮學(xué)生的階段性復(fù)盤結(jié)果多媒體匯報(bào)、課程結(jié)朿后提交復(fù)盤報(bào)告等予以評(píng)分。在階段性復(fù)盤結(jié)果多媒體匯報(bào)時(shí)，不參與匯報(bào)的小組針對(duì)匯報(bào)組同學(xué)的講解提問(wèn)，形成生生討論的學(xué)習(xí)氛圍。不僅活躍了課堂氣氛，還讓學(xué)生在分享、討論、展示的過(guò)程屮提升科學(xué)思維和語(yǔ)言表達(dá)能力。課程教學(xué)評(píng)價(jià)改為匯報(bào)小組的評(píng)分項(xiàng)目包括：內(nèi)容正確性、框架清晰、形式多樣、講解生動(dòng)流利程度、時(shí)間把控準(zhǔn)確性、組內(nèi)成員合作體現(xiàn)、PPT制作美觀性、面對(duì)提問(wèn)環(huán)節(jié)互動(dòng)性等。提問(wèn)小組的評(píng)分主要從所提問(wèn)題的針對(duì)性、深度、現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)效果等方面進(jìn)行。將課程考核作為獲取新技能、拓展新視野的重要環(huán)節(jié)，貫徹于整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂和課后學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。四、教學(xué)實(shí)踐效果相對(duì)于傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)，通過(guò)對(duì)研究案例的數(shù)據(jù)分析過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤，可使學(xué)生直觀地看到一些軟件參數(shù)設(shè)置的變化導(dǎo)致不同的分析結(jié)果。學(xué)生在以后實(shí)際使用時(shí)也會(huì)自然而然地在關(guān)