以提升研究生数据分析能力为目标导向的《分子进化生物学》教学改革

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（河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002）

摘  要：研究生教育的核心就是研究方法的传授、研究能力的培养。主要介绍了在分子进化生物学课程教学过程中，引导学生将一些前沿研究案例的数据分析过程进行复盘，以激发其学习兴趣，拓宽学术视野，快速提升数据分析能力的思路和做法。实践证明，该方法不仅能够加快科研成果向教学内容转化，学生的数据分析能力提升以后，还可促进本专业科研水平的提高，真正做到科研与教学相互促进，共同发展。在今后的教学过程中具有一定的推广价值。

关键词：研究生教育;分子进化生物学;研究型教学;研究案例复盘

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）21-0141-04

Abstract： The core of graduate education is the teaching of research methods and the cultivation of research ability. This paper introduces the method of guiding students replaying data analysis of some cutting-edge research cases to stimulate their interest in learning， expanding academic horizons， and rapidly improving data analysis ability in the teaching reform of molecular evolutionary biology. This method not only accelerates the transformation of scientific research achievements to teaching contents， but also promotes the improvement of the scientific research level of this specialty as the improvement of data analysis capability of postgraduate students. At the same time it makes sure that scientific research and teaching can promote each other and develop together. It has a certain value of promotion in the future teaching process

Keywords： postgraduate education; Molecular Evolutionary Biology; research teaching; replaying research case

研究生教育的核心是研究思維的培养、研究方法的训练、独立开展研究能力的提升。课程教学是研究生培养的重要环节。传统的教学模式注重知识的传授，容易忽视对学生创新能力的培养，对研究方法的讲解和训练不足。学生即使修完全部专业课程，仍不具备独立开展研究的能力。专业文献阅读量与阅读效果都是差强人意，不仅无法将自身兴趣与研究组承担课题有机结合，做到自主选题;即便是面对确定好的研究课题，也不能做到独立规划试验方案。已有的教学效果实验研究表明，课堂讲授的教学效果是最差的，24小时之后所学内容仅剩5%。要达到相对好的教学效果，就需要分组讨论、亲手实践、学以致用[1]。

研究生教育的核心就是研究方法的教育[2]、研究能力的培养。在专业课程教学过程中，最常见的研究方法教学是融入专业课程教学内容和过程之中的。问题驱动学习（Problem-Based Learning， PBL）模式强调学生的主体地位，把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，锻炼解决问题的能力[3-4]。

河北大学动物学专业硕士研究生招生规模大约30人/年。主要研究特色是昆虫及蛛形动物分类和系统进化研究。近年来，各个研究组对开展分子进化研究需求强烈，并具备如下优势：1. 对研究类群存在的系统学问题具有深刻的认识。2. 积累了丰富的实验材料。3. 能够对实验材料进行准确鉴定。但是，由于刚刚涉足分子进化研究，对试验数据的分析能力非常欠缺，对研究结果的认识仅停留在简单描述，无法用分子进化理论对其进行解读。尤其是在分子进化软件的使用过程中，只满足于（或只能做到）使用默认参数“Step by Step”得到一个结果。对软件的各个参数所蕴含的生物学意义缺乏足够的认识，不会调整、也不敢调整。

随着高通量测序技术在分子进化研究领域的运用，非模式生物的组学数据完全可以交由专业的生物技术公司获得。一般分子数据的获得更是通过短期训练即可顺利完成。分子进化研究的工作重心已由前期的“数据生产”转向“对数据蕴含的进化信息进行深度挖掘”。要求研究人员最好可以掌握1～2门计算机语言（如：Perl、R、Java、Python等），能够编写一些简单脚本。即便无法达到上述要求，起码也要对常用分子进化分析软件的统计学模型假设能够有较深认识。为此，我们尝试对《分子进化生物学》课程的教学过程进行改革，试图通过引导学生对分子进化领域的前沿研究案例的数据分析过程进行复盘，拓宽研究生的学术视野，提升其数据分析实践能力。

一、梳理课程内容，建立新型教学体系

1859年，达尔文的《物种起源》发表以来，以自然选择学说和共同祖先原则为核心的进化论不断发展、完善。1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构以来，分子生物学的迅速发展使得进化生物学发展的步伐大大加快。如今，进化生物学，作为研究生命进化的历史过程、机制和规律的学科，不仅是解释生物学现象的框架，还为人类自身的许多问题提供了答案。例如，当我们运用DNA测序技术查明自己的祖先谱系时，便直接使用了分子进化生物学的研究成果。

如何才能更好地理解生物进化、学好分子进化生物学？由于生物及其特征都是進化改变的历史产物，所以进化生物学的范畴远远大于生命科学其他任何领域。分子进化生物学课程不能拘泥于特定生物类群的演化细节，要强调进化的普适原理、学会进化假说的检验、解读研究实例中的分析结果、推断其进化历程。

为了满足研究生即将从事科研工作的需求，我们尝试减少教师课堂进化理论讲授的学时比例，增加学生在教师指导下的自主阅读、专题研讨和独立研究学时。注重经典文献阅读，数据分析过程复盘重现，引入多元化的课程考评体系，具体设计思路见表1。

二、增设实践环节，促进数据分析能力培养

在进行分子进化理论讲授的同时，增加数据分析环节。引导学生阅读文献，借助本专业的一些前沿和热点问题有意识培养学生的文献检索和阅读能力。文献选自生物系统进化领域Trends in Ecology & Evolution、Systematic Biology、Molecular Biology and Evolution、Molecular Phylogenetics and Evolution、Cladistics等高水平杂志。在文献选取时，既要考虑分子进化领域研究的前沿和热点问题，也要兼顾本专业学生后期研究工作的实际需求。通过文献研读，师生互动、生生互动，吃透一篇好文章的思想和架构，需要解决的科学问题、分子标记选择的标准、高效利用公共数据库中的现有数据资源、熟练掌握数据分析方法和写作技巧。例如，系统进化树的构建是分子进化研究中最重要内容之一，我们不仅要让学生“读懂”进化树、明白各种建树方法背后的进化假设，还要让学生熟练掌握各种建树方法，以便于他们将其运用于日后的研究工作中。

根据学生个人兴趣和实验室近期研究方向，将学生分为若干小组。综合考虑该项研究的原始数据可获得性、所需软件及现有的数据分析平台（个人电脑+学院小型服务器）能够满足需要，每组选定1个前沿研究案例对其进行深度剖析，整理形成一个数据分析流程对其数据分析过程进行复盘（图1）。积极引入“互联网+”教学模式，建立课程微信群，随时沟通复盘过程中遇到的问题，解决传统教学模式下场所、时间固定等难题。这样不仅有助于锻炼研究生数据分析能力，对授课教师自身也大有裨益，真正做到了教学相长。

近年来，河北大学动物学专业主要专注于蛛形动物、昆虫纲鞘翅目、直翅目分类及系统进化研究。利用线粒体基因组、转录组数据重建高级阶元间系统进化关系和基于DNA条形码进行物种分子界定是各研究组近期最为关注的两项研究内容。本文结合我们课题组近期发表的两篇论文进行研究案例复盘举例，主要有以下两方面考虑：1. 让学生觉着这些研究工作自己完全可以做到，增加学生自信心;2. 响应教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见（教高〔2018〕2号），提出的强化科教协同育人，将最新科研成果及时转化为教育教学内容，以高水平科学研究支撑高质量本科人才培养。

研究案例I：基于线粒体基因组数据的螽亚目系统进化关系重建[5]

该项研究发表于Molecular Phylogenetics and Evolution 108：22-33，分别使用长距PCR扩增后Sub-PCR扩增产物ABI Sanger测序和Illumina HiSeq2000高通量测序策略获得32螽亚目昆虫线粒体基因组序列。联合由公共数据库NCBI下载的27种螽亚目昆虫线粒体基因组序列数据，以2种蝗亚目昆虫为外群，对螽亚目系统进化关系进行重建，数据分析过程涉及的软件如表2所示。

研究案例II：基于COI-5P物种界定揭示中国螽斯高水平隐存/未描述物种多样性[6]

该项研究发表于BMC Evolutionary Biology 19：79，共产生2131条高质量的COI-5P螽斯DNA条形码序列，使用NJ-K2P建树和7种物种界定常用方法（表3）。并对不同物种界定方法划分的OUT结果进行了成对比较。目的在于使学生熟悉基于DNA条形码进行物种分子鉴定的原理、BOLD系统的架构及其整合的数据分析工具，如：RESL、Distance Summary、Barcode Gap Analysis、Geo-Distance Correlation等。

不同方法OTU划分结果比较 Website Comparing Part

itions（http：//www.comparingpartitions.info/）

三、建立多元化课程考核评价体系

充分认识建立多元化课程考核评价体系对教学改革工作的重要影响。科学的课程评价体系能促进学生学习的积极性和主动性，达到教与学的良性循环。一般情况下，研究生课程考核由过程性考核（30%）+期末考试（70%）构成。过程性评价主要包括课堂出勤、课堂纪律、课堂回答问题等。期末考试则通过试卷答题评价学生的课程学习情况，无法对学生实践能力进行准确判断。

新的课程考核评价体系采用过程评价为主（70%）、总结性评价为辅（30%）的综合式评价体系。通过对经典研究案例的数据分析过程进行复盘，设置分组讨论、根据复盘过程中学生的阶段性复盘结果多媒体汇报、课程结束后提交复盘报告等予以评分。在阶段性复盘结果多媒体汇报时，不参与汇报的小组针对汇报组同学的讲解提问，形成生生讨论的学习氛围。不仅活跃了课堂气氛，还让学生在分享、讨论、展示的过程中提升科学思维和语言表达能力。课程教学评价改为汇报小组的评分项目包括：内容正确性、框架清晰、形式多样、讲解生动流利程度、时间把控准确性、组内成员合作体现、PPT制作美观性、面对提问环节互动性等。提问小组的评分主要从所提问题的针对性、深度、现场互动效果等方面进行。将课程考核作为获取新技能、拓展新视野的重要环节，贯彻于整个课程学习过程，引导学生积极参与课堂和课后学习，培养学生自主学习的习惯。

四、教学实践效果

相對于传统的课堂讲授教学，通过对研究案例的数据分析过程进行复盘，可使学生直观地看到一些软件参数设置的变化导致不同的分析结果。学生在以后实际使用时也会自然而然地在关键参数设置加以注意。该方法与“对错比较教学法”[7]类似，以所选文献的分析结果为参照，不仅加强了学生对数据分析软件原理及方法的理解，还锻炼了学生思维、调动了学生自主学习积极性。整个实践过程中，我们始终把数据分析实践融入到教学活动的各个环节中去，综合“案例教学”、“研讨式教学”等优点，让学生在“做中学，边学边做，边做边学”。不仅通过课堂讲授获得了扎实的分子进化生物学基础理论知识，而且领略了最新的分子进化研究思路、快速提升其数据分析实践能力。我们认为值得在今后的分子进化生物学教学实践中加以推广。

参考文献：

[1]David A. Sousa. How the brain Learns[M]. National Training Laboratories of Alexandria， Corwin Press， 2005.

[2]廖英.构建研究方法类课程群强化研究方法的教学和训练——北京师范大学研究生研究方法类课程建设的实践与思考[J].学位与研究生教育，2018，4：16-20.

[3]郝平.PBL模式在历史教学中对研究生“问题意识”的培养[J].研究生教育研究，2019，49（1）：59-63.

[4]朱少民.软件测试课程的问题驱动教学模式探索[J].中国大学教学，2018，10：32-36.

[5]Zhou Z， Zhao L， Liu N， Guo H， Guan B， Di J， Shi F. Towards a higher-level Ensifera phylogeny inferred from mitogenome sequences[J]. Molecular Phylogenetics and Evolution， 2017，108： 22-33.

[6]Zhou Z，Guo H， Han L， Chai J， Che X， Shi F. Singleton molecular species delimitation based on COI-5P barcode sequences revealed high cryptic/undescribed diversity for Chinese katydids （Orthoptera： Tettigoniidae）[J]. BMC Evolutionary Biology， 2019，19：79.

[7]薛雅蓉，刘常宏.“对错比较教学法”在细胞生物学实验教学中应用[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：141-143，159.

*基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“复盘经典研究案例教学法促进科研成果向教学资源转化——以《分子进化生物学》为例”（编号：2018GJJG019）;河北大学科研成果转化为教学资源项目“校园常见昆虫分子鉴定”（编号：KYZJX18151）

作者简介：周志军（1980-），男，汉族，山西长治人，博士，副教授，研究方向：螽亚目昆虫分子进化生物学。