生物信息学作为一门快速发展的交叉学科，逐渐在生物学、农学等多个领域广泛应用，并成为生命科学领域的核心技术之一。在新农科建设背景下，生物信息学相关技术在植物保护领域的应用日益广泛，相关学者对此进行了一定研究。王金辉等[1]研究指出，生物信息学为病虫害鉴定与监测、病原菌致病机理、作物抗病育种等提供了有力的技术支持，利用大数据实现对病虫害发生和传播的早期监测和预警，有助于种植户采取精准防治措施。张赞等[2]研究认为，基因组学和转录组学等方法有助于推动农业昆虫基因数据的积累，在害虫控制方面发挥了有效作用。林世强等[3]利用蛋白质组学和代谢组学等方法研究了植物与病原微生物间的相互作用。兰雨佳等[4]研究认为，该学科具有内容更新快、实践性强等特点，现有的教学模式、教学内容和教学体系等难以满足当前的科研和社会需求，亟须进行改革以跟上时代发展步伐。
本文结合长期教学实践经验，在生物信息学课程中探索引入“认知—实训—动手”三层次教学模式。在认知阶段，学生系统学习基础理论知识，激发学习兴趣；在实训阶段，通过模拟数据处理与分析等多样化训练，逐步掌握解决具体问题的实践能力；在动手阶段，通过创新实验、科研项目等实践，深化对知识的理解和应用，全面提升独立解决实际问题的能力。同时，对教学评价方式进行改进与拓展，全面培养学生的专业素养和实践能力。
1 “认知—实训—动手”三层次教学模式的应用基础
1.1 认知层次：理论知识的构建与理解
认知层次属于基础层次，侧重对学生理论知识的构建与理解。在生物信息学通识课程中，学生需掌握生物信息学的基本概念、原理和方法，涵盖序列比对与搜索、系统发育分析、蛋白质序列特征与功能预测、数据库、高通量测序、多组学、数据处理与可视化等内容。在教学中融入植物保护专业知识和具体案例，通过课堂教学、在线学习、小组讨论等方式，引导学生深入理解生物信息学在植物保护领域的应用价值，为后续实践教学奠定坚实的理论基础。在该层次教学中需注重知识的系统性和连贯性，通过整合相关知识点，构建完整的知识体系，如在植物病害的鉴定中引入应用序列比对与搜索等相关内容；关注前沿研究进展，及时引入最新的研究成果和人工智能技术，通过案例分析、问题探讨等方式，引导学生将理论知识与实际问题相结合，培养其创新思维。
1.2 实训层次：实践技能的培养与提升
实训层次属于关键层次，侧重对学生实践技能的培养与提升。在通识课程中，学生需掌握常用软件的操作技巧和数据分析方法，例如，使用BLAST进行序列搜索，利用MEGA构建系统进化树，使用InterproScan预测蛋白质的功能域等。通过案例分析和模拟数据等操作，让学生在实践中学习和掌握相关技能。在该层次教学中，需注重实践环节的多样性和灵活性，加强课堂实践操作，如数据分析、软件操作、试验设计等，让学生在实践中逐步掌握相关技能[5]；注重实践环节的针对性和实用性，确保学生所学技能可真正应用于解决实际问题，如利用生物信息学工具预测植物病原菌的致病基因、分析植物抗病基因的进化等。
1.3 动手层次：创新能力的培养与拓展
动手层次属于最高层次，侧重对学生创新能力的培养与拓展。通过大学生研究训练计划项目（SRT）、科研项目、科技竞赛等，让学生综合运用相关理论知识和实践技能，发挥创造力，培养独立思考、创新设计、团队协作等能力，以应对复杂多变的实际问题。在该层次教学中，需注重发挥创新实践的引导和支持作用，提倡以解决实际问题为导向开展实验教学[6]。针对专业领域的实际问题，设计具有挑战性和创新性的实践项目，如利用生物信息学技术辅助作物抗病育种、病虫害早期预警模型的建立等，激发学生的创新热情和兴趣。同时，提供导师指导、项目资金、实验设备等资源支持，确保学生顺利进行创新实践；鼓励学生积极参与学术交流和科技竞赛等活动，拓宽其创新视野。
将“认知—实训—动手”三层次教学模式应用于植物保护专业的生物信息学通识课程，有助于全面提升学生的生物信息学素养和植物保护能力。在认知层次，学生构建和理解相关理论知识；在实训层次，培养学生的实践技能；在动手层次，提升其创新能力。这种教学模式符合学生的认知规律和发展需求，有助于培养其综合素质和实践能力。
2 基于三层次的生物信息学课程教学改革实践
2.1 认知层次：融合专业理论知识
2.1.1 构建跨学科知识体系
将课程内容进行整合优化，构建跨学科知识体系[7]。将植物病理学、昆虫学、农药学等植物保护专业的核心课程内容与生物信息学技术相结合，形成一体化教学，通过融合教学，让学生在学习生物信息学理论知识的同时，深入理解其在植物保护领域的应用价值。例如，在讲解序列比对与搜索时，引入植物病虫害基因组序列的分析案例，让学生理解通过生物信息学手段揭示病虫害的遗传特征；在系统发育分析部分，结合植物与病原菌或害虫的进化关系，探讨其在生态系统中的相互作用。此外，引入最新学科技术、方法和应用案例，使学生了解相关学科领域的最新发展动态和应用前景；增加与植物保护相关的生物信息学内容，如序列比对、多组学在植物病虫害鉴定、致病机理研究等方面的应用，使学生更好地将生物信息学知识与植物保护实践相结合。此外，在教学过程中融入思政元素，培养学生的社会责任感和思辨能力[8]。
2.1.2 创新教学方法
通过讲座、讨论、案例分析等途径，激发学生的学习兴趣，提升其参与度。邀请行业专家到学校现场授课，分享前沿知识技术；在课堂讨论和案例分析环节，设计具有植物保护特色的教学案例，如选取典型的植物病虫害案例，引导学生利用生物信息学工具进行数据分析，鼓励其积极思考和讨论，深入理解病虫害的致病机理和防控策略，提高其分析和解决问题的能力。
2.2 实训层次：强化实践技能
2.2.1 设计具有植保特色的实训项目
根据课程特点和植保专业需求，引入与植保实际问题密切相关的生物信息学案例，设计一系列具有特色的实训项目，注重对学生实际操作能力的培养。这些实训项目涵盖了生物信息学的基本技能操作；紧密结合植物保护专业的实际需求，将各知识单元融入具体项目[9]，如开展基于高通量测序数据的植物病虫害鉴定实训项目，让学生掌握利用生物信息学工具进行测序数据分析，识别并鉴定病虫害种类的方法；设计植物抗病基因挖掘等实训项目，利用生物信息学方法分析作物基因组数据，挖掘潜在的抗病基因资源，增强学生的团队协作和综合应用能力。
2.2.2 完善实训设施和师资队伍
建立生物信息学实训平台，配备先进的生物信息学软件和工具；加强师资队伍建设，构建知识、年龄、职称结构合理且充满活力的师资团队，当前团队授课教师均拥有生物信息学或植物保护学博士学位，每位教师的科研课题均涉及生物信息学分析。采用导师制、小组合作等方式开展实训，教师将个人科研工作经验和成果融入教学内容，提高了课程的丰富性和深度。
2.3 动手层次：推动跨学科创新实践
2.3.1 促进科研项目与实习相结合
鼓励学生参与大学生研究训练计划项目、科研项目和实习活动，如参与植物病虫害防控的科研项目，培养其创新动手能力和解决实际问题的能力。吸引学生参加校内外各类科研项目，支持其开展具有创新性和实用性的实验项目；与企业合作建立实习基地或实验室，为学生提供丰富的实习机会，有助于其了解植物保护领域的实际需求，将所学知识应用于实际问题的解决。
2.3.2 参加跨学科竞赛活动
组织或参与跨学科的生物信息学与植物保护相关竞赛活动，如生物信息学在植物保护中的应用创新大赛等，为学生提供参赛指导。通过竞赛活动，学生展示创新成果，与不同领域的专家交流学习，拓宽其学术视野，激发创新思维。
3 改进教学评价方式
在生物信息学通识课程中，改进和拓展教学评价方式，以激发学生学习兴趣和主动性，提高其学习效果和综合素质。
3.1 采用多元化评价方式
在课程考核中，结合平时作业、上机实践操作和期末考试，对学生学习成绩进行综合评价[10]。引入多元化评价方式，包括课堂表现、作业完成情况、小组讨论参与度、实验报告、项目实践成果等。学生通过口头报告、海报展示等方式，展示所学生物信息学分析技能及其在植物保护中的应用，以全面评估个人学习成果和综合能力。
3.2 强调结果性评价
通过平时作业、小组讨论和实训完成结果等结果性评价，评估其在课程中所学的技能和知识应用能力，鼓励学生将生物信息学分析结果应用于植物保护实践中，如参与田间病虫害监测与防治等工作，从而全面评估学生的综合能力和学习成效，了解其对知识的掌握程度和实际应用能力，为后续教学提供反馈和改进方向。
3.3 引入学生自评和互评
将教师评价、组内学生自评和组间学生互评相结合，建立全方位多角度的评价体系[11]。在自评环节，引导学生从植物保护的视角出发，评估自己在生物信息学技能掌握、问题分析与解决、团队协作等方面的表现。在互评环节，鼓励学生跨学科交流和学习，例如，评价植物保护专业学生在分析数据结果对植物保护问题的解释和应用方面的能力，评价学生对生物信息学数据获取、处理和分析等技能的掌握程度。这种互评有助于增进学生对两个学科的理解和融合应用。
3.4 建立综合评价档案
建立学生综合评价档案，记录其在整个学习过程中的表现、成果和进步，定期进行审查和更新，结合学生的学习进展和表现给予个性化的指导和反馈。对于在植物保护与生物信息学融合方面表现突出的学生给予表扬和奖励，通过建立综合评价档案和动态评估机制，全面促进学生综合素质和创新能力的提升。
4 课程教学改革成效
基于“认知—实训—动手”三层次的生物信息学课程教学改革模式在植物保护学院进行了3年的应用实践，产生了良好的效果。该课程体系和教学方式广受学生欢迎，激发了其浓厚的热情和学习兴趣。课堂上，学生提问频率较改革前提升了30%，主动参与实训项目的学生占比从62%提高至89%。据教学数据统计，采用该模式的学生期末考试平均分较采用常规教学模式的学生高4.3分；课程结束后，90%的学生熟练掌握了该课程序列比对、进化树构建和生物数据库的使用等常用工具的实践操作技能；学生的创新能力明显提升，对参与课程相关的毕业设计和学科竞赛表现出更高的积极性，近3年累计16个学生团队凭借课程学习成果申报并获批校级大学生创新训练项目。将科研思路引入教学，学生的科研能力和创新能力得到了有效提高，教学实践有助于教师全面了解生物信息学及相关学科的最新进展，为其个人科研工作提供了新思路。
综上，本文在植保专业生物信息学课程中引入“认知—实训—动手”三层次的教学模式，在认知层次，学生主要学习基础理论知识，形成兴趣点并提出问题；在实训层次，通过案例分析、模拟数据操作等方式，培养实践能力；在动手层次，通过创新实验、科研项目等实践活动，掌握解决问题的能力。这一教学模式丰富了专业教学内容和方法，为学生的职业发展奠定了坚实基础。未来，将继续深化课程教学改革，紧跟学科发展前沿，不断更新和完善课程知识体系，创新教学方法和手段，进一步加强与植物保护专业的交叉融合，为培养更多高素质、信息化的智慧植保人才提供参考。