楊志遠(yuǎn)

（杭州電子科技大學(xué)人工智能學(xué)院 浙江·杭州 310018）

0 引言

伴隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示，生物信息學(xué)這門(mén)交叉課程隨之興起。目前多數(shù)綜合類(lèi)大學(xué)都開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程，來(lái)提高學(xué)生對(duì)生物學(xué)軟件工具的掌握能力。由于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，是以教師為中心被動(dòng)地傳授知識(shí)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性不強(qiáng)，不能很好地理解生物信息學(xué)其中的概念和方法。這導(dǎo)致所學(xué)的理論和方法不能靈活應(yīng)用，還可能使學(xué)生失去興趣，教學(xué)效果不夠理想。問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí) (Problem-Based Learning,簡(jiǎn)稱(chēng)PBL)教學(xué)法是在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上以“問(wèn)題”作為引子，來(lái)合理地講授生物信息學(xué)的內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師為中心給學(xué)生灌輸知識(shí)。而PBL教學(xué)法，以學(xué)生為主體，教師主要其引導(dǎo)作用，學(xué)生需提前預(yù)習(xí)課程相關(guān)資料，可以自己提出問(wèn)題或者教師給定問(wèn)題，最后通過(guò)課堂討論或者現(xiàn)場(chǎng)展示的方式，來(lái)更好地解決問(wèn)題。學(xué)生，本身是教學(xué)的主體，教師需要提供更符合實(shí)際情況的方法，來(lái)傳達(dá)生物信息學(xué)中的算法和應(yīng)用。PBL教學(xué)法通過(guò)選取現(xiàn)實(shí)中的例子，來(lái)闡述其中的底層涵義，能夠更好地服務(wù)于學(xué)生，讓學(xué)生理解生物信息背后隱藏的算法和原理，加深印象。本教學(xué)法，也可以通過(guò)啟發(fā)學(xué)生的興趣來(lái)達(dá)到傳授知識(shí)點(diǎn)的作用，讓學(xué)生在快樂(lè)中不知不覺(jué)學(xué)到知識(shí)。

1 生物信息學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代以來(lái)，伴隨著基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，生物學(xué)的算法和軟件以迅雷不及掩耳之勢(shì)取得了快速發(fā)展，成為了生物科學(xué)研究的必要技術(shù)，由此誕生了生物信息學(xué)(Bioinformatics)學(xué)科。生物研究者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的方式，來(lái)探究生物學(xué)大數(shù)據(jù)其中的密碼。因此，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工作者而言，掌握必要的生信知識(shí)是必不可少的。生物信息學(xué)是目前生物學(xué)研究的一個(gè)重要分析，其研究的主要內(nèi)容包括：基因組注釋?zhuān)蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析，非編碼RNA分析，新一代基因組測(cè)序技術(shù)和蛋白質(zhì)序列分析等等。目前，生物信息學(xué)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于食品檢測(cè)、病毒疫苗生產(chǎn)、細(xì)菌耐藥性測(cè)試和微生物臨床檢驗(yàn)等實(shí)際問(wèn)題中?；诒緦W(xué)科的重要性，絕大多數(shù)學(xué)校均開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程。由于生物信息學(xué)是跨學(xué)科研究，其教學(xué)涉及到數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)的融合，在教學(xué)過(guò)程中，枯燥的理論和概念較多，傳統(tǒng)的教學(xué)效果不理想。本文根據(jù)實(shí)際學(xué)科教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，總結(jié)出一種較好的教學(xué)方法，用于生物信息的教學(xué)中，取得良好的效果。

2 PBL教學(xué)法在生物信息學(xué)課程中的實(shí)施

生物信息學(xué)是生物學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程，該課程講述了如何利用信息學(xué)技術(shù)來(lái)處理生物學(xué)問(wèn)題等等。本課程有著許多抽象的概念，對(duì)于純生物背景的人，或許比較難以理解，教師需要不斷探索新的合適的方式，來(lái)講述這些枯燥的知識(shí)。因此，嘗試應(yīng)用PBL教學(xué)法在課程中，有著很大的意義。本論文以《序列比較和同源分析》這一章節(jié)為例，講授一下PBL教學(xué)的具體實(shí)施辦法。

2.1 課前培訓(xùn)和自主學(xué)習(xí)

在施行PBL教學(xué)前，教師先對(duì)學(xué)生進(jìn)行PBL的理論常識(shí)進(jìn)行培訓(xùn)，使學(xué)生對(duì)PBL教學(xué)法有一個(gè)必要的了解。同時(shí)，教師需要對(duì)下節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和任務(wù)布置。以《序列比較和同源分析》這一章節(jié)為例，本章要求學(xué)生掌握序列比對(duì)的算法、蛋白質(zhì)比對(duì)所使用的工具和序列同源結(jié)果的解讀，并學(xué)會(huì)使用在線工具查找同源序列等等。教師將學(xué)生4-5人分為一組，把學(xué)生分成不同的幾個(gè)小組，每組安排一個(gè)組長(zhǎng)。教師根據(jù)學(xué)生的數(shù)量確定最終為分組的數(shù)量（6組）。教師根據(jù)《序列比較和同源分析》章節(jié)的內(nèi)容，提出6個(gè)有實(shí)際意義的問(wèn)題，學(xué)生可以從中自由選擇問(wèn)題，進(jìn)行討論。教師將課程資料上傳到班級(jí)課程QQ群和超星泛雅平臺(tái)，供學(xué)生參考和使用。當(dāng)然，學(xué)生也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢資料，自我提出問(wèn)題。組內(nèi)成員在課下進(jìn)行討論，有疑問(wèn)請(qǐng)教老師或者查閱文獻(xiàn)，組長(zhǎng)通過(guò)總結(jié)本組的意見(jiàn)，最終制作出PPT。

2.2 課程中的討論和解答

在開(kāi)展討論前，教師先用10分鐘時(shí)間，講授蛋白質(zhì)序列比對(duì)的原理、使用的打分矩陣、比對(duì)結(jié)果的解讀和同源序列的確定等。學(xué)生以小組為單位向老師匯報(bào)所選的問(wèn)題，并在課堂上進(jìn)行展示。在此過(guò)程中，教師在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行引導(dǎo)、答疑、點(diǎn)評(píng)和講解，來(lái)完成這一章節(jié)內(nèi)容的消化。繼續(xù)以《序列比較和同源分析》章節(jié)為例，教師對(duì)各組進(jìn)行排序，然后根據(jù)排序的先后順序，抽取某一個(gè)小組來(lái)講臺(tái)上匯報(bào)討論的結(jié)果。各個(gè)組長(zhǎng)對(duì)作為代表上臺(tái)做報(bào)告，其他小組可以對(duì)其進(jìn)行提問(wèn)。代表若無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題，則有老師代為解答。等所有小組匯報(bào)完畢后，老師對(duì)序列比對(duì)課程的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，與學(xué)生所做的報(bào)告結(jié)合起來(lái)，先整體后局部，再回到整體的過(guò)程，使學(xué)生對(duì)序列比對(duì)有更好的了解。另外，教師也可以引導(dǎo)出本章要掌握的內(nèi)容，比如，為什么要做序列比對(duì)，序列比對(duì)的原理有哪些，BLAST在線網(wǎng)頁(yè)有什么特點(diǎn)和BLAST軟件是基于什么方法進(jìn)行序列比對(duì)等等。學(xué)生報(bào)告和老師講解，可以相輔相成，提高了學(xué)生對(duì)序列比對(duì)原理算法的理解和應(yīng)用。

2.3 課后的加強(qiáng)與鞏固

課后與學(xué)生交流，了解PBL教學(xué)法的實(shí)際效果。課后，教師也可通過(guò)課程討論QQ群，隨時(shí)解答學(xué)生的疑問(wèn)，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際操作，了解學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，在下一次PBL教學(xué)中進(jìn)行輔導(dǎo)，加深學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題的掌握。鼓勵(lì)學(xué)生課后選擇自己感興趣的蛋白質(zhì)，比如TP53,查找其同源序列，以更好地理解所學(xué)的知識(shí)，提升課堂效果。

3 PBL教學(xué)法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景

PBL教學(xué)法有著其他教學(xué)法沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。該教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，讓學(xué)生自身對(duì)問(wèn)題進(jìn)行探究，通過(guò)于其他同學(xué)討論來(lái)不斷強(qiáng)化對(duì)生物信息學(xué)算法的理解，并對(duì)生物信息學(xué)軟件的使用 。以蛋白質(zhì)序列比對(duì)章節(jié)為例，學(xué)生可以在一個(gè)輕松良好的環(huán)境中，學(xué)到序列比對(duì)經(jīng)典算法BLOSUM62的特點(diǎn)、使用情形和實(shí)現(xiàn)方式。學(xué)生也可以現(xiàn)場(chǎng)操作演示如何使用BLOSUM62算法來(lái)查找不同物種間的同源序列，區(qū)分假陽(yáng)性。在分組討論中，學(xué)生可以自己提出新的問(wèn)題，把所學(xué)的內(nèi)容聯(lián)系在一起，加深學(xué)習(xí)印象。另外，上臺(tái)做報(bào)告，也可以培養(yǎng)和提升語(yǔ)言表述技能，為素質(zhì)教育添磚加瓦。

當(dāng)然，PBL教學(xué)法也不是沒(méi)有缺點(diǎn)的。由于該教學(xué)法以問(wèn)題為主體，所掌握的知識(shí)比較碎片，難以拼湊人完整模塊，以至于學(xué)生可能對(duì)生物信息學(xué)課程里的知識(shí)缺乏一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。比如學(xué)生只記得BLOSUM62這個(gè)序列比對(duì)算法，知道使用這個(gè)算法的情形和使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè) BLOSUM62算法，但是當(dāng)問(wèn)到這個(gè)算法是如何推導(dǎo)而來(lái)的，學(xué)生一臉茫然。另外，該教學(xué)法對(duì)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力要求較高，部分學(xué)生可能會(huì)消極應(yīng)對(duì)，不利于課堂的開(kāi)展。學(xué)生需在一個(gè)期限內(nèi)完成一個(gè)成熟的PPT匯報(bào)，需要查閱其它大量的資料。PBL教學(xué)法以教師評(píng)估的方式來(lái)給定分?jǐn)?shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的考試模式，更加注重現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)能力。在一個(gè)組內(nèi)，有的學(xué)生發(fā)言很積極，有的同學(xué)則沉默寡言，發(fā)言極少，不利于培養(yǎng)學(xué)生共同進(jìn)步的情況，需要加以關(guān)注。

總體來(lái)說(shuō)，PBL教學(xué)法目前還不夠完美，需要教師在實(shí)踐過(guò)程中多多總結(jié)，在實(shí)踐中加以改善。每種教學(xué)模式都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，如果只是僵硬的照搬，很難產(chǎn)生良好的效果。我們使用PBL教學(xué)法，并不是否定傳統(tǒng)教學(xué)法，而是作為傳統(tǒng)教學(xué)法的一個(gè)補(bǔ)充。我們深信，隨著經(jīng)驗(yàn)的累積，PBL教學(xué)法，會(huì)逐漸成為一個(gè)主流模式應(yīng)用在大學(xué)教育中。