重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院 白明澤 舒坤賢 謝永芳 李映紅 汪大勇

生物信息軟件開發(fā)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其主要內(nèi)容是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)、開發(fā)生物信息軟件系統(tǒng)和工具，幫助分析、處理生物信息學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)。本課程的重點(diǎn)是基于生物信息數(shù)據(jù)資源的在線生物信息服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)、測(cè)試和部署。然而，在過去幾年的教學(xué)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)該課程還存在一些問題，其中一些問題是軟件開發(fā)實(shí)踐類課程的共通性問題，也有部分問題屬于本課程專有。主要問題如下：（1）基礎(chǔ)理論知識(shí)與解決問題實(shí)踐之間的脫節(jié)，學(xué)生雖然已掌握Python 編程基本知識(shí)，但是仍然會(huì)遇到許多實(shí)踐問題需要解決，同時(shí)還需要大量的編程實(shí)踐能力積累，尤其是對(duì)程序中錯(cuò)誤的分析和調(diào)試能力。（2）學(xué)生既需要掌握核心編程語言，又需要熟悉配套軟件包知識(shí)和其他編程語言，如Flask 軟件包及其用法、前端開發(fā)知識(shí)等。（3）教師的指導(dǎo)無法貫穿實(shí)踐過程的始終，實(shí)驗(yàn)課的課下練習(xí)部分，沒有辦法直接接受教師的指導(dǎo)。（4）同學(xué)之間的相互學(xué)習(xí)、相互交流平臺(tái)欠缺。

針對(duì)這些問題，通過調(diào)研，我們選擇線上線下混合式教學(xué)模式，以提升生物信息軟件開發(fā)課程的教學(xué)效率?；诰€上和線下學(xué)習(xí)的混合教學(xué)模式目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，總的來說具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）線上的教學(xué)可以明顯縮短面對(duì)面線下教學(xué)的時(shí)間，提高效率，學(xué)生可以在課堂以外按照自己的節(jié)奏進(jìn)行在線內(nèi)容的學(xué)習(xí)與練習(xí)，對(duì)自己知識(shí)學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)。（2）混合教學(xué)可以使教學(xué)活動(dòng)更生動(dòng)，尤其是目前國內(nèi)開發(fā)了一些先進(jìn)的混合教學(xué)平臺(tái)，比如基于“雨課堂”的課堂實(shí)時(shí)交互，可以有效完成混合教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，基于OpenEDX 的在線課程網(wǎng)站，可以提供豐富的功能模塊為在線學(xué)習(xí)、交流和指導(dǎo)服務(wù)。（3）混合教學(xué)模式使“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式變成可能，一些在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以構(gòu)建知識(shí)、技能發(fā)展樹，記錄每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，也可以隨時(shí)查看學(xué)生的知識(shí)和技能掌握情況。在線練習(xí)可以幫助學(xué)生進(jìn)行自我檢查、相互檢查，相互促進(jìn)，可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的最終目的。

一、混合教學(xué)模式

在生物信息軟件開發(fā)的混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)中，我們主要從興趣激發(fā)、精準(zhǔn)教學(xué)兩個(gè)方面來進(jìn)行。

（一）興趣激發(fā)

興趣激發(fā)主要從三個(gè)角度進(jìn)行，即樣板激勵(lì)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和及時(shí)討論互動(dòng)。在線上和線下及時(shí)發(fā)布優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)和答題情況，讓優(yōu)秀學(xué)生作品成為樣板，激勵(lì)其他學(xué)生，帶領(lǐng)大家一起完成好作業(yè)和課程項(xiàng)目。項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)，體驗(yàn)成就感。線上交流中的即時(shí)互動(dòng)，能有效促進(jìn)大家的相互交流，激發(fā)學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)興趣。

（二）精準(zhǔn)教學(xué)

在大數(shù)據(jù)資源和支撐平臺(tái)的助力下，精準(zhǔn)教學(xué)這一概念被提出和實(shí)施。在本研究中，我們從自主學(xué)習(xí)和個(gè)人學(xué)習(xí)跟蹤兩個(gè)方面嘗試精準(zhǔn)教學(xué)，學(xué)生通過我們基于OpenEDX 為本課程所部署的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況調(diào)整學(xué)習(xí)節(jié)奏與學(xué)習(xí)進(jìn)度。同時(shí)，學(xué)生的個(gè)人學(xué)習(xí)進(jìn)度可以被系統(tǒng)記錄，方便教師全方位掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地進(jìn)行知識(shí)系統(tǒng)化和重難點(diǎn)解析的教學(xué)。

二、混合教學(xué)實(shí)踐

我們的線上線下混合教學(xué)實(shí)踐框架如圖所示，分為課前學(xué)習(xí)（線上）、課中鞏固（線下）和課后拓展（線上）三個(gè)部分，其中藍(lán)色部分為教師授課活動(dòng)，橙色部分為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

線上線下混合教學(xué)實(shí)踐框架圖

（一）線上課前學(xué)習(xí)

課前準(zhǔn)備主要是在線學(xué)習(xí)內(nèi)容的部署和實(shí)施，在教師上傳教學(xué)內(nèi)容和布置任務(wù)后，由學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，包括在線互動(dòng)學(xué)習(xí)、在線編程練習(xí)和在線答題測(cè)驗(yàn)等，完成測(cè)驗(yàn)后，教師能提前摸底學(xué)習(xí)情況。在整個(gè)過程中，學(xué)生還可以在線交流討論，共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。

在開課前，教師在OpenEDX 學(xué)習(xí)平臺(tái)上建立生物信息軟件開發(fā)網(wǎng)絡(luò)課程和班級(jí)。在教學(xué)前，完成課程資料上傳，并針對(duì)混合教學(xué)建立專門的內(nèi)容板塊：自學(xué)/預(yù)習(xí)教程、自學(xué)/預(yù)習(xí)題目測(cè)驗(yàn)以及交流板塊。

（二）線下課中鞏固

線下授課負(fù)責(zé)對(duì)自學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固和提高，分成四個(gè)部分：（1）教師對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行總體介紹，幫助學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，使之結(jié)構(gòu)化、具象化，幫助學(xué)生理解和記憶。（2）重難點(diǎn)剖析可以是預(yù)先設(shè)計(jì)的，也可以是學(xué)生在線自學(xué)中體現(xiàn)出來的。（3）基于“雨課堂”的線下課堂交互答題與小組練習(xí)。通過精心設(shè)計(jì)的選擇題和開放問答題，現(xiàn)場掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況、活躍課堂氣氛，促進(jìn)師生溝通。（4）現(xiàn)場集中答疑。編程實(shí)踐中，學(xué)生常常會(huì)遇到各種各樣的問題，比如環(huán)境依賴、筆誤等，需要有經(jīng)驗(yàn)的教師實(shí)地觀察才能指出錯(cuò)誤所在。

（三）線上課后拓展與考核

課后拓展包括在線小練習(xí)與課程設(shè)計(jì)，小練習(xí)有針對(duì)性地檢驗(yàn)知識(shí)模塊的掌握程度，課程設(shè)計(jì)涵蓋完整知識(shí)點(diǎn)，既是考核的重要部分，也是以練促學(xué)的有力保證?；旌鲜娇己耸蔷€上線下混合式教學(xué)的重要部分，貫穿整個(gè)教學(xué)過程，不僅包括對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的考核，更要考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決編程中遇到復(fù)雜問題的能力。

三、教學(xué)效果

通過兩次授課試運(yùn)行，生物信息軟件開發(fā)課程取得了良好的教學(xué)效果，之前總結(jié)的問題得到了較好的解決：（1）基礎(chǔ)理論知識(shí)與解決問題實(shí)踐之間有所脫節(jié)的問題得到緩解；（2）學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐操作中均得到了很好的鍛煉；（3）教師的指導(dǎo)貫穿始終；（4）相互學(xué)習(xí)，相互交流提升。

總體來說，在學(xué)習(xí)積極性和考核結(jié)果上，都取得了明顯的成效。（1）學(xué)習(xí)積極性大幅提。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的試運(yùn)行，可以明顯感到學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性相較上一個(gè)年級(jí)有了較大幅度提高。學(xué)生在在線學(xué)習(xí)平臺(tái)上反饋積極，紛紛提出問題或者幫助同學(xué)解答問題。（2）提交的項(xiàng)目軟件開發(fā)報(bào)告水平有明顯提升。此次課程結(jié)課之后，通過學(xué)生上交的項(xiàng)目軟件開發(fā)報(bào)告，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)造能力和生物信息軟件開發(fā)綜合能力均得到了很好的體現(xiàn)。有基于案例系統(tǒng)框架（Flask+BioPython+MySQL）開發(fā)的網(wǎng)站，也有基于自身技術(shù)棧，采用VUE 等前端框架結(jié)合Flask REST 服務(wù)的應(yīng)用網(wǎng)站。生物信息軟件服務(wù)也覆蓋了從傳統(tǒng)生物信息網(wǎng)站服務(wù)到各種組學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

隨著手機(jī)電腦等智能終端的普及以及教育信息化的深入發(fā)展，單純的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已經(jīng)落后于時(shí)代，而只采用線上教育又有諸多缺點(diǎn)。采用線上線下混合教學(xué)模式有望將二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有機(jī)結(jié)合，達(dá)到一加一大于二的目標(biāo)。在生物信息軟件開發(fā)教學(xué)中應(yīng)用線上線下混合教學(xué)模式，可以有效提升教學(xué)效果。