湛垚垚+劉洋+閆紅偉+毛俊霞+常亞青

摘 要：實踐教學(xué)是高等院校教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的有效方式。生物信息學(xué)是自人類基因組計劃以來新興的一門交叉學(xué)科，具有學(xué)科交叉范圍廣、知識更新快速，實用實踐性強等特點，是當今生命科學(xué)和自然科學(xué)研究的前沿之一。根據(jù)生物信息學(xué)課程實踐性較強的特點，文章闡述了以國內(nèi)外現(xiàn)有的生物信息資源網(wǎng)站為平臺，在《生物信息學(xué)上機實踐課》教學(xué)中采用 “問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)（PBL）+電子學(xué)習(xí)（E-learning）”教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)、具體實施方法和改革效果。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);上機實踐課;PBL;E-learning;教學(xué)模式

中圖分類號： G642.0 ? ? ? ? 文獻標志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2016）20-0050-03

問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)（problem-based learning，PBL）和電子學(xué)習(xí)（或數(shù)字化學(xué)習(xí)，E-learning ）是目前國際公認的比較先進的兩種教學(xué)模式。近年來，國內(nèi)外很多高等院校尤其是醫(yī)學(xué)院校的很多課程都引入了PBL和E-learning 教學(xué)模式，并取得了一定的教學(xué)成果和經(jīng)驗。

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是建立在數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和生命科學(xué)基礎(chǔ)上的一門交叉科學(xué)，具有學(xué)科交叉范圍廣、知識更新速度快，實用實踐性強等特點，目前的主要研究領(lǐng)域包括生物信息的獲取、加工、存儲、分發(fā)、分析和解釋等各方面，綜合運用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義[1]。隨著人類基因組等計劃的開展，生物信息學(xué)已經(jīng)逐漸成為當今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，在農(nóng)業(yè)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品科學(xué)、動植物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，已經(jīng)被很多學(xué)校設(shè)置為生物學(xué)科相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

大連海洋大學(xué)于2006年將《生物信息學(xué)》設(shè)置為生物技術(shù)專業(yè)的雙語專業(yè)必修課程[2]，根據(jù)生物信息學(xué)實用實踐性較強的特點，在開設(shè)生物信息學(xué)理論課教學(xué)的同時，也開展了相關(guān)的《生物信息學(xué)上機實踐課》教學(xué)工作。自2012年起，課組通過利用國內(nèi)外現(xiàn)有的生物信息網(wǎng)絡(luò)資源，在《生物信息學(xué)上機實踐課》教學(xué)中開始嘗試采用“PBL+E-learning”相結(jié)合的新型教學(xué)模式，獲得了較好的教學(xué)效果。

一、PBL和E-learning結(jié)合教學(xué)的理論基礎(chǔ)

PBL教學(xué)是一種以問題為導(dǎo)向的開放式教學(xué)模式，主張以問題為起點，在教師的啟發(fā)、引導(dǎo)和支持下，通過合作或自主探究等方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，并最終實現(xiàn)學(xué)生對理論知識的深層次理解和應(yīng)用[3]，其特點是以學(xué)生為中心，以“問題”（即學(xué)習(xí)目標）為起點，強調(diào)教師在解決“問題”過程中的支持和啟發(fā)，學(xué)生在解決“問題”過程中的參與性與合作性，從而達到學(xué)習(xí)知識的目的。PBL教學(xué)模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容為學(xué)生設(shè)計“問題”;（2）引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過各種方式尋找和提出解決“問題”的方案;（3）對“問題”的解決方案進行歸納和總結(jié)。

E-learning教學(xué)是指學(xué)生借助于計算機、多媒體和網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)提供和傳播的知識資源環(huán)境進行的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式[4]，具有學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)字化、學(xué)習(xí)資料多元化、教學(xué)傳遞多樣化的特點。E-learning教學(xué)模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容提出學(xué)習(xí)的要求和目標;（2）學(xué)生通過教學(xué)平臺或網(wǎng)絡(luò)資源主動地進行學(xué)習(xí)，最終達到任課教師提出的要求和目標;（3）通過對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的總結(jié)和反思，以提高學(xué)生的技能和知識。

與以教師和教材為核心的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，PBL和E-learning 兩種模式的核心都是學(xué)生，提倡學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和小組合作來進行知識的學(xué)習(xí)，強調(diào)挖掘?qū)W生在知識學(xué)習(xí)過程中的自主性和能動性，旨在訓(xùn)練和加強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和對各種學(xué)習(xí)資源的綜合利用能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生運用理論知識解決實際問題的實踐能力和協(xié)作技巧。此外，PBL教學(xué)模式倡導(dǎo)的師生互動可以彌補單純的E-learning教學(xué)模式往往過分強調(diào)教學(xué)內(nèi)容的技術(shù)呈現(xiàn)，大部分的學(xué)習(xí)過程都以瀏覽簡單網(wǎng)頁或是文字閱讀為主，缺乏教學(xué)傳遞和反饋互動，缺少教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間的情感交流[5]的缺陷，而E-learning教學(xué)則能夠為PBL教學(xué)提供更為豐富的學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造更為多元化的學(xué)習(xí)互動方式。

綜上，PBL與E-learning兩種教學(xué)模式既有教學(xué)理念上的共通之處，又能優(yōu)勢互補相互提升，因此，兩者具備結(jié)合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和實際操作的契合點。

二、PBL與E-learning相結(jié)合教學(xué)模式在生物信息實驗教學(xué)中的具體實施

首先，我們將“問題”（即學(xué)習(xí)目標）的提出作為教學(xué)的起始點和切入點。

為了使提出的“問題”既能體現(xiàn)教學(xué)重點又能緊隨學(xué)科發(fā)展前沿，課組教師緊緊圍繞《生物信息學(xué)上機實踐》教學(xué)大綱中的上機實踐內(nèi)容，結(jié)合《生物信息學(xué)》理論知識中比較抽象的重點和難點（如序列比對、系統(tǒng)進化樹構(gòu)建、基因識別、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等），在培養(yǎng)學(xué)生上機實踐操作能力的同時，注重拓展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生在實際的操作中加深對《生物信息學(xué)》抽象理論知識的理解，增強學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。比如，在序列比對上機實踐課的教學(xué)中，課組教師可以首先給出10條已知來源的核酸序列信息和10條已知來源的蛋白質(zhì)序列信息，向?qū)W生提出“問題1”——在DOS環(huán)境下，利用makeblastdb.exe程序建立本地核酸和蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，學(xué)生可以通過百度、谷歌等搜索引擎進行搜索，找到makeblastdb.exe程序的下載地址;隨后，任課教師提出“問題2”——請利用校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)資源，下載“blast.exe”程序，并正確安裝在本地計算機上;在學(xué)生構(gòu)建好本地核酸和蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫并完成BLAST程序本地安裝后，任課教師給出1條未知來源的核酸序列（如“Seq1（序列1）”），并向?qū)W生提出“問題3”——使用blastn.exe（核酸序列比對）程序、Seq1及構(gòu)建的本地核酸數(shù)據(jù)庫進行序列比對，要求學(xué)生初步確定Seq1序列可能的來源;隨后，任課教師給出1條未知來源的蛋白質(zhì)序列（“Seq2（序列2）”），并向?qū)W生提出“問題4”——使用blastp.exe（蛋白質(zhì)序列比對）程序、Seq2及構(gòu)建的本地蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行蛋白質(zhì)序列比對，要求學(xué)生初步確定Seq2序列可能的來源;最后，任課教師給出1條未知來源序列（“Seq3（序列3）”），并向?qū)W生提出“問題5”——請根據(jù)所給序列信息選擇相應(yīng)的blast程序和本地生物信息數(shù)據(jù)庫進行本地比對，要求學(xué)生初步確定Seq3是何種序列以及該序列可能的來源。上述5個問題中：第1個問題是幫助學(xué)生鞏固和掌握構(gòu)建本地生物信息數(shù)據(jù)庫所需的軟件和計算機環(huán)境;第2個問題是幫助學(xué)生掌握序列比對的基本軟件（如BLAST）;第3、4個問題是要求學(xué)生在問題的解決中了解序列比對軟件的基本用法以及不同序列比對程序（如核酸序列比對，蛋白質(zhì)序列比對）的適用范圍;問題5是要求學(xué)生在解決前4個問題的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ξ粗愋偷男蛄?、所要比對的程序以及相?yīng)的生物信息數(shù)據(jù)進行正確的判斷和選擇。最終，在尋找5個問題答案的過程中，使學(xué)生明確序列比對的目的和意義，掌握序列比對工具的使用方法以及如何正確進行序列比對，同時，鍛煉和強化了學(xué)生的計算機操作和實際分析問題的能力。

其次，在尋找“問題”解決方案（即達到學(xué)習(xí)目標）的過程中，教師要著力營造多元化的E-learning學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵學(xué)生充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和生物信息網(wǎng)絡(luò)資源。比如，在任課教師提出“問題”（學(xué)習(xí)目標）后，可以通過啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎快速地尋找分析軟件，登錄到NCBI（美國國家生物技術(shù)信息中心，http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）、EBI（歐洲生物信息學(xué)研究所，http：//www.ebi.ac.uk/）等常用生物信息學(xué)門戶網(wǎng)站進行相關(guān)文獻的檢索和數(shù)據(jù)的查詢與挖掘，利用互聯(lián)網(wǎng)上提供的在線分析軟件如BLAST（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST）、PHD（http：//www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html）等進行序列比對、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等生物信息學(xué)分析操作。

最后，任課教師在組織學(xué)生尋找每個“問題”解決方案的過程中，可以通過分組討論和集體討論等形式漸進式地引導(dǎo)學(xué)生，在師生不斷的交流和互動中，使學(xué)生不斷修正自己對“問題”的理解并最終找到所有“問題”的最佳解決方案，達到學(xué)習(xí)目標。

三、改革效果與評價

通過近3年的改革實踐，我們發(fā)現(xiàn)，在生物信息學(xué)實踐課中采用PBL與E-learning相結(jié)合的新型教學(xué)模式，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)主動性;國際互聯(lián)網(wǎng)上大量的信息資源和學(xué)習(xí)工具可以有效拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道、豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容;在實際的操作過程中，學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)潛能能夠被最大限度地挖掘出來，使學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)由過去的被動吸收，變成了現(xiàn)在對知識的主動汲取，在提高學(xué)生認知水平和認知技能的同時，增強了學(xué)生的團隊意識和協(xié)作精神;教師也由過去傳統(tǒng)的課堂主宰者、學(xué)習(xí)效果裁判員，變成了學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中的組織者和引導(dǎo)者，使學(xué)生在知識學(xué)習(xí)過程中的核心地位得到了進一步的鞏固和強化。“找到了問題的解決辦法同時也學(xué)到了很多知識”、 “上課總是充滿好奇心”、“太神奇了，只依靠生物信息數(shù)據(jù)挖掘和在線軟件就可以進行不同物種間的進化關(guān)系分析”、“這門課有趣、不枯燥，學(xué)習(xí)起來不吃力”是近2年學(xué)生對生物信息學(xué)實踐課教學(xué)的客觀評價。當然，我們也注意到，在生物信息學(xué)實踐課中實施PBL與E-learning相結(jié)合的教學(xué)模式還有許多方面需要進一步的加強和改進，比如如何更加有效地利用有限的課時讓學(xué)生最大限度地獲取知識、如何在確保以學(xué)生為中心進行教學(xué)的同時進行“因材施教”的分層次教學(xué)等。

實踐教學(xué)是高等院校實施教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是目前最有效的提高素質(zhì)教育的教學(xué)形式之一，實踐課教學(xué)質(zhì)量的好壞，會直接影響學(xué)生對課程基礎(chǔ)理論知識的理解、運用和學(xué)習(xí)的效果[6]。因此，只有在實踐課教學(xué)中不斷嘗試先進的教學(xué)理念和教學(xué)模式，才能緊隨時代步伐，探索出一條能夠滿足現(xiàn)代社會對人才需求的行之有效的實踐課教學(xué)之路。

參考文獻：

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[6]湛垚垚， ?柴曉杰， ?劉洋等. 生物化學(xué)實驗教學(xué)開展雙語教學(xué)新方式的研究[J]. 農(nóng)業(yè)教育研究， 2013， 75（2）：31-32.

（編輯：郭桂真）