朱新宇，顧遠滿，馬小飛，燕 霞

（南通大學生命科學學院，南通226019）

生物信息學是用數(shù)理和信息科學的觀點、理論和方法研究生命現(xiàn)象的一門交叉學科。生物信息學的交叉性、前沿性和綜合性的學科特點，以及學科本身的迅猛發(fā)展，使得生物信息學課程教學面臨諸多難題［1］。為了解決這些難題，有必要提升課程的教學水平和學習效果。

奧地利學者林德納（Matin Lindner）在2004 年首先提出了“微學習”的概念［2］。微學習指利用現(xiàn)代數(shù)字媒體，對短小內(nèi)容的短時間學習活動。微學習的前提是要具備適合的，足夠的微學習資源。移動微學習資源指以移動終端設備為載體，能有效支撐微學習開展的一切信息和服務，如通過手機學習的教學課程，通過具有互動功能的通信工具軟件進行“生生交流”或者“師生交流”，輔助教學的移動答疑系統(tǒng)等。移動微學習資源一般由一些小的文本、圖形和圖像、動畫和視頻、音頻組成，具有微小、短時等特征。按照來源劃分，微學習資源大體可分為兩大類，即原創(chuàng)型資源和改良型資源［3］。原創(chuàng)型資源是指在教學資源設計原則的指導下，由教育者自主開發(fā)的符合微學習特點的資源。改良型資源是指一些原本與教學關系不緊密，但經(jīng)過二次開發(fā)能對微學習提供支持的資源。盡管微學習資源的內(nèi)容以知識片段形式呈現(xiàn)，但這些分散的微型知識應該依據(jù)教育理論精心設計，使之既相互獨立又彼此間存在一定邏輯性和關聯(lián)性。微學習內(nèi)容應該體現(xiàn)聯(lián)通主義學習觀所倡導的網(wǎng)狀知識結構，同時，應該針對特定問題創(chuàng)設情境，包含豐富的以情境問題為核心組織的知識，這不僅有助于學生迅速而準確地理解學習內(nèi)容，且能夠引起學習者積極的情感體驗，激發(fā)學生的學習興趣；微學習內(nèi)容的設計應該遵循布盧姆認知教育目標分類理論［4］，將微學習內(nèi)容按照教育目標分成兩個維度，即認知過程維度和知識維度，以此劃分學習模塊，以及每個模塊內(nèi)部的知識層級、歷程和測評依據(jù)。

本研究在微學習理論指導下，以微信公眾號為平臺，創(chuàng)建生物信息學移動微學習資源，并探索生物信息學混合式教學新的途徑。

1 生物信息學課程教學中存在的主要問題

20 世紀末，由于基因組測序技術的突破，基因組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)級增長，生物信息學得以快速發(fā)展。生物信息學兼具理論性和實踐性。理論上，針對大規(guī)模的、復雜的、異質(zhì)性的分子生物數(shù)據(jù)，需要探索新的算法；實踐上，生物信息學是基礎性的生物數(shù)據(jù)分析工具，在生物大數(shù)據(jù)的時代背景下，如果不能有效地掌握生物信息學工具，分子水平的生命科學研究就無從談起。

從學科教學角度，生物信息學的這種交叉性和前沿性特點帶來一定挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在兩個方面：首先，在教學內(nèi)容的選擇上存在一定的困難。以生命科學相關專業(yè)為例，教學的主要目標是培養(yǎng)學生掌握生物信息學工具，能夠?qū)ι飻?shù)據(jù)進行有效地挖掘和分析，由于學生的信息科學背景較弱，只能有限地了解生物信息學的算法和數(shù)學原理。作為學科教學的教師，如何在生物信息學的工具性和理論性之間取得一個較好的平衡，成為一個現(xiàn)實的教學難題。如果過度弱化算法和數(shù)學原理的教學，必然造成學生在數(shù)據(jù)分析實踐中缺乏靈活性，解析數(shù)據(jù)無所依據(jù)，而如果過多地介紹算法和數(shù)學原理，學生的專業(yè)背景和有限的課時也不允許。其次，理論和實踐教學的比例上也存在一定的困惑。生物信息學的工具性意味著課程教學必須安排足夠的上機實踐課時，但這個比例是多少才是合理的呢?這也是教師需要仔細考慮的一個現(xiàn)實問題。由于不同的教師對理論和實踐重要性的認識不盡相同，尤其在課時缺乏的情況下，這個比例實際上難以統(tǒng)一。

2 生物信息學微學習資源建設的必要性

在微學習環(huán)境下，學生能夠利用零碎時間主動學習，提升課堂學習效率，擴大知識面，及時跟進學科的發(fā)展，教師則利用課程的微學習資源彌補由于課時限制造成的課堂教學覆蓋不足的困難，實現(xiàn)差異化教學，有利于優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

利用“生物信息學+教學資源”和“生物信息學+微學習”組合關鍵詞在知網(wǎng)中檢索，結果發(fā)現(xiàn)在“生物信息學+教學資源”檢索詞下，檢索到一篇文獻［5］，該文作者將生物信息學教學過程中產(chǎn)生的教學資源匯集在網(wǎng)站上供學生課外學習；然而，在“生物信息學+微學習”檢索詞下，沒有檢索到相關文獻。對其他學科教學的微學習資源建設和應用進行了檢索，發(fā)現(xiàn)涉及的學科有限，這些學科包括計算機科學、免疫學、英語、傳統(tǒng)文化和數(shù)學等［7?12］。這一結果提示，盡管微學習資源建設和應用開始受到關注，但還沒有引起足夠的重視。為此，對南通大學生命科學學院3個專業(yè)的三年級175名學生開展問卷調(diào)查。選擇三年級的原因是這些學生完成了生物信息學的課程學習，對生物信息學的微學習資源的需求有切實的感受。問卷調(diào)查通過中國大學MOOC 的課堂管理小程序慕課堂進行。問卷設置4 個問題，2 個單選題，2 個多選題，回收175 份有效問卷。結果顯示：選擇偶爾查找微學習資料的同學占到57%［圖1（a）］；選擇的媒介以微信公眾號最受歡迎［圖1（b）］；生物信息學學習的難點集中在算法原理和編程語言［圖1（c）］，而希望獲取的微學習知識則集中在軟件操作和編程知識［圖1（d）］。調(diào)查反映出學生對生物信息學微學習資源有較高的需求，并以微信公眾號最受歡迎。此外，值得注意的是，盡管生物信息學學習的難點集中在編程語言和算法原理，但希望獲取的微學習知識更多在軟件操作和編程知識方面，這個結果符合學生的生命科學專業(yè)背景，即這個背景的專業(yè)更偏向把生物信息學看作工具，而不是理論，因而更注重它的實際應用。對微學習資源的形式進行了調(diào)查，結果是以視頻和圖文最受學生歡迎（圖1沒有顯示）。

3 移動微學習資源的設計和創(chuàng)建

吳其軍等［3］建議，移動微學習的資源設計應遵循以下原則：（1）盡可能將一個完整的知識點分割成若干個模塊，模塊之間呈現(xiàn)松散組成，以彌補短期記憶能力和移動設備顯示屏幕的限制；（2）資源界面簡潔明了，以文本和圖片為主，導航簡單，風格統(tǒng)一；（3）提供討論、答疑和老師信箱等交互功能；（4）注重情景創(chuàng)設，增加學習者體驗；（5）針對不同的學習內(nèi)容進行不同的媒體設計，使得學習過程擁有良好的視覺體驗，減少認知負荷。參照這些原則，制訂了生物信息學移動微學習資源設計流程（圖2）。

3.1 需求分析

問卷調(diào)查結果顯示，本科生對生物信息學微學習資源有廣泛的需求，尤其是生物信息學軟件和編程等技術性知識的學習資源。從資源現(xiàn)狀看，盡管為教學目的開發(fā)的生物信息學微學習資源鮮有發(fā)現(xiàn)，但服務于科研目的生物信息學學習資源大量存在于網(wǎng)絡和生信公眾號中，這些資源經(jīng)過二次開發(fā)可用于本科教學。當然，為適應本科生的知識結構和認知水平，需要從頭開發(fā)更多的微學習資源。

圖1 生物信息學微學習資源的問卷調(diào)查Figure 1 A survey research of bioinformatics microlearning resources

3.2 知識組塊劃分

根據(jù)問卷調(diào)查的結果（圖1），本科生最希望獲取的學習資源是技能性知識，如軟件操作和編程，其次是理論知識和其他知識。將這些知識劃分為“微實驗、微理論和微活動”3個組塊。微活動指問題導向的探究性活動。微實驗劃分為“基礎微實驗”和“高級微實驗”兩個微學習知識群，這種劃分是配合個性化的探究性課堂教學需要。此外，還考慮增加一個“歷史人物”微內(nèi)容組塊，這是從學科發(fā)展歷史的維度建立的知識模塊。以上這些模塊構成了完整的移動生信微學習資源體系。

圖2 生物信息學移動微學習資源設計流程Figure 2 Design process for mobile microlearning resource of bioinformatics

3.3 呈現(xiàn)設計

呈現(xiàn)設計是對微學習資源呈現(xiàn)方式的設計，包括框架設計、界面設計和導航設計。好的呈現(xiàn)設計能夠幫助學習者在最短的時間內(nèi)找到需要的學習資源，并能夠清楚地了解整個知識結構。

3.4 反饋和修改

反饋和修改是資源設計的最后環(huán)節(jié)。在使用一段時間后，教師和學生將遇到的問題反饋給設計人員，設計人員可以基于該反饋予以修改，經(jīng)過幾輪修改將達到理想的資源設計效果。資源建設不是一蹴而就的，反饋和修改伴隨著整個資源建設過程。3.5“通達生信微學習”公眾號的創(chuàng)建

依據(jù)以上設計原則，作者朱新宇于2020 年5 月創(chuàng)建了微信公眾號“通達生信微學習”，截至目前關注者人數(shù)為195 人?！巴ㄟ_生信微學習”的主要目的是促進生物信息學本科教學從傳統(tǒng)課堂教學向混合式教學轉(zhuǎn)變。公眾號作為結構良好的學習資源用于混合式教學的線上環(huán)節(jié)，學生在課前、課中和課后等3 個階段可以進行自學或協(xié)作性學習以配合課堂教學，同時，公眾號也是學生們了解學科前沿和發(fā)展歷史的有益資源。

4 移動微學習支持的混合式教學途徑

圖3 混合式教學模式圖（引自文獻［13］，略作修改）Figure 3 Pattern diagram of blended learning（cited from reference［13］and slightly modified）

移動微學習應用于輔助課堂教學已經(jīng)在多個學科開展了研究［6?11］，其中的兩個案例顯示，與傳統(tǒng)課堂教學比較，移動微學習支持的混合式課堂教學能夠顯著提高教學效果，促進師生、生生之間的雙向交流和協(xié)作性學習［8，10］。本研究通過實際的案例說明微學習應用于生物信息學混合式教學的途徑。根據(jù)Michael 等人［12］的混合式教學模式分類，設計了兩個教學案例，分別屬于“就地轉(zhuǎn)換”和“個體轉(zhuǎn)換”模式（圖3）?！熬偷剞D(zhuǎn)換”指的是，在學習一門課程或科目時，學生在一間獨立教室或多間教室內(nèi)進行線上和線下的轉(zhuǎn)換；而“個體轉(zhuǎn)換”指的是，每個學生按照個性化的任務清單在學習模塊之間進行轉(zhuǎn)換，但不必在所有的模塊間轉(zhuǎn)換。在這兩個案例中，學生需要關注“通達生信微學習”微信公眾號，并注冊微信小程序“慕課堂”，兩者構成學生的移動微學習環(huán)境。案例一：生物數(shù)據(jù)庫章節(jié)的混合式學習。生物數(shù)據(jù)庫是生物信息學必不可少的章節(jié)，主要包含數(shù)據(jù)庫的類型、搜索原理和操作方法。通常，類型和原理在課堂上講授，而操作方法在機房中實踐。數(shù)據(jù)庫搜索一般分為線上搜索和本地搜索。在教學實踐中，我們感到NCBI 的Entrez 檢索系統(tǒng)操作簡單，不必在機房中完成，可以在“通達生信微學習”的微試驗（基礎篇）實驗一的指導下在課堂上完成。為此，采用“就地轉(zhuǎn)換”的混合式教學模式在多媒體教室完成，具體教學過程見表1。案例二：分子系統(tǒng)發(fā)生重建章節(jié)的混合式學習。同樣，分子系統(tǒng)發(fā)生重建也是生物信息學不可缺少的章節(jié)，是生物信息學最早應用的領域，反映了生物信息學與分子系統(tǒng)發(fā)生學之間的內(nèi)在聯(lián)系。分子系統(tǒng)發(fā)生重建一般包括序列獲取、比對、比對修理、構樹、樹編輯等環(huán)節(jié)，限于生物信息學實驗的課時，通常使用少量的序列進行比對和構樹，不講或者簡單介紹比對的修理和樹的編輯，因此，學生只能獲得有限的構樹技能。為此，采用個體轉(zhuǎn)化混合式學習模式，提高課堂效能。個體轉(zhuǎn)換模式需要給學生提供任務清單，任務清單包含必做實驗和選做實驗，必做實驗在“通達生信微學習”微試驗（基礎篇）中，選做實驗在微試驗（進階篇）中，具體教學過程見表2。

5 結語

本研究通過構建移動微學習資源以化解生物信息學跨學科知識的學習難題，通過與傳統(tǒng)課堂學習的結合，探索移動微學習支持下的生物信息學混合教學模式，促進傳統(tǒng)課堂向研究型、問題型和協(xié)作型教學模式轉(zhuǎn)變。課堂學習是對結構良好的基礎知識和基本理論的系統(tǒng)學習，而微學習環(huán)境留給學生廣闊的建構空間，讓學生能夠?qū)Χ绦〉珒?nèi)容廣泛的微內(nèi)容學習，通過自學、協(xié)作、探究式學習，加深對知識的理解。

移動微學習是一種新型的學習方式，與傳統(tǒng)課堂結合，可以提升教學質(zhì)量和學習效果，同時應該認識到，移動微學習也是一種較難實施的學習方式，對于一線的普通教育工作者，應該積極探索移動微學習與學科教學相結合的途徑，充分利用移動微學習資源，恰當應用到傳統(tǒng)課堂教學中。

表1 生物數(shù)據(jù)庫的教學過程Table 1 Teaching process of biological databases

表2 分子系統(tǒng)發(fā)育重建的教學過程Table 2 Teaching process of molecular phylogenetic reconstruction