PBL教學法應用于生物信息學教學的探索

張林

21世紀是生命科學的時代，也是信息時代。隨著分子生物學、測序技術以及人類基因組計劃的深入展開，各種生物醫學數據已達到海量級別。在后基因組時代，一方面是巨量的數據，另一方面是我們在醫學、藥物、農業和環保等方面對新知識的渴求，這些新知識將幫助人們改善其生存環境和提高生活質量。這就構成了一個極大的矛盾。如何從海量生物醫學數據中獲取新的知識呢？1956年，在美國田納西州蓋特林堡召開的首次“生物學中的信息理論研討會”上學者們提出了生物信息學的概念。1987年，林華安博士正式為這一領域定下生物信息學（Bioinformatics）這個稱謂，一門新興學科——生物信息學應運而生[1]。

一 生物信息學的學科特點

生物信息學是用數理和信息科學的觀點、理論和方法去研究生命現象、組織和分析呈現指數增長的生物醫學數據的一門學科。它主要包括兩重含義：一是對海量數據的收集、整理與服務，即管理好這些數據；二是從中發現新的規律，即利用好這些數據。生物信息學的實質就是利用計算機科學和網絡技術來解決生物學問題。它的出現極大地推動了分子生物學等相關學科的發展。它不僅是一門新學科，更是一種重要的研究開發工具。生物信息學幾乎是今后所有生物（醫藥）研究開發所必需的工具。

生物信息學與其他的生物醫學學科相比，有很大的不同，主要有以下三大特點：

第一，以生物醫學數據庫為基礎，數據極其龐大復雜。隨著組學時代的來臨與深入，生物醫學數據正呈現指數級別的增長。根據權威的《Nucleic Acids Research》統計，截止2014年，全球共有約2100個主要的生物醫學數據庫，涵蓋了生物醫學研究的諸多領域。從研究層次上看，包括核酸、蛋白質、結構、基因組、蛋白質組、人類基因和疾病、細胞器官、免疫學等14類數據庫。從研究種類上說，包括動物、植物、真菌、原核生物、病毒等30余萬種生物。僅登錄在美國GenBank數據庫中的核酸序列就超過1億條，DNA序列總量超過1000億堿基對；在UniProt中，共收錄蛋白質序列約1000萬條；在PDB中，共收錄蛋白質結構數據超過8萬個。

第二，生物信息的操作分析主要以計算機為工具，在互聯網環境中運行，通過網絡強大的搜索功能完成數據收集、儲存、管理與提供。

第三，生物信息學是一門生物醫學、數學、信息科學以及計算機科學等諸多學科綜合交叉的前沿產物，與其他學科相比，綜合交叉性強、難度大、發展時間短、還在不斷完善與更新中。因而目前還沒有成熟的生物信息學教學模式，各高校，尤其是醫學院校，尚處于摸索探討的階段。

二 生物信息學現有教學模式的不足之處

目前，國內的生物信息學教學基本沿用以“教師講授為主”的傳統教學模式。以課堂為中心、以理論教學為主，進行“滿堂灌”式教育，“照本宣讀”的方式也比較常見。缺乏與生物信息學交叉前沿性特點相適應的新型教學模式。同時，實驗教學方式比較單一，常以驗證性為目的，有些甚至成為了“文獻檢索”課程，缺乏和專業相適應的綜合性、設計性實驗，結果出現了理論和實踐相脫節的現象。

三 關于PBL應用于生物信息學教學的探索

1 PBL教學法的優勢

“基于問題的學習（Problem based learning）”，簡稱PBL[2-4]，是美國廣泛采用的一種探究性、任務驅動式學習模式。此方法與傳統以學科為基礎的教學法有很大的不同，強調以學生的主動學習為主，而不是傳統教學中強調的以教師講授為主，比如將學習與更大的任務或問題掛鉤、使學習者投入于問題中、設計真實性任務、鼓勵自主探究、激發和支持學習者的高水平思維、鼓勵爭論、鼓勵對學習內容和過程的反思等。在醫學教育中，PBL教學強調以設置問題的方式為學生創造一種特定的疾病發生的情境和診治的氛圍，通過學生的相互協作來共同解決實際問題，最終實現培養學生獨立處理和解決實際問題的能力的目標。這種教學模式很好地解決了理論與實際脫節的矛盾。

2 PBL教學法在生物信息學教學中的實際應用

（1）分組。根據能力和興趣分組，選擇能力互補且有共同興趣的學生組成不同學習小組，一般以3～4人為一組，對于總體能力特別強的小組可以適當減少人數。

（2）提出教學目標，布置真實性任務。首先，布置基礎性教學任務，這類教學任務的目的是為了鞏固學生的基礎知識，培養學生的基礎能力。例如，該類任務可由四個子科目組成：“生物醫學數據庫識別與理解”、“通過Entrez和SRS系統進行生物醫學數據的檢索利用”、“blast序列比對”、“clustalw多序列比對”。這是必選任務，每個小組都必須完成，為下一步實行探究性任務打下基礎。

然后，根據不同小組的興趣和特點，分配不同的探究性任務。例如，“新基因的發現與鑒定”、“某某疾病基因的分析與鑒定”等。這類問題并無現成答案，學生必須自己查閱資料、進行歸納分析、確定實驗步驟、完成任務。例如，對于“新基因的發現與鑒定”這項任務，最終可由如下步驟組成：①利用EST數據庫獲得基因重疊群；②新基因的拼接獲得；③所得基因的性質分析；④啟動子分析；⑤編碼區分析；⑥新基因的人工翻譯；⑦所得蛋白質的功能分析。這些步驟和每一步的實現方法都將由學生在已有的知識基礎上，通過查找文獻、互相討論、探索獲得，最終完成該項任務，寫出任務報告。

（3）定期討論。定期安排學生集中討論。每次討論主要完成兩方面工作：一是對任務進展進行報告，二是對所遇到的問題進行互相交流。教師全程參與，對疑難問題作出提示和建議。

（4）成果匯報。任務完成后，進行集中匯報。讓學生對任務期間所做工作、獲得的結果進行匯報。

（5）教師評價、反饋。由指導教師對任務完成過程及結果進行點評，對學生掌握知識的程度及學生的科研、應用能力進行評價，并提出進一步的提高方向。

（6）延伸階段。鑒于生物信息學都是在臨近畢業時進行教學，對于有興趣的學生，可以將探究性任務擴展成畢業設計，進行模塊化分流教學。

3 在生物信息學中運用PBL教學法的優勢

（1）生物信息學的學習是一個運用生物醫學、數學、信息科學以及計算機科學等諸多學科知識進行分析、判斷、推理、綜合的實踐過程，PBL教學法的應用可充分調動和發揮學生的主觀能動性，著重培養學生解決實際問題的綜合分析、判斷及實踐動手能力。

（2）在保證教學質量的前提下，可明顯減少傳統的灌輸式教學工作和學習的負擔，同時能讓學生在短時間內熟悉多種生物醫學數據庫、掌握多種生物信息軟件的使用方法、了解生物信息手段在生物醫學中的各種應用。

（3）在相互合作的過程中，學生不僅學到了獲取知識的方式，更重要的是提高了學生的興趣、交流意識和團隊責任感等科研必備素質和能力。

（4）在完成真實性任務的過程中，可讓學生熟悉完成科研工作的方法步驟，培養學生完成科研任務的能力。

（5）小組討論時，可培養學生捕捉有價值信息及質疑能力，同時也充分發掘教師的創造潛能，真正做到教學相長。

四 PBL在生物信息學教學中應用面臨的問題

雖然PBL模式符合解決生物信息學問題在醫學領域中的特點，但也存在實際操作問題。首先對教師提出了更高的要求。例如，要求指導老師在整個教學過程中要啟發學生思考，引導他們發現問題、提出問題、找到答案、獲得解決問題的能力和技巧，而不是直接給學生提供參考答案。其次是學習資源必須充足，主要包括網絡資源、圖書資料等教學硬件設施和相關的教學軟環境。另外，在教學過程中，個別學生對教學模式的誤解，采取消極參與的方式，甚至抵觸；個別學生會過分依賴指導教師的總結，不能獨立思考、討論和總結；個別學生討論只抓表面問題等等，都是不可回避和忽視的問題。

盡管PBL模式還存在著一定的問題和難度，但隨著知識和經驗的積累，將成為生物信息學的有效教學模式。

參考文獻

[1]陳銘，包家立.生物信息學[M].北京：科學出版社，2013.

[2]Hussain R， Mamat W， Salleh N. Problem-based learning in Asian universities[J]. Studies in Higher Education， 2007，32（6）：761-772.

[3]劉忠秀. 醫學教育中PBL教學模式應用的探討[J].中國高等醫學教育，2008（1）：1，16.

[4]Hartling L， Spooner C， Tjosvold L， et al .Problem based learning in pre-clinical medical education 22 years of outcome research[ J]. MedTeach， 2010， 32（1）： 28-35.