CM和PBL教學在生物信息學中結合的應用研究和深入探索

張林

一 當代醫學高等教育和醫學人才培養的特點及要求

1 當今醫學高等教育的重要特點——學科交叉

交叉學科是以單學科或多學科結合為表現形式的由兩門或兩門以上的學科相互滲透、融合而成的綜合學科[1]。學科的綜合、交叉、融合已經成為當代科學的發展趨勢。生物、醫藥、健康、環境等關系到人類生存和發展的領域不斷給我們提出單一學科的知識所不能解決的復雜課題，學科之間因此相互融合與滲透，涌現出眾多的新興交叉學科，并使得各種高水平的創新成果應運而生。這種學科發展趨勢是高等教育面臨的新特點，同時也對高等教育提出了新要求。

2 當今醫學人才培養的特點——創新人才培養

培養創新人才已經成為高等教育界共同的價值追求，其不僅是理論問題，更是重要的實踐課題[2]。2006年1月26日中共中央、國務院做出了關于“實施科技規劃綱要，增加自主創新能力”的決定。確定要“全面實施規劃綱要，經過15年努力，到2020年使我國進入創新型國家行列”，并強調要“深化教育改革，加快教育發展，推進素質教育和創新教育，為建設創新型國家培養結構合理、素質優良的各級各類人才”。培養創新人才已是高校構筑人才培養模式的根本目標。

3 帶來的挑戰

在上述背景下，交叉學科的教育開展與創新人才培養成為亟待解決的問題。要解決這個問題，必須從人才培養方案、教學計劃修訂、課程體系改革、課程教學改革等多方面入手。但無論如何改革，最終的落腳點都是課程的教與學。因此，如何根據時代發展的需要，采用高質量的交叉學科課程教學方法、改革課程重知識傳承的單一功能、培養醫學創新人才是擺在我們面前的一個不可回避的課題。本文從課程教學改革的角度和層面，來探索新形勢下大學課程的教學模式。

二 改革研究載體課程——生物信息學

生物信息學是典型的交叉學科課程，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[3]。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。在基因組和蛋白質組研究時代，它是醫學、藥學、生物學的研究載體和必要工具。與其他的生物醫學學科相比，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。第二，操作分析主要依靠計算機為工具，在互聯網環境中運行，通過網絡強大的搜索功能實現數據收集、儲存、管理與提供。第三，是一門生物醫學、信息科學、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。

三 生物信息學教學改革詳述

1 課程改革（教學）目標

探索CM教學法與PBL教學法結合應用模式，并以交叉學科課程“生物信息學”為研究平臺，將CM教學法與PBL教學法結合應用于生物信息學教學。從具體的操作層面上探討教學模式的變革這個涉及人才培養活動中最基本、最直接、最核心的問題，構建一種可操作性很強、關鍵能力培養效果顯著、以能力培養為中心的新的教學模式。

2 課程教學模式運用

CM教學法與PBL教學法結合使用。教學分小組進行，以“自主式學習”為核心，以教師的輔助、指導與管理為學生保駕護航，按照CM和PBL的特點進行無縫連接，形成一種包含自主式、啟發式、探究式、參與式、討論式等多種方式的新的教學實施模式。

3 問題集和案例集的制定

（1）問題集的制定

問題集分為A、B、C、D、E五大模塊，具體如下。

A：生物數據庫的檢索和使用。

A1：如何利用Entrez系統檢索和使用常用生物數據庫？A2：如何利用SRS系統檢索和使用常用生物數據庫？

B.生物數據庫的理解和識別。

B1：如何理解和識別基因序列數據庫Genbank、EMBL、DDBJ？B2：如何理解和識別蛋白質序列數據庫PIR、SwissProt？B3：如何理解和識別蛋白質模體功能數據庫Prosite？B4：如何理解和識別大分子結構數據庫PDB？B5：如何理解和識別生物功能數據庫KEGG、GO？B6：如何理解和識別基因組數據庫GDB？

C：生物序列比對分析。

C1：什么是雙序列比對和多序列比對？C2：如何利用blast軟件進行雙序列比對？C3：如何利用Clustal W/X軟件進行多序列比對分析？

D：核酸序列分析。

D1：如何進行重復序列分析？D2：如何利用數據庫搜索比對確定編碼序列？D3：如何利用編碼區統計特性分析確定編碼序列？D4：如何進行啟動子分析？D5：如何進行內含子/外顯子剪接位點分析？D6：如何進行翻譯起始位點和翻譯終止信號分析？D7：如何人工翻譯基因？D8：如何利用序列綜合分析軟件進行核酸序列綜合分析？

E：蛋白質序列分析。

E1：如何從氨基酸組成辨識蛋白質？E2：如何預測蛋白質的物理性質？E3：如何進行蛋白質二級結構預測？E4：如何進行蛋白質特殊局部結構預測？E5：如何進行蛋白質空間結構預測？E6：如何利用空間結構互補進行藥物設計？

上述每個問題下還有子問題，因篇幅原因，不在此一一詳述。

（2）案例集的設定

根據學生分組數設置相應的案例集，每個案例要涵蓋上述A到E五大模塊的問題集，且涵蓋順序要符合課程內容的教學規律。因為篇幅原因，這里僅以其中一個案例為例來說明。

案例：乳腺癌相關致病基因的生物信息分析及潛在藥物設計。備注：已有研究表明，某基因X在乳腺癌患者中常常呈現特異性表達，該基因序列如下（***），請分析該基因的相應情況，并設計抑制該基因表達的藥物。提示：首先，在數據庫中檢索到該基因（要完成該步驟需先解決A1、A2）。其次，對該基因進行基本解讀（需先解決B1）。第三，要將該基因進行序列比對分析其總體特征（需先解決C1、C2）。第四，分析該基因的特征并翻譯成蛋白質（需先解決D1-D6）。最后，分析其蛋白質相關特征并進行藥物設計（需先解決B2、B4、E1-E6）。endprint

4 教學實施策略

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4～6人為一組，對于總體能力特別強的小組可以適當減少人數。

學習策略：對每組學生分發問題集，并針對每組布置不同的案例。給所有學生提供學習資源，包括書本、資料、網絡學習地址、網絡資源、軟件資源等。讓學生根據案例、提示和問題集，參考相關的學習資源，自主學習。學習方式以自主探究、小組討論為主。教師全程參與指導、啟發和答疑，并定期組織集中討論。在課堂時間外，全程開放實驗室，供學生學習、討論和探究。

5 教學評價體系設置

制定以能力為本位的、多樣式的教學考核評價體系。第一，理論考試分，占50分，考查重點是在完成案例過程中，通過系統性解決問題集，所獲得的基本概念、基本思路、總體架構等理論性知識體系。第二，案例完成分，占30分，包括案例解決過程15分（過程記錄）、案例最終完成報告文檔15分，主要考查在完成案例過程中的學習過程，以及邊學習邊解決實際案例的能力。第三，拓展測試分20分，在此項考查中，會給學生布置一個新的案例，讓學生去解決，考查學生利用所學知識解決實際科研、應用問題的能力。

6 教學效果

在此次課程教學改革中，我們以2個班為對象。其中一個班為實驗班，采用CM和PBL結合教學。另一個班為對照班，采用普通教學，進行教學實施和對照。對普通班只進行第一、三項教學評價。

在兩個班的對比中，我們發現，第一項理論考試，普通班的平均成績為82.45，實驗班的平均成績為83.52，實驗班的成績略好，經T檢驗分析，兩者無顯著性差異。第三項拓展測試中，普通班的平均成績為62.76，實驗班的平均成績為88.95，經T檢驗分析，其P值小于0.01，有顯著性差異。從評價結果中可看出，與普通教學形式相比，實驗班的理論考試成績并不遜色，反而還略有優勢。更為重要的是，在解決實際科研與應用性問題能力的測試中，實驗班占據明顯優勢。此外，在課程結束后，實驗班的30位同學均組成科研團隊（每隊5人），先后參加了校生命科學競賽和浙江省第六屆生命科學競賽（生物與健康競賽），1隊獲省競賽一等獎、1隊獲省競賽三等獎、1隊獲校競賽二等獎，為我校創造參與該項賽事取得歷史最好成績做出了重要的貢獻。

參考文獻

[1]姜維寰.科學分類的歷史沿革及當代交叉科學體系[J].科學學研究，2013（3）.

[2]朱崇實.研究型大學與創新人才培養[J].國家教育行政學院學報，2014（9）.

[3]陳銘，包家立.生物信息學[M].北京：科學出版社，2013（18）.endprint