PBL教學法在SCOP結構分類數據庫教學實踐中的應用

闞顯照 陳冬生 聶劉旺 蔣瀾 楊建課

摘 要：SCOP結構分類數據庫為已知蛋白質的關系提供了詳細而全面的描繪， 是生物信息學重要的教學內容。PBL教學法是一種以學生為中心的教學方法， 由老師提出問題，并加以引導，學生通過查閱資料、分組討論來解決問題。本文將教學法引入SCOP結構分類數據庫的教學實踐，旨在提高生物信息學的教學效果。

關鍵詞：生物信息學 SCOP 結構分類數據庫 PBL教學法

生物信息學是21世紀發展迅速的一門新興交叉學科。它是計算機與信息科學、化學、數學、物理學與生命科學的融合，主要包括生物數據的收集、存儲、檢索、處理和建模等， 從而達到闡明生命活動規律的目的。隨著第二代核苷酸測序技術（DNA-seq、RNA-seq、ChIP-seq技術等）的廣泛應用、第三代核苷酸測序技術（單分子測序技術和納米測序技術等）的不斷出現以及新的蛋白質組學技術（iTRAQ技術、TMT技術等）的不斷發展，生物信息學進入了大數據時代。蛋白質分子是一類結構非常復雜的生物大分子，其結構可分為一級結構、二級結構、超二級結構和結構域、三級結構和四級結構。蛋白質結構分類是蛋白質結構研究的一個重要方向，是功能分類和功能進化研究的重要依據。蛋白質結構分類數據庫是三維結構數據庫的重要組成部分。在教學實踐中，我們以安徽師范大學應用生物科學專業二年級本科生為教學對象，采用小班教學，每班不超過32人，每4人為一個小組；在安裝有網絡的機房及學生班級QQ群里組織教學；以陳銘主編的《生物信息學》（第二版）為教材[1]，選取SCOP2數據庫為教學內容，探討PBL教學法在生物信息學教學中的具體應用。

一、PBL教學法簡介

PBL教學法是一種以學生為中心的教學模式， 由老師提出問題，并加以引導，學生通過查閱資料、分組討論來解決問題。該教學方式于1969年首先在加拿大漢密爾頓的McMaster大學醫學院實行，與傳統的教學方式有很大的不同。PBL課程是為了激發學習，讓學生看到未來角色的相關性和應用。它保持了更高水平的學習動機，并顯示出專業態度和團隊合作的重要性。

PBL教學法有如下的優點：

1.是以學生為中心的，可以提高學生學習的積極性，能夠更好地理解知識；

2.有助于培養學生適應于多種環境的生活技能[2]；

3.可以促進溝通，解決問題，批判性思維，協作和自主學習技能的發展[3，4]；

4.能讓學生使用真實世界的體驗來發揮最佳功能；

5.通過利用集體智慧，能給一個問題提供不同的看法和解決方案。

二、SCOP數據庫及其發展

SCOP （The Structural Classification of Proteins） 是蛋白質結構分類數據庫，是基于蛋白質結構域和氨基酸序列相似性的人工結構分類庫，網址為http：//scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/。該數據庫是由Murzin， AG等人于1994年在英國MRC分子生物學實驗室和劍橋蛋白質工程中心創立[5]。最新版本為SCOP1.75（2009年6月釋放），包括1195個折疊（fold）、1962個超家族（superfamilies）、3902個家族（families）和38221個PDB條目（PDB entries）。SCOP數據庫分類的層次結構有4個： 家族、超家族、折疊和結構類型。將具有明顯進化關系的蛋白質聚集到一個家族中，意味著兩個蛋白質之間的等同氨基酸殘基數超過30%。然而，在某些情況下，雖然兩個蛋白質序列不相似，但它們具有相似的結構和相似的功能，表明屬于同一個家族。超家族中的成員具有遠源進化關系，具有共同的進化源。無論有無共同的進化起源，只要具有相同排列和拓撲結構的主要二級結構，即將蛋白質分類為具有相同的折疊。結構類型包括α螺旋結構域、β折疊結構域等。SCOP的用途是通過序列與結構的關系理解蛋白質進化，以及確定新序列、新結構是否與已知蛋白質相關。

SCOP2是蛋白質結構分類（SCOP）數據庫的繼承者[6] ，網址為http：//scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk/。與SCOP類似，SCOP2主要是根據結構和進化關系來組織蛋白質的結構特征。SCOP2中的結構關系分為四大類：蛋白質關系（protein relationships）、結構類別（structural classes）、蛋白質類型（protein classes）和進化事件（evolutionary events）。SCOP2用有向的非循環網狀圖取代了SCOP的樹狀層次結構，同時考慮到蛋白質的結構、進化事件與功能類型，這樣能夠更精確地表示蛋白質之間的結構和進化關系。SCOP2-graph是一個基于圖形的工具，用于顯示和導航SCOP2節點的圖形。

SCOPe是SCOP數據庫的擴展[7]， 網址為http：//scop.berkeley.edu/。SCOPe結合使用手動策略和嚴格驗證的自動化方法，對許多較新的PDB結構進行分類。SCOPe繼續開發和維護經典的SCOP層次結構，可能被視為SCOP數據庫真正的延續，能不斷地進行數據庫的更新。 SCOPe完全向后兼容SCOP（版本1），最新版本為SCOPe 2.06（2016年1月釋放），擁有穩定分類77，439條PDB條目，包括1221個折疊（fold）、2008個超家族（superfamilies）、4851個家族（families）。

三、基于PBL教學法的SCOP結構分類數據庫教學實踐

陳銘主編的《生物信息學》（第二版）教材中，僅包含SCOP2結構分類數據庫的內容。為了更好地了解SCOP數據庫的發展歷史以及學科的前沿動態，我們在教學設計中，增加了SCOP以及SCOPe的教學內容。

1.課前設計問題

在實施PBL教學前，我們根據教學內容，提出一系列的問題。在這教學個環節中，教師是主體。這些問題主要包括以下幾個方面。

一是關于三個數據庫的比較問題：（1）蛋白質有哪些結構類型？對應的英文各是什么？SCOP2是SCOP的更新版，請問這兩個結構分類數據庫有哪些區別？（2）在SCOP2數據庫中蛋白質類型（Protein types）有哪些？（3）還有一個升級版數據庫SCOPe，請指出SCOPe和SCOP兩個數據庫的關系？（4）怎樣查詢SCOP、SCOP2和SCOPe數據庫？

二是關于教材內容正確性的問題：教材中指出SCOP2結構分類數據庫把所有已知三維結構的蛋白質分成4個層次：家族、超家族、折疊和結構類型，這是否正確？

三是關于蛋白質結構基本知識的問題：（1）什么是蛋白質進化事件（Evolutionary events）？（2）在蛋白質水平上，怎樣理解科（family）、超科（Superfamily）和上科（Hyperfamily）？（3）在蛋白質結構中，如何理解fold和domain的關系？

四是關于蛋白質三維結構可視化的問題：（1）有哪些蛋白質三維結構可視化軟件？（2）在unix/linux系統下，如何安裝蛋白質可視化軟件？

五是關于數據庫關聯的問題：怎樣把結構分類數據庫和結構數據庫PDB關聯起來？

六是獲取科學文獻資源的問題：如何獲取發表數據庫資源時的英文文獻？

將上述問題，在課前通過班級QQ群發布。這些問題的提出，讓學生產生疑問，能有效地激發學生對生物信息學學習的興趣。

2.查找資料和分組討論

在這個環節中，學生是教學的主體。我們把學生分成4人一個小組，全班約7-8個小組。由班級學習委員將教師提出的問題分配給各小組。學生可以利用互聯網的資源，針對所分配的問題，查詢相關資料。查詢的工具可以是手機、iPad、筆記本電腦和我們教學機房的臺式機，網絡可以利用校園網、電信網、移動網等。對于科學文獻，可以搜索我校圖書館的電子版資源或紙質版資源。由小組長負責，在課堂教學前組織2-3次的分組討論，主要了解小組成員查閱資料的進度，另外對相關問題進行小范圍的討論。

課堂集中交流與總結

這是課堂教學環節，學生和教師的作用都很重要。我們的教學地點是安徽師范大學生命科學學院的生物信息學機房。先由教師把本節內容的問題簡要介紹一下，然后由各小組選派代表進行匯報。教師對每小組的匯報結果加以簡要的點評。最后，由教師對本節教學內容進行總結。

四、教學效果

通過多次教學實踐，我們發現，PBL教學方式在我校應用生物學專業生物信息學教學中取得了良好的教學效果。學生通過以問題為導向的教學方式，學習知識、掌握知識、應用知識的能力得到了大力的提高。這些能力的提高主要包括幾下幾個方面。

1.生命科學專業英語閱讀能力的提高。由于本節數據庫教學內容的網站均為英文網站，學生必需要弄清專業英文單詞和語句的含義，經過長期的訓練，學生的英文閱讀得到了一定程度的提高。這也為以后用英文寫科學論文打下良好的基礎。

2.科學質疑能力、嚴謹能力的提高。例如，通過學生查閱資料，同學們發現陳銘主編的教材中關于SCOP2結構分類層次的描述是錯誤的。已知三維結構的蛋白質分成4個層次：家族、超家族、折疊和結構類型，這是SCOP和SCOPe兩個數據中所采用的。而SCOP2 采用的結構層次為蛋白質關系、結構類別（structural classes）、蛋白質類型和進化事件。

3.查閱文獻能力的提高。學生不僅能通過查閱我校圖書館的資源，而且還能充分利用國內學術論壇（如小木蟲、科學網等）、國外學術論壇（如ResearchGate）、生物信息學專業QQ群、微信群，以及NCBI的PUBMED數據庫，這極大地提高了學生的搜索文獻能力。

4.學生升造競爭能力的提高。通過PBL教學方式的實踐，附著我校應用生物科學專業學生多方面能力的提高，考研升造的競爭能力得到了很大的提高。以2016屆學生為例，本專業共有46名同學，畢業時有29名同學被錄取為研究生（大部分為中科院、985和211高校），考研錄取率為63%，在安徽師范大學80多個專業中排名第一。

PBL教學法的實施，能夠提高學生多方面的能力，同時對教師的綜合素質又是一個極大的挑戰。生物信息學的知識更新非常快，教師的備課必須要與時俱進。

參考文獻

[1]陳銘，等. 生物信息學（第2版）[M]. 北京：科學出版社，2015

[2] Wood， DF. ABC of learning and teaching in medicine： problem based learning [J]. British Medical Journal， 2003 （326）： 328–330.

[3] Barrett， T. The problem-based learning process as finding and being in flow [J]. Innovations in Education and Teaching International， 2010， 47 （2）： 165-174.

[4] Wells S， Warelow P， Jackson K. Problem based learning （PBL）： A conundrum [J]. Contemporary Nurse， 2009， 33（2）： 191-201.

[5] Murzin A G， Brenner S E， Hubbard T， et al. SCOP： a structural classification of proteins database for the investigation of sequences and structures[J]. Journal of molecular biology， 1995， 247（4）： 536-540.

[6] Andreeva A， Howorth D， Chothia C， et al. SCOP2 prototype： a new approach to protein structure mining[J]. Nucleic acids research， 2013， 42（D1）： D310-D314.

[7] Fox NK， Brenner SE， Chandonia JM. 2014. SCOPe： Structural Classification of Proteins—extended， integrating SCOP and ASTRAL data and classification of new structures[J]. Nucleic Acids Research， 2014， 42（D1）： D304-D309.

作者簡介

闞顯照（1968-），男，安徽師范大學生命科學學院教授，博士生導師，生物信息研究所所長，研究方向為動物分子系統與進化。