PBL教學法在《計算機輔助藥物發現》教學中的實踐探索

肖飛 劉鑫

摘 ? 要：在后基因組時代背景下，計算機輔助藥物發現在現代藥物研發中體現越來越重要的作用。它不僅僅是交叉理論學科，更有很強的實踐性。因此，在生物信息學本科專業開展PBL教學，通過實驗流程設計將教學任務從理論和實踐兩個層面進行模塊化融合，加強理論與實踐的結合，調動學生參與課堂的積極性以及獨立思考的主動性，提升學生主動提出問題和解決問題能力。這一課程教學的實踐探索具有十分深遠的意義。

關鍵詞：計算機輔助藥物發現 ?PBL教學 ?項目式教學 ?生物信息學

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0180-03

隨著人類基因組測序計劃的完成，后基因組時代為相關領域的研究帶來了新的挑戰和機遇。蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學等領域的發展為疾病發生的機制研究提供了海量的數據，同時為制藥工業起到了革命性的推動作用。如今，各大藥物公司以及科研院所采用計算機技術，從海量數據中尋找藥物靶點、作用位點、藥物作用機制、預測藥物的腰帶動力學性質等，已經是非常常規的流程。近年來，結構生物學領域取得前所未有的進展，越來越多具有重要藥理作用的受體大分子的三維結構被測定出來，蛋白質結構預測的技術也取得了重大進展，也就為基于受體結構的合理藥物設計奠定了良好的基礎。而計算機軟件、硬件的更新和進步直接推動了藥物研發的進程，從原來的基礎理論研究發展成為一門實用性學科。當前，我國《計算機輔助藥物發現》的課程教學還處于起步階段，將項目式教學法用于該類課程教學也有過實踐[1]，但在如何更好地推動理論與實踐的結合，以及激發學生的創造力方面還有待進一步探索。

1 ?PBL教學法

以問題為導向的教學方法（problem-based learning，PBL）區別于傳統教學中教師單向講授的模式，通過引導學生提出與教學內容相關的問題，由學生獨立或合作的方式去探索問題的解決方法，在實踐中激發學生的學習積極性和主動性，從而培養學生自主學習、獨立思考、獨立解決問題的能力。在有的學校的個別課程上，已經有一些PBL教學成功的范例[2-4]。我們在對生物信息學專業本科生開設的《計算機輔助藥物發現》的課程教學中引入PBL教學法，獲得了不錯的教學效果。

2 ?教學內容設計

《計算機輔助藥物發現》課程選用的主要參考教材為《計算機輔助藥物分子設計》[5]。該課程安排在基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、化學相關課程（包括有機化學、無機化學、生物化學等）、計算機相關課程（包括C語言編程、Biopython等）之后，學生已經具備了計算機、生物、化學等學科的必要基礎。該課程教學內容包括分子建模、虛擬篩選、分子對接、分子模擬、定量構效（QSAR）等藥物設計相關基礎知識;還包括分子力學、量子力學、優化算法等理論計算方法，包含較多晦澀難懂的抽象概念，如果在教學過程中不去引導學生主動了解相關基礎知識并將其應用于具體問題，學習效果將會大打折扣。

因此，我們將基礎理論教學與實踐通過PBL教學設計有機地結合起來。采用整體的項目設計，將課程的理論教學與實踐內容通過項目分步執行串聯起來，以解決問題為學習驅動力，激發學生的學習興趣，在項目逐步完成的過程中增強學生對基礎理論知識的理解，如表一所示。實驗階段性展示多樣化，包括翻轉課堂、小組討論與匯報等。

3 ?教學流程

3.1 教學對象

2016級生物信息學專業，共36人。

3.2 教學載體——生物信息學

生物信息學（Bioinformatics）是由人類基因組計劃的開展而逐步發展起來的一個新型交叉學科，其研究領域包括生物信息的采集、處理、存儲、傳播，分析和解釋等各方面。它主要是采用計算機科學和信息學技術來處理生物學領域產生的各種數據，從而揭示大量而復雜的生物數據所包含的生物學奧秘。在后基因組時代，生物信息學已經成為生命科學研究領域的一個重要組成部分。我們在大三下學期開設《計算機輔助藥物發現》這門課。這門課程的教學理念是：通過將理論教學與實驗實踐有機地結合起來，提高學生的課堂參與度，鍛煉學生的自主學習能力，培養學生的科研素養。

4 ?教學實踐與評價過程

《計算機輔助藥物發現》課程設計共包括54理論學時和36實驗學時，采用翻轉課堂、小組討論與匯報的形式進行課程的具體開展。我們以6名學生為一組，共分為6個小組。在課程開始的時候，便將學生分組，同時告知他們課程教學的模式及評價標準。每個小組通過文獻閱讀與導論，確定一個研究主題，并推選代表進行小組文獻匯報以及PPT展示。正是通過這樣一個過程使得所有同學對這門課程有一個整體把握。

教師在課堂講授藥物設計的方法和基本理念，讓學生掌握計算機輔助藥物發現的基本流程、框架和涉及到的理論和方法。對比文獻調研的結果，鼓勵小組討論出本組研究課題的研究方案。課堂上對每個小組的研究方案進行可行性分析，最終在教師的指導下，確定各組項目實施的具體方案。

研究目標和實施方案都確定以后，開始進入項目的核心過程，相應的基礎理論也會依次插入講授。根據不同的內容特點，采取不同的授課方式。例如，靶標的發現部分，我們采用啟發式的教學模式，學生先分小組提出各種可能性的假設;然后在小組間進行交流探討，最后教師結合PPT對結果進行補充。這樣的實踐結果證明，學生雖然缺乏一些基礎的理論知識，但是具有非常好的創造性，也學會了通過各種渠道調研、組織和整理資料。這可以幫助學生從課本上相對陳舊的知識體系中跳脫出來，吸收更加新鮮、前沿的方法和數據。這種方法充分體現了自主學習與教師單方面宣講的區別，優勢是顯而易見的。通過這部分學習以后，每個小組根據本組課題的需求，運用學習到的方法去尋找合適的靶標，其中可能運用到不同的方法，例如基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等課程中學過的手段，同時教師會依據學生的需求以輔助的方式提供相關靶標的數據庫參考，這樣學生學以致用，并且學會評估各種方法的可行性。

對于更加基礎、相對晦澀難懂的理論部分，例如分子力學、量子力學等基礎理論，教師則嘗試采用翻轉課堂的形式，激發學生自主學習，加深理解和啟迪思想。例如，量子力學部分，我們將這部分學習濃縮為三個主題：（1）“薛定諤的貓”講的是一個什么樣的故事？對基礎理論和科學的發展有哪些方面的影響？（2）什么是量子糾纏？量子計算機的原理是什么？（3）什么是引力波？它的發現有什么意義？每兩小組選擇最感興趣的主題查閱相關資料以及文獻后，對組內所交流討論的部分在班級內進行PPT講演展示。

隨著研究項目的一步步推進，理論知識也一點點以各種方式傳授下去，學生帶著問題進入學習，學完之后馬上即刻應用到具體的問題中。通過這樣的理論與實踐穿插式學習，學生對理論知識的理解更加深刻，方法的學習也有更強的目標，而在項目一步步實施中，學生對學習的好奇心和成就感也得到前所未有的滿足，這很好地激發了他們對該課程的興趣和熱情。

學生在一個學期的時間內，以自我思考、自我探索、小組合作為主，教師引導和答疑為輔，進行課程學習，并做好過程和實踐實驗的記錄。當學期結束時，學生可根據階段性的實踐實驗以及小組合作的匯報PPT來進行課程回顧和自我小結;而教師則可以根據學生的階段性實驗報告和小組PPT展示結果，來進行教學評價。

5 ?教學效果

首先，教師依據PBL設計的每個步驟提出具體要求和評分標準，包括是否在規定時間內完成、實驗記錄完整性、課堂匯報表現等共10項內容進行打分，按照“優秀（90～100分）、良好（80～89分）、中等（70～79分）、合格（60～69分）、不合格（0～59分）”五級標準進行評判。結果顯示，各組學生良好及以上的比率達到了95%，優秀的比率達到了65%，均圓滿地完成了學習契約。另外，教師對學生進行了無記名問卷調查，調查內容包括對教學的興趣度和主動性、對學習效果的滿意度、對能力提升的自我評價三方面，滿分各為100分。結果顯示，三個方面的學生評價均為100分。

《計算機輔助藥物發現》課程中，以生物信息學為載體、以學生為中心、以項目為推動的PBL教學法，將基礎理論有機地融入實驗教學，以激發學生的自主學習熱情，訓練學生提出問題、解決問題的能力，以經典理論為基礎，同時結合最新的前沿研究，將學習與科研相結合，具有較強的實踐性。該課程設計充分調動學生參與課堂的積極性，提高學生的學習興趣，培養學生獨立思考的能力和進行藥物設計的創新思維。

參考文獻

[1] 徐建凱，陳秀杰，劉磊，等.《計算機輔助藥物發現》項目式教學實踐[J].黑龍江信息工程，2013（31）.

[2] Jungck JR，Donovan SS，Weisstein AE，et al. Bioinformatics education dissemination with an evolutionary problem solving perspective[J].Brief Bioinform，2010，11（6）：570-581.

[3] 周先麗，蘇何玲，劉永明，等.淺談 PBL 教學模式在生物化學教學中的重要性[J].教育教學論壇，2017（1）：123-124.

[4] 陳剛.綜合性高校《中藥學》PBL 教學模式探討[J].教育教學論壇，2017（3）：169-170.

[5] 張林，柴惠.“以學生為中心”教學與教學評價的理論與實踐探索——以醫學生物信息學為平臺[J].中國高等醫學教育，2014（1）：18.

[6] 徐筱杰，侯廷軍，喬學斌，等.《計算機輔助藥物分子設計》[M]. 北京：化學工業出版社，2004.