PBL教學法在生物信息學課堂教學中的應用

楊志遠

（杭州電子科技大學人工智能學院 浙江·杭州 310018）

0 引言

伴隨著DNA雙螺旋結構的揭示，生物信息學這門交叉課程隨之興起。目前多數綜合類大學都開設了生物信息學課程，來提高學生對生物學軟件工具的掌握能力。由于傳統的教學方法，是以教師為中心被動地傳授知識，學生主動學習的積極性不強，不能很好地理解生物信息學其中的概念和方法。這導致所學的理論和方法不能靈活應用，還可能使學生失去興趣，教學效果不夠理想。問題導向學習 (Problem-Based Learning,簡稱PBL)教學法是在傳統基礎上以“問題”作為引子，來合理地講授生物信息學的內容。傳統的教學模式是以教師為中心給學生灌輸知識。而PBL教學法，以學生為主體，教師主要其引導作用，學生需提前預習課程相關資料，可以自己提出問題或者教師給定問題，最后通過課堂討論或者現場展示的方式，來更好地解決問題。學生，本身是教學的主體，教師需要提供更符合實際情況的方法，來傳達生物信息學中的算法和應用。PBL教學法通過選取現實中的例子，來闡述其中的底層涵義，能夠更好地服務于學生，讓學生理解生物信息背后隱藏的算法和原理，加深印象。本教學法，也可以通過啟發學生的興趣來達到傳授知識點的作用，讓學生在快樂中不知不覺學到知識。

1 生物信息學教學現狀

上世紀90年代以來，伴隨著基因組測序技術的進步，生物學的算法和軟件以迅雷不及掩耳之勢取得了快速發展，成為了生物科學研究的必要技術，由此誕生了生物信息學(Bioinformatics)學科。生物研究者可以通過計算機、信息技術和生物技術相結合的方式，來探究生物學大數據其中的密碼。因此，對于生物醫學工作者而言，掌握必要的生信知識是必不可少的。生物信息學是目前生物學研究的一個重要分析，其研究的主要內容包括：基因組注釋，基因調控網絡分析，非編碼RNA分析，新一代基因組測序技術和蛋白質序列分析等等。目前，生物信息學已經廣泛運用于食品檢測、病毒疫苗生產、細菌耐藥性測試和微生物臨床檢驗等實際問題中?；诒緦W科的重要性，絕大多數學校均開設了生物信息學課程。由于生物信息學是跨學科研究，其教學涉及到數學和計算機的融合，在教學過程中，枯燥的理論和概念較多，傳統的教學效果不理想。本文根據實際學科教學過程中存在的一些問題，總結出一種較好的教學方法，用于生物信息的教學中，取得良好的效果。

2 PBL教學法在生物信息學課程中的實施

生物信息學是生物學領域的一門重要專業課程，該課程講述了如何利用信息學技術來處理生物學問題等等。本課程有著許多抽象的概念，對于純生物背景的人，或許比較難以理解，教師需要不斷探索新的合適的方式，來講述這些枯燥的知識。因此，嘗試應用PBL教學法在課程中，有著很大的意義。本論文以《序列比較和同源分析》這一章節為例，講授一下PBL教學的具體實施辦法。

2.1 課前培訓和自主學習

在施行PBL教學前，教師先對學生進行PBL的理論常識進行培訓，使學生對PBL教學法有一個必要的了解。同時，教師需要對下節課的內容進行簡要介紹和任務布置。以《序列比較和同源分析》這一章節為例，本章要求學生掌握序列比對的算法、蛋白質比對所使用的工具和序列同源結果的解讀，并學會使用在線工具查找同源序列等等。教師將學生4-5人分為一組，把學生分成不同的幾個小組，每組安排一個組長。教師根據學生的數量確定最終為分組的數量（6組）。教師根據《序列比較和同源分析》章節的內容，提出6個有實際意義的問題，學生可以從中自由選擇問題，進行討論。教師將課程資料上傳到班級課程QQ群和超星泛雅平臺，供學生參考和使用。當然，學生也可以通過網絡查詢資料，自我提出問題。組內成員在課下進行討論，有疑問請教老師或者查閱文獻，組長通過總結本組的意見，最終制作出PPT。

2.2 課程中的討論和解答

在開展討論前，教師先用10分鐘時間，講授蛋白質序列比對的原理、使用的打分矩陣、比對結果的解讀和同源序列的確定等。學生以小組為單位向老師匯報所選的問題，并在課堂上進行展示。在此過程中，教師在現場進行引導、答疑、點評和講解，來完成這一章節內容的消化。繼續以《序列比較和同源分析》章節為例，教師對各組進行排序，然后根據排序的先后順序，抽取某一個小組來講臺上匯報討論的結果。各個組長對作為代表上臺做報告，其他小組可以對其進行提問。代表若無法回答這個問題，則有老師代為解答。等所有小組匯報完畢后，老師對序列比對課程的內容進行總結，與學生所做的報告結合起來，先整體后局部，再回到整體的過程，使學生對序列比對有更好的了解。另外，教師也可以引導出本章要掌握的內容，比如，為什么要做序列比對，序列比對的原理有哪些，BLAST在線網頁有什么特點和BLAST軟件是基于什么方法進行序列比對等等。學生報告和老師講解，可以相輔相成，提高了學生對序列比對原理算法的理解和應用。

2.3 課后的加強與鞏固

課后與學生交流，了解PBL教學法的實際效果。課后，教師也可通過課程討論QQ群，隨時解答學生的疑問，指導學生實際操作，了解學習中存在的問題，在下一次PBL教學中進行輔導，加深學生對生物信息學難點問題的掌握。鼓勵學生課后選擇自己感興趣的蛋白質，比如TP53,查找其同源序列，以更好地理解所學的知識，提升課堂效果。

3 PBL教學法的優缺點和應用前景

PBL教學法有著其他教學法沒有的優勢。該教學法強調學生自主發現問題，讓學生自身對問題進行探究，通過于其他同學討論來不斷強化對生物信息學算法的理解，并對生物信息學軟件的使用 。以蛋白質序列比對章節為例，學生可以在一個輕松良好的環境中，學到序列比對經典算法BLOSUM62的特點、使用情形和實現方式。學生也可以現場操作演示如何使用BLOSUM62算法來查找不同物種間的同源序列，區分假陽性。在分組討論中，學生可以自己提出新的問題，把所學的內容聯系在一起，加深學習印象。另外，上臺做報告，也可以培養和提升語言表述技能，為素質教育添磚加瓦。

當然，PBL教學法也不是沒有缺點的。由于該教學法以問題為主體，所掌握的知識比較碎片，難以拼湊人完整模塊，以至于學生可能對生物信息學課程里的知識缺乏一個整體的認識。比如學生只記得BLOSUM62這個序列比對算法，知道使用這個算法的情形和使用軟件來實現這個 BLOSUM62算法，但是當問到這個算法是如何推導而來的，學生一臉茫然。另外，該教學法對學生的自我學習能力要求較高，部分學生可能會消極應對，不利于課堂的開展。學生需在一個期限內完成一個成熟的PPT匯報，需要查閱其它大量的資料。PBL教學法以教師評估的方式來給定分數，相對于傳統的考試模式，更加注重現場表現能力。在一個組內，有的學生發言很積極，有的同學則沉默寡言，發言極少，不利于培養學生共同進步的情況，需要加以關注。

總體來說，PBL教學法目前還不夠完美，需要教師在實踐過程中多多總結，在實踐中加以改善。每種教學模式都有它的優缺點，如果只是僵硬的照搬，很難產生良好的效果。我們使用PBL教學法，并不是否定傳統教學法，而是作為傳統教學法的一個補充。我們深信，隨著經驗的累積，PBL教學法，會逐漸成為一個主流模式應用在大學教育中。