基于PBL/CBL 聯合模式的生物信息學課程應用型教學

段瑞君*，周 武，高 強

（1.青海大學生態環境工程學院 青海 西寧 810016；2.青海大學國家重點實驗室 青海 西寧 810016）

20 世紀90 年代，隨著人類基因組計劃的實施，大量的測序數據等生物信息隨之產生，為處理海量的各種生物信息，生命科學學科開始與計算機科學、數學等學科相互交叉，生物信息學這門新興學科誕生。該學科從簡單的生物信息的獲取、加工、存儲，進一步發展為生物信息的檢索、分析與解釋等內容，從而達到闡明和理解各種生物信息數據所蘊含的生物學意義的目的。進入21 世紀，生物信息學開始迅猛發展，并逐步滲透到生命科學各個研究領域，該課程也成為生物相關專業的核心課程，因此，對生物學相關專業學生培養而言，做好生物信息學課程教學具有重要意義，但鑒于生物信息學具有多學科交叉性、綜合性、前沿性、實踐性和應用性等特點，目前還沒有形成成熟且統一的教學模式，各高校多延續傳統的講授教學模式，教學效果較差。因此我們嘗試采用PBL 和CBL 聯合的應用型教學模式，積極開展教學改革探索，并在拓展授課內容、轉變學習態度和鍛煉學生科研思維等方面獲得明顯成效。

1 生物信息學教學存在的問題

1.1 教學方面

作為新興課程，該課程在教學方法和手段上并沒有多少成功的經驗可供借鑒，大多數教師采用以講授為主的傳統教學方式，教學經驗普遍欠缺，都處在“摸著石頭過河”的階段，導致教學方法滯后，成為制約生物信息學課程建設的根本性問題。同時受傳統教學觀念影響，教師在教學過程中多注重理論教學而忽視實踐教學，達不到生物信息學實踐性和應用性的教學目的。

1.2 學生角度

生物信息學跨專業學科交叉性的特點要求學生同時具備生物學、數學和計算機方面的背景，其中數學算法及模型學習難度大且對編程能力要求較高，同時生物信息學的綜合性致使課程教學涉及生命科學領域的方方面面，內容跨度大，導致學生學習曲線陡峭，學習“門檻”高，學習難度大。另外我國生物信息學發展較滯后，大多數生物信息學數據庫、軟件和在線工具均為英文界面，導致學生在學習過程中語言障礙大，學習主動性降低。

1.3 考評方面

生物信息學的考核重點因其綜合性而廣泛，不僅涉及生物信息學基本概念的理解之類的理論測試，也涉及數據庫、軟件等操作掌握程度、生物數據分析解釋能力等實踐測試。目前多數學校的考試形式還是以理論知識考試為主，缺少實踐測試，導致考評評價效果較差，無法真實體現生物信息學課程的考評特點。

2 教學改革的基本理念

基于上述問題，為了提升教學質量，我們開展了PBL聯合CBL的應用型教學模式改革：以應用為目標，將“基于問題學習”的PBL 作為中心，以案例材料的CBL 為主題，兩者有機結合，共同改善課堂教學效果。

3 教學改革內容

其教學過程可分為以下四步：

3.1 問題的提出和案例的選擇

PBL是指教師根據課程教學目標和教學內容的需求，提出具體的應用型科學問題。教學過程中，首先教師根據教學內容提出具體的PBL問題，選用與本課程有關的典型CBL 案例，案例選擇要有吸引力，能夠激發學生的學習興趣，易于學習和理解；針對生物信息學的教學大綱和知識體系，CBL 以講解定義型為主，綜合分析型和操作技能型為輔。具體問題和案例選擇如表1 所示。

表1 生物信息學PBL 聯合CBL 教學法的主要問題和典型案例

3.2 學生分組、案例學習和展示

根據學生學習專業和學習背景，結合學習興趣分組，每組4―6 人。全班提前給定同一案例，并提前讓學生進行學習，包括查閱案例相關文獻資料，對案例進行研讀、分析和思考等活動，從而讓學生了解該案例設定的目的和意義，歸納總結案例背景和案例內容。課堂上要求學生展示各組案例分析成果，可采用PPT等多種方式，從而考查學生對案例相關的生物信息學知識點等的掌握情況。針對綜合應用型和操作技能型可適當考慮角色扮演方式。

3.3 問題和案例的分析解釋

將問題與案例相結合，啟發學生思考，鼓勵學生對案例進行分析、討論甚至辯論，要求每組學生提交生物信息學案例分析結果和總結報告，提出給定科學問題的解決方法，引導學生逐步完成科學問題解決和案例分析。

3.4 評價考核

教師根據學生展示和總結報告，總結點評各組案例分析過程及總結結果，對學生在整個分析過程中出現的普遍性問題進行歸納并指出解決方向，對于個別小組在問題解決和案例展示過程中展現出來的創造性方案進行表揚和分享學習。

4 教學效果

4.1 PBL 聯合CBL 應用型教學對授課內容的擴展和教學“時空”的拓展

基于生物信息學課程的前沿性、綜合性和交叉性等特點，我們對授課內容和課時分配也進行了調整，例如考慮近年轉錄組學等組學技術的快速發展，在前沿性方面增加組學分析內容；交叉性方面，引入一些極具專業特色技術介紹，如基因編輯技術、GWAS 分析等。同時基于課程自身特點，生物信息學教學資源多數在線上，因此PBL 聯合CBL 應用型教學全面符合線上和線下教學聯合教學的目的，可以借助線上生物信息學數據庫以及慕課等網絡教學平臺，采用手機、電腦等多平臺，為學生自主學習和師生交流提供無障礙通道，不再受固定時間、固定地點的限制，提高了碎片化時間的利用效率，而且部分考核內容也可以結合線上進行，利用在線數據庫和軟件開展在線測試等形式，方便學生及時檢驗自己的學習問題。同時在教學中借助案例教學，教師可以發布原本課堂內無法涉及的各類拓展知識、技術，且形式多變（文字、動畫和視頻），有效擴展教學內容，同時將知識可視化、趣味化，便于學生理解和激發自主學習的興趣。

4.2 PBL 聯合CBL 應用型教學對學生態度的改變和授課質量的提高

從教學方面看，傳統的講授方式教學，教師是主體，學生被動接受，課程教學質量較差。PBL 聯合CBL 應用型教學強調學生主體地位，教師提出實際的科學問題，但不直接給學生提供標準答案或者具體方法，而是利用典型實際案例營造一類包含講述內容在內的具體實踐教學情境，引導學生自主進行討論分析，從而得出結論，是一種“以學習者為中心的學習方法”，同時可以采用案例來彌補實踐教學的不足，有助于提高教學效果。例如，在生物信息學蛋白質序列數據庫教學中，以“最早的分子數據庫”為問題，以“PIR數據庫的前世今生”為案例，通過教學，達到學生了解并掌握常見蛋白質序列數據庫的教學目標，從認知領域的低階（了解常見蛋白質序列數據庫和領會各自特點），上升到高階（常見蛋白質序列數據庫的分析、綜合應用和評價），達到了提高教學質量的目的。

4.3 PBL 聯合CBL 應用型教學對科研思維的鍛煉和教學目標的提升

傳統的生物信息學教學過于注重基礎知識的灌輸，很少有科研實例的列舉，導致學生對科研認識不足，缺乏科研思維的鍛煉。PBL 聯合CBL 應用型教學可以通過列舉一些研究案例，了解科研過程，例如在組學教學中列舉大麥基因組的案例，讓學生了解和熟悉基因組測序的過程，達到了學生科學探究能力的目的，同時也在學生認知領域提升的基礎上達到鍛煉科研思維的教學目的。

5 結語

基于生物信息學課程的性質和學科發展需要，我們開展PBL 聯合CBL 的應用型教學改革，教學效果明顯優于傳統的教學方法，既拓展了教學“時空”，也激發了學生的學習興趣和科研能力，有效提高了教學質量。但PBL 聯合CBL 應用型教學法作為一種具有啟發性和實踐性的教學方法，教學實踐過程中還存在一些問題，例如：該教學模式對教師、學生、教學環境和配套設施等提出了更高的要求。教師需要有較好的科研背景和教學掌控能力，才能有效地把握教學進程，對學生的問題給予有效地反饋。相應的，學生需要有飽滿的學習熱情，能將學習消化的知識快速整合，具備一定的獨立思考、分析問題的能力。同時也有一些具體問題需要考慮，如在教學過程中如何有效把握以學生為主的翻轉式課堂的討論節奏和方向？如何做到PBL聯合CBL 應用型教學法與其他教學方法的融合？這些細節問題都需要我們在今后的教學工作中不斷優化PBL 聯合CBL應用型教學法的教學模式，不斷探索和提高該教學法在生物信息學教學中的適用性和有效性。