生物信息軟件開發(fā)線上線下混合式教學實踐研究

重慶郵電大學生物信息學院 白明澤 舒坤賢 謝永芳 李映紅 汪大勇

生物信息軟件開發(fā)是一門實踐性很強的課程，其主要內(nèi)容是利用計算機技術來設計、開發(fā)生物信息軟件系統(tǒng)和工具，幫助分析、處理生物信息學領域數(shù)據(jù)。本課程的重點是基于生物信息數(shù)據(jù)資源的在線生物信息服務系統(tǒng)的開發(fā)、測試和部署。然而，在過去幾年的教學實踐中，我們發(fā)現(xiàn)該課程還存在一些問題，其中一些問題是軟件開發(fā)實踐類課程的共通性問題，也有部分問題屬于本課程專有。主要問題如下：（1）基礎理論知識與解決問題實踐之間的脫節(jié)，學生雖然已掌握Python 編程基本知識，但是仍然會遇到許多實踐問題需要解決，同時還需要大量的編程實踐能力積累，尤其是對程序中錯誤的分析和調(diào)試能力。（2）學生既需要掌握核心編程語言，又需要熟悉配套軟件包知識和其他編程語言，如Flask 軟件包及其用法、前端開發(fā)知識等。（3）教師的指導無法貫穿實踐過程的始終，實驗課的課下練習部分，沒有辦法直接接受教師的指導。（4）同學之間的相互學習、相互交流平臺欠缺。

針對這些問題，通過調(diào)研，我們選擇線上線下混合式教學模式，以提升生物信息軟件開發(fā)課程的教學效率。基于線上和線下學習的混合教學模式目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛的應用，總的來說具有如下優(yōu)勢：（1）線上的教學可以明顯縮短面對面線下教學的時間，提高效率，學生可以在課堂以外按照自己的節(jié)奏進行在線內(nèi)容的學習與練習，對自己知識學習中的重點、難點進行反復學習。（2）混合教學可以使教學活動更生動，尤其是目前國內(nèi)開發(fā)了一些先進的混合教學平臺，比如基于“雨課堂”的課堂實時交互，可以有效完成混合教學內(nèi)容。同時，基于OpenEDX 的在線課程網(wǎng)站，可以提供豐富的功能模塊為在線學習、交流和指導服務。（3）混合教學模式使“以學生為中心”的教學模式變成可能，一些在線學習系統(tǒng)可以構建知識、技能發(fā)展樹，記錄每個學生的學習過程，也可以隨時查看學生的知識和技能掌握情況。在線練習可以幫助學生進行自我檢查、相互檢查，相互促進，可以達到培養(yǎng)學生自主學習能力的最終目的。

一、混合教學模式

在生物信息軟件開發(fā)的混合教學模式設計中，我們主要從興趣激發(fā)、精準教學兩個方面來進行。

（一）興趣激發(fā)

興趣激發(fā)主要從三個角度進行，即樣板激勵、項目驅(qū)動和及時討論互動。在線上和線下及時發(fā)布優(yōu)秀學生的學習和答題情況，讓優(yōu)秀學生作品成為樣板，激勵其他學生，帶領大家一起完成好作業(yè)和課程項目。項目開發(fā)任務驅(qū)動學生綜合所學知識，體驗成就感。線上交流中的即時互動，能有效促進大家的相互交流，激發(fā)學生對每個知識模塊的學習興趣。

（二）精準教學

在大數(shù)據(jù)資源和支撐平臺的助力下，精準教學這一概念被提出和實施。在本研究中，我們從自主學習和個人學習跟蹤兩個方面嘗試精準教學，學生通過我們基于OpenEDX 為本課程所部署的在線學習系統(tǒng)實現(xiàn)自主學習，根據(jù)自己的學習情況調(diào)整學習節(jié)奏與學習進度。同時，學生的個人學習進度可以被系統(tǒng)記錄，方便教師全方位掌握學生的學習情況，有針對性地進行知識系統(tǒng)化和重難點解析的教學。

二、混合教學實踐

我們的線上線下混合教學實踐框架如圖所示，分為課前學習（線上）、課中鞏固（線下）和課后拓展（線上）三個部分，其中藍色部分為教師授課活動，橙色部分為學生的學習活動。

線上線下混合教學實踐框架圖

（一）線上課前學習

課前準備主要是在線學習內(nèi)容的部署和實施，在教師上傳教學內(nèi)容和布置任務后，由學生進行自主學習，包括在線互動學習、在線編程練習和在線答題測驗等，完成測驗后，教師能提前摸底學習情況。在整個過程中，學生還可以在線交流討論，共同學習進步。

在開課前，教師在OpenEDX 學習平臺上建立生物信息軟件開發(fā)網(wǎng)絡課程和班級。在教學前，完成課程資料上傳，并針對混合教學建立專門的內(nèi)容板塊：自學/預習教程、自學/預習題目測驗以及交流板塊。

（二）線下課中鞏固

線下授課負責對自學內(nèi)容進行鞏固和提高，分成四個部分：（1）教師對知識體系進行總體介紹，幫助學生將知識點融會貫通，使之結(jié)構化、具象化，幫助學生理解和記憶。（2）重難點剖析可以是預先設計的，也可以是學生在線自學中體現(xiàn)出來的。（3）基于“雨課堂”的線下課堂交互答題與小組練習。通過精心設計的選擇題和開放問答題，現(xiàn)場掌握學生學習情況、活躍課堂氣氛，促進師生溝通。（4）現(xiàn)場集中答疑。編程實踐中，學生常常會遇到各種各樣的問題，比如環(huán)境依賴、筆誤等，需要有經(jīng)驗的教師實地觀察才能指出錯誤所在。

（三）線上課后拓展與考核

課后拓展包括在線小練習與課程設計，小練習有針對性地檢驗知識模塊的掌握程度，課程設計涵蓋完整知識點，既是考核的重要部分，也是以練促學的有力保證。混合式考核是線上線下混合式教學的重要部分，貫穿整個教學過程，不僅包括對基礎知識的考核，更要考查學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決編程中遇到復雜問題的能力。

三、教學效果

通過兩次授課試運行，生物信息軟件開發(fā)課程取得了良好的教學效果，之前總結(jié)的問題得到了較好的解決：（1）基礎理論知識與解決問題實踐之間有所脫節(jié)的問題得到緩解；（2）學生在基礎知識和實踐操作中均得到了很好的鍛煉；（3）教師的指導貫穿始終；（4）相互學習，相互交流提升。

總體來說，在學習積極性和考核結(jié)果上，都取得了明顯的成效。（1）學習積極性大幅提。經(jīng)過一個學期的試運行，可以明顯感到學生的學習積極性相較上一個年級有了較大幅度提高。學生在在線學習平臺上反饋積極，紛紛提出問題或者幫助同學解答問題。（2）提交的項目軟件開發(fā)報告水平有明顯提升。此次課程結(jié)課之后，通過學生上交的項目軟件開發(fā)報告，可以發(fā)現(xiàn)學生的創(chuàng)造能力和生物信息軟件開發(fā)綜合能力均得到了很好的體現(xiàn)。有基于案例系統(tǒng)框架（Flask+BioPython+MySQL）開發(fā)的網(wǎng)站，也有基于自身技術棧，采用VUE 等前端框架結(jié)合Flask REST 服務的應用網(wǎng)站。生物信息軟件服務也覆蓋了從傳統(tǒng)生物信息網(wǎng)站服務到各種組學數(shù)據(jù)服務的實驗項目。

隨著手機電腦等智能終端的普及以及教育信息化的深入發(fā)展，單純的傳統(tǒng)課堂教學模式已經(jīng)落后于時代，而只采用線上教育又有諸多缺點。采用線上線下混合教學模式有望將二者的優(yōu)勢互補，有機結(jié)合，達到一加一大于二的目標。在生物信息軟件開發(fā)教學中應用線上線下混合教學模式，可以有效提升教學效果。