生物信息學課程項目式教學模式改革探索

張 力，劉曉鈺，張雨溪，田奇峰，王廉馨，朱春玉，馮華煒，劉宏生*

（1.遼寧大學 生命科學院，沈陽 110036；2.遼寧大學 藥學院，沈陽 110036）

生物信息學是20世紀80年代隨著人類基因組計劃的啟動而興起的一門新興交叉學科，體現了生物學、計算機科學、數學和物理學等學科間的滲透與融合。生物信息學的主要目的在于通過對生物實驗數據的獲取、處理與分析，從而揭示實驗數據所蘊含的生物學意義，進而對生物的生命活動規律進行分析與總結[1]。

生物信息學更是重要研究的開發平臺與分析工具，是進行幾乎所有生命科學探索所必須的重要推手，其對大量實驗數據的分析處理所提供的理論指導，是今后乃至未來選擇正確研發方向的重要基礎。生物信息學在21世紀不斷進步的同時也為其他重要學科領域帶來持續性發展與學科前沿突破，其已在生物學、醫學、農業、環境科學、信息技術及新材料等學科的研究中得到廣泛應用，具有很高的實用價值。

我國也極為重視生物信息學的發展。生物信息學人才的培養是當前十分重要的任務。因此，國內外的許多高校在不同專業上也相繼開設了生物信息學課程。但作為一門新興前沿學科，其教學方案與指導方式尚處于探索階段，沒有完善的教學模式系統，如何更好地開展生物信息學課程的教學尚待進一步探索[2]。

項目式教學是一種在教師指導下、以學習者為中心的教學模式。學習者以解決“真實問題”為目的，在“真實問題”中利用多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決一系列相互關聯的問題，是一種探究學習模式[3]。2017年初，遼寧大學提倡教師以真實問題為導向實施教學[4]，以真實問題為導向的生物信息學課程教學模式改革實踐研究則在此背景下開展起來。本研究在充分利用現代化教學資源的基礎上，結合生物信息學的學科特點，研究以真實問題導向的項目式教學和線上線下混合式教學模式相融合的生物信息學課程教學模式改革，旨在探尋生物類專業生物信息學教學課程教學體系的新路徑，通過本課程改革的項目式教學使學生明白如何學以致用，通過有趣的實踐內容激發學生學習的主觀能動性，提高學生的學習效率和自我學習能力。

一 開展項目式教學，提高學生實踐能力

傳統的生物學科教學主要是以課本知識為基礎，課堂講授為主的一種先基礎理論、后實驗知識、再實踐操作的“三步”教學模式。這種教學模式的弊端主要體現為學生在實踐中不能很好地將基礎知識和實際情況相結合，出現了理論和實踐相脫節的現象[5]，進而導致學生也不能很好地發揮主觀能動性，開展創新性思維學習。當前的生物信息學課程授課應當充分考慮該學科具有實踐性強的特點，在授課中強調生物學的基礎理論性與信息學的實踐應用性，并需要發揮網絡教學的優勢，實現信息技術與理論知識的結合，變單向傳輸式教學為雙向互動式教學，變以強調理論內容為主的灌輸式講授為項目探究過程為主的引導式講授，加深師—生、生—生之間的互動性，調動學生主動學習的積極性，培養學生良好的實踐意識和動手能力，充分發揮學生的主觀能動性與探索精神，全面提高學生科學文化素養，培養創新能動意識。

（一）采用項目式教學

在完成每一個知識單元的理論講授和此知識單元所涉及的生物信息學分析工具的使用方法練習后，給出此知識單元的項目選題范圍，學生分組進行項目選題、項目研究方案的確定、方案實施并完成研究總結的書寫。以此促進和提升學生對實驗操作學習的積極性和創新性。

本次教學改革中項目式教學包括以下5個環節：項目選擇、制定方案和計劃、探究實踐、反饋評價和交流分享。

1）項目選擇。項目的選擇要緊扣理論知識，難度要適中，且應強調團隊的協作。目前供學生選擇的項目選題范圍包括：①基于16SRNA序列的微生物系統分類學研究；②某一蛋白的生物學功能預測與分析；③針對某一藥物靶點的結構分析與藥物設計；④不同環境下微生物組成的比較研究。這些項目分別對應生物信息學課程不同階段的授課內容。其中項目①應用生物信息學數據庫資源、序列比對與序列搜索、分子系統發育分析的教學單元中的知識；項目②應用蛋白質序列分析與功能預測教學單元中的知識；項目③應用的空間結構教學單元中的知識；項目④應用高通量測序數據分析教學單元中的知識。項目研究所需的知識和操作技能將覆蓋大部分授課內容。

2）在制定方案和計劃階段，根據項目任務對學生進行分組，每個小組選取相應的負責人，主要負責對項目的實施和部署工作。負責人也可采取輪流制，以充分調動每個同學的積極性和領導團隊協作能力。項目負責人組織成員進行集體討論，記錄并整理意見，最終制定出整體的實施方案。指導教師可適當引導并鼓勵學生進行一定程度的創新[6]。

3）在研究探究階段，學生根據團隊中的分工完成各自的任務，進行項目實施。在這一過程中，學生需結合所學知識，收集相關資料，并進行實際操作。完成項目后進行項目總結。項目總結可由每名同學分別記錄自己負責的進度、問題、解決方法及各自的總結，再由組內負責人進行整理歸納，形成一份完整的項目總結報告。項目的總結過程能夠將整個團隊對項目的實施過程進行升華，既梳理了項目實施的思路，又鍛煉了學生分析與解決問題的能力，同時提高了寫作水平。

4）完成項目實施后，進行項目的反饋評價和交流分享。在此階段將過程評價和綜合評價相結合，可由學生自評，也可采取小組互評、教師評價等在內的多元化評價。項目負責人進行工作匯報，其余小組同學在聽取匯報中可對其提問，并提出基于自身的意見和建議，解答環節由匯報人或本組其他成員進行答疑。

（二）增加實驗課學時，增加學生動手實踐的機會

生物信息學主要是通過計算機軟件實現對生物實驗數據的分析，需要在多次操作實踐中不斷發現問題、解決問題并總結經驗[7]。增加實驗課學時會顯著提升學生的實際解決問題能力[8]。依托高性能計算機平臺，設計生物大數據分析實踐項目，激發學生對生物信息學的學習熱情。

將教學時間一分為二，先理論講解后實驗操作。在基礎知識講解中讓學生理解軟件的應用原理，而后的實踐操作可向學生展示實踐是如何基于理論之上的，避免理論與實踐脫節的問題。通過項目式實踐可以使學生在實際操作中領悟到知識的真諦并且充分地掌握知識，體會解決實際問題的艱辛與困難、快樂與激情。

項目式教學模式強調以任務為驅動，以真實問題為導向，重視理論與實踐的密切結合。教學時結合實際項目進行授課，可充分調動學生的自主性，使其以科學研究結合解決實際問題的態度進行學習。該教改將科研內容以課程項目任務的形式引入到課程教學中，有效加強學生對生物信息學領域國際前沿研究進展的了解，激發學生對此門課程的學習興趣，引導學生思考與探索，最終運用生物信息學知識和創新性思維解決實際生活問題，形成完整系統的知識理論與實踐方法。

二 開展線上線下混合式教學，提升實踐教學效果

生物信息學是一門具有極強實踐性的學科，是一門多學科交叉的交叉學科。對于生命科學專業內的學生，計算機相關知識背景較弱。針對其開設的生物信息學課程的主要教學目標是能夠對生物信息學相關的各種軟件進行使用、對生物學相關數據庫進行檢索與應用，能夠利用這些技能解決實際的生物學領域內的問題。而并非對算法和程序進行創新。另外，目前大多數生物信息學教材內容更注重于講解算法原理和數據模型，而應用不足，導致生物類專業學生難以充分掌握并運用。生命科學專業門類內的學生通常都具有較好的生物學知識基礎，對于基礎的核酸、蛋白質等生物大分子的相關知識較為熟悉，在教學時不用重復講解，簡單涉獵即可，而在學習課程內容中的數學模型、程序原理等數學和計算機相關知識時，通常表現出較大的學習障礙。在不斷的教學實踐中發現，學生的數學和計算機知識的匱乏，并不會對實踐生物信息學相關軟件的教學內容產生較大影響。近年來出現了翻轉課堂、基于問題（problem based learning，PBL）[9]的教學模式、基于任務（task-based learning，TBL）的教育模式和項目驅動式教學模式等多種教學方法。無論是TBL教學方法、還是PBL教學方法，都強調注重把學生作為實踐主體，教師盡量只負責啟發和引導的部分，負責設置科學問題（任務），啟發和引導學生討論與思考，然后由學生獨立探索問題、完成任務[10]。因此，對于針對生命科學專業內的學生開設的生物信息學本科課程開展線上線下混合式教學改革[11]，深入淺出地講解晦澀難懂的數學和計算機相關知識，并且側重實踐部分的內容，能夠更好地培養學生的實踐能力。致力于在教學結束后，讓學生具有使用生物信息學相關工具進行生物學領域數據分析并解決實際問題的能力，使學生在使用相關工具解決問題時對生物信息學產生濃厚興趣，創新實踐能力得到增強。

將課堂分為課前預習、課上講解和課后復習3個部分。設計一套完整的課前預習PPT，告知學生本節課的學習目標、重點難點。設計一套包括課堂練習題、課后練習題和拓展研究在內的實踐操作問題。課中采用雨課堂在計算機網絡教室現場授課，使用雨課堂記錄課中學生的聽課情況。將操作視頻和課堂講授錄像分享給學生，將課堂練習題和課后練習題發送給學生，并通過形成性評價激勵學生不斷進行實踐性練習。本改革方案主要通過強調項目式實踐和進行形成性評價促進學生創新性能力的培養。

在開課之前將課前預習PPT通過雨課堂發布到學生手機上，告知學生每節課的學習目標、重點和難點。學生可根據自己的時間安排進行充分預習，當遇到問題時可隨時在線與老師交流。同時，教師可登錄教師端查看同學們的預習情況。這樣授課前就大致了解學生關于講授內容的預習程度，在授課時進行更有針對性的布置，增強課程的有效性。

在課中教師將PPT同步發送到雨課堂，方便學生根據自己習慣的節奏進行觀看，不必將大量的課堂時間用于記筆記或拍PPT。通過網絡教學平臺發送習題進行限時測試，實時查看測試成績。此方法便于及時掌握學生對教學內容的理解情況，以隨時調整講授側重的內容，便于學生更充分理解。

在課后布置一些具有重要內容和易錯內容的練習作為課后作業，使學生在課后更好地鞏固教學內容，并進行深入研究。此外，教師可通過查看教學周期內記錄的數據，例如哪些教學內容對學生來說較難理解，正確率較高、答題用時較短的練習題是何種類型等。對此類數據進行深度挖掘并結合多元分析，可以量化教學過程，以便為以后教學模式的改進和優化積累科學依據，使教學模式改革的探索由依賴經驗型轉向依靠數據型。

本研究突破傳統生物信息學的教學模式，融合項目式教學理念和線上線下混合式教學模式[12]，以真實問題為導向，設計能分發揮學生的主觀能動性、提升學生的創新思維的混合式教學模式，從而培養具有較強的實踐能力和創新能力的人才。本研究從生物信息學學科真實問題出發，充分利用現有計算機網絡教室、雨課堂等教學資源，在學生執行課程任務、利用生物信息學工具分析生物數據的過程中，融合線上學習資源、學生自評和小組互評等混合式教學環節，充分完善項目式教學流程，提升項目式教學效果。

三 開展學業評價改革，培養良好的學習方法

建立“終結性評價+形成性評價”的新型課程考核體系，其中形成性評價占比30%，終結性評價占比70%，改變期末一次考試終結的單一評價模式，使考核融入到教學的全過程中。生物信息學課程的形成性評價主要包括考勤、課前預習、課堂參與（回答問題、提出問題等）、隨堂測試、課后測試和項目實踐得分，致力于檢測和評價學生的全學習過程、學習行為和學習成果。其中，考勤由雨課堂自動記錄。每節課課前1天將課前預習PPT發布到雨課堂系統中，雨課堂自動記錄學生的預習情況。課堂教學過程中采用點名提問方式，預計在課程結束時，覆蓋班級的全部同學。計劃提問3人次/課時。在進行項目研究成果匯報的過程中，要求每名同學對項目匯報人進行提問，每學期至少提問2次。課堂參與情況在課堂中記錄，并在課后記錄入雨課堂系統中。完成知識點講解后，使用雨課堂將課堂練習題發送給學生，學生在課上使用聯網的計算機完成生物信息學工具的使用和習題作答，并實時統計測試成績。發布課后練習題，在下次上課前通過雨課堂收集作答材料。對于大部分測試題，由雨課堂自動評閱給出評分。對于部分主觀題由教師進行評閱，對于部分主觀題由學生使用教師制定的評分標準進行互評。分數將在課后錄入雨課堂系統。終結性評價形式為期末閉卷考試，考試試卷結構包括填空題（15分）、名詞解釋題（30分）、簡答題（35分）、論述題（20分）。形成性評價將配合項目式教學的理念，主要基于雨課堂的線上線下混合式教學模式的進行來實現，將對學生良好學習方法的形成起到促進作用。通過該評價模式可充分發揮學生的主觀能動性，提升學生的創新思維。

學業評價改革取得了比較理想的效果，提高了學生使用生物信息學分析工具對生物學研究數據進行分析從而解決生物學實際問題的能力。提高了學生在課堂的參與度，培養學生良好的學習習慣和學習方法。學生準確掌握了生物信息學領域的核心理論知識，并具備了生物信息學工具的基本操作能力。

四 開展課程思政改革，培養學生創新精神

把思政內容有機融合到生物信息學課程中，教育學生要做誠實的科研人，加強學風建設，激發學生產生較強的專業自豪感，注重學生創新精神的培養。例如在緒論中講述生物信息學的發展歷史，正是由于眾多學者的開拓、創新精神，才使得生物信息學這一學科得以產生，從而繼續發展，讓學生們理解創新精神的重要性。講解在抗擊新冠肺炎疫情中生物信息學發揮的巨大作用，講解生物信息學領域的學者做了哪些大量有意義的工作，增強學生專業自豪感和對生物信息學的興趣，促進學生在日常的學習中拓展思維，形成了積極創新的學習氛圍。

五 課程教改實踐的效果與思考

本次基于真實問題導向的生物信息學課程教學模式改革探索在遼寧大學生命科學院應用實踐，產生了良好的效果。從課堂教學內容體系的重構和教學模式的改革出發，探索出一套著重培養學生實踐創新能力的生物信息學教學改革方案。該課堂教學體系和教學方式受到學生歡迎，學生學習生物信息學課程的興趣得到了更好地激發，學生使用生物信息學相關方法解決生物學領域問題的能力顯著提高，在培養生命科學創新型人才方面發揮重要作用。絕大部分學生在課程結課后都具有生物數據庫的使用、建立進化樹、序列功能預測、蛋白質三維結構預測與可視化等生物信息學工具的實踐操作能力。課程項目“基于16S RNA序列的微生物系統分類學研究”產出一套生物信息學二級數據庫（細菌標準菌株核糖體16S rRNA序列二級數據庫）和生物信息學工具（微生物16S rRNA進化樹分析系統）。

學生創新能力增強，生物信息學相關成果在學科競賽中獲得優秀成績。本成果激發了學生對生物信息學的興趣，學生參與生物信息學相關科研項目、大學生創新創業大賽、“朔日杯”計算機設計競賽、“挑戰杯”、“互聯網+”、全國大學生生命科學競賽等學科競賽的積極性顯著提高。

總之，本次基于真實問題導向的生物信息學課程教學模式改革實踐取得了較好效果，解決了生物信息學教學過程中學生實踐能力和創新能力培養的真實問題，開拓了生物類專業生物信息學教學體系的新視野，實現了生物信息學課程的項目式教學和線上線下混合式教學以及完整的形成性評價。在課程教學模式改革實踐的指導下，通過生物信息學課程的學習，學生使用生物信息學相關工具對生物學數據分析的能力得到提高，學生的解決實際問題的能力得到提升。同時還廣泛地提高了學生發現與解決問題的本領，提高學生實踐能力，培養學生形成良好的學習習慣和學習方法。