基于翻轉課堂的生物信息應用工具普及

盧彥　張冬梅

摘? 要：生物化學的研究對象的復雜性和研究手段的多樣性，決定其教學的面廣、概念多、難度大。因此，新的教學改革與創新勢在必行。翻轉課堂是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。該文的教學團隊引導學生在翻轉課堂教學環節中普及生物信息學工具，并以“生化集結號”為教學活動主題，在教學實踐中對于該模式進行一系列教學改革探索。

關鍵詞：翻轉課堂；生物化學；信息技術工具；生化集結號；教學實踐

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0089-04

Abstract： The complexity of the research objects and the diversity of research methods in biochemistry determine the breadth of its teaching， many concepts and great difficulty. Therefore， new reform and innovation in teaching are imperative. A flipped classroom is a realignment of time inside and outside the classroom， shifting how to learn from the teacher to the students. With the slogan "Biochemical Assembly"， the author's teaching team guided students to popularize bioinformatics tools in the flipped classroom and carried out a series of teaching reform explorations for this model.

Keywords： flipped classroom; biochemistry; information technology tools; biochemical assembly number; teaching practice

就自然科學而論，沒有一門科學比生命科學更為復雜，更為神秘，更為與人類自身息息相關。長期以來，人們為探索生命進行了不懈的努力，而生物化學就是研究生命現象及其本質的一門基礎學科。生物化學是介于生物與化學之間的一門基礎學科，其主要是利用化學的理論和方法，研究生物的化學組成，以及生命活動過程中的一切化學變化[1]。生物化學的研究對象的復雜性和研究手段的多樣性，決定了其教學的面廣，概念多，難度大。原有的單一課堂講授書本知識，已不能滿足實際的學生日益增長的知識渴求和實際工作需求。因此，新的教學改革與創新勢在必行。

信息技術（Information science）是研究信息的獲取、傳輸和處理的技術，利用現代電子通信技術從事信息采集、存儲、加工、利用以及相關產品制造、技術開發、信息服務的學科。生物信息技術（Bioinformatics technology）的特點就是利用信息技術，研究生物學的理論，變革生物學的技術。信息技術為生物技術的發展提供了強有力的計算工具，還有助于加強生物技術領域的各種數據庫管理、信息傳遞、檢索和資源共享等[2]。

翻轉課堂是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。在這種教學模式下，學生在課前完成一定量的自主學習，教師在課堂里更多地講授知識的難點，參與課堂的討論，積極與學生互動，以及進行習題答疑等面對面交流。翻轉課堂也有一定的局限性，例如如何調動學生的自主學習的積極性，如何加強教師在翻轉課堂上的引導作用。因此，選取合適的翻轉主題和內容是生物化學課翻轉優劣成敗的關鍵[3]。考慮到生物信息學與生物化學學習中的密切關系，筆者的教學團隊在翻轉課堂中選取了生物信息學工具作為翻轉課堂主題，以“生化集結號”為教學活動標語，在課內外教學實踐中對于該模式進行了如下探索。

一? 生物化學課程中的生物信息技術知識

從靜態分子結構到動態生理代謝，生物信息技術貫穿整個生物化學（以下簡稱“生化”）學習過程，熟練地掌握一些基本的生物信息技術工具已經成為生化課的前序知識準備[4]。為此，我們在學期開始之前發布課程大綱，布置相應的預習作業，要求學生掌握基本中英文文獻檢索數據庫，如webofScience，能夠熟練地通過如關鍵詞、作者、摘要等主題進行文獻檢索，同時要求學生準備生化專業名詞詞典。

由于生物信息技術是一門全新的邊緣學科，該課程一般作為高階課程，在高年級本專業學生中進行指定選修，而大部分的學生在入門階段無法得到系統的學習機會。據此，我們將生化課程中涉及的生物信息技術知識，按照其需求程度分為基礎生物信息技術工具和高階生物信息技術工具，基礎工具主要涉及信息的確認和檢索，高階工具主要以信息的分析、歸納和再加工為主（詳見表1）。在實際教學中，以學科知識群為分類標準，融合穿插生物信息技術知識點。鑒于生化學時少，內容多的特點，在課堂教學時段里，我們穿插介紹基礎生物學信息相關技術工具，鼓勵學生課前課后利用相關工具，理解、熟悉并拓展學科知識。例如，在酶學導論這一章節中，引入酶的經典數據庫，幫助學生理解酶的分類方法，同時學會查詢酶的各類參數。而高階工具一般會作為混合式課程或翻轉課堂學習內容，供學生自學、互學。

二? 翻轉課堂的實例

由于高階生物信息技術知識具有分散度大、跨度廣、更新快的特點，普通課堂面授不能將其一一展開。而翻轉課堂主要由學生主導，學生群體的信息接受面廣，流傳速度快，資源相對豐富，有利于高階技術的收集、學習和推廣。因此，我們以“生化集結號”為活動主題，開展了生物信息技術“翻轉課堂”教學探索。“生化集結號”要求學生：①與大家分享一個實用的生化學習或研究/軟件/在線網址/APP，并制作簡單的PPT教會大家使用。②以微視頻或錄播PPT的形式展現，時長不超過4分鐘，解說詞一般不超過1 000字。在學期的前幾周，我們可以將上學期學生制作的集結號作為示范分享給學生學習，同時避免出現重復的集結號主題。第6周開始收集集結號選題，并開展一系列課外輔導，確保學生選題無偏差。第15—16周，主要收集集結號作品，并在網盤中進行共享，投票小程序進行學生互評，投票，選出優秀作品。在課間，對部分有代表性的作品進行集中播放，教師學生參與點評。最后，將本學期的集結號在公共網盤上進行分類整理，并繼續提供給下屆學生學習，形成良好的正循環效應，時間軸如圖1所示。

圖2展示為2021年度集結號翻轉課堂實例，圖2（b）為節選翻轉課堂優秀作品，其中囊括了藥靶數據庫、化學物作圖軟件、蛋白質綜合數據庫等高階生物信息技術工具。同時，我們還在班級內部展開投票互評，選出同學們認為優秀的作品（圖2（a）），做到了以學生為中心的翻轉課堂。此外，老師利用課間時間選取播放的部分翻轉課堂視頻，不僅節約了課內時間，也可以充分利用師生互動，進一步推廣了翻轉課堂的成效。

三? 翻轉課堂的成果

經過2021—2022年的摸索，集結號翻轉課堂效果已初見成效。我們將集結號作品按照其性質分為5大類，分別為軟件、數據庫、文獻檢索和其他（表2、表3）。其中，數據庫工具占比較大，其次是軟件，說明這兩種資源豐富，同時也證明學生更有興趣去發掘。在兩屆學生的作品集中，幾個與文獻相關的檢索工具都是比較特殊或者比較冷門的工具，說明大部分的學生已經熟練掌握常規文獻檢索工具。但是，也有熱門工具，如jove視頻文獻雜志，由于本科階段使用率較低或網絡資源不可用而被忽視。針對此，有學生制作了集結號作品，指導大家如何免費獲得其中的資源，因此，獲得了學生的好評。還有學生另辟蹊徑，找到了“Foldit”蛋白質折疊網頁游戲，看似有些“離經叛道”，但從打分情況看，也收獲了不少學生的好評。“biology stack exchange”是一個類似“知乎”的生物學問答網站，在第一屆學生已經制作了集結號的基礎上，第二屆學生仍然要求制作新的解說，說明該網站的功能在“不斷擴大與革新”，這也符合我們舉辦集結號活動的初衷，即收集資源并不斷更新。

四? 翻轉課堂的經驗與反思

早在2019年筆者開始醞釀在生化教學中開展“生化集結號”這一自主學習活動，旨在調動學生的主觀能動性，同時收集生化的最新技術方法、熱門理論、研究成果等。由于最開始并沒有很好地聚焦，導致學生收集資料比較盲目，或者范圍狹小或者缺乏亮點。同時因為只是以單純的作業的形式發布和收集，導致即便有好的資料也很難在學生中進行推廣，活動效果一般。2021年，我們改進了集結號，將范圍縮小至“生物信息技術研究工具”，不僅聚焦了前沿的研究方法，學以致用，學生對其感興趣程度高，還通過與翻轉課堂結合，采用互動互評的方式，學生對其響應度高。此外，我們還在學期末為學有余力的同學布置了難度較高的探索型作業，例如選取一條代謝途徑，通過數據庫檢索其中代謝酶的翻譯后修飾，并進行統計排列和作圖。該作業沒有對應數據庫可以進行直觀的檢索，而需要將各種數據庫綜合利用，并需要文獻輔助，這項作業的完成對于初步學習了信息工具的同學們是一項挑戰也能形成一種反思：即單一的檢索工具并不能解決所有問題。

經過兩年的課后問卷調查，學生反映平均完成一次集結號所需花費的時間為4小時，包括查資料，制作腳本PPT等。完成翻轉課堂前，學生對集結號中提及的工具的熟悉程度只有22%，但期末測驗中，90%的學生都能回憶起三個新工具，并能簡單說明其功能。100%的學生表示從“集結號”中學到至少1個今后會經常使用的工具。

計算機和信息技術的不斷發展為生化集結號翻轉課堂提供了豐富的資源，但如何分辨其中的優劣，需要教師們加以引導和把關。筆者團隊目前正在同步著手收集生化乃至生物學研究的常用和熱門工具，主要采用問卷調查的形式在本校研究生中進行收集，用作每期集結號的待選命題。同時也鼓勵課程的研究生助教，結合自身科研經驗，制作一期集結號作品，用作范例和模板供學生參考。

五? 結束語

步入信息時代，我們每個人都身處一個電子工具溢出的環境中，層出不窮的軟件、工具、APP方便了我們的學習和研究，但同時也會使我們焦慮“是否還有更好的方法，更簡單的工具？”。眾人拾柴火焰高，期望生化集結號能在這方寸課堂喚起學生們對知識的渴望，同時也能啟發教師，豐富教學內容，創新教學課堂，師生互動，教學相長。

參考文獻：

[1] 張冬梅，陳鈞輝．普通生物化學[M]．北京：高等教育出版社，2021．

[2] 孫清鵬.生物信息學應用教程[M]．北京：中國林業出版社，2012．

[3] 何克抗.從“翻轉課堂”的本質，看“翻轉課堂”在我國的未來發展[J].電化教育研究，2014，35（7）：5-16.

[4] 盧彥，楊榮武.數據庫融入生物化學課程的教學探索[J].生命的化學，2021，41（7）：1384-1389.

基金項目：江蘇省教育廳教學項目“江蘇高校‘青藍工程優秀教學團隊”（蘇教師函〔2011〕11號）

第一作者簡介：盧彥（1978-），女，漢族，江蘇啟東人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為生物化學教學與研究。