任務驅動教學法在高校生物信息學教學中的滲透

摘要：文章探討任務驅動教學法在高校生物信息學教學中的應用，并結合實踐經驗，從構建問題情境、強化實驗技能、完善評估機制三個方面，提出在高校生物信息學教學中實施任務驅動教學法的具體策略，期望研究成果能夠為教育工作者和研究人員提供有價值的參考。

關鍵詞：任務驅動教學法；高校；生物信息學

一、任務驅動教學法概述

任務驅動教學法是一種以完成特定任務為中心的教學策略，它強調通過解決實際問題來促進學生的學習。與傳統的講授式教學模式不同，任務驅動教學法更加注重學生的主動參與和實踐能力的培養，鼓勵學生在解決問題的過程中學習知識和技能。在任務驅動教學法中，任務是學習過程的核心，通常與真實世界的問題或挑戰緊密相關，旨在激發學生的學習興趣，提高他們的動手能力和創新能力。

任務驅動教學法的基本理念認為，學習是一個積極構建的過程，學生應該在教師的引導下，通過參與具體任務的解決，自主探索和發現知識。這種方法不僅可以幫助學生更好地理解和掌握學科知識，還可以有效提升他們的團隊合作能力、溝通交流能力及批判性思維。在實施過程中，教師的角色從知識的傳遞者轉變為學習活動的設計者和指導者，他們需要精心設計任務，確保任務具有足夠的吸引力和挑戰性，同時為學生提供必要的支持和反饋，幫助學生克服學習過程中遇到的困難。

二、任務驅動教學法在高校生物信息學教學中的滲透策略

（一）構建問題情境

任務驅動教學法的實施需要教師構建合適的問題情境，這些問題情境應緊密聯系學科特點和現實生活，并具有一定的挑戰性，才能夠激發學生的探究欲望，促使學生思考并采取行動。在設計任務時，教師應考慮到任務的可行性、趣味性和教育價值，確保每個任務都能促進學生在知識、技能、情感態度等方面的全面發展。此外，任務的設計還應注重開放性和靈活性，教師應允許學生根據自己的興趣和特長選擇不同的解決方案，以此培養學生的創新意識和批判性思維。

例如，昆明醫科大學海源學院的教師在教授基因序列比對算法時，首先介紹了基因序列比對的基本原理和常用工具，如BLAST（基本局部比對搜索工具）、ClustalW（一種常用的多序列比對程序）等，并講述了這些工具在醫學研究中的應用背景。隨后，教師提出了一個具體的問題情境：“假設你們是某研究團隊中的一員，現在需要從大量的基因數據中篩選出與肺癌相關的基因，你們將如何利用現有的生物信息學工具完成這項任務？”

為了完成這個任務，學生被分成幾個小組，每組負責分析不同的基因數據集。每個小組都需要合作討論并嘗試不同的解決方案。在這個過程中，昆明醫科大學海源學院的教師為學生提供了及時的支持，比如指導學生如何使用在線BLAST服務來對比基因序列，以及如何解讀BLAST報告中的E值、得分和其他重要參數。

此外，教師還設置了一系列的實踐活動，包括演示如何下載和處理來自公共數據庫如NCBI（美國國家生物技術信息中心）的基因序列數據，以及如何運用ClustalW進行多序列比對。這些實踐環節強化了學生的實際操作能力。在整個項目期間，學生定期舉行進度匯報會議，展示他們的發現，并討論遇到的技術障礙。

最終，經過幾周的努力，學生成功識別出了幾個可能與肺癌相關的候選基因，并撰寫了一份研究報告，詳細描述了他們的方法論、結果以及對未來研究方向的建議。這次經歷極大地激發了學生學習生物信息學的興趣，并且為他們在未來從事科學研究打下了堅實的基礎。這不僅是對生物信息學基礎理論的有效學習，也是對科學研究過程的深刻體驗，有助于培養學生的批判性思維和解決問題的能力。

（二）強化實踐技能

任務驅動教學法不僅是一種有效的教學手段，還是培養學生思維能力的重要途徑。教師可以通過設定具體且富有挑戰性的任務，將學生置于真實或模擬的問題情境中，讓他們學會運用已有的知識和技能去解決實際問題。這一過程不僅可以激發學生主動學習的興趣，還可以促進他們批判性思維、創新思維和問題解決能力的發展。任務驅動教學法強調的是“做中學”，即通過實際操作和親身體驗來深化對知識的理解，從而達到理論與實踐的有機結合。在任務的完成過程中，學生需要不斷思考、分析、推理和驗證。這些活動能夠有效鍛煉學生的邏輯思維和科學素養。

以基因表達譜分析為例，昆明醫科大學海源學院的教師在組織學生進行基因表達譜分析時就采取了任務驅動教學法。首先，教師安排了一個基礎任務，要求學生從公共數據庫GEO（基因表達概要數據庫）或TCGA（癌癥基因組圖譜計劃）下載與肺癌相關的基因表達數據。在這個過程中，學生學會了如何根據研究目的篩選合適的樣本和實驗條件，以及如何理解并處理不同格式的數據文件。

隨后，教師設計了一個中級任務，即利用R語言（一種專為統計分析和繪圖設計的編程語言）中的Bioconductor包（一個專門用于生物信息學數據分析的開源軟件項目），對學生之前收集到的數據執行差異表達分析。在這個階段，學生通過實操掌握了從數據預處理（包括歸一化和批次效應校正）到差異表達基因鑒定的全流程。在此過程中，教師不僅提供了詳盡的操作指南，還準備了幾份包含注釋的R腳本供參考，幫助學生理解每一個步驟背后的邏輯。

最后，作為高級任務的一部分，學生被要求深入挖掘那些顯著差異表達的基因，并探討它們可能在肺癌發病機理中扮演的角色。為此，學生閱讀了大量的科研文獻，并結合所學的分子生物學知識，構建了關于某些關鍵通路或基因網絡功能失調可能導致腫瘤發生的假說。接著，學生嘗試設計了虛擬實驗方案，用以測試這些假設是否成立。通過上述由淺入深的任務設置，學生不僅獲得了處理復雜生物信息數據的第一手經驗，還提高了獨立思考與解決實際問題的能力。

（三）完善評估機制

任務驅動教學法的成功實施不僅依賴于精心設計的任務，還離不開科學合理的評估機制。評估不僅是對學生學習成果的檢驗，還是對教學過程的有效反饋，能夠幫助教師及時調整教學策略，提高教學質量。在任務驅動教學中，評估機制的設計應注重多元化和過程化，既要考查學生的最終成果，也要關注他們在任務完成過程中的表現。這種評估方式能夠更全面地反映學生的學習狀況，激勵學生積極參與任務，提高他們學習的主動性。

以“基因組重測序數據分析”為例，昆明醫科大學海源學院通過以下方式完善了評估機制。首先，教師設計了一個基礎任務，要求學生從公共數據庫1000 Genomes Project（千人基因組計劃）下載人類基因組重測序數據，并使用生物信息學工具BWA（伯羅斯-惠勒變換比對器）進行比對分析。在這一階段，教師通過形成性評估，定期檢查學生的任務進度，重點關注他們在數據下載、比對參數設置、結果解讀等方面的表現。為了保證評估的客觀性和公平性，教師提供了一套詳細的評分標準，涵蓋了數據下載的完整性、比對參數的合理性、結果解讀的準確性等多個方面。此外，教師組織了小組討論，鼓勵學生分享自己在完成基礎任務時的經驗和遇到的問題，以便相互學習和支持。這不僅促進了學生間的交流，也使得一些常見的技術問題得以快速解決。

其次，教師設置了中級任務，要求學生分析基因組變異，識別單核苷酸多態性和插入/缺失變異。在此期間，學生使用變異檢測工具如GATK（基因組分析工具包）進行了變異識別，并對結果進行注釋和解讀。在這個階段，教師繼續通過形成性評估來跟蹤學生的進步，特別是他們在工具使用上的熟練度以及結果解讀的準確程度。同時，教師提供了多個案例分析和詳細的指導材料，幫助學生更好地理解復雜的變異分析過程。此外，教師還安排了中期匯報會，讓各小組展示自己的工作進展，也為學生提供了接受同伴和教師反饋的機會，以此促進工作的不斷完善。

最后，教師布置了高級任務，鼓勵學生基于之前發現的特定基因變異，探索其與某種疾病（如乳腺癌）之間可能存在的關聯，并據此提出潛在的臨床應用建議。這項任務要求學生不僅需要具備扎實的生物信息學技能，還需要具備一定的醫學知識，能夠將所學知識應用于實際問題的解決之中。在此過程中，學生被要求撰寫一份研究報告，總結他們的研究成果。教師則通過終結性評估來評判學生的最終作品，包括報告的質量、數據分析的深度以及結論的合理性等。為了保證評價的全面性和公正性，教師制訂了一套詳細的評分準則，涉及報告結構的邏輯性、數據分析的深度、結論的創新性等多個維度。通過這種由淺入深的任務設計及配套評估機制，學生不僅能夠系統地掌握基因組重測序數據分析的關鍵步驟，還在實踐中不斷提高了個人的研究能力和團隊合作技巧，為將來從事相關領域的工作打下了堅實的基礎。

三、結語

任務驅動教學法在高校生物信息學教學中的應用，為解決傳統教學模式中存在的問題提供了新的思路和方法。任務驅動教學法通過構建問題情境、強化實踐技能、連接現實生活、完善評估機制，不僅促進了學生對生物信息學基礎知識的深入理解，還激發了學生的學習興趣，提高了學生的實踐能力和創新能力。這種以學生為中心、以任務為導向的教學模式符合現代教育理念，有助于培養適應未來社會需求的高素質人才。隨著教育技術的發展和教學理念的更新，任務驅動教學法必將在生物信息學乃至整個高等教育領域發揮更大的作用，為培養更多優秀的生命科學專業人才作出貢獻。

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基金項目：2024年教學研究與教學改革建設項目“以多元化教學為導向的《分子生物學》與《生物信息學》教學改革”階段性成果之一，項目編號：YZ2024JG009。

（作者單位：昆明醫科大學海源學院）