PBL教学法应用于生物信息学教学的探索

张林

21世纪是生命科学的时代，也是信息时代。随着分子生物学、测序技术以及人类基因组计划的深入展开，各种生物医学数据已达到海量级别。在后基因组时代，一方面是巨量的数据，另一方面是我们在医学、药物、农业和环保等方面对新知识的渴求，这些新知识将帮助人们改善其生存环境和提高生活质量。这就构成了一个极大的矛盾。如何从海量生物医学数据中获取新的知识呢？1956年，在美国田纳西州盖特林堡召开的首次“生物学中的信息理论研讨会”上学者们提出了生物信息学的概念。1987年，林华安博士正式为这一领域定下生物信息学（Bioinformatics）这个称谓，一门新兴学科——生物信息学应运而生[1]。

一 生物信息学的学科特点

生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象、组织和分析呈现指数增长的生物医学数据的一门学科。它主要包括两重含义：一是对海量数据的收集、整理与服务，即管理好这些数据；二是从中发现新的规律，即利用好这些数据。生物信息学的实质就是利用计算机科学和网络技术来解决生物学问题。它的出现极大地推动了分子生物学等相关学科的发展。它不仅是一门新学科，更是一种重要的研究开发工具。生物信息学几乎是今后所有生物（医药）研究开发所必需的工具。

生物信息学与其他的生物医学学科相比，有很大的不同，主要有以下三大特点：

第一，以生物医学数据库为基础，数据极其庞大复杂。随着组学时代的来临与深入，生物医学数据正呈现指数级别的增长。根据权威的《Nucleic Acids Research》统计，截止2014年，全球共有约2100个主要的生物医学数据库，涵盖了生物医学研究的诸多领域。从研究层次上看，包括核酸、蛋白质、结构、基因组、蛋白质组、人类基因和疾病、细胞器官、免疫学等14类数据库。从研究种类上说，包括动物、植物、真菌、原核生物、病毒等30余万种生物。仅登录在美国GenBank数据库中的核酸序列就超过1亿条，DNA序列总量超过1000亿碱基对；在UniProt中，共收录蛋白质序列约1000万条；在PDB中，共收录蛋白质结构数据超过8万个。

第二，生物信息的操作分析主要以计算机为工具，在互联网环境中运行，通过网络强大的搜索功能完成数据收集、储存、管理与提供。

第三，生物信息学是一门生物医学、数学、信息科学以及计算机科学等诸多学科综合交叉的前沿产物，与其他学科相比，综合交叉性强、难度大、发展时间短、还在不断完善与更新中。因而目前还没有成熟的生物信息学教学模式，各高校，尤其是医学院校，尚处于摸索探讨的阶段。

二 生物信息学现有教学模式的不足之处

目前，国内的生物信息学教学基本沿用以“教师讲授为主”的传统教学模式。以课堂为中心、以理论教学为主，进行“满堂灌”式教育，“照本宣读”的方式也比较常见。缺乏与生物信息学交叉前沿性特点相适应的新型教学模式。同时，实验教学方式比较单一，常以验证性为目的，有些甚至成为了“文献检索”课程，缺乏和专业相适应的综合性、设计性实验，结果出现了理论和实践相脱节的现象。

三 关于PBL应用于生物信息学教学的探索

1 PBL教学法的优势

“基于问题的学习（Problem based learning）”，简称PBL[2-4]，是美国广泛采用的一种探究性、任务驱动式学习模式。此方法与传统以学科为基础的教学法有很大的不同，强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中强调的以教师讲授为主，比如将学习与更大的任务或问题挂钩、使学习者投入于问题中、设计真实性任务、鼓励自主探究、激发和支持学习者的高水平思维、鼓励争论、鼓励对学习内容和过程的反思等。在医学教育中，PBL教学强调以设置问题的方式为学生创造一种特定的疾病发生的情境和诊治的氛围，通过学生的相互协作来共同解决实际问题，最终实现培养学生独立处理和解决实际问题的能力的目标。这种教学模式很好地解决了理论与实际脱节的矛盾。

2 PBL教学法在生物信息学教学中的实际应用

（1）分组。根据能力和兴趣分组，选择能力互补且有共同兴趣的学生组成不同学习小组，一般以3～4人为一组，对于总体能力特别强的小组可以适当减少人数。

（2）提出教学目标，布置真实性任务。首先，布置基础性教学任务，这类教学任务的目的是为了巩固学生的基础知识，培养学生的基础能力。例如，该类任务可由四个子科目组成：“生物医学数据库识别与理解”、“通过Entrez和SRS系统进行生物医学数据的检索利用”、“blast序列比对”、“clustalw多序列比对”。这是必选任务，每个小组都必须完成，为下一步实行探究性任务打下基础。

然后，根据不同小组的兴趣和特点，分配不同的探究性任务。例如，“新基因的发现与鉴定”、“某某疾病基因的分析与鉴定”等。这类问题并无现成答案，学生必须自己查阅资料、进行归纳分析、确定实验步骤、完成任务。例如，对于“新基因的发现与鉴定”这项任务，最终可由如下步骤组成：①利用EST数据库获得基因重叠群；②新基因的拼接获得；③所得基因的性质分析；④启动子分析；⑤编码区分析；⑥新基因的人工翻译；⑦所得蛋白质的功能分析。这些步骤和每一步的实现方法都将由学生在已有的知识基础上，通过查找文献、互相讨论、探索获得，最终完成该项任务，写出任务报告。

（3）定期讨论。定期安排学生集中讨论。每次讨论主要完成两方面工作：一是对任务进展进行报告，二是对所遇到的问题进行互相交流。教师全程参与，对疑难问题作出提示和建议。

（4）成果汇报。任务完成后，进行集中汇报。让学生对任务期间所做工作、获得的结果进行汇报。

（5）教师评价、反馈。由指导教师对任务完成过程及结果进行点评，对学生掌握知识的程度及学生的科研、应用能力进行评价，并提出进一步的提高方向。

（6）延伸阶段。鉴于生物信息学都是在临近毕业时进行教学，对于有兴趣的学生，可以将探究性任务扩展成毕业设计，进行模块化分流教学。

3 在生物信息学中运用PBL教学法的优势

（1）生物信息学的学习是一个运用生物医学、数学、信息科学以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断、推理、综合的实践过程，PBL教学法的应用可充分调动和发挥学生的主观能动性，着重培养学生解决实际问题的综合分析、判断及实践动手能力。

（2）在保证教学质量的前提下，可明显减少传统的灌输式教学工作和学习的负担，同时能让学生在短时间内熟悉多种生物医学数据库、掌握多种生物信息软件的使用方法、了解生物信息手段在生物医学中的各种应用。

（3）在相互合作的过程中，学生不仅学到了获取知识的方式，更重要的是提高了学生的兴趣、交流意识和团队责任感等科研必备素质和能力。

（4）在完成真实性任务的过程中，可让学生熟悉完成科研工作的方法步骤，培养学生完成科研任务的能力。

（5）小组讨论时，可培养学生捕捉有价值信息及质疑能力，同时也充分发掘教师的创造潜能，真正做到教学相长。

四 PBL在生物信息学教学中应用面临的问题

虽然PBL模式符合解决生物信息学问题在医学领域中的特点，但也存在实际操作问题。首先对教师提出了更高的要求。例如，要求指导老师在整个教学过程中要启发学生思考，引导他们发现问题、提出问题、找到答案、获得解决问题的能力和技巧，而不是直接给学生提供参考答案。其次是学习资源必须充足，主要包括网络资源、图书资料等教学硬件设施和相关的教学软环境。另外，在教学过程中，个别学生对教学模式的误解，采取消极参与的方式，甚至抵触；个别学生会过分依赖指导教师的总结，不能独立思考、讨论和总结；个别学生讨论只抓表面问题等等，都是不可回避和忽视的问题。

尽管PBL模式还存在着一定的问题和难度，但随着知识和经验的积累，将成为生物信息学的有效教学模式。

参考文献

[1]陈铭，包家立.生物信息学[M].北京：科学出版社，2013.

[2]Hussain R， Mamat W， Salleh N. Problem-based learning in Asian universities[J]. Studies in Higher Education， 2007，32（6）：761-772.

[3]刘忠秀. 医学教育中PBL教学模式应用的探讨[J].中国高等医学教育，2008（1）：1，16.

[4]Hartling L， Spooner C， Tjosvold L， et al .Problem based learning in pre-clinical medical education 22 years of outcome research[ J]. MedTeach， 2010， 32（1）： 28-35.