PBL教学法在SCOP结构分类数据库教学实践中的应用*

阚显照 陈冬生 聂刘旺 蒋 澜 杨建课

（1.安徽师范大学生命科学学院 生物信息研究所 安徽芜湖 241000；2.皖南医学院基础医学院 安徽芜湖 241002）

生物信息学是21世纪发展迅速的一门新兴交叉学科。它是计算机与信息科学、化学、数学、物理学与生命科学的融合，主要包括生物数据的收集、存储、检索、处理和建模等， 从而达到阐明生命活动规律的目的。随着第二代核苷酸测序技术（DNA-se q、RNA-seq、ChIP-seq技术等）的广泛应用、第三代核苷酸测序技术（单分子测序技术和纳米测序技术等）的不断出现以及新的蛋白质组学技术（iTRAQ技术、TMT技术等）的不断发展，生物信息学进入了大数据时代。蛋白质分子是一类结构非常复杂的生物大分子，其结构可分为一级结构、二级结构、超二级结构和结构域、三级结构和四级结构。蛋白质结构分类是蛋白质结构研究的一个重要方向，是功能分类和功能进化研究的重要依据。蛋白质结构分类数据库是三维结构数据库的重要组成部分。在教学实践中，我们以安徽师范大学应用生物科学专业二年级本科生为教学对象，采用小班教学，每班不超过32人，每4人为一个小组；在安装有网络的机房及学生班级QQ群里组织教学；以陈铭主编的《生物信息学》（第二版）为教材[1]，选取SCOP2数据库为教学内容，探讨PBL教学法在生物信息学教学中的具体应用。

一、PBL教学法简介

PBL教学法是一种以学生为中心的教学模式， 由老师提出问题，并加以引导，学生通过查阅资料、分组讨论来解决问题。该教学方式于1969年首先在加拿大汉密尔顿的McMaster大学医学院实行，与传统的教学方式有很大的不同。PBL课程是为了激发学习，让学生看到未来角色的相关性和应用。它保持了更高水平的学习动机，并显示出专业态度和团队合作的重要性。

PBL教学法有如下的优点：

1．是以学生为中心的，可以提高学生学习的积极性，能够更好地理解知识；

2．有助于培养学生适应于多种环境的生活技能[2]；

3．可以促进沟通，解决问题，批判性思维，协作和自主学习技能的发展[3，4];

4．能让学生使用真实世界的体验来发挥最佳功能;

5．通过利用集体智慧，能给一个问题提供不同的看法和解决方案。

二、SCOP数据库及其发展

SCOP （The Structural Classif i cation of Proteins） 是蛋白质结构分类数据库，是基于蛋白质结构域和氨基酸序列相似性的人工结构分类库，网址为http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/。该数据库是由Murzin， AG等人于1994年在英国MRC分子生物学实验室和剑桥蛋白质工程中心创立[5]。最新版本为SCOP1.75（2009年6月释放），包括1195个折叠（fold）、1962个超家族 （superfamilies）、3902个家族（families）和38221个PDB条目（PDB entries）。SCOP数据库分类的层次结构有4个: 家族、超家族、折叠和结构类型。将具有明显进化关系的蛋白质聚集到一个家族中，意味着两个蛋白质之间的等同氨基酸残基数超过30%。然而，在某些情况下，虽然两个蛋白质序列不相似，但它们具有相似的结构和相似的功能，表明属于同一个家族。超家族中的成员具有远源进化关系，具有共同的进化源。无论有无共同的进化起源，只要具有相同排列和拓扑结构的主要二级结构，即将蛋白质分类为具有相同的折叠。结构类型包括α螺旋结构域、β折叠结构域等。SCOP的用途是通过序列与结构的关系理解蛋白质进化，以及确定新序列、新结构是否与已知蛋白质相关。

SCOP2是蛋白质结构分类（SCOP）数据库的继承者[6]，网址为http://scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk/。与SCOP类似，SCOP2主要是根据结构和进化关系来组织蛋白质的结构特征。SCOP2中的结构关系分为四大类：蛋白质关系（protein relationships）、结构类别（structural classes）、蛋白质类型（protein classes）和进化事件（evolutionary events）。SCOP2用有向的非循环网状图取代了SCOP的树状层次结构，同时考虑到蛋白质的结构、进化事件与功能类型，这样能够更精确地表示蛋白质之间的结构和进化关系。SCOP2-graph是一个基于图形的工具，用于显示和导航SCOP2节点的图形。

SCOPe是SCOP数据库的扩展[7]，网址为http://scop.berkeley.edu/。SCOPe结合使用手动策略和严格验证的自动化方法，对许多较新的PDB结构进行分类。SCOPe继续开发和维护经典的SCOP层次结构，可能被视为SCOP数据库真正的延续，能不断地进行数据库的更新。SCOPe完全向后兼容SCOP（版本1），最新版本为SCOPe 2.06（2016年1月释放），拥有稳定分类77，439条PDB条目，包括1221个折叠（fold）、2008个超家族（superfamilies）、4851个家族（families）。

三、基于PBL教学法的SCOP结构分类数据库教学实践

陈铭主编的《生物信息学》（第二版）教材中，仅包含SCOP2结构分类数据库的内容。为了更好地了解SCOP数据库的发展历史以及学科的前沿动态，我们在教学设计中，增加了SCOP以及SCOPe的教学内容。

1．课前设计问题

在实施PBL教学前，我们根据教学内容，提出一系列的问题。在这教学个环节中，教师是主体。这些问题主要包括以下几个方面。

一是关于三个数据库的比较问题：（1）蛋白质有哪些结构类型？对应的英文各是什么？SCOP2是SCOP的更新版，请问这两个结构分类数据库有哪些区别？（2）在SCOP2数据库中蛋白质类型（Protein types）有哪些？（3）还有一个升级版数据 库SCOPe，请指出SCOPe和SCOP两个数据库的关系？（4）怎样查询SCOP、SCOP2和SCOPe数据库？

二是关于教材内容正确性的问题：教材中指出SCOP2结构分类数据库把所有已知三维结构的蛋白质分成4个层次：家族、超家族、折叠和结构类型，这是否正确？

三是关于蛋白质结构基本知识的问题：（1）什么是蛋白质进化事件（Evolutionary events）？（2）在蛋白质水平上，怎样理解科（family）、超科（Superfamily）和上科（Hyperfamily）？（3）在蛋白质结构中，如何理解fold和domain的关系？

四是关于蛋白质三维结构可视化的问题：（1）有哪些蛋白质三维结构可视化软件？（2）在unix/linux系统下，如何安装蛋白质可视化软件？

五是关于数据库关联的问题：怎样把结构分类数据库和结构数据库PDB关联起来？

六是获取科学文献资源的问题：如何获取发表数据库资源时的英文文献？

将上述问题，在课前通过班级QQ群发布。这些问题的提出，让学生产生疑问，能有效地激发学生对生物信息学学习的兴趣。

2．查找资料和分组讨论

在这个环节中，学生是教学的主体。我们把学生分成4人一个小组，全班约7-8个小组。由班级学习委员将教师提出的问题分配给各小组。学生可以利用互联网的资源，针对所分配的问题，查询相关资料。查询的工具可以是手机、iPad、笔记本电脑和我们教学机房的台式机，网络可以利用校园网、电信网、移动网等。对于科学文献，可以搜索我校图书馆的电子版资源或纸质版资源。由小组长负责，在课堂教学前组织2-3次的分组讨论，主要了解小组成员查阅资料的进度，另外对相关问题进行小范围的讨论。

课堂集中交流与总结

这是课堂教学环节，学生和教师的作用都很重要。我们的教学地点是安徽师范大学生命科学学院的生物信息学机房。先由教师把本节内容的问题简要介绍一下，然后由各小组选派代表进行汇报。教师对每小组的汇报结果加以简要的点评。最后，由教师对本节教学内容进行总结。

四、教学效果

通过多次教学实践，我们发现，PBL教学方式在我校应用生物学专业生物信息学教学中取得了良好的教学效果。学生通过以问题为导向的教学方式，学习知识、掌握知识、应用知识的能力得到了大力的提高。这些能力的提高主要包括几下几个方面。

1．生命科学专业英语阅读能力的提高。由于本节数据库教学内容的网站均为英文网站，学生必需要弄清专业英文单词和语句的含义，经过长期的训练，学生的英文阅读得到了一定程度的提高。这也为以后用英文写科学论文打下良好的基础。

2．科学质疑能力、严谨能力的提高。例如，通过学生查阅资料，同学们发现陈铭主编的教材中关于SCOP2结构分类层次的描述是错误的。已知三维结构的蛋白质分成4个层次：家族、超家族、折叠和结构类型，这是SCOP和SCOPe两个数据中所采用的。而SCOP2采用的结构层次为蛋白质关系、结构类别（structural classes）、蛋白质类型和进化事件。

3．查阅文献能力的提高。学生不仅能通过查阅我校图书馆的资源，而且还能充分利用国内学术论坛（如小木虫、科学网等）、国外学术论坛（如ResearchGate）、生物信息学专业QQ群、微信群，以及NCBI的PUBMED数据库，这极大地提高了学生的搜索文献能力。

4．学生升造竞争能力的提高。通过PBL教学方式的实践，附着我校应用生物科学专业学生多方面能力的提高，考研升造的竞争能力得到了很大的提高。以2016届学生为例，本专业共有46名同学，毕业时有29名同学被录取为研究生（大部分为中科院、985和211高校），考研录取率为63%，在安徽师范大学80多个专业中排名第一。

PBL教学法的实施，能够提高学生多方面的能力，同时对教师的综合素质又是一个极大的挑战。生物信息学的知识更新非常快，教师的备课必须要与时俱进。

[1]陈铭，等. 生物信息学（第2版）[M]. 北京：科学出版社，2015

[2]Wood, DF. ABC of learning and teaching in medicine: problem based learning [J]. British Medical Journal, 2003 (326): 328–330.

[3] Barrett, T. The problem-based learning process as fi nding and being in fl ow [J]. Innovations in Education and Teaching International,2010, 47 (2): 165-174.

[4]Wells S, Warelow P, Jackson K. Problem based learning (PBL):A conundrum [J]. Contemporary Nurse, 2009, 33(2): 191-201.

[5]Murzin A G, Brenner S E, Hubbard T, et al. SCOP: a structural classif i cation of proteins database for the investigation of sequences and structures[J]. Journal of molecular biology, 1995, 247(4): 536-540.

[6]Andreeva A, Howorth D, Chothia C, et al. SCOP2 prototype:a new approach to protein structure mining[J]. Nucleic acids research,2013, 42(D1): D310-D314.

[7]Fox NK, Brenner SE, Chandonia JM. 2014. SCOPe: Structural Classification of Proteins—extended, integrating SCOP and ASTRAL data and classification of new structures[J]. Nucleic Acids Research,2014, 42(D1): D304-D309.