PBL教学法在生物信息学课堂教学中的应用

杨志远

（杭州电子科技大学人工智能学院 浙江·杭州 310018）

0 引言

伴随着DNA双螺旋结构的揭示，生物信息学这门交叉课程随之兴起。目前多数综合类大学都开设了生物信息学课程，来提高学生对生物学软件工具的掌握能力。由于传统的教学方法，是以教师为中心被动地传授知识，学生主动学习的积极性不强，不能很好地理解生物信息学其中的概念和方法。这导致所学的理论和方法不能灵活应用，还可能使学生失去兴趣，教学效果不够理想。问题导向学习 (Problem-Based Learning,简称PBL)教学法是在传统基础上以“问题”作为引子，来合理地讲授生物信息学的内容。传统的教学模式是以教师为中心给学生灌输知识。而PBL教学法，以学生为主体，教师主要其引导作用，学生需提前预习课程相关资料，可以自己提出问题或者教师给定问题，最后通过课堂讨论或者现场展示的方式，来更好地解决问题。学生，本身是教学的主体，教师需要提供更符合实际情况的方法，来传达生物信息学中的算法和应用。PBL教学法通过选取现实中的例子，来阐述其中的底层涵义，能够更好地服务于学生，让学生理解生物信息背后隐藏的算法和原理，加深印象。本教学法，也可以通过启发学生的兴趣来达到传授知识点的作用，让学生在快乐中不知不觉学到知识。

1 生物信息学教学现状

上世纪90年代以来，伴随着基因组测序技术的进步，生物学的算法和软件以迅雷不及掩耳之势取得了快速发展，成为了生物科学研究的必要技术，由此诞生了生物信息学(Bioinformatics)学科。生物研究者可以通过计算机、信息技术和生物技术相结合的方式，来探究生物学大数据其中的密码。因此，对于生物医学工作者而言，掌握必要的生信知识是必不可少的。生物信息学是目前生物学研究的一个重要分析，其研究的主要内容包括：基因组注释，基因调控网络分析，非编码RNA分析，新一代基因组测序技术和蛋白质序列分析等等。目前，生物信息学已经广泛运用于食品检测、病毒疫苗生产、细菌耐药性测试和微生物临床检验等实际问题中。基于本学科的重要性，绝大多数学校均开设了生物信息学课程。由于生物信息学是跨学科研究，其教学涉及到数学和计算机的融合，在教学过程中，枯燥的理论和概念较多，传统的教学效果不理想。本文根据实际学科教学过程中存在的一些问题，总结出一种较好的教学方法，用于生物信息的教学中，取得良好的效果。

2 PBL教学法在生物信息学课程中的实施

生物信息学是生物学领域的一门重要专业课程，该课程讲述了如何利用信息学技术来处理生物学问题等等。本课程有着许多抽象的概念，对于纯生物背景的人，或许比较难以理解，教师需要不断探索新的合适的方式，来讲述这些枯燥的知识。因此，尝试应用PBL教学法在课程中，有着很大的意义。本论文以《序列比较和同源分析》这一章节为例，讲授一下PBL教学的具体实施办法。

2.1 课前培训和自主学习

在施行PBL教学前，教师先对学生进行PBL的理论常识进行培训，使学生对PBL教学法有一个必要的了解。同时，教师需要对下节课的内容进行简要介绍和任务布置。以《序列比较和同源分析》这一章节为例，本章要求学生掌握序列比对的算法、蛋白质比对所使用的工具和序列同源结果的解读，并学会使用在线工具查找同源序列等等。教师将学生4-5人分为一组，把学生分成不同的几个小组，每组安排一个组长。教师根据学生的数量确定最终为分组的数量（6组）。教师根据《序列比较和同源分析》章节的内容，提出6个有实际意义的问题，学生可以从中自由选择问题，进行讨论。教师将课程资料上传到班级课程QQ群和超星泛雅平台，供学生参考和使用。当然，学生也可以通过网络查询资料，自我提出问题。组内成员在课下进行讨论，有疑问请教老师或者查阅文献，组长通过总结本组的意见，最终制作出PPT。

2.2 课程中的讨论和解答

在开展讨论前，教师先用10分钟时间，讲授蛋白质序列比对的原理、使用的打分矩阵、比对结果的解读和同源序列的确定等。学生以小组为单位向老师汇报所选的问题，并在课堂上进行展示。在此过程中，教师在现场进行引导、答疑、点评和讲解，来完成这一章节内容的消化。继续以《序列比较和同源分析》章节为例，教师对各组进行排序，然后根据排序的先后顺序，抽取某一个小组来讲台上汇报讨论的结果。各个组长对作为代表上台做报告，其他小组可以对其进行提问。代表若无法回答这个问题，则有老师代为解答。等所有小组汇报完毕后，老师对序列比对课程的内容进行总结，与学生所做的报告结合起来，先整体后局部，再回到整体的过程，使学生对序列比对有更好的了解。另外，教师也可以引导出本章要掌握的内容，比如，为什么要做序列比对，序列比对的原理有哪些，BLAST在线网页有什么特点和BLAST软件是基于什么方法进行序列比对等等。学生报告和老师讲解，可以相辅相成，提高了学生对序列比对原理算法的理解和应用。

2.3 课后的加强与巩固

课后与学生交流，了解PBL教学法的实际效果。课后，教师也可通过课程讨论QQ群，随时解答学生的疑问，指导学生实际操作，了解学习中存在的问题，在下一次PBL教学中进行辅导，加深学生对生物信息学难点问题的掌握。鼓励学生课后选择自己感兴趣的蛋白质，比如TP53,查找其同源序列，以更好地理解所学的知识，提升课堂效果。

3 PBL教学法的优缺点和应用前景

PBL教学法有着其他教学法没有的优势。该教学法强调学生自主发现问题，让学生自身对问题进行探究，通过于其他同学讨论来不断强化对生物信息学算法的理解，并对生物信息学软件的使用 。以蛋白质序列比对章节为例，学生可以在一个轻松良好的环境中，学到序列比对经典算法BLOSUM62的特点、使用情形和实现方式。学生也可以现场操作演示如何使用BLOSUM62算法来查找不同物种间的同源序列，区分假阳性。在分组讨论中，学生可以自己提出新的问题，把所学的内容联系在一起，加深学习印象。另外，上台做报告，也可以培养和提升语言表述技能，为素质教育添砖加瓦。

当然，PBL教学法也不是没有缺点的。由于该教学法以问题为主体，所掌握的知识比较碎片，难以拼凑人完整模块，以至于学生可能对生物信息学课程里的知识缺乏一个整体的认识。比如学生只记得BLOSUM62这个序列比对算法，知道使用这个算法的情形和使用软件来实现这个 BLOSUM62算法，但是当问到这个算法是如何推导而来的，学生一脸茫然。另外，该教学法对学生的自我学习能力要求较高，部分学生可能会消极应对，不利于课堂的开展。学生需在一个期限内完成一个成熟的PPT汇报，需要查阅其它大量的资料。PBL教学法以教师评估的方式来给定分数，相对于传统的考试模式，更加注重现场表现能力。在一个组内，有的学生发言很积极，有的同学则沉默寡言，发言极少，不利于培养学生共同进步的情况，需要加以关注。

总体来说，PBL教学法目前还不够完美，需要教师在实践过程中多多总结，在实践中加以改善。每种教学模式都有它的优缺点，如果只是僵硬的照搬，很难产生良好的效果。我们使用PBL教学法，并不是否定传统教学法，而是作为传统教学法的一个补充。我们深信，随着经验的累积，PBL教学法，会逐渐成为一个主流模式应用在大学教育中。