生物信息软件开发线上线下混合式教学实践研究

重庆邮电大学生物信息学院 白明泽 舒坤贤 谢永芳 李映红 汪大勇

生物信息软件开发是一门实践性很强的课程，其主要内容是利用计算机技术来设计、开发生物信息软件系统和工具，帮助分析、处理生物信息学领域数据。本课程的重点是基于生物信息数据资源的在线生物信息服务系统的开发、测试和部署。然而，在过去几年的教学实践中，我们发现该课程还存在一些问题，其中一些问题是软件开发实践类课程的共通性问题，也有部分问题属于本课程专有。主要问题如下：（1）基础理论知识与解决问题实践之间的脱节，学生虽然已掌握Python 编程基本知识，但是仍然会遇到许多实践问题需要解决，同时还需要大量的编程实践能力积累，尤其是对程序中错误的分析和调试能力。（2）学生既需要掌握核心编程语言，又需要熟悉配套软件包知识和其他编程语言，如Flask 软件包及其用法、前端开发知识等。（3）教师的指导无法贯穿实践过程的始终，实验课的课下练习部分，没有办法直接接受教师的指导。（4）同学之间的相互学习、相互交流平台欠缺。

针对这些问题，通过调研，我们选择线上线下混合式教学模式，以提升生物信息软件开发课程的教学效率。基于线上和线下学习的混合教学模式目前已经在国内外得到了广泛的应用，总的来说具有如下优势：（1）线上的教学可以明显缩短面对面线下教学的时间，提高效率，学生可以在课堂以外按照自己的节奏进行在线内容的学习与练习，对自己知识学习中的重点、难点进行反复学习。（2）混合教学可以使教学活动更生动，尤其是目前国内开发了一些先进的混合教学平台，比如基于“雨课堂”的课堂实时交互，可以有效完成混合教学内容。同时，基于OpenEDX 的在线课程网站，可以提供丰富的功能模块为在线学习、交流和指导服务。（3）混合教学模式使“以学生为中心”的教学模式变成可能，一些在线学习系统可以构建知识、技能发展树，记录每个学生的学习过程，也可以随时查看学生的知识和技能掌握情况。在线练习可以帮助学生进行自我检查、相互检查，相互促进，可以达到培养学生自主学习能力的最终目的。

一、混合教学模式

在生物信息软件开发的混合教学模式设计中，我们主要从兴趣激发、精准教学两个方面来进行。

（一）兴趣激发

兴趣激发主要从三个角度进行，即样板激励、项目驱动和及时讨论互动。在线上和线下及时发布优秀学生的学习和答题情况，让优秀学生作品成为样板，激励其他学生，带领大家一起完成好作业和课程项目。项目开发任务驱动学生综合所学知识，体验成就感。线上交流中的即时互动，能有效促进大家的相互交流，激发学生对每个知识模块的学习兴趣。

（二）精准教学

在大数据资源和支撑平台的助力下，精准教学这一概念被提出和实施。在本研究中，我们从自主学习和个人学习跟踪两个方面尝试精准教学，学生通过我们基于OpenEDX 为本课程所部署的在线学习系统实现自主学习，根据自己的学习情况调整学习节奏与学习进度。同时，学生的个人学习进度可以被系统记录，方便教师全方位掌握学生的学习情况，有针对性地进行知识系统化和重难点解析的教学。

二、混合教学实践

我们的线上线下混合教学实践框架如图所示，分为课前学习（线上）、课中巩固（线下）和课后拓展（线上）三个部分，其中蓝色部分为教师授课活动，橙色部分为学生的学习活动。

线上线下混合教学实践框架图

（一）线上课前学习

课前准备主要是在线学习内容的部署和实施，在教师上传教学内容和布置任务后，由学生进行自主学习，包括在线互动学习、在线编程练习和在线答题测验等，完成测验后，教师能提前摸底学习情况。在整个过程中，学生还可以在线交流讨论，共同学习进步。

在开课前，教师在OpenEDX 学习平台上建立生物信息软件开发网络课程和班级。在教学前，完成课程资料上传，并针对混合教学建立专门的内容板块：自学/预习教程、自学/预习题目测验以及交流板块。

（二）线下课中巩固

线下授课负责对自学内容进行巩固和提高，分成四个部分：（1）教师对知识体系进行总体介绍，帮助学生将知识点融会贯通，使之结构化、具象化，帮助学生理解和记忆。（2）重难点剖析可以是预先设计的，也可以是学生在线自学中体现出来的。（3）基于“雨课堂”的线下课堂交互答题与小组练习。通过精心设计的选择题和开放问答题，现场掌握学生学习情况、活跃课堂气氛，促进师生沟通。（4）现场集中答疑。编程实践中，学生常常会遇到各种各样的问题，比如环境依赖、笔误等，需要有经验的教师实地观察才能指出错误所在。

（三）线上课后拓展与考核

课后拓展包括在线小练习与课程设计，小练习有针对性地检验知识模块的掌握程度，课程设计涵盖完整知识点，既是考核的重要部分，也是以练促学的有力保证。混合式考核是线上线下混合式教学的重要部分，贯穿整个教学过程，不仅包括对基础知识的考核，更要考查学生发现、分析和解决编程中遇到复杂问题的能力。

三、教学效果

通过两次授课试运行，生物信息软件开发课程取得了良好的教学效果，之前总结的问题得到了较好的解决：（1）基础理论知识与解决问题实践之间有所脱节的问题得到缓解；（2）学生在基础知识和实践操作中均得到了很好的锻炼；（3）教师的指导贯穿始终；（4）相互学习，相互交流提升。

总体来说，在学习积极性和考核结果上，都取得了明显的成效。（1）学习积极性大幅提。经过一个学期的试运行，可以明显感到学生的学习积极性相较上一个年级有了较大幅度提高。学生在在线学习平台上反馈积极，纷纷提出问题或者帮助同学解答问题。（2）提交的项目软件开发报告水平有明显提升。此次课程结课之后，通过学生上交的项目软件开发报告，可以发现学生的创造能力和生物信息软件开发综合能力均得到了很好的体现。有基于案例系统框架（Flask+BioPython+MySQL）开发的网站，也有基于自身技术栈，采用VUE 等前端框架结合Flask REST 服务的应用网站。生物信息软件服务也覆盖了从传统生物信息网站服务到各种组学数据服务的实验项目。

随着手机电脑等智能终端的普及以及教育信息化的深入发展，单纯的传统课堂教学模式已经落后于时代，而只采用线上教育又有诸多缺点。采用线上线下混合教学模式有望将二者的优势互补，有机结合，达到一加一大于二的目标。在生物信息软件开发教学中应用线上线下混合教学模式，可以有效提升教学效果。