生物信息学课程项目式教学模式改革探索

张 力，刘晓钰，张雨溪，田奇峰，王廉馨，朱春玉，冯华炜，刘宏生*

（1.辽宁大学 生命科学院，沈阳 110036；2.辽宁大学 药学院，沈阳 110036）

生物信息学是20世纪80年代随着人类基因组计划的启动而兴起的一门新兴交叉学科，体现了生物学、计算机科学、数学和物理学等学科间的渗透与融合。生物信息学的主要目的在于通过对生物实验数据的获取、处理与分析，从而揭示实验数据所蕴含的生物学意义，进而对生物的生命活动规律进行分析与总结[1]。

生物信息学更是重要研究的开发平台与分析工具，是进行几乎所有生命科学探索所必须的重要推手，其对大量实验数据的分析处理所提供的理论指导，是今后乃至未来选择正确研发方向的重要基础。生物信息学在21世纪不断进步的同时也为其他重要学科领域带来持续性发展与学科前沿突破，其已在生物学、医学、农业、环境科学、信息技术及新材料等学科的研究中得到广泛应用，具有很高的实用价值。

我国也极为重视生物信息学的发展。生物信息学人才的培养是当前十分重要的任务。因此，国内外的许多高校在不同专业上也相继开设了生物信息学课程。但作为一门新兴前沿学科，其教学方案与指导方式尚处于探索阶段，没有完善的教学模式系统，如何更好地开展生物信息学课程的教学尚待进一步探索[2]。

项目式教学是一种在教师指导下、以学习者为中心的教学模式。学习者以解决“真实问题”为目的，在“真实问题”中利用多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联的问题，是一种探究学习模式[3]。2017年初，辽宁大学提倡教师以真实问题为导向实施教学[4]，以真实问题为导向的生物信息学课程教学模式改革实践研究则在此背景下开展起来。本研究在充分利用现代化教学资源的基础上，结合生物信息学的学科特点，研究以真实问题导向的项目式教学和线上线下混合式教学模式相融合的生物信息学课程教学模式改革，旨在探寻生物类专业生物信息学教学课程教学体系的新路径，通过本课程改革的项目式教学使学生明白如何学以致用，通过有趣的实践内容激发学生学习的主观能动性，提高学生的学习效率和自我学习能力。

一 开展项目式教学，提高学生实践能力

传统的生物学科教学主要是以课本知识为基础，课堂讲授为主的一种先基础理论、后实验知识、再实践操作的“三步”教学模式。这种教学模式的弊端主要体现为学生在实践中不能很好地将基础知识和实际情况相结合，出现了理论和实践相脱节的现象[5]，进而导致学生也不能很好地发挥主观能动性，开展创新性思维学习。当前的生物信息学课程授课应当充分考虑该学科具有实践性强的特点，在授课中强调生物学的基础理论性与信息学的实践应用性，并需要发挥网络教学的优势，实现信息技术与理论知识的结合，变单向传输式教学为双向互动式教学，变以强调理论内容为主的灌输式讲授为项目探究过程为主的引导式讲授，加深师—生、生—生之间的互动性，调动学生主动学习的积极性，培养学生良好的实践意识和动手能力，充分发挥学生的主观能动性与探索精神，全面提高学生科学文化素养，培养创新能动意识。

（一）采用项目式教学

在完成每一个知识单元的理论讲授和此知识单元所涉及的生物信息学分析工具的使用方法练习后，给出此知识单元的项目选题范围，学生分组进行项目选题、项目研究方案的确定、方案实施并完成研究总结的书写。以此促进和提升学生对实验操作学习的积极性和创新性。

本次教学改革中项目式教学包括以下5个环节：项目选择、制定方案和计划、探究实践、反馈评价和交流分享。

1）项目选择。项目的选择要紧扣理论知识，难度要适中，且应强调团队的协作。目前供学生选择的项目选题范围包括：①基于16SRNA序列的微生物系统分类学研究；②某一蛋白的生物学功能预测与分析；③针对某一药物靶点的结构分析与药物设计；④不同环境下微生物组成的比较研究。这些项目分别对应生物信息学课程不同阶段的授课内容。其中项目①应用生物信息学数据库资源、序列比对与序列搜索、分子系统发育分析的教学单元中的知识；项目②应用蛋白质序列分析与功能预测教学单元中的知识；项目③应用的空间结构教学单元中的知识；项目④应用高通量测序数据分析教学单元中的知识。项目研究所需的知识和操作技能将覆盖大部分授课内容。

2）在制定方案和计划阶段，根据项目任务对学生进行分组，每个小组选取相应的负责人，主要负责对项目的实施和部署工作。负责人也可采取轮流制，以充分调动每个同学的积极性和领导团队协作能力。项目负责人组织成员进行集体讨论，记录并整理意见，最终制定出整体的实施方案。指导教师可适当引导并鼓励学生进行一定程度的创新[6]。

3）在研究探究阶段，学生根据团队中的分工完成各自的任务，进行项目实施。在这一过程中，学生需结合所学知识，收集相关资料，并进行实际操作。完成项目后进行项目总结。项目总结可由每名同学分别记录自己负责的进度、问题、解决方法及各自的总结，再由组内负责人进行整理归纳，形成一份完整的项目总结报告。项目的总结过程能够将整个团队对项目的实施过程进行升华，既梳理了项目实施的思路，又锻炼了学生分析与解决问题的能力，同时提高了写作水平。

4）完成项目实施后，进行项目的反馈评价和交流分享。在此阶段将过程评价和综合评价相结合，可由学生自评，也可采取小组互评、教师评价等在内的多元化评价。项目负责人进行工作汇报，其余小组同学在听取汇报中可对其提问，并提出基于自身的意见和建议，解答环节由汇报人或本组其他成员进行答疑。

（二）增加实验课学时，增加学生动手实践的机会

生物信息学主要是通过计算机软件实现对生物实验数据的分析，需要在多次操作实践中不断发现问题、解决问题并总结经验[7]。增加实验课学时会显著提升学生的实际解决问题能力[8]。依托高性能计算机平台，设计生物大数据分析实践项目，激发学生对生物信息学的学习热情。

将教学时间一分为二，先理论讲解后实验操作。在基础知识讲解中让学生理解软件的应用原理，而后的实践操作可向学生展示实践是如何基于理论之上的，避免理论与实践脱节的问题。通过项目式实践可以使学生在实际操作中领悟到知识的真谛并且充分地掌握知识，体会解决实际问题的艰辛与困难、快乐与激情。

项目式教学模式强调以任务为驱动，以真实问题为导向，重视理论与实践的密切结合。教学时结合实际项目进行授课，可充分调动学生的自主性，使其以科学研究结合解决实际问题的态度进行学习。该教改将科研内容以课程项目任务的形式引入到课程教学中，有效加强学生对生物信息学领域国际前沿研究进展的了解，激发学生对此门课程的学习兴趣，引导学生思考与探索，最终运用生物信息学知识和创新性思维解决实际生活问题，形成完整系统的知识理论与实践方法。

二 开展线上线下混合式教学，提升实践教学效果

生物信息学是一门具有极强实践性的学科，是一门多学科交叉的交叉学科。对于生命科学专业内的学生，计算机相关知识背景较弱。针对其开设的生物信息学课程的主要教学目标是能够对生物信息学相关的各种软件进行使用、对生物学相关数据库进行检索与应用，能够利用这些技能解决实际的生物学领域内的问题。而并非对算法和程序进行创新。另外，目前大多数生物信息学教材内容更注重于讲解算法原理和数据模型，而应用不足，导致生物类专业学生难以充分掌握并运用。生命科学专业门类内的学生通常都具有较好的生物学知识基础，对于基础的核酸、蛋白质等生物大分子的相关知识较为熟悉，在教学时不用重复讲解，简单涉猎即可，而在学习课程内容中的数学模型、程序原理等数学和计算机相关知识时，通常表现出较大的学习障碍。在不断的教学实践中发现，学生的数学和计算机知识的匮乏，并不会对实践生物信息学相关软件的教学内容产生较大影响。近年来出现了翻转课堂、基于问题（problem based learning，PBL）[9]的教学模式、基于任务（task-based learning，TBL）的教育模式和项目驱动式教学模式等多种教学方法。无论是TBL教学方法、还是PBL教学方法，都强调注重把学生作为实践主体，教师尽量只负责启发和引导的部分，负责设置科学问题（任务），启发和引导学生讨论与思考，然后由学生独立探索问题、完成任务[10]。因此，对于针对生命科学专业内的学生开设的生物信息学本科课程开展线上线下混合式教学改革[11]，深入浅出地讲解晦涩难懂的数学和计算机相关知识，并且侧重实践部分的内容，能够更好地培养学生的实践能力。致力于在教学结束后，让学生具有使用生物信息学相关工具进行生物学领域数据分析并解决实际问题的能力，使学生在使用相关工具解决问题时对生物信息学产生浓厚兴趣，创新实践能力得到增强。

将课堂分为课前预习、课上讲解和课后复习3个部分。设计一套完整的课前预习PPT，告知学生本节课的学习目标、重点难点。设计一套包括课堂练习题、课后练习题和拓展研究在内的实践操作问题。课中采用雨课堂在计算机网络教室现场授课，使用雨课堂记录课中学生的听课情况。将操作视频和课堂讲授录像分享给学生，将课堂练习题和课后练习题发送给学生，并通过形成性评价激励学生不断进行实践性练习。本改革方案主要通过强调项目式实践和进行形成性评价促进学生创新性能力的培养。

在开课之前将课前预习PPT通过雨课堂发布到学生手机上，告知学生每节课的学习目标、重点和难点。学生可根据自己的时间安排进行充分预习，当遇到问题时可随时在线与老师交流。同时，教师可登录教师端查看同学们的预习情况。这样授课前就大致了解学生关于讲授内容的预习程度，在授课时进行更有针对性的布置，增强课程的有效性。

在课中教师将PPT同步发送到雨课堂，方便学生根据自己习惯的节奏进行观看，不必将大量的课堂时间用于记笔记或拍PPT。通过网络教学平台发送习题进行限时测试，实时查看测试成绩。此方法便于及时掌握学生对教学内容的理解情况，以随时调整讲授侧重的内容，便于学生更充分理解。

在课后布置一些具有重要内容和易错内容的练习作为课后作业，使学生在课后更好地巩固教学内容，并进行深入研究。此外，教师可通过查看教学周期内记录的数据，例如哪些教学内容对学生来说较难理解，正确率较高、答题用时较短的练习题是何种类型等。对此类数据进行深度挖掘并结合多元分析，可以量化教学过程，以便为以后教学模式的改进和优化积累科学依据，使教学模式改革的探索由依赖经验型转向依靠数据型。

本研究突破传统生物信息学的教学模式，融合项目式教学理念和线上线下混合式教学模式[12]，以真实问题为导向，设计能分发挥学生的主观能动性、提升学生的创新思维的混合式教学模式，从而培养具有较强的实践能力和创新能力的人才。本研究从生物信息学学科真实问题出发，充分利用现有计算机网络教室、雨课堂等教学资源，在学生执行课程任务、利用生物信息学工具分析生物数据的过程中，融合线上学习资源、学生自评和小组互评等混合式教学环节，充分完善项目式教学流程，提升项目式教学效果。

三 开展学业评价改革，培养良好的学习方法

建立“终结性评价+形成性评价”的新型课程考核体系，其中形成性评价占比30%，终结性评价占比70%，改变期末一次考试终结的单一评价模式，使考核融入到教学的全过程中。生物信息学课程的形成性评价主要包括考勤、课前预习、课堂参与（回答问题、提出问题等）、随堂测试、课后测试和项目实践得分，致力于检测和评价学生的全学习过程、学习行为和学习成果。其中，考勤由雨课堂自动记录。每节课课前1天将课前预习PPT发布到雨课堂系统中，雨课堂自动记录学生的预习情况。课堂教学过程中采用点名提问方式，预计在课程结束时，覆盖班级的全部同学。计划提问3人次/课时。在进行项目研究成果汇报的过程中，要求每名同学对项目汇报人进行提问，每学期至少提问2次。课堂参与情况在课堂中记录，并在课后记录入雨课堂系统中。完成知识点讲解后，使用雨课堂将课堂练习题发送给学生，学生在课上使用联网的计算机完成生物信息学工具的使用和习题作答，并实时统计测试成绩。发布课后练习题，在下次上课前通过雨课堂收集作答材料。对于大部分测试题，由雨课堂自动评阅给出评分。对于部分主观题由教师进行评阅，对于部分主观题由学生使用教师制定的评分标准进行互评。分数将在课后录入雨课堂系统。终结性评价形式为期末闭卷考试，考试试卷结构包括填空题（15分）、名词解释题（30分）、简答题（35分）、论述题（20分）。形成性评价将配合项目式教学的理念，主要基于雨课堂的线上线下混合式教学模式的进行来实现，将对学生良好学习方法的形成起到促进作用。通过该评价模式可充分发挥学生的主观能动性，提升学生的创新思维。

学业评价改革取得了比较理想的效果，提高了学生使用生物信息学分析工具对生物学研究数据进行分析从而解决生物学实际问题的能力。提高了学生在课堂的参与度，培养学生良好的学习习惯和学习方法。学生准确掌握了生物信息学领域的核心理论知识，并具备了生物信息学工具的基本操作能力。

四 开展课程思政改革，培养学生创新精神

把思政内容有机融合到生物信息学课程中，教育学生要做诚实的科研人，加强学风建设，激发学生产生较强的专业自豪感，注重学生创新精神的培养。例如在绪论中讲述生物信息学的发展历史，正是由于众多学者的开拓、创新精神，才使得生物信息学这一学科得以产生，从而继续发展，让学生们理解创新精神的重要性。讲解在抗击新冠肺炎疫情中生物信息学发挥的巨大作用，讲解生物信息学领域的学者做了哪些大量有意义的工作，增强学生专业自豪感和对生物信息学的兴趣，促进学生在日常的学习中拓展思维，形成了积极创新的学习氛围。

五 课程教改实践的效果与思考

本次基于真实问题导向的生物信息学课程教学模式改革探索在辽宁大学生命科学院应用实践，产生了良好的效果。从课堂教学内容体系的重构和教学模式的改革出发，探索出一套着重培养学生实践创新能力的生物信息学教学改革方案。该课堂教学体系和教学方式受到学生欢迎，学生学习生物信息学课程的兴趣得到了更好地激发，学生使用生物信息学相关方法解决生物学领域问题的能力显著提高，在培养生命科学创新型人才方面发挥重要作用。绝大部分学生在课程结课后都具有生物数据库的使用、建立进化树、序列功能预测、蛋白质三维结构预测与可视化等生物信息学工具的实践操作能力。课程项目“基于16S RNA序列的微生物系统分类学研究”产出一套生物信息学二级数据库（细菌标准菌株核糖体16S rRNA序列二级数据库）和生物信息学工具（微生物16S rRNA进化树分析系统）。

学生创新能力增强，生物信息学相关成果在学科竞赛中获得优秀成绩。本成果激发了学生对生物信息学的兴趣，学生参与生物信息学相关科研项目、大学生创新创业大赛、“朔日杯”计算机设计竞赛、“挑战杯”、“互联网+”、全国大学生生命科学竞赛等学科竞赛的积极性显著提高。

总之，本次基于真实问题导向的生物信息学课程教学模式改革实践取得了较好效果，解决了生物信息学教学过程中学生实践能力和创新能力培养的真实问题，开拓了生物类专业生物信息学教学体系的新视野，实现了生物信息学课程的项目式教学和线上线下混合式教学以及完整的形成性评价。在课程教学模式改革实践的指导下，通过生物信息学课程的学习，学生使用生物信息学相关工具对生物学数据分析的能力得到提高，学生的解决实际问题的能力得到提升。同时还广泛地提高了学生发现与解决问题的本领，提高学生实践能力，培养学生形成良好的学习习惯和学习方法。