“PBL+E—learning”教學(xué)模式探索

湛垚垚+劉洋+閆紅偉+毛俊霞+常亞青

摘 要：實(shí)踐教學(xué)是高等院校教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的有效方式。生物信息學(xué)是自人類基因組計(jì)劃以來新興的一門交叉學(xué)科，具有學(xué)科交叉范圍廣、知識(shí)更新快速，實(shí)用實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)研究的前沿之一。根據(jù)生物信息學(xué)課程實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，文章闡述了以國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的生物信息資源網(wǎng)站為平臺(tái)，在《生物信息學(xué)上機(jī)實(shí)踐課》教學(xué)中采用 “問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)（PBL）+電子學(xué)習(xí)（E-learning）”教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)、具體實(shí)施方法和改革效果。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);上機(jī)實(shí)踐課;PBL;E-learning;教學(xué)模式

中圖分類號(hào)： G642.0 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2016）20-0050-03

問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)（problem-based learning，PBL）和電子學(xué)習(xí)（或數(shù)字化學(xué)習(xí)，E-learning ）是目前國(guó)際公認(rèn)的比較先進(jìn)的兩種教學(xué)模式。近年來，國(guó)內(nèi)外很多高等院校尤其是醫(yī)學(xué)院校的很多課程都引入了PBL和E-learning 教學(xué)模式，并取得了一定的教學(xué)成果和經(jīng)驗(yàn)。

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是建立在數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生命科學(xué)基礎(chǔ)上的一門交叉科學(xué)，具有學(xué)科交叉范圍廣、知識(shí)更新速度快，實(shí)用實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前的主要研究領(lǐng)域包括生物信息的獲取、加工、存儲(chǔ)、分發(fā)、分析和解釋等各方面，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義[1]。隨著人類基因組等計(jì)劃的開展，生物信息學(xué)已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，在農(nóng)業(yè)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品科學(xué)、動(dòng)植物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，已經(jīng)被很多學(xué)校設(shè)置為生物學(xué)科相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

大連海洋大學(xué)于2006年將《生物信息學(xué)》設(shè)置為生物技術(shù)專業(yè)的雙語(yǔ)專業(yè)必修課程[2]，根據(jù)生物信息學(xué)實(shí)用實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在開設(shè)生物信息學(xué)理論課教學(xué)的同時(shí)，也開展了相關(guān)的《生物信息學(xué)上機(jī)實(shí)踐課》教學(xué)工作。自2012年起，課組通過利用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的生物信息網(wǎng)絡(luò)資源，在《生物信息學(xué)上機(jī)實(shí)踐課》教學(xué)中開始嘗試采用“PBL+E-learning”相結(jié)合的新型教學(xué)模式，獲得了較好的教學(xué)效果。

一、PBL和E-learning結(jié)合教學(xué)的理論基礎(chǔ)

PBL教學(xué)是一種以問題為導(dǎo)向的開放式教學(xué)模式，主張以問題為起點(diǎn)，在教師的啟發(fā)、引導(dǎo)和支持下，通過合作或自主探究等方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，并最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深層次理解和應(yīng)用[3]，其特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，以“問題”（即學(xué)習(xí)目標(biāo)）為起點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)教師在解決“問題”過程中的支持和啟發(fā)，學(xué)生在解決“問題”過程中的參與性與合作性，從而達(dá)到學(xué)習(xí)知識(shí)的目的。PBL教學(xué)模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容為學(xué)生設(shè)計(jì)“問題”;（2）引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過各種方式尋找和提出解決“問題”的方案;（3）對(duì)“問題”的解決方案進(jìn)行歸納和總結(jié)。

E-learning教學(xué)是指學(xué)生借助于計(jì)算機(jī)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)提供和傳播的知識(shí)資源環(huán)境進(jìn)行的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式[4]，具有學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)字化、學(xué)習(xí)資料多元化、教學(xué)傳遞多樣化的特點(diǎn)。E-learning教學(xué)模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容提出學(xué)習(xí)的要求和目標(biāo);（2）學(xué)生通過教學(xué)平臺(tái)或網(wǎng)絡(luò)資源主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)，最終達(dá)到任課教師提出的要求和目標(biāo);（3）通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的總結(jié)和反思，以提高學(xué)生的技能和知識(shí)。

與以教師和教材為核心的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，PBL和E-learning 兩種模式的核心都是學(xué)生，提倡學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和小組合作來進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)挖掘?qū)W生在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中的自主性和能動(dòng)性，旨在訓(xùn)練和加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和對(duì)各種學(xué)習(xí)資源的綜合利用能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力和協(xié)作技巧。此外，PBL教學(xué)模式倡導(dǎo)的師生互動(dòng)可以彌補(bǔ)單純的E-learning教學(xué)模式往往過分強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的技術(shù)呈現(xiàn)，大部分的學(xué)習(xí)過程都以瀏覽簡(jiǎn)單網(wǎng)頁(yè)或是文字閱讀為主，缺乏教學(xué)傳遞和反饋互動(dòng)，缺少教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間的情感交流[5]的缺陷，而E-learning教學(xué)則能夠?yàn)镻BL教學(xué)提供更為豐富的學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造更為多元化的學(xué)習(xí)互動(dòng)方式。

綜上，PBL與E-learning兩種教學(xué)模式既有教學(xué)理念上的共通之處，又能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)相互提升，因此，兩者具備結(jié)合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和實(shí)際操作的契合點(diǎn)。

二、PBL與E-learning相結(jié)合教學(xué)模式在生物信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體實(shí)施

首先，我們將“問題”（即學(xué)習(xí)目標(biāo)）的提出作為教學(xué)的起始點(diǎn)和切入點(diǎn)。

為了使提出的“問題”既能體現(xiàn)教學(xué)重點(diǎn)又能緊隨學(xué)科發(fā)展前沿，課組教師緊緊圍繞《生物信息學(xué)上機(jī)實(shí)踐》教學(xué)大綱中的上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容，結(jié)合《生物信息學(xué)》理論知識(shí)中比較抽象的重點(diǎn)和難點(diǎn)（如序列比對(duì)、系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建、基因識(shí)別、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等），在培養(yǎng)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐操作能力的同時(shí)，注重拓展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生在實(shí)際的操作中加深對(duì)《生物信息學(xué)》抽象理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。比如，在序列比對(duì)上機(jī)實(shí)踐課的教學(xué)中，課組教師可以首先給出10條已知來源的核酸序列信息和10條已知來源的蛋白質(zhì)序列信息，向?qū)W生提出“問題1”——在DOS環(huán)境下，利用makeblastdb.exe程序建立本地核酸和蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)生可以通過百度、谷歌等搜索引擎進(jìn)行搜索，找到makeblastdb.exe程序的下載地址;隨后，任課教師提出“問題2”——請(qǐng)利用校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)資源，下載“blast.exe”程序，并正確安裝在本地計(jì)算機(jī)上;在學(xué)生構(gòu)建好本地核酸和蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)并完成BLAST程序本地安裝后，任課教師給出1條未知來源的核酸序列（如“Seq1（序列1）”），并向?qū)W生提出“問題3”——使用blastn.exe（核酸序列比對(duì)）程序、Seq1及構(gòu)建的本地核酸數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行序列比對(duì)，要求學(xué)生初步確定Seq1序列可能的來源;隨后，任課教師給出1條未知來源的蛋白質(zhì)序列（“Seq2（序列2）”），并向?qū)W生提出“問題4”——使用blastp.exe（蛋白質(zhì)序列比對(duì)）程序、Seq2及構(gòu)建的本地蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白質(zhì)序列比對(duì)，要求學(xué)生初步確定Seq2序列可能的來源;最后，任課教師給出1條未知來源序列（“Seq3（序列3）”），并向?qū)W生提出“問題5”——請(qǐng)根據(jù)所給序列信息選擇相應(yīng)的blast程序和本地生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行本地比對(duì)，要求學(xué)生初步確定Seq3是何種序列以及該序列可能的來源。上述5個(gè)問題中：第1個(gè)問題是幫助學(xué)生鞏固和掌握構(gòu)建本地生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)所需的軟件和計(jì)算機(jī)環(huán)境;第2個(gè)問題是幫助學(xué)生掌握序列比對(duì)的基本軟件（如BLAST）;第3、4個(gè)問題是要求學(xué)生在問題的解決中了解序列比對(duì)軟件的基本用法以及不同序列比對(duì)程序（如核酸序列比對(duì)，蛋白質(zhì)序列比對(duì)）的適用范圍;問題5是要求學(xué)生在解決前4個(gè)問題的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ξ粗愋偷男蛄?、所要比?duì)的程序以及相應(yīng)的生物信息數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的判斷和選擇。最終，在尋找5個(gè)問題答案的過程中，使學(xué)生明確序列比對(duì)的目的和意義，掌握序列比對(duì)工具的使用方法以及如何正確進(jìn)行序列比對(duì)，同時(shí)，鍛煉和強(qiáng)化了學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作和實(shí)際分析問題的能力。

其次，在尋找“問題”解決方案（即達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)）的過程中，教師要著力營(yíng)造多元化的E-learning學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和生物信息網(wǎng)絡(luò)資源。比如，在任課教師提出“問題”（學(xué)習(xí)目標(biāo)）后，可以通過啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎快速地尋找分析軟件，登錄到NCBI（美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心，http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）、EBI（歐洲生物信息學(xué)研究所，http：//www.ebi.ac.uk/）等常用生物信息學(xué)門戶網(wǎng)站進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的檢索和數(shù)據(jù)的查詢與挖掘，利用互聯(lián)網(wǎng)上提供的在線分析軟件如BLAST（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST）、PHD（http：//www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html）等進(jìn)行序列比對(duì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等生物信息學(xué)分析操作。

最后，任課教師在組織學(xué)生尋找每個(gè)“問題”解決方案的過程中，可以通過分組討論和集體討論等形式漸進(jìn)式地引導(dǎo)學(xué)生，在師生不斷的交流和互動(dòng)中，使學(xué)生不斷修正自己對(duì)“問題”的理解并最終找到所有“問題”的最佳解決方案，達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

三、改革效果與評(píng)價(jià)

通過近3年的改革實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，在生物信息學(xué)實(shí)踐課中采用PBL與E-learning相結(jié)合的新型教學(xué)模式，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)主動(dòng)性;國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上大量的信息資源和學(xué)習(xí)工具可以有效拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道、豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容;在實(shí)際的操作過程中，學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)潛能能夠被最大限度地挖掘出來，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)由過去的被動(dòng)吸收，變成了現(xiàn)在對(duì)知識(shí)的主動(dòng)汲取，在提高學(xué)生認(rèn)知水平和認(rèn)知技能的同時(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和協(xié)作精神;教師也由過去傳統(tǒng)的課堂主宰者、學(xué)習(xí)效果裁判員，變成了學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中的組織者和引導(dǎo)者，使學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中的核心地位得到了進(jìn)一步的鞏固和強(qiáng)化。“找到了問題的解決辦法同時(shí)也學(xué)到了很多知識(shí)”、 “上課總是充滿好奇心”、“太神奇了，只依靠生物信息數(shù)據(jù)挖掘和在線軟件就可以進(jìn)行不同物種間的進(jìn)化關(guān)系分析”、“這門課有趣、不枯燥，學(xué)習(xí)起來不吃力”是近2年學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)實(shí)踐課教學(xué)的客觀評(píng)價(jià)。當(dāng)然，我們也注意到，在生物信息學(xué)實(shí)踐課中實(shí)施PBL與E-learning相結(jié)合的教學(xué)模式還有許多方面需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和改進(jìn)，比如如何更加有效地利用有限的課時(shí)讓學(xué)生最大限度地獲取知識(shí)、如何在確保以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)的同時(shí)進(jìn)行“因材施教”的分層次教學(xué)等。

實(shí)踐教學(xué)是高等院校實(shí)施教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是目前最有效的提高素質(zhì)教育的教學(xué)形式之一，實(shí)踐課教學(xué)質(zhì)量的好壞，會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解、運(yùn)用和學(xué)習(xí)的效果[6]。因此，只有在實(shí)踐課教學(xué)中不斷嘗試先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)模式，才能緊隨時(shí)代步伐，探索出一條能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才需求的行之有效的實(shí)踐課教學(xué)之路。

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（編輯：郭桂真）