生物信息學(xué)創(chuàng)新教學(xué)模式的探究

朱柳村+李嘉睿

摘 要：生物信息學(xué)作為一門新興交叉學(xué)科，傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往采取學(xué)生更習(xí)慣的教師講授與示范這一模式，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更加難以達(dá)到讓學(xué)生學(xué)以致用的目的。該文在介紹案例式教學(xué)法、問題式教學(xué)法、項目式教學(xué)法3種創(chuàng)新教學(xué)模式成功實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)背景與實際的課程特點，提出了一套適合本科生物信息學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)模式，以期在生物信息學(xué)教學(xué)模式上得以創(chuàng)新和發(fā)展，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與獨立思考的能力。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；實踐教學(xué)；教學(xué)模式

中圖分類號 G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）06-0179-03

Innovative Teaching Pattern of Bioinformatics

Zhu Liucun et al.

（School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Abstract：As a newly-developing interdiscipline，bioinformatics has received incessant attention on the research of teaching models.Traditional teaching methods focus on the pattern of direct instruction and demonstration from the lecturer which students were used to learning in China.However，this straight teaching pattern usually lacks of capacity of arousing students' interest in learning，let alone achieves the aim of making them complete their work with the knowledge they learned in class.Recently，case-based learning，problem-based learning and program-based learning are known as successfully innovative teaching models.In this paper，by combining these three models and considering the background of students and characteristic of bioinformatics，we propose a new teaching pattern to be geared to the needs of the undergraduates learning bioinformatics.We look forward to the innovation and development this teaching pattern may achieve so as to enhance the students' capacity of independent study and thinking.

Key words：Bioinformatics；Practice teaching；Teaching pattern

1 前言

生物信息學(xué)是生命科學(xué)的重要前沿交叉學(xué)科之一，綜合計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的技術(shù)和方法，以計算機為主要的工具，對生物原始數(shù)據(jù)進(jìn)行研究、存檔、分析和處理，以闡明其具有的生物學(xué)意義[1，2]。隨著人類基因組計劃的成功完成，測序技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的生物基因序列數(shù)據(jù)被載入到數(shù)據(jù)庫中。而大數(shù)據(jù)時代的到來要求我們能大規(guī)模的分析處理這些數(shù)據(jù)，因此生物信息學(xué)進(jìn)入高速發(fā)展的黃金期。

目前生物信息學(xué)在許多高校本科生物專業(yè)中開設(shè)，目的是讓學(xué)生掌握生物信息學(xué)的相關(guān)技術(shù)及分析數(shù)據(jù)能力，并具有查找、跟蹤生物信息學(xué)前沿性技術(shù)的能力。然而，在與學(xué)生的交流過程中，筆者發(fā)現(xiàn)幾個普遍存在的問題：有的學(xué)生反映，聽完課很快就忘了；有的學(xué)生感覺很多概念太難懂；而更為關(guān)鍵的是，很多學(xué)生學(xué)完這門課之后，仍然不知道遇到具體的問題應(yīng)當(dāng)如何去做，甚至根本想不到用生物信息學(xué)課上學(xué)到的方法去解決他們的實際問題。究其原因，主要是由于國內(nèi)的生物信息學(xué)教學(xué)基本以教師講授為主，缺少與學(xué)科本身交叉前沿性特點相結(jié)合的教學(xué)方法[3]，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，變成簡單的重復(fù)老師的實驗操作，失去獨立思考的能力，這就違背了開設(shè)這門課的初衷。為此，本文就目前流行的3種創(chuàng)新教學(xué)模式的特點進(jìn)行分析，結(jié)合生物信息學(xué)特點，歸納出一套適合本科生物信息學(xué)教學(xué)的方法。

2 幾種創(chuàng)新教學(xué)模式介紹

2.1 案例式教學(xué)法 案例式教學(xué)法（Case-Based Learning）是指教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計案例，利用案例材料指導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)活動，充分發(fā)揮學(xué)生主導(dǎo)地位的方法[3，4]。不同于傳統(tǒng)教學(xué)灌輸?shù)姆绞?，案例式教學(xué)更加注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，不直接提供解決問題的標(biāo)準(zhǔn)答案，而是通過結(jié)合具體案例討論得到解決問題的方法。

2.2 問題式教學(xué)法 問題式教學(xué)法（Problem-Based Learning）是以問題為導(dǎo)向的開放式教學(xué)模式[5]，主張讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)去解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，加深學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用。其特點是將教材的知識點以問題的形式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生在探索解決問題的過程中展開探索，教師和學(xué)生一起協(xié)作尋找解決問題的方法，從而掌握課本中的知識。在研究活動中，學(xué)生可以充分利用身邊的資源，比如圖書館的文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)軟件以及多媒體等多種形式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。問題式教學(xué)模式營造了一種輕松快樂的學(xué)習(xí)氛圍，提高了學(xué)生相互合作的團(tuán)隊意識，為以后步入社會工作打下堅實的基礎(chǔ)。比如，在BLAST軟件使用教學(xué)中，可以先給學(xué)生提出如何對兩條DNA序列進(jìn)行比對的問題，讓他們通過自學(xué)與相互討論的方式掌握BLAST的使用方法并將2條DNA序列利用BLAST進(jìn)行比對并對比對結(jié)果加以闡述。

2.3 項目式教學(xué)法 項目式教學(xué)法（Program-Based Learning）是以項目為主線，在老師的指導(dǎo)下，將一個相對獨立的項目交由學(xué)生處理，包括對信息的收集、方案的設(shè)計、項目的實施及最終評價[6]。學(xué)生通過對該項目的進(jìn)行，了解并把握整個程及每一個環(huán)節(jié)中的基本要求，以此來培養(yǎng)學(xué)生獨立分析解決問題的能力，讓學(xué)生提高自己的動手能力、組織協(xié)作能力和綜合概括的能力，拓展學(xué)生思考問題的深度和廣度。這種教學(xué)法應(yīng)用非常廣泛，尤其是在職業(yè)教育中。

3 應(yīng)用于生物信息學(xué)課程的創(chuàng)新教學(xué)模式

那么采取哪種教學(xué)方式才能夠讓學(xué)生順利掌握知識點，并且能應(yīng)用到實際當(dāng)中去呢？一般的生物學(xué)課程，只要在理論課后加入實踐課的內(nèi)容，就可以解決這個問題，例如細(xì)胞生物學(xué)，只要再加入細(xì)胞生物學(xué)實驗，那么學(xué)生對這門課的理解就會加深很多，對這門課的應(yīng)用也會有一定的了解。然而筆者在實際的教學(xué)過程中卻發(fā)現(xiàn)，這樣的方式并不適合生物信息學(xué)這門課程，這是由于多數(shù)學(xué)生在上機實踐之后，仍然不是太理解課上講的一些概念，也不知道如何將這些方法運用到實際中。造成這種情況的原因主要有兩點，一個是生物信息學(xué)這門課程所要求的數(shù)學(xué)和計算機方面基礎(chǔ)，絕大多數(shù)學(xué)生物的學(xué)生都比較薄弱，甚至有部分同學(xué)在計算機編程方面是零基礎(chǔ)。這使得他們在理論課上，對一些概念只是強行記住，并沒有真正理解。而在上機實踐環(huán)節(jié)中，他們又只是走馬觀花地將整個流程給過了一遍，并不知道這些操作是用來做什么的。另一個原因則是生物信息學(xué)與其他生物學(xué)的課程之間有脫節(jié)，這使得生物信息學(xué)的知識點很難融入到學(xué)生的現(xiàn)有知識體系當(dāng)中去，這樣就導(dǎo)致了學(xué)生不知道這些知識點的用途。因此，必須在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，深入剖析生物信息學(xué)的基本概念，并且結(jié)合生物學(xué)中的實際問題，引導(dǎo)學(xué)生對其進(jìn)行解決，才能讓學(xué)生真正掌握這門課。而傳統(tǒng)的老師講、學(xué)生聽的授課方式顯然是不能滿足這一要求的。

案例式教學(xué)法起源于美國哈佛商學(xué)院，最早應(yīng)用于商業(yè)管理課程。其重點在于對一些熱門且有爭議的問題進(jìn)行反復(fù)討論，加深學(xué)生對知識點的理解。而生物信息學(xué)課程的內(nèi)容大多比較確定，比較前沿有爭議的話題又離日常生活較遠(yuǎn)，極少出現(xiàn)熱門話題。因此，筆者認(rèn)為案例式教學(xué)法目前可以偶爾用作課堂教學(xué)穿插，不適合全面應(yīng)用于本科生物信息學(xué)課程。

問題式教學(xué)模式與項目式教學(xué)模式在本質(zhì)上是相同的，均是以學(xué)生為主體，讓學(xué)生帶著問題或者有明確的目標(biāo)的去主動利用身邊資源查找相關(guān)知識解決問題完成目標(biāo)，使學(xué)生在探索過程不僅掌握了知識，同時萌生自主學(xué)習(xí)的動機和欲望，提高了自主學(xué)習(xí)能力。兩種教學(xué)模式的區(qū)別在于問題式教學(xué)法是將書本中的知識點凝練為問題再分析問題并解決問題，而項目式教學(xué)法則是根據(jù)老師提出的項目要求，以收集信息、設(shè)計方案、實施項目、最終評價為線索進(jìn)行教學(xué)。問題式教學(xué)提出的問題與書本知識更為接近且較為零散，學(xué)生在針對問題進(jìn)行分析和解決的過程中，容易對教學(xué)內(nèi)容缺乏整體認(rèn)識，即難以將知識點連成線，也很難結(jié)合實際問題。而項目式教學(xué)法是目前最適合提高學(xué)生能力的教學(xué)方法。然而在實際教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對項目式教學(xué)并不適應(yīng)，很多學(xué)生在理解項目時就遇到了困難，在項目設(shè)計時感到無從下手。

因此，筆者在對兩種教學(xué)方法進(jìn)行研究歸納之后，將問題式教學(xué)法與項目式教學(xué)法相結(jié)合，總結(jié)出一套適合本科生物信息學(xué)教學(xué)的方法。具體為：首先教師根據(jù)課程安排制定一個可擴展的課題，明確課題要求，并根據(jù)課題內(nèi)容將知識點拆分，以問題形式展現(xiàn)給學(xué)生，教師先就這些問題講一些例子，學(xué)生查找資料。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生既對課題內(nèi)容有整體認(rèn)識，又在分析、解決一系列小問題時學(xué)習(xí)到知識點、收集了項目信息。隨后通過參與定期分組討論，與老師進(jìn)行溝通的方式，學(xué)生最終可以擬定項目的方案并付諸實施。這種教學(xué)模式讓學(xué)生了解實際工作的流程，培養(yǎng)基本的工作能力。在與教師的交流討論中收獲更多的專業(yè)知識，與同學(xué)之間的合作交流中查漏補缺，完善自己的不足，達(dá)到相互提高的作用。例如，在教學(xué)中，教師可以設(shè)計一個題為“構(gòu)建一個可以預(yù)測乳腺癌患者生存時間的基因模型”的項目，并將項目拆解為：如何查找潛在包含乳腺癌患者信息的數(shù)據(jù)庫？如何篩選與生存時間相關(guān)的基因？如何構(gòu)建模型？如何評價模型的好壞四個問題？同時，為了讓學(xué)生在實踐中更好下手，可以依次為各個問題舉例加以說明。如查找數(shù)據(jù)庫環(huán)節(jié)，可以列舉NCBI中的GEO數(shù)據(jù)庫與美國政府發(fā)起的癌癥和腫瘤基因圖譜計劃涉及的TCGA數(shù)據(jù)庫兩個例子，讓學(xué)生先從這兩個數(shù)據(jù)庫獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)本身有所認(rèn)識，再利用校園網(wǎng)資源查找更多的數(shù)據(jù)庫。在此過程中，學(xué)生全程參與項目實現(xiàn)的各個流程，不僅學(xué)會了自主查找資料與學(xué)習(xí)，還提高了同學(xué)間的優(yōu)勢互補與團(tuán)隊協(xié)作的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，獲得獨立思考的能力。

參考文獻(xiàn)

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