“PBL+E—learning”教学模式探索

湛垚垚+刘洋+闫红伟+毛俊霞+常亚青

摘 要：实践教学是高等院校教育改革的重要环节，也是培养学生自主学习能力和创新能力的有效方式。生物信息学是自人类基因组计划以来新兴的一门交叉学科，具有学科交叉范围广、知识更新快速，实用实践性强等特点，是当今生命科学和自然科学研究的前沿之一。根据生物信息学课程实践性较强的特点，文章阐述了以国内外现有的生物信息资源网站为平台，在《生物信息学上机实践课》教学中采用 “问题导向式学习（PBL）+电子学习（E-learning）”教学模式的理论基础、具体实施方法和改革效果。

关键词：生物信息学;上机实践课;PBL;E-learning;教学模式

中图分类号： G642.0         文献标志码：B          文章编号：1673-8454（2016）20-0050-03

问题导向式学习（problem-based learning，PBL）和电子学习（或数字化学习，E-learning ）是目前国际公认的比较先进的两种教学模式。近年来，国内外很多高等院校尤其是医学院校的很多课程都引入了PBL和E-learning 教学模式，并取得了一定的教学成果和经验。

生物信息学（Bioinformatics）是建立在数学、计算机科学和生命科学基础上的一门交叉科学，具有学科交叉范围广、知识更新速度快，实用实践性强等特点，目前的主要研究领域包括生物信息的获取、加工、存储、分发、分析和解释等各方面，综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义[1]。随着人类基因组等计划的开展，生物信息学已经逐渐成为当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，在农业科学、环境科学、医药卫生、食品科学、动植物学等领域发挥着巨大作用，已经被很多学校设置为生物学科相关专业的一门重要的专业基础课。

大连海洋大学于2006年将《生物信息学》设置为生物技术专业的双语专业必修课程[2]，根据生物信息学实用实践性较强的特点，在开设生物信息学理论课教学的同时，也开展了相关的《生物信息学上机实践课》教学工作。自2012年起，课组通过利用国内外现有的生物信息网络资源，在《生物信息学上机实践课》教学中开始尝试采用“PBL+E-learning”相结合的新型教学模式，获得了较好的教学效果。

一、PBL和E-learning结合教学的理论基础

PBL教学是一种以问题为导向的开放式教学模式，主张以问题为起点，在教师的启发、引导和支持下，通过合作或自主探究等方式来提高学生的学习主动性，培养学生解决实际问题的能力，并最终实现学生对理论知识的深层次理解和应用[3]，其特点是以学生为中心，以“问题”（即学习目标）为起点，强调教师在解决“问题”过程中的支持和启发，学生在解决“问题”过程中的参与性与合作性，从而达到学习知识的目的。PBL教学模式的主要流程包括：（1）任课教师根据教学大纲和教学内容为学生设计“问题”;（2）引导和启发学生通过各种方式寻找和提出解决“问题”的方案;（3）对“问题”的解决方案进行归纳和总结。

E-learning教学是指学生借助于计算机、多媒体和网络，利用现代信息技术提供和传播的知识资源环境进行的数字化学习方式[4]，具有学习环境数字化、学习资料多元化、教学传递多样化的特点。E-learning教学模式的主要流程包括：（1）任课教师根据教学大纲和教学内容提出学习的要求和目标;（2）学生通过教学平台或网络资源主动地进行学习，最终达到任课教师提出的要求和目标;（3）通过对学生学习过程的总结和反思，以提高学生的技能和知识。

与以教师和教材为核心的传统教学模式相比，PBL和E-learning 两种模式的核心都是学生，提倡学生通过自主学习和小组合作来进行知识的学习，强调挖掘学生在知识学习过程中的自主性和能动性，旨在训练和加强学生的学习主动性和对各种学习资源的综合利用能力，培养和提高学生运用理论知识解决实际问题的实践能力和协作技巧。此外，PBL教学模式倡导的师生互动可以弥补单纯的E-learning教学模式往往过分强调教学内容的技术呈现，大部分的学习过程都以浏览简单网页或是文字阅读为主，缺乏教学传递和反馈互动，缺少教师与学生，学生与学生之间的情感交流[5]的缺陷，而E-learning教学则能够为PBL教学提供更为丰富的学习资源，创造更为多元化的学习互动方式。

综上，PBL与E-learning两种教学模式既有教学理念上的共通之处，又能优势互补相互提升，因此，两者具备结合应用的理论基础和实际操作的契合点。

二、PBL与E-learning相结合教学模式在生物信息实验教学中的具体实施

首先，我们将“问题”（即学习目标）的提出作为教学的起始点和切入点。

为了使提出的“问题”既能体现教学重点又能紧随学科发展前沿，课组教师紧紧围绕《生物信息学上机实践》教学大纲中的上机实践内容，结合《生物信息学》理论知识中比较抽象的重点和难点（如序列比对、系统进化树构建、基因识别、蛋白质结构预测等），在培养学生上机实践操作能力的同时，注重拓展学生的自主学习能力，使学生在实际的操作中加深对《生物信息学》抽象理论知识的理解，增强学生应用理论知识解决实际问题的能力。比如，在序列比对上机实践课的教学中，课组教师可以首先给出10条已知来源的核酸序列信息和10条已知来源的蛋白质序列信息，向学生提出“问题1”——在DOS环境下，利用makeblastdb.exe程序建立本地核酸和蛋白质信息数据库，学生可以通过百度、谷歌等搜索引擎进行搜索，找到makeblastdb.exe程序的下载地址;随后，任课教师提出“问题2”——请利用校园网或互联网资源，下载“blast.exe”程序，并正确安装在本地计算机上;在学生构建好本地核酸和蛋白质信息数据库并完成BLAST程序本地安装后，任课教师给出1条未知来源的核酸序列（如“Seq1（序列1）”），并向学生提出“问题3”——使用blastn.exe（核酸序列比对）程序、Seq1及构建的本地核酸数据库进行序列比对，要求学生初步确定Seq1序列可能的来源;随后，任课教师给出1条未知来源的蛋白质序列（“Seq2（序列2）”），并向学生提出“问题4”——使用blastp.exe（蛋白质序列比对）程序、Seq2及构建的本地蛋白质数据库进行蛋白质序列比对，要求学生初步确定Seq2序列可能的来源;最后，任课教师给出1条未知来源序列（“Seq3（序列3）”），并向学生提出“问题5”——请根据所给序列信息选择相应的blast程序和本地生物信息数据库进行本地比对，要求学生初步确定Seq3是何种序列以及该序列可能的来源。上述5个问题中：第1个问题是帮助学生巩固和掌握构建本地生物信息数据库所需的软件和计算机环境;第2个问题是帮助学生掌握序列比对的基本软件（如BLAST）;第3、4个问题是要求学生在问题的解决中了解序列比对软件的基本用法以及不同序列比对程序（如核酸序列比对，蛋白质序列比对）的适用范围;问题5是要求学生在解决前4个问题的基础上，能够对未知类型的序列、所要比对的程序以及相应的生物信息数据进行正确的判断和选择。最终，在寻找5个问题答案的过程中，使学生明确序列比对的目的和意义，掌握序列比对工具的使用方法以及如何正确进行序列比对，同时，锻炼和强化了学生的计算机操作和实际分析问题的能力。

其次，在寻找“问题”解决方案（即达到学习目标）的过程中，教师要着力营造多元化的E-learning学习环境，鼓励学生充分利用现有的互联网系统和生物信息网络资源。比如，在任课教师提出“问题”（学习目标）后，可以通过启发式教学方法，引导学生利用互联网搜索引擎快速地寻找分析软件，登录到NCBI（美国国家生物技术信息中心，http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）、EBI（欧洲生物信息学研究所，http：//www.ebi.ac.uk/）等常用生物信息学门户网站进行相关文献的检索和数据的查询与挖掘，利用互联网上提供的在线分析软件如BLAST（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST）、PHD（http：//www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html）等进行序列比对、蛋白质结构预测等生物信息学分析操作。

最后，任课教师在组织学生寻找每个“问题”解决方案的过程中，可以通过分组讨论和集体讨论等形式渐进式地引导学生，在师生不断的交流和互动中，使学生不断修正自己对“问题”的理解并最终找到所有“问题”的最佳解决方案，达到学习目标。

三、改革效果与评价

通过近3年的改革实践，我们发现，在生物信息学实践课中采用PBL与E-learning相结合的新型教学模式，能够极大地激发学生的好奇心和学习主动性;国际互联网上大量的信息资源和学习工具可以有效拓宽学生的学习渠道、丰富学生的学习内容;在实际的操作过程中，学生内在的学习潜能能够被最大限度地挖掘出来，使学生对知识的学习由过去的被动吸收，变成了现在对知识的主动汲取，在提高学生认知水平和认知技能的同时，增强了学生的团队意识和协作精神;教师也由过去传统的课堂主宰者、学习效果裁判员，变成了学生自主学习过程中的组织者和引导者，使学生在知识学习过程中的核心地位得到了进一步的巩固和强化。“找到了问题的解决办法同时也学到了很多知识”、 “上课总是充满好奇心”、“太神奇了，只依靠生物信息数据挖掘和在线软件就可以进行不同物种间的进化关系分析”、“这门课有趣、不枯燥，学习起来不吃力”是近2年学生对生物信息学实践课教学的客观评价。当然，我们也注意到，在生物信息学实践课中实施PBL与E-learning相结合的教学模式还有许多方面需要进一步的加强和改进，比如如何更加有效地利用有限的课时让学生最大限度地获取知识、如何在确保以学生为中心进行教学的同时进行“因材施教”的分层次教学等。

实践教学是高等院校实施教育改革的重要环节，也是目前最有效的提高素质教育的教学形式之一，实践课教学质量的好坏，会直接影响学生对课程基础理论知识的理解、运用和学习的效果[6]。因此，只有在实践课教学中不断尝试先进的教学理念和教学模式，才能紧随时代步伐，探索出一条能够满足现代社会对人才需求的行之有效的实践课教学之路。

参考文献：

[1]叶子弘. 生物信息学[M].杭州： 浙江大学出版社， 2011.

[2]湛垚垚， 刘洋， 王媛等. 高等院校开展双语教学实践的研究——以《生物信息学》课程为例[J]. 农业教育研究， 2014， 80（03）： 35-37.

[3]Schmidt HG， Vermeulen L， Van Der Molen HT. Longterm effects of problem-based learning： a comparison of competencies acquired by graduates of a problem-based and a conventional medical school [J]. Med Educ， 2006， 40（6）： 562-567.

[4]贾丽艳， 温永峰， 刘桂林. 基于E-learning 技术的《基因工程》学习模式改革[J]. 河北农业科学， 2010， 14（3）： 162-164.

[5]陈雨青. 电子学习的教学设计要素[J]. 贵阳师范高等专科学校学报（社会科学版）， 2005， 4： 65-68.

[6]湛垚垚，  柴晓杰，  刘洋等. 生物化学实验教学开展双语教学新方式的研究[J]. 农业教育研究， 2013， 75（2）：31-32.

（编辑：郭桂真）