PBL教学法在《计算机辅助药物发现》教学中的实践探索

肖飞 刘鑫

摘   要：在后基因组时代背景下，计算机辅助药物发现在现代药物研发中体现越来越重要的作用。它不仅仅是交叉理论学科，更有很强的实践性。因此，在生物信息学本科专业开展PBL教学，通过实验流程设计将教学任务从理论和实践两个层面进行模块化融合，加强理论与实践的结合，调动学生参与课堂的积极性以及独立思考的主动性，提升学生主动提出问题和解决问题能力。这一课程教学的实践探索具有十分深远的意义。

关键词：计算机辅助药物发现  PBL教学  项目式教学  生物信息学

中图分类号：G642                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0180-03

随着人类基因组测序计划的完成，后基因组时代为相关领域的研究带来了新的挑战和机遇。蛋白质组学、转录组学、代谢组学等领域的发展为疾病发生的机制研究提供了海量的数据，同时为制药工业起到了革命性的推动作用。如今，各大药物公司以及科研院所采用计算机技术，从海量数据中寻找药物靶点、作用位点、药物作用机制、预测药物的腰带动力学性质等，已经是非常常规的流程。近年来，结构生物学领域取得前所未有的进展，越来越多具有重要药理作用的受体大分子的三维结构被测定出来，蛋白质结构预测的技术也取得了重大进展，也就为基于受体结构的合理药物设计奠定了良好的基础。而计算机软件、硬件的更新和进步直接推动了药物研发的进程，从原来的基础理论研究发展成为一门实用性学科。当前，我国《计算机辅助药物发现》的课程教学还处于起步阶段，将项目式教学法用于该类课程教学也有过实践[1]，但在如何更好地推动理论与实践的结合，以及激发学生的创造力方面还有待进一步探索。

1  PBL教学法

以问题为导向的教学方法（problem-based learning，PBL）区别于传统教学中教师单向讲授的模式，通过引导学生提出与教学内容相关的问题，由学生独立或合作的方式去探索问题的解决方法，在实践中激发学生的学习积极性和主动性，从而培养学生自主学习、独立思考、独立解决问题的能力。在有的学校的个别课程上，已经有一些PBL教学成功的范例[2-4]。我们在对生物信息学专业本科生开设的《计算机辅助药物发现》的课程教学中引入PBL教学法，获得了不错的教学效果。

2  教学内容设计

《计算机辅助药物发现》课程选用的主要参考教材为《计算机辅助药物分子设计》[5]。该课程安排在基因组学、转录组学、蛋白质组学、化学相关课程（包括有机化学、无机化学、生物化学等）、计算机相关课程（包括C语言编程、Biopython等）之后，学生已经具备了计算机、生物、化学等学科的必要基础。该课程教学内容包括分子建模、虚拟筛选、分子对接、分子模拟、定量构效（QSAR）等药物设计相关基础知识;还包括分子力学、量子力学、优化算法等理论计算方法，包含较多晦涩难懂的抽象概念，如果在教学过程中不去引导学生主动了解相关基础知识并将其应用于具体问题，学习效果将会大打折扣。

因此，我们将基础理论教学与实践通过PBL教学设计有机地结合起来。采用整体的项目设计，将课程的理论教学与实践内容通过项目分步执行串联起来，以解决问题为学习驱动力，激发学生的学习兴趣，在项目逐步完成的过程中增强学生对基础理论知识的理解，如表一所示。实验阶段性展示多样化，包括翻转课堂、小组讨论与汇报等。

3  教学流程

3.1 教学对象

2016级生物信息学专业，共36人。

3.2 教学载体——生物信息学

生物信息学（Bioinformatics）是由人类基因组计划的开展而逐步发展起来的一个新型交叉学科，其研究领域包括生物信息的采集、处理、存储、传播，分析和解释等各方面。它主要是采用计算机科学和信息学技术来处理生物学领域产生的各种数据，从而揭示大量而复杂的生物数据所包含的生物学奥秘。在后基因组时代，生物信息学已经成为生命科学研究领域的一个重要组成部分。我们在大三下学期开设《计算机辅助药物发现》这门课。这门课程的教学理念是：通过将理论教学与实验实践有机地结合起来，提高学生的课堂参与度，锻炼学生的自主学习能力，培养学生的科研素养。

4  教学实践与评价过程

《计算机辅助药物发现》课程设计共包括54理论学时和36实验学时，采用翻转课堂、小组讨论与汇报的形式进行课程的具体开展。我们以6名学生为一组，共分为6个小组。在课程开始的时候，便将学生分组，同时告知他们课程教学的模式及评价标准。每个小组通过文献阅读与导论，确定一个研究主题，并推选代表进行小组文献汇报以及PPT展示。正是通过这样一个过程使得所有同学对这门课程有一个整体把握。

教师在课堂讲授药物设计的方法和基本理念，让学生掌握计算机辅助药物发现的基本流程、框架和涉及到的理论和方法。对比文献调研的结果，鼓励小组讨论出本组研究课题的研究方案。课堂上对每个小组的研究方案进行可行性分析，最终在教师的指导下，确定各组项目实施的具体方案。

研究目标和实施方案都确定以后，开始进入项目的核心过程，相应的基础理论也会依次插入讲授。根据不同的内容特点，采取不同的授课方式。例如，靶标的发现部分，我们采用启发式的教学模式，學生先分小组提出各种可能性的假设;然后在小组间进行交流探讨，最后教师结合PPT对结果进行补充。这样的实践结果证明，学生虽然缺乏一些基础的理论知识，但是具有非常好的创造性，也学会了通过各种渠道调研、组织和整理资料。这可以帮助学生从课本上相对陈旧的知识体系中跳脱出来，吸收更加新鲜、前沿的方法和数据。这种方法充分体现了自主学习与教师单方面宣讲的区别，优势是显而易见的。通过这部分学习以后，每个小组根据本组课题的需求，运用学习到的方法去寻找合适的靶标，其中可能运用到不同的方法，例如基因组学、转录组学、蛋白质组学等课程中学过的手段，同时教师会依据学生的需求以辅助的方式提供相关靶标的数据库参考，这样学生学以致用，并且学会评估各种方法的可行性。

对于更加基础、相对晦涩难懂的理论部分，例如分子力学、量子力学等基础理论，教师则尝试采用翻转课堂的形式，激发学生自主学习，加深理解和启迪思想。例如，量子力学部分，我们将这部分学习浓缩为三个主题：（1）“薛定谔的猫”讲的是一个什么样的故事？对基础理论和科学的发展有哪些方面的影响？（2）什么是量子纠缠？量子计算机的原理是什么？（3）什么是引力波？它的发现有什么意义？每两小组选择最感兴趣的主题查阅相关资料以及文献后，对组内所交流讨论的部分在班级内进行PPT讲演展示。

随着研究项目的一步步推进，理论知识也一点点以各种方式传授下去，学生带着问题进入学习，学完之后马上即刻应用到具体的问题中。通过这样的理论与实践穿插式学习，学生对理论知识的理解更加深刻，方法的学习也有更强的目标，而在项目一步步实施中，学生对学习的好奇心和成就感也得到前所未有的满足，这很好地激发了他们对该课程的兴趣和热情。

学生在一个学期的时间内，以自我思考、自我探索、小组合作为主，教师引导和答疑为辅，进行课程学习，并做好过程和实践实验的记录。当学期结束时，学生可根据阶段性的实践实验以及小组合作的汇报PPT来进行课程回顾和自我小结;而教师则可以根据学生的阶段性实验报告和小组PPT展示结果，来进行教学评价。

5  教学效果

首先，教师依据PBL设计的每个步骤提出具体要求和评分标准，包括是否在规定时间内完成、实验记录完整性、课堂汇报表现等共10项内容进行打分，按照“优秀（90～100分）、良好（80～89分）、中等（70～79分）、合格（60～69分）、不合格（0～59分）”五级标准进行评判。结果显示，各组学生良好及以上的比率达到了95%，优秀的比率达到了65%，均圆满地完成了学习契约。另外，教师对学生进行了无记名问卷调查，调查内容包括对教学的兴趣度和主动性、对学习效果的满意度、对能力提升的自我评价三方面，满分各为100分。结果显示，三个方面的学生评价均为100分。

《计算机辅助药物发现》课程中，以生物信息学为载体、以学生为中心、以项目为推动的PBL教学法，将基础理论有机地融入实验教学，以激发学生的自主学习热情，训练学生提出问题、解决问题的能力，以经典理论为基础，同时结合最新的前沿研究，将学习与科研相结合，具有较强的实践性。该课程设计充分调动学生参与课堂的积极性，提高学生的学习兴趣，培养学生独立思考的能力和进行药物设计的创新思维。

参考文献

[1] 徐建凯，陈秀杰，刘磊，等.《计算机辅助药物发现》项目式教学实践[J].黑龙江信息工程，2013（31）.

[2] Jungck JR，Donovan SS，Weisstein AE，et al. Bioinformatics education dissemination with an evolutionary problem solving perspective[J].Brief Bioinform，2010，11（6）：570-581.

[3] 周先丽，苏何玲，刘永明，等.浅谈 PBL 教学模式在生物化学教学中的重要性[J].教育教学论坛，2017（1）：123-124.

[4] 陈刚.综合性高校《中药学》PBL 教学模式探讨[J].教育教学论坛，2017（3）：169-170.

[5] 张林，柴惠.“以學生为中心”教学与教学评价的理论与实践探索——以医学生物信息学为平台[J].中国高等医学教育，2014（1）：18.

[6] 徐筱杰，侯廷军，乔学斌，等.《计算机辅助药物分子设计》[M]. 北京：化学工业出版社，2004.