PBL教學(xué)法應(yīng)用于生物信息學(xué)教學(xué)的探索

張林

21世紀(jì)是生命科學(xué)的時代，也是信息時代。隨著分子生物學(xué)、測序技術(shù)以及人類基因組計劃的深入展開，各種生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)已達到海量級別。在后基因組時代，一方面是巨量的數(shù)據(jù)，另一方面是我們在醫(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等方面對新知識的渴求，這些新知識將幫助人們改善其生存環(huán)境和提高生活質(zhì)量。這就構(gòu)成了一個極大的矛盾。如何從海量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中獲取新的知識呢？1956年，在美國田納西州蓋特林堡召開的首次“生物學(xué)中的信息理論研討會”上學(xué)者們提出了生物信息學(xué)的概念。1987年，林華安博士正式為這一領(lǐng)域定下生物信息學(xué)（Bioinformatics）這個稱謂，一門新興學(xué)科——生物信息學(xué)應(yīng)運而生[1]。

一 生物信息學(xué)的學(xué)科特點

生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點、理論和方法去研究生命現(xiàn)象、組織和分析呈現(xiàn)指數(shù)增長的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的一門學(xué)科。它主要包括兩重含義：一是對海量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，即管理好這些數(shù)據(jù)；二是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，即利用好這些數(shù)據(jù)。生物信息學(xué)的實質(zhì)就是利用計算機科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決生物學(xué)問題。它的出現(xiàn)極大地推動了分子生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。它不僅是一門新學(xué)科，更是一種重要的研究開發(fā)工具。生物信息學(xué)幾乎是今后所有生物（醫(yī)藥）研究開發(fā)所必需的工具。

生物信息學(xué)與其他的生物醫(yī)學(xué)學(xué)科相比，有很大的不同，主要有以下三大特點：

第一，以生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)極其龐大復(fù)雜。隨著組學(xué)時代的來臨與深入，生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)指數(shù)級別的增長。根據(jù)權(quán)威的《Nucleic Acids Research》統(tǒng)計，截止2014年，全球共有約2100個主要的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫，涵蓋了生物醫(yī)學(xué)研究的諸多領(lǐng)域。從研究層次上看，包括核酸、蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)、基因組、蛋白質(zhì)組、人類基因和疾病、細(xì)胞器官、免疫學(xué)等14類數(shù)據(jù)庫。從研究種類上說，包括動物、植物、真菌、原核生物、病毒等30余萬種生物。僅登錄在美國GenBank數(shù)據(jù)庫中的核酸序列就超過1億條，DNA序列總量超過1000億堿基對；在UniProt中，共收錄蛋白質(zhì)序列約1000萬條；在PDB中，共收錄蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)超過8萬個。

第二，生物信息的操作分析主要以計算機為工具，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中運行，通過網(wǎng)絡(luò)強大的搜索功能完成數(shù)據(jù)收集、儲存、管理與提供。

第三，生物信息學(xué)是一門生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)以及計算機科學(xué)等諸多學(xué)科綜合交叉的前沿產(chǎn)物，與其他學(xué)科相比，綜合交叉性強、難度大、發(fā)展時間短、還在不斷完善與更新中。因而目前還沒有成熟的生物信息學(xué)教學(xué)模式，各高校，尤其是醫(yī)學(xué)院校，尚處于摸索探討的階段。

二 生物信息學(xué)現(xiàn)有教學(xué)模式的不足之處

目前，國內(nèi)的生物信息學(xué)教學(xué)基本沿用以“教師講授為主”的傳統(tǒng)教學(xué)模式。以課堂為中心、以理論教學(xué)為主，進行“滿堂灌”式教育，“照本宣讀”的方式也比較常見。缺乏與生物信息學(xué)交叉前沿性特點相適應(yīng)的新型教學(xué)模式。同時，實驗教學(xué)方式比較單一，常以驗證性為目的，有些甚至成為了“文獻檢索”課程，缺乏和專業(yè)相適應(yīng)的綜合性、設(shè)計性實驗，結(jié)果出現(xiàn)了理論和實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。

三 關(guān)于PBL應(yīng)用于生物信息學(xué)教學(xué)的探索

1 PBL教學(xué)法的優(yōu)勢

“基于問題的學(xué)習(xí)（Problem based learning）”，簡稱PBL[2-4]，是美國廣泛采用的一種探究性、任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)模式。此方法與傳統(tǒng)以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)法有很大的不同，強調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，而不是傳統(tǒng)教學(xué)中強調(diào)的以教師講授為主，比如將學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問題掛鉤、使學(xué)習(xí)者投入于問題中、設(shè)計真實性任務(wù)、鼓勵自主探究、激發(fā)和支持學(xué)習(xí)者的高水平思維、鼓勵爭論、鼓勵對學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的反思等。在醫(yī)學(xué)教育中，PBL教學(xué)強調(diào)以設(shè)置問題的方式為學(xué)生創(chuàng)造一種特定的疾病發(fā)生的情境和診治的氛圍，通過學(xué)生的相互協(xié)作來共同解決實際問題，最終實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生獨立處理和解決實際問題的能力的目標(biāo)。這種教學(xué)模式很好地解決了理論與實際脫節(jié)的矛盾。

2 PBL教學(xué)法在生物信息學(xué)教學(xué)中的實際應(yīng)用

（1）分組。根據(jù)能力和興趣分組，選擇能力互補且有共同興趣的學(xué)生組成不同學(xué)習(xí)小組，一般以3～4人為一組，對于總體能力特別強的小組可以適當(dāng)減少人數(shù)。

（2）提出教學(xué)目標(biāo)，布置真實性任務(wù)。首先，布置基礎(chǔ)性教學(xué)任務(wù)，這類教學(xué)任務(wù)的目的是為了鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)能力。例如，該類任務(wù)可由四個子科目組成：“生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫識別與理解”、“通過Entrez和SRS系統(tǒng)進行生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的檢索利用”、“blast序列比對”、“clustalw多序列比對”。這是必選任務(wù)，每個小組都必須完成，為下一步實行探究性任務(wù)打下基礎(chǔ)。

然后，根據(jù)不同小組的興趣和特點，分配不同的探究性任務(wù)。例如，“新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定”、“某某疾病基因的分析與鑒定”等。這類問題并無現(xiàn)成答案，學(xué)生必須自己查閱資料、進行歸納分析、確定實驗步驟、完成任務(wù)。例如，對于“新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定”這項任務(wù)，最終可由如下步驟組成：①利用EST數(shù)據(jù)庫獲得基因重疊群；②新基因的拼接獲得；③所得基因的性質(zhì)分析；④啟動子分析；⑤編碼區(qū)分析；⑥新基因的人工翻譯；⑦所得蛋白質(zhì)的功能分析。這些步驟和每一步的實現(xiàn)方法都將由學(xué)生在已有的知識基礎(chǔ)上，通過查找文獻、互相討論、探索獲得，最終完成該項任務(wù)，寫出任務(wù)報告。

（3）定期討論。定期安排學(xué)生集中討論。每次討論主要完成兩方面工作：一是對任務(wù)進展進行報告，二是對所遇到的問題進行互相交流。教師全程參與，對疑難問題作出提示和建議。

（4）成果匯報。任務(wù)完成后，進行集中匯報。讓學(xué)生對任務(wù)期間所做工作、獲得的結(jié)果進行匯報。

（5）教師評價、反饋。由指導(dǎo)教師對任務(wù)完成過程及結(jié)果進行點評，對學(xué)生掌握知識的程度及學(xué)生的科研、應(yīng)用能力進行評價，并提出進一步的提高方向。

（6）延伸階段。鑒于生物信息學(xué)都是在臨近畢業(yè)時進行教學(xué)，對于有興趣的學(xué)生，可以將探究性任務(wù)擴展成畢業(yè)設(shè)計，進行模塊化分流教學(xué)。

3 在生物信息學(xué)中運用PBL教學(xué)法的優(yōu)勢

（1）生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)是一個運用生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)以及計算機科學(xué)等諸多學(xué)科知識進行分析、判斷、推理、綜合的實踐過程，PBL教學(xué)法的應(yīng)用可充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，著重培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的綜合分析、判斷及實踐動手能力。

（2）在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，可明顯減少傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)工作和學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，同時能讓學(xué)生在短時間內(nèi)熟悉多種生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、掌握多種生物信息軟件的使用方法、了解生物信息手段在生物醫(yī)學(xué)中的各種應(yīng)用。

（3）在相互合作的過程中，學(xué)生不僅學(xué)到了獲取知識的方式，更重要的是提高了學(xué)生的興趣、交流意識和團隊責(zé)任感等科研必備素質(zhì)和能力。

（4）在完成真實性任務(wù)的過程中，可讓學(xué)生熟悉完成科研工作的方法步驟，培養(yǎng)學(xué)生完成科研任務(wù)的能力。

（5）小組討論時，可培養(yǎng)學(xué)生捕捉有價值信息及質(zhì)疑能力，同時也充分發(fā)掘教師的創(chuàng)造潛能，真正做到教學(xué)相長。

四 PBL在生物信息學(xué)教學(xué)中應(yīng)用面臨的問題

雖然PBL模式符合解決生物信息學(xué)問題在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的特點，但也存在實際操作問題。首先對教師提出了更高的要求。例如，要求指導(dǎo)老師在整個教學(xué)過程中要啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、找到答案、獲得解決問題的能力和技巧，而不是直接給學(xué)生提供參考答案。其次是學(xué)習(xí)資源必須充足，主要包括網(wǎng)絡(luò)資源、圖書資料等教學(xué)硬件設(shè)施和相關(guān)的教學(xué)軟環(huán)境。另外，在教學(xué)過程中，個別學(xué)生對教學(xué)模式的誤解，采取消極參與的方式，甚至抵觸；個別學(xué)生會過分依賴指導(dǎo)教師的總結(jié)，不能獨立思考、討論和總結(jié)；個別學(xué)生討論只抓表面問題等等，都是不可回避和忽視的問題。

盡管PBL模式還存在著一定的問題和難度，但隨著知識和經(jīng)驗的積累，將成為生物信息學(xué)的有效教學(xué)模式。

參考文獻

[1]陳銘，包家立.生物信息學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[2]Hussain R， Mamat W， Salleh N. Problem-based learning in Asian universities[J]. Studies in Higher Education， 2007，32（6）：761-772.

[3]劉忠秀. 醫(yī)學(xué)教育中PBL教學(xué)模式應(yīng)用的探討[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育，2008（1）：1，16.

[4]Hartling L， Spooner C， Tjosvold L， et al .Problem based learning in pre-clinical medical education 22 years of outcome research[ J]. MedTeach， 2010， 32（1）： 28-35.