CM和PBL教學在生物信息學中結合的應用研究和深入探索

張林

一 當代醫(yī)學高等教育和醫(yī)學人才培養(yǎng)的特點及要求

1 當今醫(yī)學高等教育的重要特點——學科交叉

交叉學科是以單學科或多學科結合為表現(xiàn)形式的由兩門或兩門以上的學科相互滲透、融合而成的綜合學科[1]。學科的綜合、交叉、融合已經(jīng)成為當代科學的發(fā)展趨勢。生物、醫(yī)藥、健康、環(huán)境等關系到人類生存和發(fā)展的領域不斷給我們提出單一學科的知識所不能解決的復雜課題，學科之間因此相互融合與滲透，涌現(xiàn)出眾多的新興交叉學科，并使得各種高水平的創(chuàng)新成果應運而生。這種學科發(fā)展趨勢是高等教育面臨的新特點，同時也對高等教育提出了新要求。

2 當今醫(yī)學人才培養(yǎng)的特點——創(chuàng)新人才培養(yǎng)

培養(yǎng)創(chuàng)新人才已經(jīng)成為高等教育界共同的價值追求，其不僅是理論問題，更是重要的實踐課題[2]。2006年1月26日中共中央、國務院做出了關于“實施科技規(guī)劃綱要，增加自主創(chuàng)新能力”的決定。確定要“全面實施規(guī)劃綱要，經(jīng)過15年努力，到2020年使我國進入創(chuàng)新型國家行列”，并強調要“深化教育改革，加快教育發(fā)展，推進素質教育和創(chuàng)新教育，為建設創(chuàng)新型國家培養(yǎng)結構合理、素質優(yōu)良的各級各類人才”。培養(yǎng)創(chuàng)新人才已是高校構筑人才培養(yǎng)模式的根本目標。

3 帶來的挑戰(zhàn)

在上述背景下，交叉學科的教育開展與創(chuàng)新人才培養(yǎng)成為亟待解決的問題。要解決這個問題，必須從人才培養(yǎng)方案、教學計劃修訂、課程體系改革、課程教學改革等多方面入手。但無論如何改革，最終的落腳點都是課程的教與學。因此，如何根據(jù)時代發(fā)展的需要，采用高質量的交叉學科課程教學方法、改革課程重知識傳承的單一功能、培養(yǎng)醫(yī)學創(chuàng)新人才是擺在我們面前的一個不可回避的課題。本文從課程教學改革的角度和層面，來探索新形勢下大學課程的教學模式。

二 改革研究載體課程——生物信息學

生物信息學是典型的交叉學科課程，是用數(shù)理和信息科學的觀點、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)學數(shù)據(jù)的一門學科[3]。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，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)。在基因組和蛋白質組研究時代，它是醫(yī)學、藥學、生物學的研究載體和必要工具。與其他的生物醫(yī)學學科相比，主要有以下三大特點：第一，以生物醫(yī)學數(shù)據(jù)庫為基礎，數(shù)據(jù)極其龐大復雜。第二，操作分析主要依靠計算機為工具，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中運行，通過網(wǎng)絡強大的搜索功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、儲存、管理與提供。第三，是一門生物醫(yī)學、信息科學、計算機科學等諸多學科綜合交叉的前沿產(chǎn)物，與其他學科相比，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教學模式，各高校、尤其是醫(yī)學院校，尚處于摸索探討的階段。

三 生物信息學教學改革詳述

1 課程改革（教學）目標

探索CM教學法與PBL教學法結合應用模式，并以交叉學科課程“生物信息學”為研究平臺，將CM教學法與PBL教學法結合應用于生物信息學教學。從具體的操作層面上探討教學模式的變革這個涉及人才培養(yǎng)活動中最基本、最直接、最核心的問題，構建一種可操作性很強、關鍵能力培養(yǎng)效果顯著、以能力培養(yǎng)為中心的新的教學模式。

2 課程教學模式運用

CM教學法與PBL教學法結合使用。教學分小組進行，以“自主式學習”為核心，以教師的輔助、指導與管理為學生保駕護航，按照CM和PBL的特點進行無縫連接，形成一種包含自主式、啟發(fā)式、探究式、參與式、討論式等多種方式的新的教學實施模式。

3 問題集和案例集的制定

（1）問題集的制定

問題集分為A、B、C、D、E五大模塊，具體如下。

A：生物數(shù)據(jù)庫的檢索和使用。

A1：如何利用Entrez系統(tǒng)檢索和使用常用生物數(shù)據(jù)庫？A2：如何利用SRS系統(tǒng)檢索和使用常用生物數(shù)據(jù)庫？

B.生物數(shù)據(jù)庫的理解和識別。

B1：如何理解和識別基因序列數(shù)據(jù)庫Genbank、EMBL、DDBJ？B2：如何理解和識別蛋白質序列數(shù)據(jù)庫PIR、SwissProt？B3：如何理解和識別蛋白質模體功能數(shù)據(jù)庫Prosite？B4：如何理解和識別大分子結構數(shù)據(jù)庫PDB？B5：如何理解和識別生物功能數(shù)據(jù)庫KEGG、GO？B6：如何理解和識別基因組數(shù)據(jù)庫GDB？

C：生物序列比對分析。

C1：什么是雙序列比對和多序列比對？C2：如何利用blast軟件進行雙序列比對？C3：如何利用Clustal W/X軟件進行多序列比對分析？

D：核酸序列分析。

D1：如何進行重復序列分析？D2：如何利用數(shù)據(jù)庫搜索比對確定編碼序列？D3：如何利用編碼區(qū)統(tǒng)計特性分析確定編碼序列？D4：如何進行啟動子分析？D5：如何進行內(nèi)含子/外顯子剪接位點分析？D6：如何進行翻譯起始位點和翻譯終止信號分析？D7：如何人工翻譯基因？D8：如何利用序列綜合分析軟件進行核酸序列綜合分析？

E：蛋白質序列分析。

E1：如何從氨基酸組成辨識蛋白質？E2：如何預測蛋白質的物理性質？E3：如何進行蛋白質二級結構預測？E4：如何進行蛋白質特殊局部結構預測？E5：如何進行蛋白質空間結構預測？E6：如何利用空間結構互補進行藥物設計？

上述每個問題下還有子問題，因篇幅原因，不在此一一詳述。

（2）案例集的設定

根據(jù)學生分組數(shù)設置相應的案例集，每個案例要涵蓋上述A到E五大模塊的問題集，且涵蓋順序要符合課程內(nèi)容的教學規(guī)律。因為篇幅原因，這里僅以其中一個案例為例來說明。

案例：乳腺癌相關致病基因的生物信息分析及潛在藥物設計。備注：已有研究表明，某基因X在乳腺癌患者中常常呈現(xiàn)特異性表達，該基因序列如下（***），請分析該基因的相應情況，并設計抑制該基因表達的藥物。提示：首先，在數(shù)據(jù)庫中檢索到該基因（要完成該步驟需先解決A1、A2）。其次，對該基因進行基本解讀（需先解決B1）。第三，要將該基因進行序列比對分析其總體特征（需先解決C1、C2）。第四，分析該基因的特征并翻譯成蛋白質（需先解決D1-D6）。最后，分析其蛋白質相關特征并進行藥物設計（需先解決B2、B4、E1-E6）。endprint

4 教學實施策略

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生組成不同學習小組，一般以4～6人為一組，對于總體能力特別強的小組可以適當減少人數(shù)。

學習策略：對每組學生分發(fā)問題集，并針對每組布置不同的案例。給所有學生提供學習資源，包括書本、資料、網(wǎng)絡學習地址、網(wǎng)絡資源、軟件資源等。讓學生根據(jù)案例、提示和問題集，參考相關的學習資源，自主學習。學習方式以自主探究、小組討論為主。教師全程參與指導、啟發(fā)和答疑，并定期組織集中討論。在課堂時間外，全程開放實驗室，供學生學習、討論和探究。

5 教學評價體系設置

制定以能力為本位的、多樣式的教學考核評價體系。第一，理論考試分，占50分，考查重點是在完成案例過程中，通過系統(tǒng)性解決問題集，所獲得的基本概念、基本思路、總體架構等理論性知識體系。第二，案例完成分，占30分，包括案例解決過程15分（過程記錄）、案例最終完成報告文檔15分，主要考查在完成案例過程中的學習過程，以及邊學習邊解決實際案例的能力。第三，拓展測試分20分，在此項考查中，會給學生布置一個新的案例，讓學生去解決，考查學生利用所學知識解決實際科研、應用問題的能力。

6 教學效果

在此次課程教學改革中，我們以2個班為對象。其中一個班為實驗班，采用CM和PBL結合教學。另一個班為對照班，采用普通教學，進行教學實施和對照。對普通班只進行第一、三項教學評價。

在兩個班的對比中，我們發(fā)現(xiàn)，第一項理論考試，普通班的平均成績?yōu)?2.45，實驗班的平均成績?yōu)?3.52，實驗班的成績略好，經(jīng)T檢驗分析，兩者無顯著性差異。第三項拓展測試中，普通班的平均成績?yōu)?2.76，實驗班的平均成績?yōu)?8.95，經(jīng)T檢驗分析，其P值小于0.01，有顯著性差異。從評價結果中可看出，與普通教學形式相比，實驗班的理論考試成績并不遜色，反而還略有優(yōu)勢。更為重要的是，在解決實際科研與應用性問題能力的測試中，實驗班占據(jù)明顯優(yōu)勢。此外，在課程結束后，實驗班的30位同學均組成科研團隊（每隊5人），先后參加了校生命科學競賽和浙江省第六屆生命科學競賽（生物與健康競賽），1隊獲省競賽一等獎、1隊獲省競賽三等獎、1隊獲校競賽二等獎，為我校創(chuàng)造參與該項賽事取得歷史最好成績做出了重要的貢獻。

參考文獻

[1]姜維寰.科學分類的歷史沿革及當代交叉科學體系[J].科學學研究，2013（3）.

[2]朱崇實.研究型大學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].國家教育行政學院學報，2014（9）.

[3]陳銘，包家立.生物信息學[M].北京：科學出版社，2013（18）.endprint