“PBL+E-learning”教學模式探索
——以《生物信息學上機實踐課》教學為例

湛垚垚，劉洋，閆紅偉，毛俊霞，常亞青

（大連海洋大學 水產(chǎn)與生命學院，遼寧 大連116023）

“PBL+E-learning”教學模式探索
——以《生物信息學上機實踐課》教學為例

湛垚垚，劉洋，閆紅偉，毛俊霞，常亞青

（大連海洋大學 水產(chǎn)與生命學院，遼寧 大連116023）

實踐教學是高等院校教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的有效方式。生物信息學是自人類基因組計劃以來新興的一門交叉學科，具有學科交叉范圍廣、知識更新快速，實用實踐性強等特點，是當今生命科學和自然科學研究的前沿之一。根據(jù)生物信息學課程實踐性較強的特點，文章闡述了以國內外現(xiàn)有的生物信息資源網(wǎng)站為平臺，在《生物信息學上機實踐課》教學中采用“問題導向式學習(PBL)+電子學習(E-learning)”教學模式的理論基礎、具體實施方法和改革效果。

生物信息學；上機實踐課；PBL；E-learning；教學模式

問題導向式學習 （problem-based learning，PBL）和電子學習（或數(shù)字化學習，E-learning）是目前國際公認的比較先進的兩種教學模式。近年來，國內外很多高等院校尤其是醫(yī)學院校的很多課程都引入了PBL和E-learning教學模式，并取得了一定的教學成果和經(jīng)驗。

生物信息學（Bioinformatics）是建立在數(shù)學、計算機科學和生命科學基礎上的一門交叉科學，具有學科交叉范圍廣、知識更新速度快，實用實踐性強等特點，目前的主要研究領域包括生物信息的獲取、加工、存儲、分發(fā)、分析和解釋等各方面，綜合運用數(shù)學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學意義[1]。隨著人類基因組等計劃的開展，生物信息學已經(jīng)逐漸成為當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，在農業(yè)科學、環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品科學、動植物學等領域發(fā)揮著巨大作用，已經(jīng)被很多學校設置為生物學科相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。

大連海洋大學于2006年將《生物信息學》設置為生物技術專業(yè)的雙語專業(yè)必修課程[2]，根據(jù)生物信息學實用實踐性較強的特點，在開設生物信息學理論課教學的同時，也開展了相關的《生物信息學上機實踐課》教學工作。自2012年起，課組通過利用國內外現(xiàn)有的生物信息網(wǎng)絡資源，在《生物信息學上機實踐課》教學中開始嘗試采用“PBL+E-learning”相結合的新型教學模式，獲得了較好的教學效果。

一、PBL和E-learning結合教學的理論基礎

PBL教學是一種以問題為導向的開放式教學模式，主張以問題為起點，在教師的啟發(fā)、引導和支持下，通過合作或自主探究等方式來提高學生的學習主動性，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，并最終實現(xiàn)學生對理論知識的深層次理解和應用[3]，其特點是以學生為中心，以“問題”（即學習目標）為起點，強調教師在解決“問題”過程中的支持和啟發(fā)，學生在解決“問題”過程中的參與性與合作性，從而達到學習知識的目的。PBL教學模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學大綱和教學內容為學生設計“問題”；（2）引導和啟發(fā)學生通過各種方式尋找和提出解決“問題”的方案；（3）對“問題”的解決方案進行歸納和總結。

E-learning教學是指學生借助于計算機、多媒體和網(wǎng)絡，利用現(xiàn)代信息技術提供和傳播的知識資源環(huán)境進行的數(shù)字化學習方式[4]，具有學習環(huán)境數(shù)字化、學習資料多元化、教學傳遞多樣化的特點。E-learning教學模式的主要流程包括：（1）任課教師根據(jù)教學大綱和教學內容提出學習的要求和目標；（2）學生通過教學平臺或網(wǎng)絡資源主動地進行學習，最終達到任課教師提出的要求和目標；（3）通過對學生學習過程的總結和反思，以提高學生的技能和知識。

與以教師和教材為核心的傳統(tǒng)教學模式相比，PBL 和E-learning兩種模式的核心都是學生，提倡學生通過自主學習和小組合作來進行知識的學習，強調挖掘學生在知識學習過程中的自主性和能動性，旨在訓練和加強學生的學習主動性和對各種學習資源的綜合利用能力，培養(yǎng)和提高學生運用理論知識解決實際問題的實踐能力和協(xié)作技巧。此外，PBL教學模式倡導的師生互動可以彌補單純的E-learning教學模式往往過分強調教學內容的技術呈現(xiàn)，大部分的學習過程都以瀏覽簡單網(wǎng)頁或是文字閱讀為主，缺乏教學傳遞和反饋互動，缺少教師與學生，學生與學生之間的情感交流[5]的缺陷，而E-learning教學則能夠為PBL教學提供更為豐富的學習資源，創(chuàng)造更為多元化的學習互動方式。

綜上，PBL與E-learning兩種教學模式既有教學理念上的共通之處，又能優(yōu)勢互補相互提升，因此，兩者具備結合應用的理論基礎和實際操作的契合點。

二、PBL與E-learning相結合教學模式在生物信息實驗教學中的具體實施

首先，我們將“問題”（即學習目標）的提出作為教學的起始點和切入點。

為了使提出的“問題”既能體現(xiàn)教學重點又能緊隨學科發(fā)展前沿，課組教師緊緊圍繞《生物信息學上機實踐》教學大綱中的上機實踐內容，結合《生物信息學》理論知識中比較抽象的重點和難點（如序列比對、系統(tǒng)進化樹構建、基因識別、蛋白質結構預測等），在培養(yǎng)學生上機實踐操作能力的同時，注重拓展學生的自主學習能力，使學生在實際的操作中加深對《生物信息學》抽象理論知識的理解，增強學生應用理論知識解決實際問題的能力。比如，在序列比對上機實踐課的教學中，課組教師可以首先給出10條已知來源的核酸序列信息和10條已知來源的蛋白質序列信息，向學生提出“問題1”——在DOS環(huán)境下，利用makeblastdb.exe程序建立本地核酸和蛋白質信息數(shù)據(jù)庫，學生可以通過百度、谷歌等搜索引擎進行搜索，找到makeblastdb.exe程序的下載地址；隨后，任課教師提出“問題2”——請利用校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)資源，下載“blast.exe”程序，并正確安裝在本地計算機上；在學生構建好本地核酸和蛋白質信息數(shù)據(jù)庫并完成BLAST程序本地安裝后，任課教師給出1條未知來源的核酸序列（如“Seq1（序列1）”），并向學生提出“問題3”——使用blastn.exe（核酸序列比對）程序、Seq1及構建的本地核酸數(shù)據(jù)庫進行序列比對，要求學生初步確定Seq1序列可能的來源；隨后，任課教師給出1條未知來源的蛋白質序列（“Seq2（序列2）”），并向學生提出“問題4”——使用blastp.exe（蛋白質序列比對）程序、Seq2及構建的本地蛋白質數(shù)據(jù)庫進行蛋白質序列比對，要求學生初步確定Seq2序列可能的來源；最后，任課教師給出1條未知來源序列（“Seq3（序列3）”），并向學生提出“問題5”——請根據(jù)所給序列信息選擇相應的blast程序和本地生物信息數(shù)據(jù)庫進行本地比對，要求學生初步確定Seq3是何種序列以及該序列可能的來源。上述5個問題中：第1個問題是幫助學生鞏固和掌握構建本地生物信息數(shù)據(jù)庫所需的軟件和計算機環(huán)境；第2個問題是幫助學生掌握序列比對的基本軟件 （如BLAST）；第3、4個問題是要求學生在問題的解決中了解序列比對軟件的基本用法以及不同序列比對程序（如核酸序列比對，蛋白質序列比對）的適用范圍；問題5是要求學生在解決前4個問題的基礎上，能夠對未知類型的序列、所要比對的程序以及相應的生物信息數(shù)據(jù)進行正確的判斷和選擇。最終，在尋找5個問題答案的過程中，使學生明確序列比對的目的和意義，掌握序列比對工具的使用方法以及如何正確進行序列比對，同時，鍛煉和強化了學生的計算機操作和實際分析問題的能力。

其次，在尋找“問題”解決方案（即達到學習目標）的過程中，教師要著力營造多元化的E-learning學習環(huán)境，鼓勵學生充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和生物信息網(wǎng)絡資源。比如，在任課教師提出“問題”(學習目標)后，可以通過啟發(fā)式教學方法，引導學生利用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎快速地尋找分析軟件，登錄到NCBI(美國國家生物技術信息中心，http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/)、EBI(歐洲生物信息學研究所，http：//www.ebi.ac.uk/)等常用生物信息學門戶網(wǎng)站進行相關文獻的檢索和數(shù)據(jù)的查詢與挖掘，利用互聯(lián)網(wǎng)上提供的在線分析軟件如 BLAST(http：//www. ncbi.nlm.nih.gov/BLAST)、PHD (http：//www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html)等進行序列比對、蛋白質結構預測等生物信息學分析操作。

最后，任課教師在組織學生尋找每個“問題”解決方案的過程中，可以通過分組討論和集體討論等形式漸進式地引導學生，在師生不斷的交流和互動中，使學生不斷修正自己對“問題”的理解并最終找到所有“問題”的最佳解決方案，達到學習目標。

三、改革效果與評價

通過近3年的改革實踐，我們發(fā)現(xiàn)，在生物信息學實踐課中采用PBL與E-learning相結合的新型教學模式，能夠極大地激發(fā)學生的好奇心和學習主動性；國際互聯(lián)網(wǎng)上大量的信息資源和學習工具可以有效拓寬學生的學習渠道、豐富學生的學習內容；在實際的操作過程中，學生內在的學習潛能能夠被最大限度地挖掘出來，使學生對知識的學習由過去的被動吸收，變成了現(xiàn)在對知識的主動汲取，在提高學生認知水平和認知技能的同時，增強了學生的團隊意識和協(xié)作精神；教師也由過去傳統(tǒng)的課堂主宰者、學習效果裁判員，變成了學生自主學習過程中的組織者和引導者，使學生在知識學習過程中的核心地位得到了進一步的鞏固和強化?！罢业搅藛栴}的解決辦法同時也學到了很多知識”、 “上課總是充滿好奇心”、“太神奇了，只依靠生物信息數(shù)據(jù)挖掘和在線軟件就可以進行不同物種間的進化關系分析”、“這門課有趣、不枯燥，學習起來不吃力”是近2年學生對生物信息學實踐課教學的客觀評價。當然，我們也注意到，在生物信息學實踐課中實施PBL與E-learning相結合的教學模式還有許多方面需要進一步的加強和改進，比如如何更加有效地利用有限的課時讓學生最大限度地獲取知識、如何在確保以學生為中心進行教學的同時進行“因材施教”的分層次教學等。

實踐教學是高等院校實施教育改革的重要環(huán)節(jié)，也是目前最有效的提高素質教育的教學形式之一，實踐課教學質量的好壞，會直接影響學生對課程基礎理論知識的理解、運用和學習的效果[6]。因此，只有在實踐課教學中不斷嘗試先進的教學理念和教學模式，才能緊隨時代步伐，探索出一條能夠滿足現(xiàn)代社會對人才需求的行之有效的實踐課教學之路。

[1]葉子弘.生物信息學[M].杭州：浙江大學出版社,2011.

[2]湛垚垚,劉洋,王媛等.高等院校開展雙語教學實踐的研究——以《生物信息學》課程為例[J].農業(yè)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 conventionalmedical school[J]. Med Educ,2006,40(6)：562-567.

[4]賈麗艷,溫永峰,劉桂林.基于E-learning技術的 《基因工程》學習模式改革 [J].河北農業(yè)科學, 2010,14(3)：162-164.

[5]陳雨青.電子學習的教學設計要素[J].貴陽師范高等專科學校學報（社會科學版）,2005,4：65-68.

[6]湛垚垚,柴曉杰,劉洋等.生物化學實驗教學開展雙語教學新方式的研究[J].農業(yè)教育研究,2013, 75(2)：31-32.

（編輯：郭桂真）

G642.0

B

1673-8454（2016）20-0050-03

大連海洋大學教學改革項目“《生物信息學》雙語課程教學模式的研究與實踐”（JG2014YB03）；大連海洋大學教學改革項目“《生物信息學》雙語精品資源共享課建設”（KC2014SP01）