PBL教學(xué)法在SCOP結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

闞顯照 陳冬生 聶劉旺 蔣瀾 楊建課

摘 要：SCOP結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫為已知蛋白質(zhì)的關(guān)系提供了詳細(xì)而全面的描繪， 是生物信息學(xué)重要的教學(xué)內(nèi)容。PBL教學(xué)法是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法， 由老師提出問題，并加以引導(dǎo)，學(xué)生通過查閱資料、分組討論來解決問題。本文將教學(xué)法引入SCOP結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫的教學(xué)實(shí)踐，旨在提高生物信息學(xué)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) SCOP 結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫 PBL教學(xué)法

生物信息學(xué)是21世紀(jì)發(fā)展迅速的一門新興交叉學(xué)科。它是計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)與生命科學(xué)的融合，主要包括生物數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、檢索、處理和建模等， 從而達(dá)到闡明生命活動(dòng)規(guī)律的目的。隨著第二代核苷酸測(cè)序技術(shù)（DNA-seq、RNA-seq、ChIP-seq技術(shù)等）的廣泛應(yīng)用、第三代核苷酸測(cè)序技術(shù)（單分子測(cè)序技術(shù)和納米測(cè)序技術(shù)等）的不斷出現(xiàn)以及新的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)（iTRAQ技術(shù)、TMT技術(shù)等）的不斷發(fā)展，生物信息學(xué)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。蛋白質(zhì)分子是一類結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的生物大分子，其結(jié)構(gòu)可分為一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要方向，是功能分類和功能進(jìn)化研究的重要依據(jù)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫是三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。在教學(xué)實(shí)踐中，我們以安徽師范大學(xué)應(yīng)用生物科學(xué)專業(yè)二年級(jí)本科生為教學(xué)對(duì)象，采用小班教學(xué)，每班不超過32人，每4人為一個(gè)小組；在安裝有網(wǎng)絡(luò)的機(jī)房及學(xué)生班級(jí)QQ群里組織教學(xué)；以陳銘主編的《生物信息學(xué)》（第二版）為教材[1]，選取SCOP2數(shù)據(jù)庫為教學(xué)內(nèi)容，探討PBL教學(xué)法在生物信息學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用。

一、PBL教學(xué)法簡介

PBL教學(xué)法是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式， 由老師提出問題，并加以引導(dǎo)，學(xué)生通過查閱資料、分組討論來解決問題。該教學(xué)方式于1969年首先在加拿大漢密爾頓的McMaster大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)行，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式有很大的不同。PBL課程是為了激發(fā)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生看到未來角色的相關(guān)性和應(yīng)用。它保持了更高水平的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并顯示出專業(yè)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

PBL教學(xué)法有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1.是以學(xué)生為中心的，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，能夠更好地理解知識(shí)；

2.有助于培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)于多種環(huán)境的生活技能[2]；

3.可以促進(jìn)溝通，解決問題，批判性思維，協(xié)作和自主學(xué)習(xí)技能的發(fā)展[3，4]；

4.能讓學(xué)生使用真實(shí)世界的體驗(yàn)來發(fā)揮最佳功能；

5.通過利用集體智慧，能給一個(gè)問題提供不同的看法和解決方案。

二、SCOP數(shù)據(jù)庫及其發(fā)展

SCOP （The Structural Classification of Proteins） 是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫，是基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和氨基酸序列相似性的人工結(jié)構(gòu)分類庫，網(wǎng)址為http：//scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/。該數(shù)據(jù)庫是由Murzin， AG等人于1994年在英國MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和劍橋蛋白質(zhì)工程中心創(chuàng)立[5]。最新版本為SCOP1.75（2009年6月釋放），包括1195個(gè)折疊（fold）、1962個(gè)超家族（superfamilies）、3902個(gè)家族（families）和38221個(gè)PDB條目（PDB entries）。SCOP數(shù)據(jù)庫分類的層次結(jié)構(gòu)有4個(gè)： 家族、超家族、折疊和結(jié)構(gòu)類型。將具有明顯進(jìn)化關(guān)系的蛋白質(zhì)聚集到一個(gè)家族中，意味著兩個(gè)蛋白質(zhì)之間的等同氨基酸殘基數(shù)超過30%。然而，在某些情況下，雖然兩個(gè)蛋白質(zhì)序列不相似，但它們具有相似的結(jié)構(gòu)和相似的功能，表明屬于同一個(gè)家族。超家族中的成員具有遠(yuǎn)源進(jìn)化關(guān)系，具有共同的進(jìn)化源。無論有無共同的進(jìn)化起源，只要具有相同排列和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)，即將蛋白質(zhì)分類為具有相同的折疊。結(jié)構(gòu)類型包括α螺旋結(jié)構(gòu)域、β折疊結(jié)構(gòu)域等。SCOP的用途是通過序列與結(jié)構(gòu)的關(guān)系理解蛋白質(zhì)進(jìn)化，以及確定新序列、新結(jié)構(gòu)是否與已知蛋白質(zhì)相關(guān)。

SCOP2是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類（SCOP）數(shù)據(jù)庫的繼承者[6] ，網(wǎng)址為http：//scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk/。與SCOP類似，SCOP2主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)和進(jìn)化關(guān)系來組織蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。SCOP2中的結(jié)構(gòu)關(guān)系分為四大類：蛋白質(zhì)關(guān)系（protein relationships）、結(jié)構(gòu)類別（structural classes）、蛋白質(zhì)類型（protein classes）和進(jìn)化事件（evolutionary events）。SCOP2用有向的非循環(huán)網(wǎng)狀圖取代了SCOP的樹狀層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、進(jìn)化事件與功能類型，這樣能夠更精確地表示蛋白質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化關(guān)系。SCOP2-graph是一個(gè)基于圖形的工具，用于顯示和導(dǎo)航SCOP2節(jié)點(diǎn)的圖形。

SCOPe是SCOP數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展[7]， 網(wǎng)址為http：//scop.berkeley.edu/。SCOPe結(jié)合使用手動(dòng)策略和嚴(yán)格驗(yàn)證的自動(dòng)化方法，對(duì)許多較新的PDB結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。SCOPe繼續(xù)開發(fā)和維護(hù)經(jīng)典的SCOP層次結(jié)構(gòu)，可能被視為SCOP數(shù)據(jù)庫真正的延續(xù)，能不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的更新。 SCOPe完全向后兼容SCOP（版本1），最新版本為SCOPe 2.06（2016年1月釋放），擁有穩(wěn)定分類77，439條PDB條目，包括1221個(gè)折疊（fold）、2008個(gè)超家族（superfamilies）、4851個(gè)家族（families）。

三、基于PBL教學(xué)法的SCOP結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫教學(xué)實(shí)踐

陳銘主編的《生物信息學(xué)》（第二版）教材中，僅包含SCOP2結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。為了更好地了解SCOP數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷史以及學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)，我們?cè)诮虒W(xué)設(shè)計(jì)中，增加了SCOP以及SCOPe的教學(xué)內(nèi)容。

1.課前設(shè)計(jì)問題

在實(shí)施PBL教學(xué)前，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，提出一系列的問題。在這教學(xué)個(gè)環(huán)節(jié)中，教師是主體。這些問題主要包括以下幾個(gè)方面。

一是關(guān)于三個(gè)數(shù)據(jù)庫的比較問題：（1）蛋白質(zhì)有哪些結(jié)構(gòu)類型？對(duì)應(yīng)的英文各是什么？SCOP2是SCOP的更新版，請(qǐng)問這兩個(gè)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫有哪些區(qū)別？（2）在SCOP2數(shù)據(jù)庫中蛋白質(zhì)類型（Protein types）有哪些？（3）還有一個(gè)升級(jí)版數(shù)據(jù)庫SCOPe，請(qǐng)指出SCOPe和SCOP兩個(gè)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系？（4）怎樣查詢SCOP、SCOP2和SCOPe數(shù)據(jù)庫？

二是關(guān)于教材內(nèi)容正確性的問題：教材中指出SCOP2結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫把所有已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分成4個(gè)層次：家族、超家族、折疊和結(jié)構(gòu)類型，這是否正確？

三是關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基本知識(shí)的問題：（1）什么是蛋白質(zhì)進(jìn)化事件（Evolutionary events）？（2）在蛋白質(zhì)水平上，怎樣理解科（family）、超科（Superfamily）和上科（Hyperfamily）？（3）在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如何理解fold和domain的關(guān)系？

四是關(guān)于蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)可視化的問題：（1）有哪些蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)可視化軟件？（2）在unix/linux系統(tǒng)下，如何安裝蛋白質(zhì)可視化軟件？

五是關(guān)于數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)的問題：怎樣把結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB關(guān)聯(lián)起來？

六是獲取科學(xué)文獻(xiàn)資源的問題：如何獲取發(fā)表數(shù)據(jù)庫資源時(shí)的英文文獻(xiàn)？

將上述問題，在課前通過班級(jí)QQ群發(fā)布。這些問題的提出，讓學(xué)生產(chǎn)生疑問，能有效地激發(fā)學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

2.查找資料和分組討論

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生是教學(xué)的主體。我們把學(xué)生分成4人一個(gè)小組，全班約7-8個(gè)小組。由班級(jí)學(xué)習(xí)委員將教師提出的問題分配給各小組。學(xué)生可以利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，針對(duì)所分配的問題，查詢相關(guān)資料。查詢的工具可以是手機(jī)、iPad、筆記本電腦和我們教學(xué)機(jī)房的臺(tái)式機(jī)，網(wǎng)絡(luò)可以利用校園網(wǎng)、電信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)等。對(duì)于科學(xué)文獻(xiàn)，可以搜索我校圖書館的電子版資源或紙質(zhì)版資源。由小組長負(fù)責(zé)，在課堂教學(xué)前組織2-3次的分組討論，主要了解小組成員查閱資料的進(jìn)度，另外對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行小范圍的討論。

課堂集中交流與總結(jié)

這是課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生和教師的作用都很重要。我們的教學(xué)地點(diǎn)是安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的生物信息學(xué)機(jī)房。先由教師把本節(jié)內(nèi)容的問題簡要介紹一下，然后由各小組選派代表進(jìn)行匯報(bào)。教師對(duì)每小組的匯報(bào)結(jié)果加以簡要的點(diǎn)評(píng)。最后，由教師對(duì)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

四、教學(xué)效果

通過多次教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，PBL教學(xué)方式在我校應(yīng)用生物學(xué)專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方式，學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的能力得到了大力的提高。這些能力的提高主要包括幾下幾個(gè)方面。

1.生命科學(xué)專業(yè)英語閱讀能力的提高。由于本節(jié)數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容的網(wǎng)站均為英文網(wǎng)站，學(xué)生必需要弄清專業(yè)英文單詞和語句的含義，經(jīng)過長期的訓(xùn)練，學(xué)生的英文閱讀得到了一定程度的提高。這也為以后用英文寫科學(xué)論文打下良好的基礎(chǔ)。

2.科學(xué)質(zhì)疑能力、嚴(yán)謹(jǐn)能力的提高。例如，通過學(xué)生查閱資料，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)陳銘主編的教材中關(guān)于SCOP2結(jié)構(gòu)分類層次的描述是錯(cuò)誤的。已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分成4個(gè)層次：家族、超家族、折疊和結(jié)構(gòu)類型，這是SCOP和SCOPe兩個(gè)數(shù)據(jù)中所采用的。而SCOP2 采用的結(jié)構(gòu)層次為蛋白質(zhì)關(guān)系、結(jié)構(gòu)類別（structural classes）、蛋白質(zhì)類型和進(jìn)化事件。

3.查閱文獻(xiàn)能力的提高。學(xué)生不僅能通過查閱我校圖書館的資源，而且還能充分利用國內(nèi)學(xué)術(shù)論壇（如小木蟲、科學(xué)網(wǎng)等）、國外學(xué)術(shù)論壇（如ResearchGate）、生物信息學(xué)專業(yè)QQ群、微信群，以及NCBI的PUBMED數(shù)據(jù)庫，這極大地提高了學(xué)生的搜索文獻(xiàn)能力。

4.學(xué)生升造競爭能力的提高。通過PBL教學(xué)方式的實(shí)踐，附著我校應(yīng)用生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生多方面能力的提高，考研升造的競爭能力得到了很大的提高。以2016屆學(xué)生為例，本專業(yè)共有46名同學(xué)，畢業(yè)時(shí)有29名同學(xué)被錄取為研究生（大部分為中科院、985和211高校），考研錄取率為63%，在安徽師范大學(xué)80多個(gè)專業(yè)中排名第一。

PBL教學(xué)法的實(shí)施，能夠提高學(xué)生多方面的能力，同時(shí)對(duì)教師的綜合素質(zhì)又是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。生物信息學(xué)的知識(shí)更新非?？?，教師的備課必須要與時(shí)俱進(jìn)。

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作者簡介

闞顯照（1968-），男，安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，生物信息研究所所長，研究方向?yàn)閯?dòng)物分子系統(tǒng)與進(jìn)化。