PBL教學(xué)法在《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》教學(xué)中的實(shí)踐探索

肖飛 劉鑫

摘 ? 要：在后基因組時(shí)代背景下，計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代藥物研發(fā)中體現(xiàn)越來(lái)越重要的作用。它不僅僅是交叉理論學(xué)科，更有很強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，在生物信息學(xué)本科專業(yè)開(kāi)展PBL教學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)將教學(xué)任務(wù)從理論和實(shí)踐兩個(gè)層面進(jìn)行模塊化融合，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性以及獨(dú)立思考的主動(dòng)性，提升學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題和解決問(wèn)題能力。這一課程教學(xué)的實(shí)踐探索具有十分深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn) ?PBL教學(xué) ?項(xiàng)目式教學(xué) ?生物信息學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（b）-0180-03

隨著人類基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，后基因組時(shí)代為相關(guān)領(lǐng)域的研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展為疾病發(fā)生的機(jī)制研究提供了海量的數(shù)據(jù)，同時(shí)為制藥工業(yè)起到了革命性的推動(dòng)作用。如今，各大藥物公司以及科研院所采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中尋找藥物靶點(diǎn)、作用位點(diǎn)、藥物作用機(jī)制、預(yù)測(cè)藥物的腰帶動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等，已經(jīng)是非常常規(guī)的流程。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得前所未有的進(jìn)展，越來(lái)越多具有重要藥理作用的受體大分子的三維結(jié)構(gòu)被測(cè)定出來(lái)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，也就為基于受體結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。而計(jì)算機(jī)軟件、硬件的更新和進(jìn)步直接推動(dòng)了藥物研發(fā)的進(jìn)程，從原來(lái)的基礎(chǔ)理論研究發(fā)展成為一門實(shí)用性學(xué)科。當(dāng)前，我國(guó)《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》的課程教學(xué)還處于起步階段，將項(xiàng)目式教學(xué)法用于該類課程教學(xué)也有過(guò)實(shí)踐[1]，但在如何更好地推動(dòng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，以及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力方面還有待進(jìn)一步探索。

1 ?PBL教學(xué)法

以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法（problem-based learning，PBL）區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)中教師單向講授的模式，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生提出與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題，由學(xué)生獨(dú)立或合作的方式去探索問(wèn)題的解決方法，在實(shí)踐中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。在有的學(xué)校的個(gè)別課程上，已經(jīng)有一些PBL教學(xué)成功的范例[2-4]。我們?cè)趯?duì)生物信息學(xué)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》的課程教學(xué)中引入PBL教學(xué)法，獲得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

2 ?教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》課程選用的主要參考教材為《計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)》[5]。該課程安排在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、化學(xué)相關(guān)課程（包括有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等）、計(jì)算機(jī)相關(guān)課程（包括C語(yǔ)言編程、Biopython等）之后，學(xué)生已經(jīng)具備了計(jì)算機(jī)、生物、化學(xué)等學(xué)科的必要基礎(chǔ)。該課程教學(xué)內(nèi)容包括分子建模、虛擬篩選、分子對(duì)接、分子模擬、定量構(gòu)效（QSAR）等藥物設(shè)計(jì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí);還包括分子力學(xué)、量子力學(xué)、優(yōu)化算法等理論計(jì)算方法，包含較多晦澀難懂的抽象概念，如果在教學(xué)過(guò)程中不去引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)了解相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)并將其應(yīng)用于具體問(wèn)題，學(xué)習(xí)效果將會(huì)大打折扣。

因此，我們將基礎(chǔ)理論教學(xué)與實(shí)踐通過(guò)PBL教學(xué)設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。采用整體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將課程的理論教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容通過(guò)項(xiàng)目分步執(zhí)行串聯(lián)起來(lái)，以解決問(wèn)題為學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在項(xiàng)目逐步完成的過(guò)程中增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，如表一所示。實(shí)驗(yàn)階段性展示多樣化，包括翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論與匯報(bào)等。

3 ?教學(xué)流程

3.1 教學(xué)對(duì)象

2016級(jí)生物信息學(xué)專業(yè)，共36人。

3.2 教學(xué)載體——生物信息學(xué)

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是由人類基因組計(jì)劃的開(kāi)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新型交叉學(xué)科，其研究領(lǐng)域包括生物信息的采集、處理、存儲(chǔ)、傳播，分析和解釋等各方面。它主要是采用計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息學(xué)技術(shù)來(lái)處理生物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，從而揭示大量而復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)奧秘。在后基因組時(shí)代，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。我們?cè)诖笕聦W(xué)期開(kāi)設(shè)《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》這門課。這門課程的教學(xué)理念是：通過(guò)將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生的課堂參與度，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

4 ?教學(xué)實(shí)踐與評(píng)價(jià)過(guò)程

《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》課程設(shè)計(jì)共包括54理論學(xué)時(shí)和36實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，采用翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論與匯報(bào)的形式進(jìn)行課程的具體開(kāi)展。我們以6名學(xué)生為一組，共分為6個(gè)小組。在課程開(kāi)始的時(shí)候，便將學(xué)生分組，同時(shí)告知他們課程教學(xué)的模式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)小組通過(guò)文獻(xiàn)閱讀與導(dǎo)論，確定一個(gè)研究主題，并推選代表進(jìn)行小組文獻(xiàn)匯報(bào)以及PPT展示。正是通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程使得所有同學(xué)對(duì)這門課程有一個(gè)整體把握。

教師在課堂講授藥物設(shè)計(jì)的方法和基本理念，讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)的基本流程、框架和涉及到的理論和方法。對(duì)比文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果，鼓勵(lì)小組討論出本組研究課題的研究方案。課堂上對(duì)每個(gè)小組的研究方案進(jìn)行可行性分析，最終在教師的指導(dǎo)下，確定各組項(xiàng)目實(shí)施的具體方案。

研究目標(biāo)和實(shí)施方案都確定以后，開(kāi)始進(jìn)入項(xiàng)目的核心過(guò)程，相應(yīng)的基礎(chǔ)理論也會(huì)依次插入講授。根據(jù)不同的內(nèi)容特點(diǎn)，采取不同的授課方式。例如，靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)部分，我們采用啟發(fā)式的教學(xué)模式，學(xué)生先分小組提出各種可能性的假設(shè);然后在小組間進(jìn)行交流探討，最后教師結(jié)合PPT對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。這樣的實(shí)踐結(jié)果證明，學(xué)生雖然缺乏一些基礎(chǔ)的理論知識(shí)，但是具有非常好的創(chuàng)造性，也學(xué)會(huì)了通過(guò)各種渠道調(diào)研、組織和整理資料。這可以幫助學(xué)生從課本上相對(duì)陳舊的知識(shí)體系中跳脫出來(lái)，吸收更加新鮮、前沿的方法和數(shù)據(jù)。這種方法充分體現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)與教師單方面宣講的區(qū)別，優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。通過(guò)這部分學(xué)習(xí)以后，每個(gè)小組根據(jù)本組課題的需求，運(yùn)用學(xué)習(xí)到的方法去尋找合適的靶標(biāo)，其中可能運(yùn)用到不同的方法，例如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等課程中學(xué)過(guò)的手段，同時(shí)教師會(huì)依據(jù)學(xué)生的需求以輔助的方式提供相關(guān)靶標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)參考，這樣學(xué)生學(xué)以致用，并且學(xué)會(huì)評(píng)估各種方法的可行性。

對(duì)于更加基礎(chǔ)、相對(duì)晦澀難懂的理論部分，例如分子力學(xué)、量子力學(xué)等基礎(chǔ)理論，教師則嘗試采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，加深理解和啟迪思想。例如，量子力學(xué)部分，我們將這部分學(xué)習(xí)濃縮為三個(gè)主題：（1）“薛定諤的貓”講的是一個(gè)什么樣的故事？對(duì)基礎(chǔ)理論和科學(xué)的發(fā)展有哪些方面的影響？（2）什么是量子糾纏？量子計(jì)算機(jī)的原理是什么？（3）什么是引力波？它的發(fā)現(xiàn)有什么意義？每?jī)尚〗M選擇最感興趣的主題查閱相關(guān)資料以及文獻(xiàn)后，對(duì)組內(nèi)所交流討論的部分在班級(jí)內(nèi)進(jìn)行PPT講演展示。

隨著研究項(xiàng)目的一步步推進(jìn)，理論知識(shí)也一點(diǎn)點(diǎn)以各種方式傳授下去，學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)入學(xué)習(xí)，學(xué)完之后馬上即刻應(yīng)用到具體的問(wèn)題中。通過(guò)這樣的理論與實(shí)踐穿插式學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更加深刻，方法的學(xué)習(xí)也有更強(qiáng)的目標(biāo)，而在項(xiàng)目一步步實(shí)施中，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的好奇心和成就感也得到前所未有的滿足，這很好地激發(fā)了他們對(duì)該課程的興趣和熱情。

學(xué)生在一個(gè)學(xué)期的時(shí)間內(nèi)，以自我思考、自我探索、小組合作為主，教師引導(dǎo)和答疑為輔，進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，并做好過(guò)程和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的記錄。當(dāng)學(xué)期結(jié)束時(shí)，學(xué)生可根據(jù)階段性的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)以及小組合作的匯報(bào)PPT來(lái)進(jìn)行課程回顧和自我小結(jié);而教師則可以根據(jù)學(xué)生的階段性實(shí)驗(yàn)報(bào)告和小組PPT展示結(jié)果，來(lái)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)。

5 ?教學(xué)效果

首先，教師依據(jù)PBL設(shè)計(jì)的每個(gè)步驟提出具體要求和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，包括是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成、實(shí)驗(yàn)記錄完整性、課堂匯報(bào)表現(xiàn)等共10項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行打分，按照“優(yōu)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）”五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判。結(jié)果顯示，各組學(xué)生良好及以上的比率達(dá)到了95%，優(yōu)秀的比率達(dá)到了65%，均圓滿地完成了學(xué)習(xí)契約。另外，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行了無(wú)記名問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括對(duì)教學(xué)的興趣度和主動(dòng)性、對(duì)學(xué)習(xí)效果的滿意度、對(duì)能力提升的自我評(píng)價(jià)三方面，滿分各為100分。結(jié)果顯示，三個(gè)方面的學(xué)生評(píng)價(jià)均為100分。

《計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)》課程中，以生物信息學(xué)為載體、以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為推動(dòng)的PBL教學(xué)法，將基礎(chǔ)理論有機(jī)地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，訓(xùn)練學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合最新的前沿研究，將學(xué)習(xí)與科研相結(jié)合，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。該課程設(shè)計(jì)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思維。

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