生物信息学课程项目式教学模式改革探索

摘  要：从生物信息学具有实践性强的学科实际出发，在高性能服务器、计算机网络教室及雨课堂教学平台等资源的支持下，对真实问题导向的教学模式进行改革与探索。根据生物信息学领域的真实问题设计课程研究项目，开展项目式教学，促使学生在实践中主动掌握知识；开展线上线下混合式教学并进行形成性评价，提升真实问题项目的教学效果，培养学生良好的学习方法。真实问题导向的生物信息学教学改革将显著提高学生的学习兴趣，提升学生的生物信息学综合能力。

关键词：生物信息学；真实问题；项目式教学；线上线下混合式教学；教学改革

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）05-0045-04

Abstract： Starting from the practical discipline of Bioinformatics， with the support of resources such as high-performance servers， computer network classrooms and rain classroom teaching platforms， the real problem-oriented teaching mode is reformed and explored. We design curriculum research projects based on real problems in the field of Bioinformatics， carry out project-based teaching， and promote students to take the initiative to grasp knowledge in practice. The study carries out online and offline hybrid teaching and formative evaluation， improves the teaching effect of real problem projects， and cultivates students' good learning methods. The practice of real-world problem-oriented Bioinformatics teaching reform has significantly aroused students' interest in learning and enhanced their comprehensive ability in Bioinformatics.

Keywords： Bioinformatics; real problem; project-based teaching; online and offline hybrid teaching mode; teaching reform

生物信息学是20世纪80年代随着人类基因组计划的启动而兴起的一门新兴交叉学科，体现了生物学、计算机科学、数学和物理学等学科间的渗透与融合。生物信息学的主要目的在于通过对生物实验数据的获取、处理与分析，从而揭示实验数据所蕴含的生物学意义，进而对生物的生命活动规律进行分析与总结[1]。

生物信息学更是重要研究的开发平台与分析工具，是进行几乎所有生命科学探索所必须的重要推手，其对大量实验数据的分析处理所提供的理论指导，是今后乃至未来选择正确研发方向的重要基础。生物信息学在21世纪不断进步的同时也为其他重要学科领域带来持续性发展与学科前沿突破，其已在生物学、医学、农业、环境科学、信息技术及新材料等学科的研究中得到广泛应用，具有很高的实用价值。

我国也极为重视生物信息学的发展。生物信息学人才的培养是当前十分重要的任务。因此，国内外的许多高校在不同专业上也相继开设了生物信息学课程。但作为一门新兴前沿学科，其教学方案与指导方式尚处于探索阶段，没有完善的教学模式系统，如何更好地开展生物信息学课程的教学尚待进一步探索[2]。

项目式教学是一种在教师指导下、以学习者为中心的教学模式。学习者以解决“真实问题”为目的，在“真实问题”中利用多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联的问题，是一种探究学习模式[3]。2017年初，辽宁大学提倡教师以真实问题为导向实施教学[4]，以真实问题为导向的生物信息学课程教学模式改革实践研究则在此背景下开展起来。本研究在充分利用现代化教学资源的基础上，结合生物信息学的学科特点，研究以真实问题导向的项目式教学和线上线下混合式教学模式相融合的生物信息学课程教学模式改革，旨在探寻生物类专业生物信息学教学课程教学体系的新路径，通过本课程改革的项目式教学使学生明白如何学以致用，通过有趣的实践内容激发学生学习的主观能动性，提高学生的学习效率和自我学习能力。

一  开展项目式教学，提高学生实践能力

传统的生物学科教学主要是以课本知识为基础，课堂讲授为主的一种先基础理论、后实验知识、再实践操作的“三步”教学模式。这种教学模式的弊端主要体现为学生在实践中不能很好地将基础知识和实际情况相结合，出现了理论和实践相脱节的现象[5]，进而导致学生也不能很好地发挥主观能动性，开展创新性思维学习。当前的生物信息学课程授课应当充分考虑该学科具有实践性强的特点，在授课中强调生物学的基础理论性与信息学的实践应用性，并需要发挥网络教学的优势，实现信息技术与理论知识的结合，变单向传输式教学为双向互动式教学，变以强调理论内容为主的灌输式讲授为项目探究过程为主的引导式讲授，加深师—生、生—生之间的互动性，调动学生主动学习的积极性，培养学生良好的实践意识和动手能力，充分发挥学生的主观能动性与探索精神，全面提高学生科学文化素养，培养创新能动意识。

（一）  采用项目式教学

在完成每一个知识单元的理论讲授和此知识单元所涉及的生物信息学分析工具的使用方法练习后，给出此知识单元的项目选题范围，学生分组进行项目选题、项目研究方案的确定、方案实施并完成研究总结的书写。以此促进和提升学生对实验操作学习的积极性和创新性。

本次教学改革中项目式教学包括以下5个环节：项目选择、制定方案和计划、探究实践、反馈评价和交流分享。

1）项目选择。项目的选择要紧扣理论知识，难度要适中，且应强调团队的协作。目前供学生选择的项目选题范围包括：①基于16S RNA序列的微生物系统分类学研究；②某一蛋白的生物学功能预测与分析；③针对某一药物靶点的结构分析与药物设计；④不同环境下微生物组成的比较研究。这些项目分别对应生物信息学课程不同阶段的授课内容。其中项目①应用生物信息学数据库资源、序列比对与序列搜索、分子系统发育分析的教学单元中的知识；项目②应用蛋白质序列分析与功能预测教学单元中的知识；项目③应用的空间结构教学单元中的知识；项目④应用高通量测序数据分析教学单元中的知识。项目研究所需的知识和操作技能将覆盖大部分授课内容。

2）在制定方案和计划阶段，根据项目任务对学生进行分组，每个小组选取相应的负责人，主要负责对项目的实施和部署工作。负责人也可采取轮流制，以充分调动每个同学的积极性和领导团队协作能力。项目负责人组织成员进行集体讨论，记录并整理意见，最终制定出整体的实施方案。指导教师可适当引导并鼓励学生进行一定程度的创新[6]。

3）在研究探究阶段，学生根据团队中的分工完成各自的任务，进行项目实施。在这一过程中，学生需结合所学知识，收集相关资料，并进行实际操作。完成项目后进行项目总结。项目总结可由每名同学分别记录自己负责的进度、问题、解决方法及各自的总结，再由组内负责人进行整理归纳，形成一份完整的项目总结报告。项目的总结过程能够将整个团队对项目的实施过程进行升华，既梳理了项目实施的思路，又锻炼了学生分析与解决问题的能力，同时提高了写作水平。

4）完成项目实施后，进行项目的反馈评价和交流分享。在此阶段将过程评价和综合评价相结合，可由学生自评，也可采取小组互评、教师评价等在内的多元化评价。项目负责人进行工作汇报，其余小组同学在听取汇报中可对其提问，并提出基于自身的意见和建议，解答环节由汇报人或本组其他成员进行答疑。

（二）  增加实验课学时，增加学生动手实践的机会

生物信息学主要是通过计算机软件实现对生物实验数据的分析，需要在多次操作实践中不断发现问题、解决问题并总结经验[7]。增加实验课学时会显著提升学生的实际解决问题能力[8]。依托高性能计算机平台，设计生物大数据分析实践项目，激发学生对生物信息学的学习热情。

将教学时间一分为二，先理论讲解后实验操作。在基础知识讲解中让学生理解软件的应用原理，而后的实践操作可向学生展示实践是如何基于理论之上的，避免理论与实践脱节的问题。通过项目式实践可以使学生在实际操作中领悟到知识的真谛并且充分地掌握知识，体会解决实际问题的艰辛与困难、快乐与激情。

项目式教学模式强调以任务为驱动，以真实问题为导向，重视理论与实践的密切结合。教学时结合实际项目进行授课，可充分调动学生的自主性，使其以科学研究结合解决实际问题的态度进行学习。该教改将科研内容以课程项目任务的形式引入到课程教学中，有效加强学生对生物信息学领域国际前沿研究进展的了解，激发学生对此门课程的学习兴趣，引导学生思考与探索，最终运用生物信息学知识和创新性思维解决实际生活问题，形成完整系统的知识理论与实践方法。

二  开展线上线下混合式教学，提升实践教学效果

生物信息学是一门具有极强实践性的学科，是一门多学科交叉的交叉学科。对于生命科学专业内的学生，计算机相关知识背景较弱。针对其开设的生物信息学课程的主要教学目标是能够对生物信息学相关的各种软件进行使用、对生物学相关数据库进行检索与应用，能够利用这些技能解决实际的生物学领域内的问题。而并非对算法和程序进行创新。另外，目前大多数生物信息学教材内容更注重于讲解算法原理和数据模型，而应用不足，导致生物类专业学生难以充分掌握并运用。生命科学专业门类内的学生通常都具有较好的生物学知识基础，对于基础的核酸、蛋白质等生物大分子的相关知识较为熟悉，在教学时不用重复讲解，简单涉猎即可，而在学习课程内容中的数学模型、程序原理等数学和计算机相关知识时，通常表现出较大的学习障碍。在不断的教学实践中发现，学生的数学和计算机知识的匮乏，并不会对实践生物信息学相关软件的教学内容产生较大影响。近年来出现了翻转课堂、基于问题（problem based learning，PBL）[9]的教学模式、基于任务（task-based learning，TBL）的教育模式和项目驱动式教学模式等多种教学方法。无论是TBL教学方法、还是PBL教学方法，都强调注重把学生作为实践主体，教师尽量只负责启发和引导的部分，负责设置科学问题（任务），启发和引导学生讨论与思考，然后由学生独立探索问题、完成任务[10]。因此，对于针对生命科学专业内的学生开设的生物信息学本科课程开展线上线下混合式教学改革[11]，深入浅出地讲解晦涩难懂的数学和计算机相关知识，并且侧重实践部分的内容，能够更好地培养学生的实践能力。致力于在教学结束后，让学生具有使用生物信息学相关工具进行生物学领域数据分析并解决实际问题的能力，使学生在使用相关工具解决问题时对生物信息学产生浓厚兴趣，创新实践能力得到增强。

将课堂分为课前预习、课上讲解和课后复习3个部分。设计一套完整的课前预习PPT，告知学生本节课的学习目标、重点难点。设计一套包括课堂练习题、课后练习题和拓展研究在内的实践操作问题。课中采用雨课堂在计算机网络教室现场授课，使用雨课堂记录课中学生的听课情况。将操作视频和课堂讲授录像分享给学生，将课堂练习题和课后练习题发送给学生，并通过形成性评价激励学生不断进行实践性练习。本改革方案主要通过强调项目式实践和进行形成性评价促进学生创新性能力的培养。