張林

21世紀(jì)是生命科學(xué)的時(shí)代，也是信息時(shí)代。隨著分子生物學(xué)、測(cè)序技術(shù)以及人類基因組計(jì)劃的深入展開(kāi)，各種生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)已達(dá)到海量級(jí)別。在后基因組時(shí)代，一方面是巨量的數(shù)據(jù)，另一方面是我們?cè)卺t(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等方面對(duì)新知識(shí)的渴求，這些新知識(shí)將幫助人們改善其生存環(huán)境和提高生活質(zhì)量。這就構(gòu)成了一個(gè)極大的矛盾。如何從海量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中獲取新的知識(shí)呢？1956年，在美國(guó)田納西州蓋特林堡召開(kāi)的首次“生物學(xué)中的信息理論研討會(huì)”上學(xué)者們提出了生物信息學(xué)的概念。1987年，林華安博士正式為這一領(lǐng)域定下生物信息學(xué)（Bioinformatics）這個(gè)稱謂，一門新興學(xué)科——生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

一 生物信息學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點(diǎn)、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(zhǎng)的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的一門學(xué)科。它主要包括兩重含義：一是對(duì)海量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，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)。生物信息學(xué)的實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)解決生物學(xué)問(wèn)題。它的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。它不僅是一門新學(xué)科，更是一種重要的研究開(kāi)發(fā)工具。生物信息學(xué)幾乎是今后所有生物（醫(yī)藥）研究開(kāi)發(fā)所必需的工具。

生物信息學(xué)與其他的生物醫(yī)學(xué)學(xué)科相比，有很大的不同，主要有以下三大特點(diǎn)：

第一，以生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)極其龐大復(fù)雜。隨著組學(xué)時(shí)代的來(lái)臨與深入，生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的增長(zhǎng)。根據(jù)權(quán)威的《Nucleic Acids Research》統(tǒng)計(jì)，截止2014年，全球共有約2100個(gè)主要的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋了生物醫(yī)學(xué)研究的諸多領(lǐng)域。從研究層次上看，包括核酸、蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)、基因組、蛋白質(zhì)組、人類基因和疾病、細(xì)胞器官、免疫學(xué)等14類數(shù)據(jù)庫(kù)。從研究種類上說(shuō)，包括動(dòng)物、植物、真菌、原核生物、病毒等30余萬(wàn)種生物。僅登錄在美國(guó)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的核酸序列就超過(guò)1億條，DNA序列總量超過(guò)1000億堿基對(duì)；在UniProt中，共收錄蛋白質(zhì)序列約1000萬(wàn)條；在PDB中，共收錄蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)超過(guò)8萬(wàn)個(gè)。

第二，生物信息的操作分析主要以計(jì)算機(jī)為工具，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的搜索功能完成數(shù)據(jù)收集、儲(chǔ)存、管理與提供。

第三，生物信息學(xué)是一門生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科綜合交叉的前沿產(chǎn)物，與其他學(xué)科相比，綜合交叉性強(qiáng)、難度大、發(fā)展時(shí)間短、還在不斷完善與更新中。因而目前還沒(méi)有成熟的生物信息學(xué)教學(xué)模式，各高校，尤其是醫(yī)學(xué)院校，尚處于摸索探討的階段。

二 生物信息學(xué)現(xiàn)有教學(xué)模式的不足之處

目前，國(guó)內(nèi)的生物信息學(xué)教學(xué)基本沿用以“教師講授為主”的傳統(tǒng)教學(xué)模式。以課堂為中心、以理論教學(xué)為主，進(jìn)行“滿堂灌”式教育，“照本宣讀”的方式也比較常見(jiàn)。缺乏與生物信息學(xué)交叉前沿性特點(diǎn)相適應(yīng)的新型教學(xué)模式。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式比較單一，常以驗(yàn)證性為目的，有些甚至成為了“文獻(xiàn)檢索”課程，缺乏和專業(yè)相適應(yīng)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果出現(xiàn)了理論和實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。

三 關(guān)于PBL應(yīng)用于生物信息學(xué)教學(xué)的探索

1 PBL教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)

“基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)（Problem based learning）”，簡(jiǎn)稱PBL[2-4]，是美國(guó)廣泛采用的一種探究性、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)模式。此方法與傳統(tǒng)以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)法有很大的不同，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，而不是傳統(tǒng)教學(xué)中強(qiáng)調(diào)的以教師講授為主，比如將學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問(wèn)題掛鉤、使學(xué)習(xí)者投入于問(wèn)題中、設(shè)計(jì)真實(shí)性任務(wù)、鼓勵(lì)自主探究、激發(fā)和支持學(xué)習(xí)者的高水平思維、鼓勵(lì)爭(zhēng)論、鼓勵(lì)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和過(guò)程的反思等。在醫(yī)學(xué)教育中，PBL教學(xué)強(qiáng)調(diào)以設(shè)置問(wèn)題的方式為學(xué)生創(chuàng)造一種特定的疾病發(fā)生的情境和診治的氛圍，通過(guò)學(xué)生的相互協(xié)作來(lái)共同解決實(shí)際問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立處理和解決實(shí)際問(wèn)題的能力的目標(biāo)。這種教學(xué)模式很好地解決了理論與實(shí)際脫節(jié)的矛盾。

2 PBL教學(xué)法在生物信息學(xué)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

（1）分組。根據(jù)能力和興趣分組，選擇能力互補(bǔ)且有共同興趣的學(xué)生組成不同學(xué)習(xí)小組，一般以3～4人為一組，對(duì)于總體能力特別強(qiáng)的小組可以適當(dāng)減少人數(shù)。

（2）提出教學(xué)目標(biāo)，布置真實(shí)性任務(wù)。首先，布置基礎(chǔ)性教學(xué)任務(wù)，這類教學(xué)任務(wù)的目的是為了鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)能力。例如，該類任務(wù)可由四個(gè)子科目組成：“生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別與理解”、“通過(guò)Entrez和SRS系統(tǒng)進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的檢索利用”、“blast序列比對(duì)”、“clustalw多序列比對(duì)”。這是必選任務(wù)，每個(gè)小組都必須完成，為下一步實(shí)行探究性任務(wù)打下基礎(chǔ)。

然后，根據(jù)不同小組的興趣和特點(diǎn)，分配不同的探究性任務(wù)。例如，“新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定”、“某某疾病基因的分析與鑒定”等。這類問(wèn)題并無(wú)現(xiàn)成答案，學(xué)生必須自己查閱資料、進(jìn)行歸納分析、確定實(shí)驗(yàn)步驟、完成任務(wù)。例如，對(duì)于“新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定”這項(xiàng)任務(wù)，最終可由如下步驟組成：①利用EST數(shù)據(jù)庫(kù)獲得基因重疊群；②新基因的拼接獲得；③所得基因的性質(zhì)分析；④啟動(dòng)子分析；⑤編碼區(qū)分析；⑥新基因的人工翻譯；⑦所得蛋白質(zhì)的功能分析。這些步驟和每一步的實(shí)現(xiàn)方法都將由學(xué)生在已有的知識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)查找文獻(xiàn)、互相討論、探索獲得，最終完成該項(xiàng)任務(wù)，寫出任務(wù)報(bào)告。

（3）定期討論。定期安排學(xué)生集中討論。每次討論主要完成兩方面工作：一是對(duì)任務(wù)進(jìn)展進(jìn)行報(bào)告，二是對(duì)所遇到的問(wèn)題進(jìn)行互相交流。教師全程參與，對(duì)疑難問(wèn)題作出提示和建議。

（4）成果匯報(bào)。任務(wù)完成后，進(jìn)行集中匯報(bào)。讓學(xué)生對(duì)任務(wù)期間所做工作、獲得的結(jié)果進(jìn)行匯報(bào)。

（5）教師評(píng)價(jià)、反饋。由指導(dǎo)教師對(duì)任務(wù)完成過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的程度及學(xué)生的科研、應(yīng)用能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出進(jìn)一步的提高方向。

（6）延伸階段。鑒于生物信息學(xué)都是在臨近畢業(yè)時(shí)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)于有興趣的學(xué)生，可以將探究性任務(wù)擴(kuò)展成畢業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)行模塊化分流教學(xué)。

3 在生物信息學(xué)中運(yùn)用PBL教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)

（1）生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)是一個(gè)運(yùn)用生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析、判斷、推理、綜合的實(shí)踐過(guò)程，PBL教學(xué)法的應(yīng)用可充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，著重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合分析、判斷及實(shí)踐動(dòng)手能力。

（2）在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，可明顯減少傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)工作和學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)能讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)熟悉多種生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、掌握多種生物信息軟件的使用方法、了解生物信息手段在生物醫(yī)學(xué)中的各種應(yīng)用。

（3）在相互合作的過(guò)程中，學(xué)生不僅學(xué)到了獲取知識(shí)的方式，更重要的是提高了學(xué)生的興趣、交流意識(shí)和團(tuán)隊(duì)責(zé)任感等科研必備素質(zhì)和能力。

（4）在完成真實(shí)性任務(wù)的過(guò)程中，可讓學(xué)生熟悉完成科研工作的方法步驟，培養(yǎng)學(xué)生完成科研任務(wù)的能力。

（5）小組討論時(shí)，可培養(yǎng)學(xué)生捕捉有價(jià)值信息及質(zhì)疑能力，同時(shí)也充分發(fā)掘教師的創(chuàng)造潛能，真正做到教學(xué)相長(zhǎng)。

四 PBL在生物信息學(xué)教學(xué)中應(yīng)用面臨的問(wèn)題

雖然PBL模式符合解決生物信息學(xué)問(wèn)題在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的特點(diǎn)，但也存在實(shí)際操作問(wèn)題。首先對(duì)教師提出了更高的要求。例如，要求指導(dǎo)老師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中要啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、找到答案、獲得解決問(wèn)題的能力和技巧，而不是直接給學(xué)生提供參考答案。其次是學(xué)習(xí)資源必須充足，主要包括網(wǎng)絡(luò)資源、圖書資料等教學(xué)硬件設(shè)施和相關(guān)的教學(xué)軟環(huán)境。另外，在教學(xué)過(guò)程中，個(gè)別學(xué)生對(duì)教學(xué)模式的誤解，采取消極參與的方式，甚至抵觸；個(gè)別學(xué)生會(huì)過(guò)分依賴指導(dǎo)教師的總結(jié)，不能獨(dú)立思考、討論和總結(jié)；個(gè)別學(xué)生討論只抓表面問(wèn)題等等，都是不可回避和忽視的問(wèn)題。

盡管PBL模式還存在著一定的問(wèn)題和難度，但隨著知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累，將成為生物信息學(xué)的有效教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)

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