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基于翻转课堂的生物信息应用工具普及

2024-06-19 41 上传者：管理员

摘要：生物化学的研究对象的复杂性和研究手段的多样性,决定其教学的面广、概念多、难度大。因此,新的教学改革与创新势在必行。翻转课堂是指重新调整课堂内外的时间,将学习的决定权从教师转移给学生。该文的教学团队引导学生在翻转课堂教学环节中普及生物信息学工具,并以“生化集结号”为教学活动主题,在教学实践中对于该模式进行一系列教学改革探索。

关键词：
信息技术工具
教学实践
生化集结号
生物化学
翻转课堂
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就自然科学而论，没有一门科学比生命科学更为复杂，更为神秘，更为与人类自身息息相关。长期以来，人们为探索生命进行了不懈的努力，而生物化学就是研究生命现象及其本质的一门基础学科。生物化学是介于生物与化学之间的一门基础学科，其主要是利用化学的理论和方法，研究生物的化学组成，以及生命活动过程中的一切化学变化[1]。生物化学的研究对象的复杂性和研究手段的多样性，决定了其教学的面广，概念多，难度大。原有的单一课堂讲授书本知识，已不能满足实际的学生日益增长的知识渴求和实际工作需求。因此，新的教学改革与创新势在必行。

信息技术（Information science）是研究信息的获取、传输和处理的技术，利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务的学科。生物信息技术（Bioinformatics technology）的特点就是利用信息技术，研究生物学的理论，变革生物学的技术。信息技术为生物技术的发展提供了强有力的计算工具，还有助于加强生物技术领域的各种数据库管理、信息传递、检索和资源共享等[2]。

翻转课堂是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。在这种教学模式下，学生在课前完成一定量的自主学习，教师在课堂里更多地讲授知识的难点，参与课堂的讨论，积极与学生互动，以及进行习题答疑等面对面交流。翻转课堂也有一定的局限性，例如如何调动学生的自主学习的积极性，如何加强教师在翻转课堂上的引导作用。因此，选取合适的翻转主题和内容是生物化学课翻转优劣成败的关键[3]。考虑到生物信息学与生物化学学习中的密切关系，笔者的教学团队在翻转课堂中选取了生物信息学工具作为翻转课堂主题，以“生化集结号”为教学活动标语，在课内外教学实践中对于该模式进行了如下探索。

一、生物化学课程中的生物信息技术知识

从静态分子结构到动态生理代谢，生物信息技术贯穿整个生物化学（以下简称“生化”）学习过程，熟练地掌握一些基本的生物信息技术工具已经成为生化课的前序知识准备[4]。为此，我们在学期开始之前发布课程大纲，布置相应的预习作业，要求学生掌握基本中英文文献检索数据库，如webof Science，能够熟练地通过如关键词、作者、摘要等主题进行文献检索，同时要求学生准备生化专业名词词典。

由于生物信息技术是一门全新的边缘学科，该课程一般作为高阶课程，在高年级本专业学生中进行指定选修，而大部分的学生在入门阶段无法得到系统的学习机会。据此，我们将生化课程中涉及的生物信息技术知识，按照其需求程度分为基础生物信息技术工具和高阶生物信息技术工具，基础工具主要涉及信息的确认和检索，高阶工具主要以信息的分析、归纳和再加工为主（详见表1）。在实际教学中，以学科知识群为分类标准，融合穿插生物信息技术知识点。鉴于生化学时少，内容多的特点，在课堂教学时段里，我们穿插介绍基础生物学信息相关技术工具，鼓励学生课前课后利用相关工具，理解、熟悉并拓展学科知识。例如，在酶学导论这一章节中，引入酶的经典数据库，帮助学生理解酶的分类方法，同时学会查询酶的各类参数。而高阶工具一般会作为混合式课程或翻转课堂学习内容，供学生自学、互学。

二、翻转课堂的实例

由于高阶生物信息技术知识具有分散度大、跨度广、更新快的特点，普通课堂面授不能将其一一展开。而翻转课堂主要由学生主导，学生群体的信息接受面广，流传速度快，资源相对丰富，有利于高阶技术的收集、学习和推广。因此，我们以“生化集结号”为活动主题，开展了生物信息技术“翻转课堂”教学探索。“生化集结号”要求学生：(1)与大家分享一个实用的生化学习或研究/软件/在线网址/APP，并制作简单的PPT教会大家使用。(2)以微视频或录播PPT的形式展现，时长不超过4分钟，解说词一般不超过1 000字。在学期的前几周，我们可以将上学期学生制作的集结号作为示范分享给学生学习，同时避免出现重复的集结号主题。第6周开始收集集结号选题，并开展一系列课外辅导，确保学生选题无偏差。第15—16周，主要收集集结号作品，并在网盘中进行共享，投票小程序进行学生互评，投票，选出优秀作品。在课间，对部分有代表性的作品进行集中播放，教师学生参与点评。最后，将本学期的集结号在公共网盘上进行分类整理，并继续提供给下届学生学习，形成良好的正循环效应，时间轴如图1所示。

表1 生物信息技术分层次学习目标与内容

图1 翻转课堂时间轴

图2展示为2021年度集结号翻转课堂实例，图2(b）为节选翻转课堂优秀作品，其中囊括了药靶数据库、化学物作图软件、蛋白质综合数据库等高阶生物信息技术工具。同时，我们还在班级内部展开投票互评，选出同学们认为优秀的作品（图2(a）），做到了以学生为中心的翻转课堂。此外，老师利用课间时间选取播放的部分翻转课堂视频，不仅节约了课内时间，也可以充分利用师生互动，进一步推广了翻转课堂的成效。

三、翻转课堂的成果

经过2021—2022年的摸索，集结号翻转课堂效果已初见成效。我们将集结号作品按照其性质分为5大类，分别为软件、数据库、文献检索和其他（表2、表3）。其中，数据库工具占比较大，其次是软件，说明这两种资源丰富，同时也证明学生更有兴趣去发掘。在两届学生的作品集中，几个与文献相关的检索工具都是比较特殊或者比较冷门的工具，说明大部分的学生已经熟练掌握常规文献检索工具。但是，也有热门工具，如jove视频文献杂志，由于本科阶段使用率较低或网络资源不可用而被忽视。针对此，有学生制作了集结号作品，指导大家如何免费获得其中的资源，因此，获得了学生的好评。还有学生另辟蹊径，找到了“Foldit”蛋白质折叠网页游戏，看似有些“离经叛道”，但从打分情况看，也收获了不少学生的好评。“biology stack exchange”是一个类似“知乎”的生物学问答网站，在第一届学生已经制作了集结号的基础上，第二届学生仍然要求制作新的解说，说明该网站的功能在“不断扩大与革新”，这也符合我们举办集结号活动的初衷，即收集资源并不断更新。

图2 集结号投票和作品展示

四、翻转课堂的经验与反思

早在2019年笔者开始酝酿在生化教学中开展“生化集结号”这一自主学习活动，旨在调动学生的主观能动性，同时收集生化的最新技术方法、热门理论、研究成果等。由于最开始并没有很好地聚焦，导致学生收集资料比较盲目，或者范围狭小或者缺乏亮点。同时因为只是以单纯的作业的形式发布和收集，导致即便有好的资料也很难在学生中进行推广，活动效果一般。2021年，我们改进了集结号，将范围缩小至“生物信息技术研究工具”，不仅聚焦了前沿的研究方法，学以致用，学生对其感兴趣程度高，还通过与翻转课堂结合，采用互动互评的方式，学生对其响应度高。此外，我们还在学期末为学有余力的同学布置了难度较高的探索型作业，例如选取一条代谢途径，通过数据库检索其中代谢酶的翻译后修饰，并进行统计排列和作图。该作业没有对应数据库可以进行直观的检索，而需要将各种数据库综合利用，并需要文献辅助，这项作业的完成对于初步学习了信息工具的同学们是一项挑战也能形成一种反思：即单一的检索工具并不能解决所有问题。

经过两年的课后问卷调查，学生反映平均完成一次集结号所需花费的时间为4小时，包括查资料，制作脚本PPT等。完成翻转课堂前，学生对集结号中提及的工具的熟悉程度只有22%，但期末测验中，90%的学生都能回忆起三个新工具，并能简单说明其功能。100%的学生表示从“集结号”中学到至少1个今后会经常使用的工具。

表2 2021学年集结号作品

表3 2022学年集结号作品

计算机和信息技术的不断发展为生化集结号翻转课堂提供了丰富的资源，但如何分辨其中的优劣，需要教师们加以引导和把关。笔者团队目前正在同步着手收集生化乃至生物学研究的常用和热门工具，主要采用问卷调查的形式在本校研究生中进行收集，用作每期集结号的待选命题。同时也鼓励课程的研究生助教，结合自身科研经验，制作一期集结号作品，用作范例和模板供学生参考。

五、结束语

步入信息时代，我们每个人都身处一个电子工具溢出的环境中，层出不穷的软件、工具、APP方便了我们的学习和研究，但同时也会使我们焦虑“是否还有更好的方法，更简单的工具？”。众人拾柴火焰高，期望生化集结号能在这方寸课堂唤起学生们对知识的渴望，同时也能启发教师，丰富教学内容，创新教学课堂，师生互动，教学相长。

参考文献:

[1]张冬梅,陈钧辉.普通生物化学[M].北京:高等教育出版社,2021.

[2]孙清鹏.生物信息学应用教程[M].北京:中国林业出版社,2012.

[3]何克抗.从“翻转课堂”的本质,看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究,2014,35(7):5-16.

[4]卢彦,杨荣武.数据库融入生物化学课程的教学探索[J].生命的化学,2021,41(7):1384-1389.

基金资助:江苏省教育厅教学项目“江苏高校‘青蓝工程’优秀教学团队”(苏教师函[2011]11号);

文章来源:卢彦,张冬梅.基于翻转课堂的生物信息应用工具普及——以生物化学教学为例[J].高教学刊,2024,10(18):89-92.