朱新宇，顧遠(yuǎn)滿，馬小飛，燕 霞

（南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南通226019）

生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點、理論和方法研究生命現(xiàn)象的一門交叉學(xué)科。生物信息學(xué)的交叉性、前沿性和綜合性的學(xué)科特點，以及學(xué)科本身的迅猛發(fā)展，使得生物信息學(xué)課程教學(xué)面臨諸多難題［1］。為了解決這些難題，有必要提升課程的教學(xué)水平和學(xué)習(xí)效果。

奧地利學(xué)者林德納（Matin Lindner）在2004 年首先提出了“微學(xué)習(xí)”的概念［2］。微學(xué)習(xí)指利用現(xiàn)代數(shù)字媒體，對短小內(nèi)容的短時間學(xué)習(xí)活動。微學(xué)習(xí)的前提是要具備適合的，足夠的微學(xué)習(xí)資源。移動微學(xué)習(xí)資源指以移動終端設(shè)備為載體，能有效支撐微學(xué)習(xí)開展的一切信息和服務(wù)，如通過手機(jī)學(xué)習(xí)的教學(xué)課程，通過具有互動功能的通信工具軟件進(jìn)行“生生交流”或者“師生交流”，輔助教學(xué)的移動答疑系統(tǒng)等。移動微學(xué)習(xí)資源一般由一些小的文本、圖形和圖像、動畫和視頻、音頻組成，具有微小、短時等特征。按照來源劃分，微學(xué)習(xí)資源大體可分為兩大類，即原創(chuàng)型資源和改良型資源［3］。原創(chuàng)型資源是指在教學(xué)資源設(shè)計原則的指導(dǎo)下，由教育者自主開發(fā)的符合微學(xué)習(xí)特點的資源。改良型資源是指一些原本與教學(xué)關(guān)系不緊密，但經(jīng)過二次開發(fā)能對微學(xué)習(xí)提供支持的資源。盡管微學(xué)習(xí)資源的內(nèi)容以知識片段形式呈現(xiàn)，但這些分散的微型知識應(yīng)該依據(jù)教育理論精心設(shè)計，使之既相互獨立又彼此間存在一定邏輯性和關(guān)聯(lián)性。微學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)聯(lián)通主義學(xué)習(xí)觀所倡導(dǎo)的網(wǎng)狀知識結(jié)構(gòu)，同時，應(yīng)該針對特定問題創(chuàng)設(shè)情境，包含豐富的以情境問題為核心組織的知識，這不僅有助于學(xué)生迅速而準(zhǔn)確地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，且能夠引起學(xué)習(xí)者積極的情感體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；微學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)該遵循布盧姆認(rèn)知教育目標(biāo)分類理論［4］，將微學(xué)習(xí)內(nèi)容按照教育目標(biāo)分成兩個維度，即認(rèn)知過程維度和知識維度，以此劃分學(xué)習(xí)模塊，以及每個模塊內(nèi)部的知識層級、歷程和測評依據(jù)。

本研究在微學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，以微信公眾號為平臺，創(chuàng)建生物信息學(xué)移動微學(xué)習(xí)資源，并探索生物信息學(xué)混合式教學(xué)新的途徑。

1 生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題

20 世紀(jì)末，由于基因組測序技術(shù)的突破，基因組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)級增長，生物信息學(xué)得以快速發(fā)展。生物信息學(xué)兼具理論性和實踐性。理論上，針對大規(guī)模的、復(fù)雜的、異質(zhì)性的分子生物數(shù)據(jù)，需要探索新的算法；實踐上，生物信息學(xué)是基礎(chǔ)性的生物數(shù)據(jù)分析工具，在生物大數(shù)據(jù)的時代背景下，如果不能有效地掌握生物信息學(xué)工具，分子水平的生命科學(xué)研究就無從談起。

從學(xué)科教學(xué)角度，生物信息學(xué)的這種交叉性和前沿性特點帶來一定挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在兩個方面：首先，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上存在一定的困難。以生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)為例，教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握生物信息學(xué)工具，能夠?qū)ι飻?shù)據(jù)進(jìn)行有效地挖掘和分析，由于學(xué)生的信息科學(xué)背景較弱，只能有限地了解生物信息學(xué)的算法和數(shù)學(xué)原理。作為學(xué)科教學(xué)的教師，如何在生物信息學(xué)的工具性和理論性之間取得一個較好的平衡，成為一個現(xiàn)實的教學(xué)難題。如果過度弱化算法和數(shù)學(xué)原理的教學(xué)，必然造成學(xué)生在數(shù)據(jù)分析實踐中缺乏靈活性，解析數(shù)據(jù)無所依據(jù)，而如果過多地介紹算法和數(shù)學(xué)原理，學(xué)生的專業(yè)背景和有限的課時也不允許。其次，理論和實踐教學(xué)的比例上也存在一定的困惑。生物信息學(xué)的工具性意味著課程教學(xué)必須安排足夠的上機(jī)實踐課時，但這個比例是多少才是合理的呢?這也是教師需要仔細(xì)考慮的一個現(xiàn)實問題。由于不同的教師對理論和實踐重要性的認(rèn)識不盡相同，尤其在課時缺乏的情況下，這個比例實際上難以統(tǒng)一。

2 生物信息學(xué)微學(xué)習(xí)資源建設(shè)的必要性

在微學(xué)習(xí)環(huán)境下，學(xué)生能夠利用零碎時間主動學(xué)習(xí)，提升課堂學(xué)習(xí)效率，擴(kuò)大知識面，及時跟進(jìn)學(xué)科的發(fā)展，教師則利用課程的微學(xué)習(xí)資源彌補(bǔ)由于課時限制造成的課堂教學(xué)覆蓋不足的困難，實現(xiàn)差異化教學(xué)，有利于優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

利用“生物信息學(xué)+教學(xué)資源”和“生物信息學(xué)+微學(xué)習(xí)”組合關(guān)鍵詞在知網(wǎng)中檢索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在“生物信息學(xué)+教學(xué)資源”檢索詞下，檢索到一篇文獻(xiàn)［5］，該文作者將生物信息學(xué)教學(xué)過程中產(chǎn)生的教學(xué)資源匯集在網(wǎng)站上供學(xué)生課外學(xué)習(xí)；然而，在“生物信息學(xué)+微學(xué)習(xí)”檢索詞下，沒有檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。對其他學(xué)科教學(xué)的微學(xué)習(xí)資源建設(shè)和應(yīng)用進(jìn)行了檢索，發(fā)現(xiàn)涉及的學(xué)科有限，這些學(xué)科包括計算機(jī)科學(xué)、免疫學(xué)、英語、傳統(tǒng)文化和數(shù)學(xué)等［7?12］。這一結(jié)果提示，盡管微學(xué)習(xí)資源建設(shè)和應(yīng)用開始受到關(guān)注，但還沒有引起足夠的重視。為此，對南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院3個專業(yè)的三年級175名學(xué)生開展問卷調(diào)查。選擇三年級的原因是這些學(xué)生完成了生物信息學(xué)的課程學(xué)習(xí)，對生物信息學(xué)的微學(xué)習(xí)資源的需求有切實的感受。問卷調(diào)查通過中國大學(xué)MOOC 的課堂管理小程序慕課堂進(jìn)行。問卷設(shè)置4 個問題，2 個單選題，2 個多選題，回收175 份有效問卷。結(jié)果顯示：選擇偶爾查找微學(xué)習(xí)資料的同學(xué)占到57%［圖1（a）］；選擇的媒介以微信公眾號最受歡迎［圖1（b）］；生物信息學(xué)學(xué)習(xí)的難點集中在算法原理和編程語言［圖1（c）］，而希望獲取的微學(xué)習(xí)知識則集中在軟件操作和編程知識［圖1（d）］。調(diào)查反映出學(xué)生對生物信息學(xué)微學(xué)習(xí)資源有較高的需求，并以微信公眾號最受歡迎。此外，值得注意的是，盡管生物信息學(xué)學(xué)習(xí)的難點集中在編程語言和算法原理，但希望獲取的微學(xué)習(xí)知識更多在軟件操作和編程知識方面，這個結(jié)果符合學(xué)生的生命科學(xué)專業(yè)背景，即這個背景的專業(yè)更偏向把生物信息學(xué)看作工具，而不是理論，因而更注重它的實際應(yīng)用。對微學(xué)習(xí)資源的形式進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果是以視頻和圖文最受學(xué)生歡迎（圖1沒有顯示）。

3 移動微學(xué)習(xí)資源的設(shè)計和創(chuàng)建

吳其軍等［3］建議，移動微學(xué)習(xí)的資源設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：（1）盡可能將一個完整的知識點分割成若干個模塊，模塊之間呈現(xiàn)松散組成，以彌補(bǔ)短期記憶能力和移動設(shè)備顯示屏幕的限制；（2）資源界面簡潔明了，以文本和圖片為主，導(dǎo)航簡單，風(fēng)格統(tǒng)一；（3）提供討論、答疑和老師信箱等交互功能；（4）注重情景創(chuàng)設(shè)，增加學(xué)習(xí)者體驗；（5）針對不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行不同的媒體設(shè)計，使得學(xué)習(xí)過程擁有良好的視覺體驗，減少認(rèn)知負(fù)荷。參照這些原則，制訂了生物信息學(xué)移動微學(xué)習(xí)資源設(shè)計流程（圖2）。

3.1 需求分析

問卷調(diào)查結(jié)果顯示，本科生對生物信息學(xué)微學(xué)習(xí)資源有廣泛的需求，尤其是生物信息學(xué)軟件和編程等技術(shù)性知識的學(xué)習(xí)資源。從資源現(xiàn)狀看，盡管為教學(xué)目的開發(fā)的生物信息學(xué)微學(xué)習(xí)資源鮮有發(fā)現(xiàn)，但服務(wù)于科研目的生物信息學(xué)學(xué)習(xí)資源大量存在于網(wǎng)絡(luò)和生信公眾號中，這些資源經(jīng)過二次開發(fā)可用于本科教學(xué)。當(dāng)然，為適應(yīng)本科生的知識結(jié)構(gòu)和認(rèn)知水平，需要從頭開發(fā)更多的微學(xué)習(xí)資源。

圖1 生物信息學(xué)微學(xué)習(xí)資源的問卷調(diào)查Figure 1 A survey research of bioinformatics microlearning resources

3.2 知識組塊劃分

根據(jù)問卷調(diào)查的結(jié)果（圖1），本科生最希望獲取的學(xué)習(xí)資源是技能性知識，如軟件操作和編程，其次是理論知識和其他知識。將這些知識劃分為“微實驗、微理論和微活動”3個組塊。微活動指問題導(dǎo)向的探究性活動。微實驗劃分為“基礎(chǔ)微實驗”和“高級微實驗”兩個微學(xué)習(xí)知識群，這種劃分是配合個性化的探究性課堂教學(xué)需要。此外，還考慮增加一個“歷史人物”微內(nèi)容組塊，這是從學(xué)科發(fā)展歷史的維度建立的知識模塊。以上這些模塊構(gòu)成了完整的移動生信微學(xué)習(xí)資源體系。

圖2 生物信息學(xué)移動微學(xué)習(xí)資源設(shè)計流程Figure 2 Design process for mobile microlearning resource of bioinformatics

3.3 呈現(xiàn)設(shè)計

呈現(xiàn)設(shè)計是對微學(xué)習(xí)資源呈現(xiàn)方式的設(shè)計，包括框架設(shè)計、界面設(shè)計和導(dǎo)航設(shè)計。好的呈現(xiàn)設(shè)計能夠幫助學(xué)習(xí)者在最短的時間內(nèi)找到需要的學(xué)習(xí)資源，并能夠清楚地了解整個知識結(jié)構(gòu)。

3.4 反饋和修改

反饋和修改是資源設(shè)計的最后環(huán)節(jié)。在使用一段時間后，教師和學(xué)生將遇到的問題反饋給設(shè)計人員，設(shè)計人員可以基于該反饋予以修改，經(jīng)過幾輪修改將達(dá)到理想的資源設(shè)計效果。資源建設(shè)不是一蹴而就的，反饋和修改伴隨著整個資源建設(shè)過程。3.5“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”公眾號的創(chuàng)建

依據(jù)以上設(shè)計原則，作者朱新宇于2020 年5 月創(chuàng)建了微信公眾號“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”，截至目前關(guān)注者人數(shù)為195 人。“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”的主要目的是促進(jìn)生物信息學(xué)本科教學(xué)從傳統(tǒng)課堂教學(xué)向混合式教學(xué)轉(zhuǎn)變。公眾號作為結(jié)構(gòu)良好的學(xué)習(xí)資源用于混合式教學(xué)的線上環(huán)節(jié)，學(xué)生在課前、課中和課后等3 個階段可以進(jìn)行自學(xué)或協(xié)作性學(xué)習(xí)以配合課堂教學(xué)，同時，公眾號也是學(xué)生們了解學(xué)科前沿和發(fā)展歷史的有益資源。

4 移動微學(xué)習(xí)支持的混合式教學(xué)途徑

圖3 混合式教學(xué)模式圖（引自文獻(xiàn)［13］，略作修改）Figure 3 Pattern diagram of blended learning（cited from reference［13］and slightly modified）

移動微學(xué)習(xí)應(yīng)用于輔助課堂教學(xué)已經(jīng)在多個學(xué)科開展了研究［6?11］，其中的兩個案例顯示，與傳統(tǒng)課堂教學(xué)比較，移動微學(xué)習(xí)支持的混合式課堂教學(xué)能夠顯著提高教學(xué)效果，促進(jìn)師生、生生之間的雙向交流和協(xié)作性學(xué)習(xí)［8，10］。本研究通過實際的案例說明微學(xué)習(xí)應(yīng)用于生物信息學(xué)混合式教學(xué)的途徑。根據(jù)Michael 等人［12］的混合式教學(xué)模式分類，設(shè)計了兩個教學(xué)案例，分別屬于“就地轉(zhuǎn)換”和“個體轉(zhuǎn)換”模式（圖3）。“就地轉(zhuǎn)換”指的是，在學(xué)習(xí)一門課程或科目時，學(xué)生在一間獨立教室或多間教室內(nèi)進(jìn)行線上和線下的轉(zhuǎn)換；而“個體轉(zhuǎn)換”指的是，每個學(xué)生按照個性化的任務(wù)清單在學(xué)習(xí)模塊之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但不必在所有的模塊間轉(zhuǎn)換。在這兩個案例中，學(xué)生需要關(guān)注“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”微信公眾號，并注冊微信小程序“慕課堂”，兩者構(gòu)成學(xué)生的移動微學(xué)習(xí)環(huán)境。案例一：生物數(shù)據(jù)庫章節(jié)的混合式學(xué)習(xí)。生物數(shù)據(jù)庫是生物信息學(xué)必不可少的章節(jié)，主要包含數(shù)據(jù)庫的類型、搜索原理和操作方法。通常，類型和原理在課堂上講授，而操作方法在機(jī)房中實踐。數(shù)據(jù)庫搜索一般分為線上搜索和本地搜索。在教學(xué)實踐中，我們感到NCBI 的Entrez 檢索系統(tǒng)操作簡單，不必在機(jī)房中完成，可以在“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”的微試驗（基礎(chǔ)篇）實驗一的指導(dǎo)下在課堂上完成。為此，采用“就地轉(zhuǎn)換”的混合式教學(xué)模式在多媒體教室完成，具體教學(xué)過程見表1。案例二：分子系統(tǒng)發(fā)生重建章節(jié)的混合式學(xué)習(xí)。同樣，分子系統(tǒng)發(fā)生重建也是生物信息學(xué)不可缺少的章節(jié)，是生物信息學(xué)最早應(yīng)用的領(lǐng)域，反映了生物信息學(xué)與分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系。分子系統(tǒng)發(fā)生重建一般包括序列獲取、比對、比對修理、構(gòu)樹、樹編輯等環(huán)節(jié)，限于生物信息學(xué)實驗的課時，通常使用少量的序列進(jìn)行比對和構(gòu)樹，不講或者簡單介紹比對的修理和樹的編輯，因此，學(xué)生只能獲得有限的構(gòu)樹技能。為此，采用個體轉(zhuǎn)化混合式學(xué)習(xí)模式，提高課堂效能。個體轉(zhuǎn)換模式需要給學(xué)生提供任務(wù)清單，任務(wù)清單包含必做實驗和選做實驗，必做實驗在“通達(dá)生信微學(xué)習(xí)”微試驗（基礎(chǔ)篇）中，選做實驗在微試驗（進(jìn)階篇）中，具體教學(xué)過程見表2。

5 結(jié)語

本研究通過構(gòu)建移動微學(xué)習(xí)資源以化解生物信息學(xué)跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)難題，通過與傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)的結(jié)合，探索移動微學(xué)習(xí)支持下的生物信息學(xué)混合教學(xué)模式，促進(jìn)傳統(tǒng)課堂向研究型、問題型和協(xié)作型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。課堂學(xué)習(xí)是對結(jié)構(gòu)良好的基礎(chǔ)知識和基本理論的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，而微學(xué)習(xí)環(huán)境留給學(xué)生廣闊的建構(gòu)空間，讓學(xué)生能夠?qū)Χ绦〉珒?nèi)容廣泛的微內(nèi)容學(xué)習(xí)，通過自學(xué)、協(xié)作、探究式學(xué)習(xí)，加深對知識的理解。

移動微學(xué)習(xí)是一種新型的學(xué)習(xí)方式，與傳統(tǒng)課堂結(jié)合，可以提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果，同時應(yīng)該認(rèn)識到，移動微學(xué)習(xí)也是一種較難實施的學(xué)習(xí)方式，對于一線的普通教育工作者，應(yīng)該積極探索移動微學(xué)習(xí)與學(xué)科教學(xué)相結(jié)合的途徑，充分利用移動微學(xué)習(xí)資源，恰當(dāng)應(yīng)用到傳統(tǒng)課堂教學(xué)中。

表1 生物數(shù)據(jù)庫的教學(xué)過程Table 1 Teaching process of biological databases

表2 分子系統(tǒng)發(fā)育重建的教學(xué)過程Table 2 Teaching process of molecular phylogenetic reconstruction