開展醫(yī)學本科生生物信息學教學的實踐與探索

湯曉麗+鄧立彬

摘要：伴隨著各類基因組計劃的展開和測序技術的突破，尤其是近年來精準醫(yī)療計劃的提出和推行，生物信息學在醫(yī)學科研和臨床中的重要性日益顯現(xiàn)。雖然生物信息學已逐漸成為醫(yī)學類本科生亟需掌握的基本知識與技能，但國內(nèi)多數(shù)院校尚未開展醫(yī)學本科生的生物信息學課程。本文就如何在醫(yī)學本科生中開展生物信息學教學進行了思考，并在多年教學實踐基礎上，總結出一種以科研為核心、學生為主體、訓練項目為載體的科研實訓教學模式。通過改革傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，開展醫(yī)學類本科生生物信息學教學，充分調動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，增強學生的創(chuàng)新能力及專業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞：生物信息學；教學方法；醫(yī)學本科生

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）51-0146-03

生物信息學是20世紀80年代末隨著人類基因組計劃的啟動而興起的一門新的交叉學科[1-2]。它包含了生物信息的獲取、處理、儲存、分發(fā)、分析和解釋等在內(nèi)的所有方面；綜合運用數(shù)學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學意義。目前，生物信息學在醫(yī)學領域中已廣泛應用于基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學及藥學等多個學科。特別在科學研究工作中，生物信息學的作用逐步顯現(xiàn)，越來越受到重視。近期，精準醫(yī)療概念的提出與相應模式的推進，進一步強化了運用生物信息學工具的要求。精準醫(yī)療是將臨床信息、患者表型與基因蛋白譜進行整合，從而為患者量身制定精準診斷、預后及治療策略。因此在高通量測序產(chǎn)生數(shù)以萬計的龐大組學數(shù)據(jù)中，只有依托生物信息學技術，才能探尋基因突變、藥物靶向等隱含遺傳學奧秘的精確位點，進而提供可靠的個性化治療方案?？梢?，生物信息學是精準醫(yī)療的核心內(nèi)容之一。當前，大多數(shù)醫(yī)學院校均已開設研究生生物信息學課程，但尚未將生物信息學正式列入本科生培養(yǎng)方案，以選修課形式開設生物信息學課程的院校也極為鮮見。醫(yī)學本科生是祖國醫(yī)學的未來，是臨床一線最直接的儲備軍，面對飛速發(fā)展的生物技術和以幾何級數(shù)增長的生物大數(shù)據(jù)，如果現(xiàn)階段的醫(yī)學本科生還不能學會如何利用和解讀這些資源，這將大大阻礙臨床醫(yī)學的發(fā)展。綜上，一方面醫(yī)學領域對生物信息學方面存在旺盛的需求，另一方面大多數(shù)院校均未正式開設本科生生物信息學課程，造成生物信息學人才極度緊缺。針對這一現(xiàn)狀，筆者近年來圍繞在研的各項科研課題，選拔學有余力的優(yōu)秀學生，在學校開展的各項大學生科研能力訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目支持下，吸收本科生進入實驗室，對醫(yī)學類本科生的生物信息學教學實踐方面做了一些嘗試，培養(yǎng)了一些初步掌握生物信息學知識與方法的本科學生。在此對教學過程中的感想和體會做一簡要總結，并對本科生生物信息學的教學模式進行了探討。

一、在醫(yī)學本科生中開展生物信息學的教學實踐

（一）尊重學生的教育主體地位，實施因材施教

由于生物信息學涵蓋了計算機科學、統(tǒng)計學、分子生物學和分子遺傳學等諸多學科相關知識，所以一般情況下生物信息學科研實踐的開展要遲于上述各門課程。在開展的過程中，要充分考慮學生的自身條件，進行分組施教。因為不同學生對相關背景知識的掌握不同，會導致他們接受相關教學內(nèi)容的快慢程度不一樣，因此要針對不同層次的學生開設不同等級的實踐內(nèi)容。此外，根據(jù)學生將來從事的工作類型導致的對生物信息學的需求不同，可有針對性地分成科研組和臨床組。如有些學生將來可能主要從事科研工作，因此希望掌握較多的生物信息學知識，包括各種計算機語言的使用、編程、復雜統(tǒng)計軟件的使用等等，這類學生學習熱情比較高漲。

（二）構建多學科教師組成的教學團隊，實現(xiàn)知識的互補與整合

由于生物信息學是一門新興的交叉學科，需要計算機學、統(tǒng)計學、醫(yī)學生物化學、醫(yī)學遺傳學等相關學科的共同發(fā)展來支撐。此外，生物信息學專業(yè)知識較為前沿，而且涉及的醫(yī)學研究領域較多。再加上目前生物信息學的專業(yè)教師缺少，這就限制了學科的發(fā)展。因此，在教學過程中應該合理組建教學團隊，授課教師需要來自不同的專業(yè)，了解本專業(yè)最新的知識，教師之間相互學習溝通，將不同學科的相關知識整合起來[3]，并需持續(xù)補充和學習生物信息學前沿知識，在授課內(nèi)容上還要體現(xiàn)教師自身優(yōu)勢。這樣不但可以在知識結構上互補，還可以滿足不同專業(yè)學生的需求。

（三）圍繞教師在研科研課題和學術會議，追蹤醫(yī)學研究前沿

生物信息學是一門快速發(fā)展的學科。近年來計算機技術、生物技術以及醫(yī)學技術及醫(yī)療模式都在快速更新。因此醫(yī)學生生物信息學實踐教學不能拘泥于原有教材。在進行基礎和共性的知識教學時要利用教材。而對于前沿的知識，教師一方面要結合在研的各項科研課題引入知識點，另一方面可帶學生參加一些與生物信息學相關的學術會議，讓他們開闊眼界，增長見識，激發(fā)科研靈感。

（四）調動學生主觀能動性，激發(fā)其學習潛能

由于學生專業(yè)背景知識掌握程度差異較大，以及學生自身興趣不同，傳統(tǒng)的大班教學較難達到一致性的教學效果。因此，在教學過程中可以采取不同的分組方式以滿足學生不同的需求。由于現(xiàn)階段生物信息人才非常缺乏，因此在教學過程中，對于個別基礎較強的學生，教師可以有針對性地對他們進行一些更深層次的培養(yǎng)，充分挖掘學生的潛力，利用課余時間，合理安排一些“實戰(zhàn)”性任務，通過實踐鍛煉，提升他們的專業(yè)科研素質，為當代生物信息學的發(fā)展培養(yǎng)特色人才。如我校2009級臨床專業(yè)熊同學、2010級藥學專業(yè)本科生熊同學，都對生物信息學興趣非常濃厚，在科研實踐中表現(xiàn)得十分出色，充分利用課余和寒暑假時間，在老師的精心指導下，用perl語言成功編寫出分析組學數(shù)據(jù)的一系列程序。在研究生面試時，他們扎實的生物信息學功底獲得導師的青睞，并成功讀取/保送了國內(nèi)知名大學的研究生。

二、醫(yī)學本科生生物信息學教學方法、教學模式的探討

（一）PBL教學法在案例教學中的應用

PBL（Problem-Based Learning）教學法[4]，也稱作問題式學習。生物信息學是一門操作性和實驗性很強的學科，要利用互聯(lián)網(wǎng)、計算機和各種生物信息學數(shù)據(jù)處理軟件來解決實際問題。目前，生物信息學已成為生命科學研究領域的重要工具。在實際訓練中應以問題為導向，針對每個知識點盡量從實際的應用案例出發(fā)，引導學生自主探究、合作學習、進行交流。注重培養(yǎng)學生的實際操作能力和解決問題的能力，使學生能在解決問題的過程中學會各種技能，如統(tǒng)計方法、計算機語言和軟件的基本使用、編程技巧及數(shù)據(jù)庫的運用等。隨著生物信息學技術的快速發(fā)展，整合不同生物技術產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將有利于人們發(fā)現(xiàn)疾病致病相關位點和藥物作用靶點。在本實驗室開展的PBL教學實踐中，我們以代謝性疾病作為主要研究方向，對糖尿病、高膽固醇血癥及肝癌等展開了疾病相關基因/位點的全基因組篩查。

（二）在教學過程中發(fā)揮優(yōu)秀學生的引領作用，以點帶面

由于生物信息學在醫(yī)學研究中的重要性逐漸凸現(xiàn)，因此要求參加科研實踐培訓的學生人數(shù)逐年增多。而目前生物信息學專業(yè)的老師相對缺乏，為了解決這一矛盾，我們在實踐教學和科研中摸索出一種新的方法，即以“導師-學生雙向選擇制”遴選學生進入老師課題組后，以優(yōu)秀學生為中心，采用以點及面式訓練。與以往的老師帶學生做試驗的傳統(tǒng)模式不同，在培訓中教師除作為指導老師外，還要善于在眾多的學生中發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的人才，并對這些有天分的學生進行精細培養(yǎng)，然后以這些人才為中心點，進行放大，即由一個優(yōu)秀的學生指導幾個后參加培訓的學生，在這幾個學生中再選出優(yōu)秀的學生作為下一輪的指導“老師”，這種以點帶面的特色實踐教學模式不但能節(jié)約大量教學資源，而且將最大限度地挖掘學生的科研潛力，有利于培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新素質。

（三）以大學生的各類科研訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為載體開展教學活動

目前，科技創(chuàng)新已成為發(fā)達國家保持持久競爭力的“法寶”。中國早在若干年前就確立了“科技興國”的戰(zhàn)略目標。大學生是祖國的未來，大學生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是21世紀高校人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容。國內(nèi)外眾多高校都開展了多種形式的大學生創(chuàng)新訓練計劃。因此，將生物信息學科研訓練與學校開展的各類科研創(chuàng)新訓練計劃（如大學生“挑戰(zhàn)杯”、“創(chuàng)新學分”或“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”等）相結合，將更加有效地利用各種資源，全面鍛煉學生的科研創(chuàng)新能力，例如，文獻的檢索與閱讀，各種組學數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，程序的編寫，實驗設計和操作，科研項目書的撰寫，科研論文的書寫等。

（四）同步開展科技文書的寫作訓練，總結成果保持學生的熱情

疾病的發(fā)生發(fā)展與特異基因的改變密切相關，鑒定與疾病相關的基因是醫(yī)學科研工作的重要內(nèi)容之一。在科研實踐訓練中，學生利用生物信息學方法，通過分析處理感興趣的數(shù)據(jù)（如基因組、轉錄組、單核苷酸多態(tài)性、全基因組關聯(lián)分析等），可挖掘出一些與疾病相關的內(nèi)在信息，或再通過實驗對分析結果加以驗證。教師可鼓勵學生將這些階段性的成果進行發(fā)表，這對學生來說是一種能力上的認可，可以增加學生的科研信心，激發(fā)他們的科研熱情和動力。此外還要鼓勵學生積極申請學校乃至全國性的大學生“挑戰(zhàn)杯”等競賽。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)激情，以便激勵他們在科研之路上能再創(chuàng)新高。如我校2012級本科生王同學，從大學一年級開始就進入實驗室學習生物信息學分析數(shù)據(jù)，勤奮鉆研，已分別于2013和2014年發(fā)表了2篇核心文章，并已成功申請到我校大學生“挑戰(zhàn)杯”項目，在我校大學生作品“挑戰(zhàn)杯”競賽中獲得二等獎。這些成果極大地鼓舞了同學們的科研熱情。

三、本科生生物信息學科研實踐中存在的問題

隨著生物信息學在醫(yī)學領域的廣泛應用，越來越多的學生意識到這門學科的重要性，都積極參與實踐練習。而生物信息學實踐離不開計算機這一硬件設備，同時由于生物數(shù)據(jù)量龐大，這就要求較高的計算機的配置。此外，現(xiàn)階段生物信息學專業(yè)教師比較缺乏，在一定程度上也會影響教學實踐的開展。因此，對醫(yī)學本科生開展生物信息學實踐訓練尚需相關資源的配套和完善。

四、結語

本文主要探討了對醫(yī)學本科生開展生物信息學科研實踐過程中的一些感想和體會，并在多年教學實踐基礎上，總結出一種以科研為核心、學生為主體、訓練項目為載體的科研實訓教學模式。當前雖然一些醫(yī)學院校已經(jīng)開設了生物信息學課程，但是在教學內(nèi)容、教學方法和教學模式上還有很多不足，尚有待進一步的摸索和改進[5-6]。此外，我們要加大硬件設施的投入，并不斷加強師資隊伍建設，積極參與教學改革，整合各種教學力量，從而提高生物信息學教學質量。

致謝：感謝南昌大學醫(yī)學實驗教學中心汪雁老師生前對本科生生物信息學教學方面的貢獻！

參考文獻：

[1]Shachak A，Ophir R，Rubin E.Applying instructional design theories to bioinformatics education in microarray analysis and Primer design workshops[J].Cell Biol Educ，2005，4（3）：199-206.

[2]Boyle JA.Bioinformatics in undergraduate education：practical examples[J].Biochem Mol Biol Educ，2004，32（4）：236-238.

[3]樊代明.整合醫(yī)學縱論[J].醫(yī)學爭鳴，2014，5（5）：1-13.

[4]祝鴻程，劉浩，王迎偉，等.基礎醫(yī)學課程PBL教學應用的新思路[J].基礎醫(yī)學與臨床，2011，31（12）：1410-1412.

[5]冉景盛，姚啟倫.生物信息學創(chuàng)新教學模式初探[J].生物學通報，2009，44（1）：46-48.

[6]高亞梅，韓毅強.《生物信息學》本科教學初探[J].生物信息學，2007，1（5）：46-48.

Abstract：With the development of genome projects and breakthrough of DNA sequencingtechnology，especially in recent years，the propose and implementation of accurate medical in the world，the importance of bioinformatics in medical scientific research and clinical practice is becoming obviously. Bioinformatics has increasingly become the basic knowledge and skill that medical undergraduates should master as soon as possible. However，bioinformatics has not yet been carried out for medical undergraduates in many universities. This article sums up teaching strategies and experiences on bioinformatics course for medical undergraduates，and proposes a new practical training model based on the core of scientific research，main body of students and carrier of training projects. This training model stimulates initiative learning，enhances the ability to apply course knowledge，develops innovating thinking of medical undergraduates.

Key words：bioinformatics；teaching method；medical undergraduates