R語(yǔ)言在醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與探索*

閻 潔 楊俊麗 王建文 楊 帆

(山西醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)部 太原 030001)

1 引言

生物信息學(xué)是綜合計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等多門(mén)學(xué)科理論及方法，通過(guò)對(duì)研究對(duì)象相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算模擬和分析認(rèn)識(shí)其本質(zhì)，揭示其內(nèi)在機(jī)理的學(xué)科[1-2]。目前生物信息學(xué)主要應(yīng)用于生物學(xué)研究中蛋白質(zhì)組、代謝組、基因組、轉(zhuǎn)錄組等各種組學(xué)數(shù)據(jù)的分析和處理。隨著各學(xué)科數(shù)據(jù)的積累，運(yùn)用數(shù)據(jù)揭示學(xué)科中某一類(lèi)共性問(wèn)題的本質(zhì)具有重要意義。醫(yī)學(xué)作為以人體復(fù)雜系統(tǒng)為研究對(duì)象的科學(xué)，在解決具體病癥時(shí)常需要綜合考慮和分析引發(fā)某一病癥的多維數(shù)據(jù)[3]。在具體實(shí)踐中生物信息學(xué)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)對(duì)已有的診斷和治療數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，對(duì)相關(guān)病癥的準(zhǔn)確診斷及治療方案的合理制定和優(yōu)化具有重要意義[4-5]。生物信息學(xué)技術(shù)其具有的通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理、分析以確定研究對(duì)象本質(zhì)的特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用得到逐步推廣，各大醫(yī)學(xué)院校相繼開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)課程作為醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的必修課或選修課，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代新技術(shù)，提高其在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中準(zhǔn)確診斷病癥和合理制定治療方案的能力[6-7]。

隨著生物信息學(xué)所處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性增加，需要一種功能全面的專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言和軟件工具，R語(yǔ)言較傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)軟件具有更好的可編程性、體量小、功能強(qiáng)大及易于擴(kuò)展的特性，在現(xiàn)代生物信息學(xué)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中得到廣泛應(yīng)用[8-9]。目前各醫(yī)學(xué)院校為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代醫(yī)學(xué)生基于已有診療數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析等需求，所開(kāi)設(shè)的生物信息學(xué)課程大多以R語(yǔ)言作為相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具。因此如何有效地結(jié)合R語(yǔ)言設(shè)計(jì)生物信息學(xué)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并有效開(kāi)展，對(duì)提高生物信息學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要意義。本文在借助文獻(xiàn)分析生物信息學(xué)及R語(yǔ)言特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合醫(yī)學(xué)院校學(xué)生在實(shí)際工作和研究中對(duì)生物信息學(xué)的應(yīng)用需求特點(diǎn)，探討基于R語(yǔ)言的生物信息學(xué)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。

2 生物信息學(xué)特點(diǎn)[3-6]

2.1 生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大

生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn)由生命本質(zhì)所決定，生命體內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理、生理生化反應(yīng)以及病理變化等是其復(fù)雜性的內(nèi)因。得益于高通量生物技術(shù)如二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 學(xué)科交叉性強(qiáng)，覆蓋面廣，綜合應(yīng)用難度大

生物信息學(xué)是基于分子生物學(xué)和多學(xué)科交叉而形成的一門(mén)前沿學(xué)科，在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較廣泛的研究和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外眾多高校相繼開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)課程。醫(yī)學(xué)院校學(xué)生雖然對(duì)生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生理學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的掌握較為全面和扎實(shí)，但生物信息學(xué)課程理論性較強(qiáng)、覆蓋面較廣，學(xué)生認(rèn)為其與其他生物醫(yī)學(xué)課程結(jié)合不夠緊密，較難將生物信息學(xué)的知識(shí)和原理融入到現(xiàn)有的知識(shí)體系當(dāng)中。

2.3 以計(jì)算技術(shù)為主要工具，算法抽象

生物信息學(xué)主要借助于統(tǒng)計(jì)算法分析生物大數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義，要求學(xué)生有一定的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)編程和算法實(shí)現(xiàn)對(duì)具體問(wèn)題的分析。目前在生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理中常用的工具有Matlab和開(kāi)源的R語(yǔ)言，由于Matlab屬于商業(yè)收費(fèi)軟件，在實(shí)際應(yīng)用尤其是高校教學(xué)中受到一定限制；R語(yǔ)言因其自由、免費(fèi)及源代碼開(kāi)放等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。

3 R語(yǔ)言特點(diǎn)

3.1 概述

生物信息學(xué)主要借助計(jì)算機(jī)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析生物學(xué)數(shù)據(jù)以揭示其中包含的內(nèi)在信息，因此需要一種功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析軟件作為工具。R語(yǔ)言具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力、簡(jiǎn)捷高效的編程及用戶(hù)自定義功能。

3.2 主要特點(diǎn)[8-9]

一是自由。R語(yǔ)言編譯軟件免費(fèi)且源代碼開(kāi)放，學(xué)習(xí)者可在其鏡像或?qū)W習(xí)網(wǎng)站免費(fèi)下載安裝包、源代碼及相關(guān)學(xué)習(xí)資料。二是可編程性。R語(yǔ)言與其他統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件如SAS，Matlab等相比語(yǔ)法更加通俗易懂且允許使用者編制個(gè)人函數(shù)以擴(kuò)展現(xiàn)有語(yǔ)言。三是更新快。R語(yǔ)言軟件標(biāo)準(zhǔn)安裝包中包含基本常用的程序包，且隨著新算法的出現(xiàn)，新版本中會(huì)及時(shí)更新新算法對(duì)應(yīng)的程序包。四是互動(dòng)性強(qiáng)。R語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)同窗口輸入和輸出，且兼容多種圖片格式的圖形文件輸出。五是跨平臺(tái)性。R語(yǔ)言軟件包可在Windows、Linux及Mac OS等系統(tǒng)中兼容運(yùn)行。此外R語(yǔ)言具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理、整合及圖形圖像顯示功能，對(duì)強(qiáng)調(diào)訓(xùn)練學(xué)生統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等能力的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 應(yīng)用

R語(yǔ)言應(yīng)用于生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐中不僅可以很好地結(jié)合理論、案例分析，還可極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，因此R語(yǔ)言在生物信息學(xué)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)外眾多大學(xué)統(tǒng)計(jì)及生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程都將R語(yǔ)言作為教學(xué)工具軟件。在結(jié)合生物信息學(xué)課程及R語(yǔ)言特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)展基于醫(yī)學(xué)生的生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)工作，通過(guò)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提高學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)知識(shí)應(yīng)用的掌握。

4 基于R語(yǔ)言的生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 現(xiàn)狀

一是教學(xué)內(nèi)容設(shè)置寬泛。由于生物信息學(xué)理論知識(shí)覆蓋面廣等特點(diǎn)，目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展中重點(diǎn)不聚焦、不突出，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施方式、教學(xué)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)內(nèi)容不完善，難以形成具有針對(duì)性的教學(xué)案例。二是教學(xué)方式單一，缺乏培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力的理念。實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容設(shè)置較為簡(jiǎn)單或抽象，常演變?yōu)轵?yàn)證性實(shí)驗(yàn)或單純執(zhí)行教師提供的代碼，缺少分析、解決問(wèn)題的思路和過(guò)程，缺乏以解決某個(gè)具體問(wèn)題為目的的設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)。

4.2 設(shè)計(jì)

4.2.1 教學(xué)計(jì)劃 山西醫(yī)科大學(xué)從2016年開(kāi)始為生物制藥專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)課程，針對(duì)開(kāi)課專(zhuān)業(yè)學(xué)生的知識(shí)背景及培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，課程團(tuán)隊(duì)結(jié)合參考教材、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、學(xué)術(shù)科研和學(xué)生專(zhuān)業(yè)背景等因素對(duì)生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的12個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的劃分和整合，設(shè)計(jì)生物信息學(xué)教學(xué)計(jì)劃，見(jiàn)表1。

表1 生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃

4.2.2 特點(diǎn) 一是以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)。使學(xué)生充分利用文獻(xiàn)檢索、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻、多媒體和技術(shù)等學(xué)習(xí)方式，在掌握基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上通過(guò)自主探索、分析解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用。二是多種教學(xué)模式相結(jié)合下以R語(yǔ)言為工具的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)。根據(jù)生物信息學(xué)課程特點(diǎn)和R語(yǔ)言功能，采用“教師講授+案例演示+實(shí)驗(yàn)實(shí)踐+基于問(wèn)題學(xué)習(xí)+個(gè)性化自學(xué)”的生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以醫(yī)學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在具體工作實(shí)踐中的需求為導(dǎo)向，通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生自主能動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。三是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的擴(kuò)展訓(xùn)練。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容從廣度和深度均不能滿(mǎn)足具體專(zhuān)業(yè)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題需求的情況，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于E-learning教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展訓(xùn)練，平臺(tái)整合課程教學(xué)課件、相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)手冊(cè)供學(xué)生課后練習(xí)，進(jìn)一步鞏固其對(duì)相關(guān)內(nèi)容的掌握。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)例 采用R語(yǔ)言擴(kuò)展包ggplot2中的函數(shù)對(duì)生物數(shù)據(jù)鳶尾花數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類(lèi)。所分析數(shù)據(jù)包含150個(gè)數(shù)據(jù)集，分為3類(lèi)，每類(lèi)含50條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)包含4個(gè)屬性?？赏ㄟ^(guò)花萼長(zhǎng)度和寬度屬性預(yù)測(cè)鳶尾花卉的具體類(lèi)別，分類(lèi)結(jié)果，見(jiàn)圖1。

圖1 鳶尾花數(shù)據(jù)集分類(lèi)結(jié)果

4.2.4 成效 基于上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的改革和設(shè)計(jì)，經(jīng)2017、2018級(jí)生物制造專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，表明兩屆學(xué)生期末實(shí)踐能力考核成績(jī)較2016級(jí)分別提高3.5%和4.25%，進(jìn)一步說(shuō)明生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練及合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的重要性。

5 結(jié)語(yǔ)

生物研究領(lǐng)域中基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展極大地促素養(yǎng)的評(píng)估、評(píng)價(jià)等方面還有待進(jìn)一步研究?？傊?，構(gòu)建“三位一體”的信息素養(yǎng)教育模式是提高護(hù)理人員信息素養(yǎng)的有效途徑和方法，但需要不斷探索、改進(jìn)、完善。