生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)探索

方 璐

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

隨著包括人類基因組計(jì)劃在內(nèi)的生物基因組測序工程的飛速進(jìn)展，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，人類獲得了海量的與生物生老病死相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)揭示遺傳的規(guī)律，解開生命的奧秘，推動醫(yī)學(xué)的發(fā)展成為現(xiàn)代生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容， 并由此產(chǎn)生了一門新的學(xué)科——生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)[1-2]。 生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論是將生物信息學(xué)所研究的生命基本規(guī)律和醫(yī)學(xué)前沿技術(shù)相融合的一門綜合性課程，知識覆蓋面廣，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個交叉學(xué)科，是高等學(xué)校非生物類專業(yè)本科生的公共選修課。 該課程的設(shè)置旨在讓學(xué)生了解各學(xué)科之間的交叉融合， 相互促進(jìn)，拓寬學(xué)生的知識面， 激發(fā)學(xué)生對生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)的興趣，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 課程內(nèi)容特點(diǎn)分析

生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)，從字面上主要包括生物信息學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)兩部分[3-4]。 生物信息學(xué)是在生命科學(xué)的研究中，以計(jì)算機(jī)為工具對生物信息進(jìn)行儲存、檢索和分析的科學(xué)，其主要研究領(lǐng)域包括序列對比，蛋白質(zhì)對比，基因發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測，基因表達(dá)和蛋白質(zhì)的相互作用等[5-6]。 醫(yī)學(xué)信息學(xué)則是信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)衛(wèi)生保健等學(xué)科互相交叉的學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，優(yōu)化醫(yī)學(xué)衛(wèi)生領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)的采集、存儲、檢索和利用。 其主要研究領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)決策系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)影像、遠(yuǎn)程醫(yī)療等[7]。從研究領(lǐng)域看，生物信息學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)各不相關(guān)，然而，隨著人類基因組測序計(jì)劃的完成，越來越多的生物信息學(xué)的研究成果已經(jīng)或正在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域加以應(yīng)用，如產(chǎn)前基因篩查，基因檢測在癌癥及罕見病治療中的應(yīng)用等。 若在講課過程中將生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)分為生物信息學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)兩部分進(jìn)行教學(xué)， 則容易使學(xué)生誤以為是兩門獨(dú)立的學(xué)科。因此，需要重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，使學(xué)生既能了解兩門學(xué)科的各自特點(diǎn)，又能感受到兩個領(lǐng)域之間的交叉融合和相互促進(jìn)。

2 課程內(nèi)容改革

2.1 結(jié)合經(jīng)典

生物信息學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)雖然都是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展后興起的科學(xué)，但是其理論基礎(chǔ)仍是經(jīng)典的生命科學(xué)知識。 生命科學(xué)中許多經(jīng)典基礎(chǔ)知識，如遺傳物質(zhì)DNA、基因表達(dá)、蛋白結(jié)構(gòu)、遺傳密碼等，盡管這些知識在高中生物中都已學(xué)過，但是由于生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論是面向全校各專業(yè)，尤其是非生物相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的通識課程，因此，對于生物基礎(chǔ)知識，仍然需要稍加講解，以便后續(xù)的深入理解。 在講解這些基礎(chǔ)知識的時(shí)候，可以在深度和廣度上對原有知識進(jìn)行拔高[8]，以激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索和了解的欲望，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的經(jīng)典研究案例，對知識點(diǎn)進(jìn)行講解。 如介紹遺傳物質(zhì)，基因等相關(guān)知識時(shí)，我們介紹了人類基因組計(jì)劃，克隆羊多利等，使學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)幫助其對相關(guān)知識加以理解。

2.2 結(jié)合熱點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)中的知識點(diǎn)零散且較難理解，我們將課程內(nèi)容緊密結(jié)合熱點(diǎn)時(shí)事， 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感受到最新動態(tài)與經(jīng)典知識的碰撞，通過探索時(shí)事背后所隱藏的科學(xué)問題，從而來展開課程教學(xué)。比如，2018 年發(fā)生的“基因編輯嬰兒”事件，我們從該事件引入， 向?qū)W生介紹了什么是基因編輯， 基于CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)， 基因編輯在疾病治療中的作用等，并站在科學(xué)、醫(yī)學(xué)和倫理道德的角度對該事件進(jìn)行了分析討論。 再比如，物理學(xué)家霍金去世時(shí)，我們由其所得的罕見病肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥引入，分析了罕見病的發(fā)病原因，基因檢測在罕見病確診和治療中的作用，基因編輯技術(shù)在罕見病的藥物研發(fā)中的作用等。 通過這些社會熱點(diǎn)事件的引入，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過對熱點(diǎn)事件背后的前沿知識的介紹及科學(xué)問題的分析， 激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，提升了學(xué)生思維深度和綜合素質(zhì)。

2.3 結(jié)合科研重點(diǎn)

近年來，隨著生物信息學(xué)的迅速發(fā)展，越來越多的研究成果在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 在教學(xué)過程中引入這些最新的學(xué)科理論與研究成果，通過對學(xué)科前沿問題及相關(guān)案例進(jìn)行分析討論，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維方式， 同時(shí)使學(xué)生能對學(xué)科之間的交叉融合和相互促進(jìn)有更深的了解。 例如，我們介紹了生化傳感器在腫瘤標(biāo)記物檢測中的應(yīng)用，癌癥疫苗的研發(fā)， 生物三維打印的研發(fā)現(xiàn)狀及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用等。 我們還介紹了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎中，與生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)相關(guān)的研究，如2018 年的腫瘤免疫治療， 我們介紹了免疫療法是如何利用免疫抑制劑阻斷腫瘤對免疫系統(tǒng)的抑制， 從而調(diào)動自體免疫細(xì)胞，來殺滅腫瘤細(xì)胞，腫瘤免疫療法與普通的放療化療的區(qū)別；又如2019 年的細(xì)胞如何感知和適應(yīng)氧氣的變化含量， 我們介紹了癌癥細(xì)胞如何利用氧氣調(diào)節(jié)機(jī)制被用來刺激血管形成和重塑代謝，從而實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的有效增殖， 以及通過激活或阻斷氧氣感受機(jī)制來對腫瘤細(xì)胞的繁殖進(jìn)行抑制， 從而治療癌癥等。 通過這些科研實(shí)例的介紹，可以幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的一般過程和方法， 以及如何將科研結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的醫(yī)療產(chǎn)品。

2.4 結(jié)合學(xué)生興趣點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論是一門校級公選課，學(xué)生來自全校的各個專業(yè)。 為了滿足不同專業(yè)背景的學(xué)生的興趣點(diǎn)，在課程內(nèi)容設(shè)置過程中，除了介紹生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容， 還增加了與各專業(yè)相結(jié)合的內(nèi)容，讓學(xué)生了解不同專業(yè)之間的相互融合和促進(jìn)。 例如， 我們在介紹基因編輯在罕見病治療中的作用時(shí)，以物理學(xué)家霍金所得的肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥為例引入，除了介紹生物和醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生感興趣的罕見病的病因與治療方法外， 我們還介紹了計(jì)算機(jī)，電子和自動化相關(guān)專業(yè)學(xué)生感興趣的霍金的輪椅中所應(yīng)用一些前沿技術(shù)，如用于健康評估的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，用于文字轉(zhuǎn)換語音處理的CallText 設(shè)備，用于面部肌肉運(yùn)動識別的Cheek Switch 裝置，輔助情境感知工具包等， 我們介紹了各種技術(shù)的原理和應(yīng)用場景，并通過圖片和視頻進(jìn)行了展示，不僅吸引了學(xué)生的興趣，而且使學(xué)生在實(shí)際案例中了解了各種專業(yè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

3 教學(xué)方法改革

3.1 多媒體應(yīng)用

隨著多媒體技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，PPT、動畫、視頻等常見的多媒體教學(xué)技術(shù)已成為現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)和改革熱點(diǎn)。 與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相比，多媒體技術(shù)的應(yīng)用使教學(xué)內(nèi)容更條理清晰，圖文并茂，同時(shí)也使知識點(diǎn)更生動明了，簡單易懂，可以更大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氛圍，增強(qiáng)教學(xué)效果。 生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論是一門全新的課程，其課程內(nèi)容中涉及許多抽象和復(fù)雜專業(yè)名詞以及科技前沿技術(shù)，若僅使用傳統(tǒng)的語言文字進(jìn)行解釋，很難使非生物專業(yè)的學(xué)生能深刻理解其含義。 因此在教學(xué)過程中，我們引入了科技動畫和視頻，對教學(xué)過程中的專業(yè)詞匯和技術(shù)加以展示和分析，使學(xué)生更直觀地理解教學(xué)內(nèi)容。 例如我們在介紹克隆技術(shù)時(shí)， 給學(xué)生展示了在顯微鏡下，細(xì)胞核是如何從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移至另一細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)克隆的過程；在講解基因測序技術(shù)時(shí)，以動畫形式向?qū)W生展示了各代測序技術(shù)的不同原理和過程；在講述基因編輯技術(shù)時(shí)， 我們向?qū)W生展示了當(dāng)前最先進(jìn)的CRISPER-Case9 基因編輯技術(shù)的原理和方法。由于我們在課堂上引入的教學(xué)視頻大多為英文原版，內(nèi)容會涉及一些專業(yè)的英文名詞， 所以在視頻展示過程中，對于較難理解的內(nèi)容，我們采用了1+1 的方式，即先放映一遍視頻，使學(xué)生對內(nèi)容有大概的了解，然后在第二遍放映的過程中，老師再對其進(jìn)行講解。 通過兩遍觀看和講解， 加深了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。 動畫和視頻等多媒體技術(shù)的應(yīng)用，使原本枯燥難懂的知識點(diǎn)變得生動易懂， 同時(shí)活躍了課堂氛圍；引入的視頻大多為1～3 分鐘時(shí)長，可以在視頻放映過程中緩解課堂壓力， 同時(shí)助于幫助學(xué)生集中注意力，提高課堂效率。

3.2 案例教學(xué)

生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)中有些知識點(diǎn)比較枯燥，如基因編輯、基因測序、精準(zhǔn)醫(yī)療等，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會有距離感。 通過在教學(xué)過程中引入相關(guān)案例，如熱點(diǎn)新聞，時(shí)事報(bào)道等，可以引起學(xué)生的共鳴，體會到先進(jìn)技術(shù)在生活中的應(yīng)用。 例如，我們通過好萊塢女星安吉麗娜·朱莉接受了預(yù)防性的雙側(cè)乳房切除手術(shù)以降低乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)的案例引入，介紹了基因診斷在疾病預(yù)防和治療中的作用；我們通過結(jié)合“魏則西”事件和2018年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎腫瘤免疫療法，分析了魏則西所接受的腫瘤生物免疫療法（DC-CIK 療法）和諾貝爾獎的免疫療法（PD-1 阻斷療法）之間的區(qū)別以及基因編輯在腫瘤治療中的作用；我們通過比較流感、SARS、埃博拉、新型冠狀肺炎等流行性疾病的病毒特點(diǎn)和傳播途徑， 了解了不同病毒之間的差異以及防疫相關(guān)知識。通過將各教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)案例的結(jié)合，消除了學(xué)生與知識點(diǎn)之間的距離感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 開放式教學(xué)

現(xiàn)代科學(xué)的飛速發(fā)展，使新興生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)成為一把雙刃劍，一方面可以促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展，為疾病的診斷和治療帶來新的變革，另一方面新技術(shù)的應(yīng)用也會帶來新的問題，如倫理、物種進(jìn)化、環(huán)境等方面。在課堂教學(xué)過程中，盡可能將新技術(shù)帶來的各個方面的影響和問題呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度進(jìn)行思考和探究。 我們在講述轉(zhuǎn)基因食品時(shí)，從轉(zhuǎn)基因技術(shù)對提高農(nóng)作物抗病蟲害，改善植物品質(zhì)以及提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面分析了其優(yōu)勢，同時(shí)也從食品安全性，對生態(tài)環(huán)境和對生物多樣性的影響角度分析了轉(zhuǎn)基因技術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)。 在講解基因編輯時(shí)，我們介紹了基因編輯在腫瘤、HIV、罕見病治療以及農(nóng)作物育種中的應(yīng)用，同時(shí)也通過引入“基因編輯嬰兒”事件，分析了基因編輯在生育技術(shù)中應(yīng)用存在的風(fēng)險(xiǎn)，倫理道德問題以及對人類基因的改變。 在案例和知識點(diǎn)的開放式講解和分析中，我們通過提問和討論，引導(dǎo)學(xué)生站在不同的科學(xué)角度對事件和技術(shù)進(jìn)行觀察，形成自己的觀點(diǎn)，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

3.4 簡單課堂小測試

在課堂知識點(diǎn)講解過程中，學(xué)生難免會出現(xiàn)注意力不集中，開小差的情況。 為了加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，我們在每次課程結(jié)束時(shí)，首先對當(dāng)堂課的重點(diǎn)進(jìn)行回顧，然后針對重點(diǎn)知識，出幾個小測試題，幫助學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固。 在對高中所學(xué)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行回顧時(shí)，我們也可采用小測試的形式對學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度進(jìn)行初步判斷，如果大部分人都能做出正確的解答，則對此基礎(chǔ)知識無須過多講解，反之則在課堂上需花更多的時(shí)間使學(xué)生先掌握基礎(chǔ)，再在深度和廣度上進(jìn)行擴(kuò)展。

4 結(jié)語

生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)是隨著基因測序技術(shù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展以及與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)生的新興科學(xué)。在課程教學(xué)過程中，通過嘗試和探索，對生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面進(jìn)行了一些改革，如在教學(xué)內(nèi)容上結(jié)合經(jīng)典、熱點(diǎn)、科研重點(diǎn)和學(xué)生興趣點(diǎn)，在教學(xué)方法上，通過采用多媒體技術(shù)，結(jié)合案例教學(xué)，開放式討論教學(xué)和簡單的課堂測試等方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了一定的教學(xué)效果。 但教學(xué)改革是一項(xiàng)長期任務(wù)，在以后的教學(xué)過程中，仍需通過不斷學(xué)習(xí)探索，提高自身專業(yè)水平，引進(jìn)新的教學(xué)內(nèi)容，尋找更適合的教學(xué)方法，為培養(yǎng)復(fù)合型人才而努力。