醫(yī)學研究生《生物信息學》教學方法探索*

姜 釗 張衛(wèi)花 童曉鵬 西藏民族大學醫(yī)學院，陜西省咸陽市 712082

《生物信息學》(Bioinformatics)是生物學與計算機科學以及應用數(shù)學等學科相互交叉而形成的一門新興學科。它通過對生物學醫(yī)學實驗數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲、檢索與分析，進而達到揭示數(shù)據(jù)所蘊含的生物學意義的目的。隨著醫(yī)學研究的深入，分子生物學技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，以及高通量測序技術(shù)的成熟[1]，基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、脂類組學、免疫組學、糖組學、超聲組學等生物醫(yī)學數(shù)據(jù)呈爆炸性增長[2]，使得生物醫(yī)學研究迅速進入大數(shù)據(jù)研究時代。在數(shù)以萬計的生物醫(yī)學數(shù)據(jù)庫以及海量生物信息學分析軟件基礎上，生物信息學迅速登上歷史舞臺。作為醫(yī)學生物數(shù)據(jù)研究的主體對象醫(yī)學研究生來講，需利用生物信息學分析方法對大量生物數(shù)據(jù)進行快速有效的挖掘分析，《生物信息學》也因此成為醫(yī)學研究生必修的課程之一。由于《生物信息學》課程起步較晚，多學科交叉，探索其有效的教學方法顯得格外重要。

1 《生物信息學》的重要性

《生物信息學》應用范圍較廣，主要方向包括：比較基因組學、蛋白表達分析、生物芯片表達譜分析、蛋白結(jié)構(gòu)預測、蛋白互作、系統(tǒng)生物學、網(wǎng)絡生物學、進化生物學、生物多樣性、合成生物學等，涉及生物物理學、分子生物與細胞生物學、腦和神經(jīng)科學、醫(yī)藥學、農(nóng)林牧漁學、分子和生態(tài)進化等研究領域，學科實用性很強，尤其對醫(yī)學、生物學研究發(fā)展至關(guān)重要，其技術(shù)在醫(yī)學中可用于發(fā)現(xiàn)篩選人類致病基因，闡明疾病發(fā)生的作用機理及分子機制；還可用于藥物的設計與研發(fā)，利用計算機能夠快速設計出與受體活性部位相匹配的新型藥物分子，為藥物研發(fā)提供了更多更高效的靶向位點，節(jié)約了藥物研發(fā)成本；還可用于流行病學研究，將流行病學研究與生物信息學相結(jié)合，易于明確個體對某些疾病的易感性以及疾病在群體中的分布規(guī)律，對疾病的防治具有重要指導意義[3]，是從事醫(yī)學生物學專業(yè)高校教師、研究生、科研人員、臨床醫(yī)生等亟須掌握的技能。

不僅如此，生物信息學具有交叉性強、覆蓋面廣、綜合應用性強等特征，與農(nóng)學、生物技術(shù)、動物科學、食品科學等各專業(yè)都有密切的聯(lián)系。其本身具有運算量大、快速準確、預測性強的優(yōu)勢，對醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、化工和能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了革命性的推動作用。尤其對從事生命科學研究的人員來說，生物信息學是必不可少的研究工具，是科研工作的加速劑?！渡镄畔W》課程對高校相關(guān)專業(yè)學生創(chuàng)新能力、科研思維的培養(yǎng)具有促進作用。目前，我國生物信息學方面的人才稀少，就業(yè)市場亟須理論知識扎實、實踐操作能力強的優(yōu)秀人才，尤其在高校兼具計算機技術(shù)及醫(yī)學生物學背景的教師更加稀缺。

2 醫(yī)學研究生《生物信息學》教學存在的問題

目前醫(yī)學研究生《生物信息學》課程教學方法較為傳統(tǒng)，教學以講授基礎知識為主，缺乏對學生實踐能力及科研思維的培養(yǎng)，更不能理論聯(lián)系實際，遠遠不能達到課程培養(yǎng)目標，因此存在諸多問題。

第一，師資力量薄弱。由于生物信息學學科交叉性強、算法抽象、數(shù)據(jù)龐大、綜合應用難度大等特點使生物信息學教師相對缺乏。生物醫(yī)學專業(yè)的教師雖然有相關(guān)的知識背景但是計算分析能力不足，計算機專業(yè)的教師雖有過硬的運算分析能力但沒有相關(guān)的知識背景，所以兩者兼顧的人才相對較少，這對于生物信息學人才培養(yǎng)及該課程的持續(xù)健康發(fā)展都極為不利。第二，學生基礎參差不齊、學習難度大。醫(yī)學研究生來自不同的學校，有的研究生在本科已經(jīng)接觸過生物信息學這門課，有的第一次接觸這門課，尤其對于本科階段很少接觸《分子生物學》《細胞生物學》《遺傳學》等生物學基礎課程的醫(yī)學類研究生來說，想熟練掌握存在著很大難度，另外學生在計算機的操作水平和網(wǎng)絡使用技能上存在較大的差異，使學習這門課難度的增加。第三，生物信息學教材落后。目前大多教材包含了分子生物學基礎知識、核酸數(shù)據(jù)庫簡介、數(shù)據(jù)查詢、序列簡單比對分析、引物設計和進化樹構(gòu)建等基本生物信息學內(nèi)容，甚至將文獻檢索和文獻管理軟件的應用放到《生物信息學》教材之中，而這些內(nèi)容對于醫(yī)學研究生來說雖為必備知識，但仍過于淺薄，加之生物信息學分析手段的日新月異，也跟不上現(xiàn)代醫(yī)學研究的步伐。且教材內(nèi)容比較寬泛，體現(xiàn)不出側(cè)重點，課程應該添加醫(yī)學領域主流技術(shù)及方法，補充前沿內(nèi)容，這樣具有針對性的學習也能提起研究生學習的興趣，使所學知識真正的學以致用。第四，教學時間安排不合理。醫(yī)學研究生《生物信息學》這門課程在學生研一下學期開設，此時大多學生的研究方向沒有明確，學生在學習時不能體會到該學科的重要性，也不能立刻把所學內(nèi)容應用于自己的研究課題中，在學習過程中具有盲目性，且遺忘的概率較大。課程若安排在學生研二上學期，這時學生的研究方向大多已經(jīng)確定，在上課時會側(cè)重學習與自己研究內(nèi)容相關(guān)的生物信息學內(nèi)容，并且可以立即用于實踐，這樣不但提高了學生學習的自主性而且還能提高教學效果。第五，教學方法傳統(tǒng)，不能滿足培養(yǎng)需求。目前，生物信息學教學方法大多為純理論式講授教學，由于該課程的復雜性，用滿堂灌的傳統(tǒng)教學方法學生們難以理解掌握，大多興趣不高。教師在講授這門課程的時候一定要注意改變傳統(tǒng)“填鴨式”教學，采取多種新穎的教學方法，注重理論與實踐相結(jié)合，注重培養(yǎng)學生學習的主觀能動性，重視對學生們的動手實踐能力及科研思維能力的培養(yǎng)，使學生真正學習掌握生物信息學技術(shù)方法，達到人才培養(yǎng)目標。

鑒于醫(yī)學研究生《生物信息學》課程中普遍存在的問題，改進目前該課程教學方法，探索出多種新穎有效的教學方法，注重醫(yī)學研究生實踐應用能力的養(yǎng)成，利于其科研工作的開展十分必要。

3 醫(yī)學研究生《生物信息學》教學方法探索

在當前大數(shù)據(jù)背景下教師應充分利用網(wǎng)絡等各種資源，改進傳統(tǒng)教學模式，開展多元化教學模式，注重對學生實踐能力、綜合應用能力的培養(yǎng)，以提高《生物信息學》教學效果，發(fā)揮學生的主觀能動性，達到課程培養(yǎng)要求。

3.1 理論與上機實踐相結(jié)合 《生物信息學》傳統(tǒng)的授課方式為教師以課本為主體，對學生進行理論知識的講解，這是“灌輸式”教學方法，這種教學方法不能讓學生深入理解掌握知識點，容易出現(xiàn)前學后忘的情況。且學習內(nèi)容不能應用于實踐，學生不能領悟所學內(nèi)容的重要性及實際意義，這樣課程學習的實用性沒有得到體現(xiàn)。所以，理論與上機實踐相結(jié)合的授課方法更適合醫(yī)學研究生《生物信息學》課程的學習及實際應用。

在實際授課中，將理論課與上機實踐有機結(jié)合起來，可以讓學生真正掌握其原理和具體操作，比如在講解相關(guān)序列數(shù)據(jù)庫(UniProt、PDB數(shù)據(jù)庫)的比對查詢時，在跟學生講解原理后，演示數(shù)據(jù)庫比對的整個過程，然后給學生一些未經(jīng)演示的相關(guān)疾病基因或氨基酸序列，讓學生進行檢索分析，從而掌握數(shù)據(jù)庫的檢索方法。而在講解系統(tǒng)進化樹的構(gòu)建時，在講解完進化樹構(gòu)建的流程(測序—序列分析—序列比對及相似序列下載—多序列比對—進化樹構(gòu)建方法選擇—軟件構(gòu)建—進化樹分析)同時進行演示，之后由學生自主分析并對分析結(jié)果加以解釋，不但可以在學生分析操作中找到自己的錯誤點，也可以對細節(jié)中的疑問進行解答，最終使每一位學生都掌握分析的方法和操作。此外，除了平時上課，《生物信息學》課程考試考核也應該采取理論與實踐相結(jié)合的方法。生物信息學是一門實踐性很強的學科，在考試考核時不能只考查學生對理論知識的掌握，還應考查學生對于該課程的綜合應用。可采取上機作業(yè)和理論考試相結(jié)合的方法，上機作業(yè)和理論考試各占比50%，這樣才能真正檢驗學生的學習效果；在對學生考核時也可采用課程研究論文的形式，要求學生結(jié)合自己或?qū)煹难芯糠较蛲ㄟ^文獻檢索查閱資料，鎖定自己的研究目標，詳細列出實施步驟，實施過程用到哪些生物信息學方法，用該生物信息學方法能解決什么問題等。實踐性考試考核方法可全方位考查學生對生物信息學的學習情況，在生物信息學課程考查中值得借鑒。由“灌輸式”教學方式轉(zhuǎn)變?yōu)槭谡n—上機操作—答疑的實踐課教學模式，能使研究生對該課程學習受益達到最大化。

3.2 教學與科研相結(jié)合 充分掌握應用生物信息學有效方法之一就是將教學和科研有機結(jié)合起來。一方面，教師在課程教學中除了講解生物信息學課本內(nèi)容外，還需要補充生物信息學前沿動態(tài)，掌握生物信息學新方法新工具，引導學生閱讀最新的相關(guān)文獻，并在教學中引入相關(guān)的科研文章，以科研文章為例結(jié)合其中用到的生物信息學方法給大家講解并操作相關(guān)生物軟件的使用方法與技巧，這樣學生更容易理解生物信息軟件的用途，還有助于學生創(chuàng)新思維能力和科研實踐能力的培養(yǎng)[4]。教師還可將自己科研課題及其成果融入教學內(nèi)容中，給學生講解選題思路，在實踐過程中如何應用生物信息學知識點及工具，解決了哪些科研問題等。用理論聯(lián)系實際，使教學內(nèi)容更加靈活、豐富、深刻。在完整的科研路線中融入生物信息學知識點，不僅提高學生的學習興趣，給學生留下深刻的印象，還能提高教師的教學能力，呈現(xiàn)出良好的教學效果。另一方面，在講授理論課的同時，鼓勵有興趣的學生以學習興趣小組形式參與老師的科研課題。學生參與到科研工作中才能遇到各種實際問題與困難，在解決問題中磨礪學生的意志，培養(yǎng)學生嚴謹認真的科研思維與態(tài)度，切實提高學生的動手操作能力與獨立解決問題能力，這也是學生科研道路上一種寶貴的經(jīng)驗?？蒲泄ぷ魇巧镄畔W課程的實踐應用過程，讓學生參與科研工作能使學生充分理解并掌握生物信息學知識[5]，真正做到學以致用。

教學科研相結(jié)合是一個相輔相成的過程，在科研過程中生物信息學方法得以應用鞏固，反過來生物信息學方法能夠更快更好地促進科研工作開展。

3.3 導師制培養(yǎng) 生物信息學教學可采用導師制模式，學生根據(jù)導師課題研究方向、內(nèi)容及自己的興趣選擇導師，參與導師的課題。導師通過與學生的交流掌握其專業(yè)課程(包括生物信息學)學習情況，并結(jié)合自己的研究內(nèi)容給學生提出更有效的意見和建議來學習生物信息學及學習的側(cè)重點。學生在任課老師和導師雙重指導下有目標、有方向地進行學習，把學習到的生物信息學方法及時應用于導師研究課題數(shù)據(jù)的挖掘分析中，通過在課題中實踐生物信息學技術(shù)達到熟練掌握的目的，同時在導師研究課題中形成自己完整的科研思路與方法，協(xié)助導師更好完成課題，并發(fā)表相關(guān)論文。此外，導師還可讓學生參與自己相關(guān)的課題申報工作，鼓勵學生積極申報各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，以充分調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生的科研思維，在實踐操作中形成科研與教學的融合[6-7]。導師還可以鼓勵自己的研究生多參加生物信息學方面的專題講座或?qū)W術(shù)報告，了解生物信息學研究的前沿動態(tài)，通過聆聽專家學者分享的研究課題中所涉及的生物信息學方法給自己的研究思路帶來啟發(fā)，并且能學到新的生物信息學方法。其次，還可給學生報名生物信息學專業(yè)培訓，通過專業(yè)的高強度訓練，學生的生物信息學分析技術(shù)才會得以提升，才能更好地服務研究課題。最后，為了使學生更好地應用生物信息學技術(shù)，導師還可帶領研究生建設完善的生物信息學實踐平臺，通過搭建服務器等給學生提供良好的生物軟件處理數(shù)據(jù)的實踐平臺，利于高效完成研究課題。

導師制培養(yǎng)模式不但利于醫(yī)學研究生《生物信息學》課程的學習及應用，而且有助于研究生科研思維及學術(shù)素養(yǎng)的形成，這種培養(yǎng)模式應該在更多學科中借鑒與開展。

3.4 雙語制教學 由于《生物信息學》所涉及的數(shù)據(jù)庫、應用軟件、網(wǎng)站大多為英文，所以該課程很有必要實行雙語授課。在授課的前1周教師將自己授課課件通過網(wǎng)絡教學平臺發(fā)給授課班級，讓學生們提前預習，熟悉課件中的英語專業(yè)詞匯及所用到的英文數(shù)據(jù)庫等。教師在生物信息學雙語教學授課中，要根據(jù)學生的英語水平和接受能力的實際情況隨時調(diào)整授課方式與進度，做到因材施教。對于英語水平較高的學生，課件可全部用英文，對生僻的專業(yè)性名詞進行中文注釋；對于英語水平中等的同學進行中文授課，而課件采用英文，對專業(yè)詞匯全部用中文注釋；對于英語水平較差的同學則采取中文授課，僅專業(yè)名詞用英文講解，課件制作采取中英文兩種形式。如果學生學習水平相當，起初在教學過程及課件中對授課內(nèi)容進行英語漢語雙重注釋，等到大家熟悉并有一定學習能力后課件可采用全英文注釋，教師在講授過程中可根據(jù)授課內(nèi)容難易程度進行重復性側(cè)重性的雙語講解，不僅能提高學生英文聽說讀寫的能力，還能鍛煉學生的自學能力，為學生以后的科研寫作等打基礎[8]。

3.5 多種教學方法相結(jié)合 生物信息學課程的開展還可采用多種教學方法，如PBL教學、E-learning教學、案例式、啟發(fā)式、互動式教學等，這些教學方法使生物信息學教學更加豐富多彩。在采用PBL教學模式時教師對學生進行分組，針對本節(jié)課的學習內(nèi)容提出問題并布置任務，小組之間的學生通過查閱討論等方式學習并完成任務。教師再對每個小組中學生完成情況進行補充評價，這樣的學習方法加強了師生之間的交流，調(diào)動了學生的積極性[6]。其次，還可以采用E-learning教學方法，課前教師通過教學平臺給學生發(fā)布學習要求和目標，學生們利用網(wǎng)絡、計算機、多媒體等進行數(shù)字化學習，在自主學習過程中完成教師布置任務，教師對學生的學習進行總結(jié)反思，這樣有助于教師在課堂有針對性地進行教學[9]。最后，還可采用啟發(fā)式、互動式、案例式教學，這些教學手段能讓學生們成為學習的主導者，活躍課堂氣氛，調(diào)動學生學習積極性，培養(yǎng)學生協(xié)作能力和自學能力[10]。

4 結(jié)束語

目前，生物信息學已滲透到生命科學、醫(yī)學等各個領域的研究中，已成為醫(yī)學研究常用技術(shù)方法之一。通過對醫(yī)學研究生生物信息學教學過程中存在的問題進行總結(jié)，探索該課程學習的多種教學方法，目的是讓學生掌握生物信息學課程基礎知識，熟練應用生物信息學方法，培養(yǎng)出符合時代發(fā)展需求的生物信息學人才，從而滿足醫(yī)學發(fā)展要求，利用生物信息學解決醫(yī)學難題，促進醫(yī)學科研與臨床的發(fā)展。