新醫(yī)科背景下生物芯片技術課程教學改革與實踐

［摘 要］新醫(yī)科是構筑健康中國的重要基礎，需要不斷推進理念創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新。生物芯片技術是典型的新醫(yī)科課程，教學內容豐富，包含表達譜芯片、甲基化芯片、單核苷酸多態(tài)芯片和拷貝數(shù)變異芯片等高通量生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)的處理和應用，在產(chǎn)前診斷、腫瘤檢測及抗腫瘤藥物篩選、感染性疾病診斷和抗藥機制等方面具有重要的應用。同時，生物芯片技術具有前沿性和交叉性的特點。因此，對生物芯片技術課程的教學，既要強基固本，又要守正創(chuàng)新，這樣才能培養(yǎng)適應和服務于現(xiàn)代醫(yī)學研究的人才。南京醫(yī)科大學生物芯片技術課程教學團隊在現(xiàn)有教學模式基礎上，從融入課程思政、明確課程目標、分析學情、完善課程內容、優(yōu)化課程教學方式和完善考核方式六個維度進行教學改革和實踐，相關研究可為醫(yī)學院校生物芯片技術教學提供借鑒與參考。

［關鍵詞］新醫(yī)科；生物芯片技術；生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）18-0061-05

一、生物芯片技術的發(fā)展和課程教學現(xiàn)狀

生物芯片技術是由微電子學、物理學、化學、計算機科學、生命科學與醫(yī)學交叉綜合的高新技術，是生命科學研究中一項革命性的技術突破，也是分子生物學領域的一項里程碑式的突破。該技術能夠高通量、并行化、微型化和自動化地檢測蘊藏在生物體內的海量基因和蛋白質信息[1]，在分子生物學研究領域、醫(yī)學臨床檢驗領域和生物制藥領域等領域顯示出了強大的生命力并得到了廣泛的應用[2-4]。

2000年8月，國務院批示、原國家計委批復，成立生物芯片北京國家工程研究中心，旨在研制開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權的生物芯片技術，以及可供研究、診斷和藥物開發(fā)等領域應用的生物芯片，實現(xiàn)中國生物芯片產(chǎn)業(yè)化[5]。如今，生物芯片技術發(fā)展迅猛，在醫(yī)學生物研究領域展現(xiàn)出巨大的應用前景，廣泛應用于人類疾病的診斷、藥物開發(fā)和個體化醫(yī)療。

開設生物芯片技術課程已成為現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，也是新醫(yī)科發(fā)展的必然結果。生物芯片技術課程已成為醫(yī)學院校生物信息學專業(yè)重要的主干課，同時越來越多的醫(yī)學院校其他專業(yè)也將該課程納入必修課程體系[6]。傳統(tǒng)生物芯片技術課程主要講述生物芯片概念及發(fā)展過程，系統(tǒng)介紹生物芯片的原理、類型、制備、檢測、數(shù)據(jù)存儲管理與處理分析以及在基因表達、基因多態(tài)性、病原體檢測、新藥篩選等方面的應用，使學生掌握生物芯片技術的基本理論、基礎知識和基本技能，掌握生物芯片在現(xiàn)代醫(yī)學研究中的應用。

然而，隨著科學技術和醫(yī)學的發(fā)展，生物芯片技術作為一門前沿交叉技術，也在不斷革新，其臨床應用場景也越來越廣[7-8]，現(xiàn)有教材知識體系難以滿足教學需求，若故步自封于已有的教學內容，可能會導致學生深造或走向工作崗位時，出現(xiàn)知識的割裂，難以適應行業(yè)發(fā)展和科研需求。因此，授課教師需要對生物芯片前沿科研進展和產(chǎn)業(yè)應用進行及時追蹤，并將相關內容納入課程教學體系。

新醫(yī)科是新時代國家對醫(yī)學教育發(fā)展提出的最新要求，也對醫(yī)理交叉學生的創(chuàng)新能力提出了更高的要求。生物芯片技術課程不能將教學目標局限于生物技術原理和知識點層面，而應將理科、醫(yī)科領域的相關知識融會貫通于教學中，以培養(yǎng)掌握豐富生物醫(yī)學知識和臨床應用的生物芯片技術及其臨床應用的專業(yè)人才[9-10]。生物芯片技術課程應進一步加強對學生獲取、處理和應用生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)。因此，在教學過程中，教師不能囿于理論教學，需要采用真實的臨床數(shù)據(jù)和案例，讓學生在計算機上完成生物芯片數(shù)據(jù)獲取、分析和臨床應用的全過程，從而培養(yǎng)學生的動手能力及科研素養(yǎng)。此外，該課程在教學方法上不能沿襲教師的“一言堂”，否則會導致學生在學習過程中缺少方向和動力，失去學習的主動性和獨立探索的動力。

南京醫(yī)科大學開設的生物芯片技術課程最大的特色是學科融合，充分利用附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學問題和數(shù)據(jù)優(yōu)勢，將前沿科研探索和臨床應用相結合，對課程內容進行拓展，并融入臨床案例教學，使學生既能適應生物芯片技術不斷發(fā)展和變化的需要，又能應用生物芯片技術解決臨床問題。這門課程教學內容和方式的設置和實施，將有利于完善學生的知識結構，鍛煉學生的科學思維方式，啟迪學生科學研究方法，激發(fā)學生的探索精神和創(chuàng)新精神，提高學生的科研素養(yǎng)，為學生將來從事與生物芯片有關的醫(yī)學教學、科研和臨床工作打下基礎，推動新醫(yī)科的發(fā)展。

二、生物芯片技術課程教學改革與實踐

生物芯片技術課程是生物信息學國家一流本科專業(yè)的主干課，課程內容在臨床診斷、個性化治療和疾病預后評估等方面起著重要作用。課程教學團隊需要立足專業(yè)和行業(yè)發(fā)展動態(tài)，全局把握課程培養(yǎng)目標。授課教師對專業(yè)發(fā)展及該課程在專業(yè)培養(yǎng)中的重要性的認知，可能會影響學生的學習熱情。因此，授課教師應從專業(yè)人才培養(yǎng)角度，在教學過程中積極引導，培養(yǎng)能夠服務于健康中國戰(zhàn)略的生物信息學人才。

（一）融入課程思政，為黨育人，為國育才

在課程教學中，應融入課程思政，落實立德樹人根本任務。例如講到芯片數(shù)據(jù)分析時，舉例說明我國科學家在芯片數(shù)據(jù)分析及其基礎和臨床應用領域處于領軍地位，已涌現(xiàn)一批杰出的生物信息學國際知名專家，從而增強學生的民族自豪感，鼓舞學生把握時代良機，銳意創(chuàng)新，為國家榮譽和國民健康努力奮斗。在講到生物芯片應用于預后分析，某個基因表達可延長病人幾個月的生存期時，帶領學生觀看諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者詹姆斯·P.艾利森（James P. Allison）的采訪視頻。該視頻中提到，一位患者對艾利森講，她最大的人生愿望就是她的生命能延長幾個月，看到她的孩子畢業(yè)。這樣真實的例子，可以引起學生的共情，激發(fā)學生為人類健康而奮斗的激情與動力。

（二）明確課程目標

1.知識目標

教師在讓學生掌握已有的教學內容包括表達譜芯片、甲基化芯片、單核苷酸多態(tài)芯片、拷貝數(shù)變異芯片、蛋白質芯片原理及數(shù)據(jù)分析的基礎上，著重將生物芯片領域內最新的研究，包括前沿技術和產(chǎn)業(yè)應用融入課堂，使學生能適應社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。

2.技能目標

通過真實臨床數(shù)據(jù)解析，使學生獨立完成生物芯片數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和應用，其中分析部分包括科研圖表制作以及臨床結果解讀。

3.素質目標

使學生理論結合實際，完成臨床問題導向的實驗設計。例如給定一個臨床問題，讓學生設計出芯片檢測方案以及分析方法。

這些目標的實現(xiàn)對推動現(xiàn)代生物醫(yī)學快速發(fā)展和臨床轉化、推動生物醫(yī)藥健康產(chǎn)業(yè)與新醫(yī)科產(chǎn)業(yè)深入融合具有重要意義。

（三）學情分析和應對策略

以南京醫(yī)科大學為例，生物芯片技術課程是生物信息學國家一流本科專業(yè)重要的主干課程，在大三第一學期開設。該課程既依賴于一、二年級專業(yè)基礎課程的學習，又是后續(xù)重要專業(yè)課程的先修課程。對該課程知識的認知和掌握程度直接影響到學生對后續(xù)課程的學習。因此，教師需要對學情進行合理分析，對學生加以正確引導，提高學生的學習熱情和興趣。首先，要強調該課程作為專業(yè)主干課，其內容在專業(yè)知識體系中非常重要，讓學生在思想上高度重視。其次，在導論課給出具體的生物芯片技術臨床應用案例，介紹生物芯片在基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學中的應用，使學生對該課程產(chǎn)生濃厚的興趣。最后，芯片數(shù)據(jù)分析需要學生具備扎實的數(shù)學和統(tǒng)計學基礎，實驗課需要學生能夠熟練使用R語言和Linux系統(tǒng)，上述知識點薄弱的學生對該課程存在畏懼感，教師需合理回顧相關知識，讓學生克服畏懼，順利進入該課程的學習。

（四）完善課程內容

生物芯片技術具有前沿性和交叉性特點，課程教學團隊圍繞科技前沿和產(chǎn)業(yè)應用，不斷拓展課程知識體系。一方面，保證學生畢業(yè)后不會出現(xiàn)知識的斷層；另一方面，培養(yǎng)學生主動追蹤前沿發(fā)展動態(tài)的意識和自主學習的能力，增強學生畢業(yè)后的崗位勝任力。

1.圍繞科技前沿拓展教學內容，使學生適應科技發(fā)展和科研需求

教師應當全面了解生物芯片的前沿科技進展，及時追蹤最新發(fā)表的生物芯片相關文章，從而在教學過程中有的放矢，及時更新和拓展課程知識體系，使學生能夠適應行業(yè)發(fā)展和科研需求。例如，2018年3月，Nature重磅發(fā)表通過機器學習程序分析DNA甲基化芯片大數(shù)據(jù)、獲得甲基化指紋圖譜、助力腦腫瘤精準診斷的文章[11]。在2018年秋季學期的課程教學中，課程教學團隊開始增加該文獻的解讀、文獻相關數(shù)據(jù)獲取和處理、腦腫瘤診斷探討的內容，并重現(xiàn)文章的分析流程。在后續(xù)教學中，課程教學團隊持續(xù)追蹤了甲基化芯片的前沿進展，使學生緊跟科技前沿發(fā)展，并培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。

2.圍繞產(chǎn)業(yè)應用拓展教學內容，使學生適應行業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，國內外生物芯片技術和產(chǎn)業(yè)也在迅猛發(fā)展，課程教學團隊通過行業(yè)調查，將新技術及其產(chǎn)業(yè)應用及時納入課程體系。例如，甲基化芯片是研究DNA甲基化的重要工具，近20年來，Illumina 450K和850K芯片在癌癥研究、遺傳疾病、衰老和分子流行病學領域具有廣泛的應用。2023年，Illumina公司在850K芯片基礎上，推出了升級版甲基化芯片900K EPIC v2.0，更新優(yōu)化了更多的甲基化位點，以期在疾病機制、生物標志物、表觀遺傳學研究領域有更多的生物學發(fā)現(xiàn)[12]。教師應在后續(xù)課程教學中增加EPIC v2.0芯片的介紹，包括與之前版本芯片的比較、異同點及其在芯片檢測和疾病研究中的優(yōu)勢，從而保證學生緊跟行業(yè)發(fā)展動態(tài)，畢業(yè)后能夠從事并勝任專業(yè)相關工作。

3.注重臨床案例教學，結合醫(yī)學院背景，融入臨床項目驅動

實踐課教學以理論知識為基礎，采用真實的生物芯片數(shù)據(jù)，完成芯片數(shù)據(jù)處理。課題設計與實施要求學生能完成問題導向的實驗設計，例如給定一個白血病分型診斷的臨床問題，讓學生設計芯片檢測方案以及分析方法。通過臨床案例的實踐教學，提高學生主動思考、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

（五）優(yōu)化課程教學方式

生物芯片技術課程內容包括生物芯片的原理和高通量生物醫(yī)學數(shù)據(jù)分析及應用。在該課程的教學中，教師應以學生為中心，強調理論與實踐緊密結合，使學生理論知識和動手實踐能力水平同步提高，并以臨床問題為驅動，推動新醫(yī)科的發(fā)展。

1.靈活運用多種教學手段，拓展學習深度和廣度

如介紹各類生物芯片原理時，教師除運用PPT及板書外，還可以適當運用音頻、視頻和網(wǎng)絡等，提高課堂教學的直觀性和趣味性。同時，充分利用超星網(wǎng)絡平臺，發(fā)布知識點相關的網(wǎng)頁或視頻，助力學生課后學習和提升。

2.開展翻轉課堂教學，實現(xiàn)教學相長、師生共進

轉變角色，以學生為主體，真正做到教學相長。教師在閱讀大量課程相關科研文獻后，精選部分讓學生課后閱讀，并要求學生在課堂上進行匯報，同時讓學生在教師的引導下對文章進行深入剖析和討論。通過文獻閱讀、匯報和討論，培養(yǎng)學生獨立思考、表達及與同學交流討論的能力，鍛煉學生主動學習新知識并進行總結的能力。

（六）建立多元化的評價體系與反饋機制，多維度考查教學效果

評價體系既要注重考查學生所獲得的知識，也要注重考查學生處理實際問題的能力。生物芯片技術課程的考核分為文獻匯報、階段性考核、課題設計與實施、期末考試4個部分。

文獻匯報主要考查學生自學新知識并進行總結歸納的能力；階段性考核通過課堂提問、討論和作業(yè)的形式來完成，將學生的課堂學習表現(xiàn)（如課堂互動、實際操作過程中的學習態(tài)度、在學習過程中對其他學生的幫助以及所提出問題的深度等）與成績掛鉤，促進學生積極參與課堂教學；課題設計與實施是讓學生基于所學內容，提出一個科學假設，并從公共數(shù)據(jù)庫下載相應數(shù)據(jù)，設計課題并解決問題；期末考試由檢查學生掌握知識的程度轉向考核學生獨立分析問題和解決問題的能力，減少死記硬背的題型，增加與醫(yī)學實踐、科研相結合的分析型試題。

這些考核方式可更為公正、科學地評定學生的學習效果、調動學生的積極性，有助于多維度提高學生的創(chuàng)造力、想象力及科研素養(yǎng)。同時，為了及時掌握學生的學習效果，教師可以通過課后作業(yè)、教學門戶網(wǎng)站、微信和郵件等渠道與學生溝通，及時了解學生的思想動態(tài)和學生對知識點的掌握程度，并根據(jù)這些反饋信息，及時調整教學方案和進度。

三、課程改革的創(chuàng)新之處和成效

（一）課程思政激發(fā)了學生為人類健康事業(yè)奮斗的動力

課程思政是落實立德樹人根本任務的重要舉措。生物芯片技術課程結合專業(yè)特點凝練臨床課程思政案例，分類推進課程思政建設，從而突出對學生醫(yī)學人文素養(yǎng)的培養(yǎng)，激發(fā)學生為人類健康而努力奮斗的精神和內在驅動力。

（二）對科技和產(chǎn)業(yè)前沿的追蹤實現(xiàn)了前沿性知識與課程體系的有機融合

科技和產(chǎn)業(yè)前沿性知識的拓展，能夠彌補基礎性知識滯后的不足，使學生緊跟學科前沿技術發(fā)展，提高學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。這種基礎性、前沿性和應用性三位一體的課程體系，能夠有效延伸推廣至其他理醫(yī)交叉類課程，對探索符合新時代需求的新醫(yī)科人才培養(yǎng)體系及醫(yī)學教育改革至關重要。

（三）多元化評價體系體現(xiàn)了以學生為中心的教學理念

文獻匯報、階段性考核和課題設計與實施促進了師生間、學生間的互動與思想交流，增強了學生學習的主動性和熱情，提高了學生獨立思考和解決實際問題的能力，在培養(yǎng)學生基本理論知識素養(yǎng)的同時加強了對學生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。

生物芯片技術課程是南京醫(yī)科大學國家一流本科專業(yè)——生物信息學專業(yè)的主干課程，課程教學已開展8年，絕大多數(shù)學生能夠獨立完成芯片數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)預處理、分析和臨床結果解讀。學生在本科階段文獻閱讀與匯報的鍛煉，讓他們能夠從容地從文獻中獲取有效信息并進行剖析。這些充分體現(xiàn)了生物芯片技術教學內容和教學方式的改革對學生培養(yǎng)的效果，不僅體現(xiàn)了學生在生物芯片課程學習中所取得的進步與收獲，而且體現(xiàn)了學生已具備自主學習和終身學習的能力。在本科畢業(yè)設計階段，學生能夠合理地結合芯片數(shù)據(jù)和其他生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)進行畢業(yè)課題的設計和實施。學生在研究生面試或求職面試時，基本能夠應對考官提出的關于芯片的問題，同時顯示出較強的生物芯片前沿科技文獻知識獲取能力。課程改革的成效將為教師開展后續(xù)教學研究、進一步提升教學效果積累豐富的案例和素材，也將進一步促進新醫(yī)科人才的培養(yǎng)，為健康中國戰(zhàn)略服務。

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［責任編輯：周侯辰］