《生物信息學》教學實踐探討

尋 萌，陳艷炯，楊 娥，邵明明，李 薇，宋 娟，楚雍烈

(1.西安交通大學醫學院免疫與病原生物學系，陜西西安 710061;2.西安醫學院醫學技術系，陜西西安 710021)

《生物信息學》教學實踐探討

尋 萌1，陳艷炯1，楊 娥1，邵明明2，李 薇1，宋 娟1，楚雍烈1

(1.西安交通大學醫學院免疫與病原生物學系，陜西西安 710061;2.西安醫學院醫學技術系，陜西西安 710021)

從教學實際出發，總結了醫學院校《生物信息學》教學實踐中的一些體會，探討了提高學生生物醫學信息處理能力的教學模式、教學內容和方法。期望通過《生物信息學》課程的講授，使學生了解到生物信息學發展的前沿，掌握生物信息學的基本分析方法，最終達到能夠在科研中獨立應用生物信息學進行分析的目的。

生物信息學;教學實踐;教學方式

生物信息學(bioinformatics)是一門由生物學、計算機學、信息管理學、應用數學以及統計學等多門學科相互交叉而形成的新興學科，簡單的說就是利用計算機技術解決生物學問題的一門實用性非常強的學科[1]。它主要研究生物信息數據的收集、整理、存儲、檢索、加工與分析，通過綜合應用生物學、計算機和信息技術等手段，進而達到揭示紛繁復雜的數據中所蘊含的生物學本質的目的[2]。能夠在醫學管理、教學、科研、臨床醫療諸多領域中，幫助醫學工作者作出決策并解決問題。

20世紀末，隨著人類遺傳密碼的破譯、多種模式生物基因組測序的完成，以及功能基因組和蛋白質組研究的開展，有關核酸、蛋白質的序列和結構等生物學數據呈現指數式增長模式[3]。這樣龐大復雜的數據，如果僅僅依靠人腦的處理，是無論如何也完成不了的。因此，運用計算機輔助分析數據、排除分析誤差、加快分析過程勢在必行，生物信息學也就是順應此需要而快速發展起來的。

西安交通大學醫學院是西北地區率先開設這門課程的高校之一。自2002年開設《生物信息學》課程以來，歷經逾10年的時間。目前，《生物信息學》是醫學院研究生的必修課目、本科生的選修課目。學生專業涉及基礎醫學、臨床醫學、口腔、預防、法醫、藥學等，每年授課人數近500人。

本文根據筆者多年的生物信息學教學實踐，對該課程的重要性及教學實踐進行總結，提出幾點見解，希望能引起同行專家對《生物信息學》教學方式的關注和交流，由此推動教學質量的提高。

1 《生物信息學》課程的開設，實屬必要

生物信息學是一門實用性非常強的學科，內涵涉及廣泛，應用領域寬廣，它所提供的研究工具對生物學、醫學發展至關重要。生物信息學技術在發現與識別人類疾病基因，研究基因與蛋白質的表達和功能方面發揮著關鍵的作用，并可幫助人類闡明疾病發生的遺傳背景和分子機制，提出相應的預防措施及開發新的治療藥物[4-5]。因此，是所有從事生物醫學相關學科的科研人員、臨床醫生、教師和學生必須掌握的知識和技能。同時，當前我國高校的人才培養模式已轉變為培養“科研型人才”為主，不論本科生還是研究生，在日后的學習階段都要進行科研工作，而生物信息學知識恰好可以幫助學生確定研究課題，明確研究方案，簡化數據分析，縮短研究時間，加強分析深度，最終提高研究的可靠性和成功率，讓學生少走彎路，避免不必要的重復。另外，學習生物信息學知識也是適應日后就業的需要，只具有理論知識和傳統實驗技能的學生目前已經不能滿足用人單位的要求，同時兼備生物學理論、技術并能獲取生物學最新數據和對其分析的學生才是當今時代的需要[6]。因此，開設《生物信息學》這門課程實屬必要。

2 理論教學隨時更新，與時俱進

任何學科都在不斷地發展完善，尤其是《生物信息學》，更新速度更快。隨著新的應用領域的擴展和新問題的出現，其他學科的方法也在不斷地應用到生物信息學之中，這一點進一步增加了《生物信息學》多學科交叉融合的廣度和深度。因此，在教學工作中教師必須緊跟學科發展方向，隨時進行知識體系的更新補充，了解國際最新的前沿動態，掌握新方法、新工具，適時調整教學內容，將最新的知識傳授給學生。同時，也要在教學中激發學生對科研的興趣，鼓勵學生通過各種途徑自覺地關注醫學發展動態，拓寬知識面。

另外，近年來，隨著生物信息學的重要性越來越被大家認可，介紹和講授生物信息學的書籍也不斷涌現。但是由于各個編者的學科背景不同，各種專著的側重點和特點也不盡相同。在這種情況下，我們教研室就在開課初期，針對醫學院學生的特點，自主編寫了《醫用生物信息學概論》這本教材，由陜西科學技術出版社出版，作為學校《生物信息學》教學的主要參考教材。這本教材主要是從生物學研究工作的實際需要出發，針對科研工作中可能遇到的問題進行講解，重點講授現有生物信息學工具的使用，著重培養學生的能力，幫助學生建立一個生物信息學的思維模型，以適應今后工作學習的需要。而對于偏計算機專業的計算方法或模型的建立等非生物領域的問題只做簡單介紹，讓學生大致了解即可。而且，在書的附錄部分還編寫了上機實習指導以幫助學生在上機操作時更加一目了然，容易上手，并且可以加深和鞏固學生所學的知識。目前，由于學科自身的發展和知識體系的不斷更新，正在積極籌備改版，希望將這門課程的新近發展補充進去，與時俱進。

3 根據學生專業背景調整教學內容，深受歡迎

醫學院學習《生物信息學》的學生，專業包括基礎醫學、臨床醫學、口腔、預防、法醫、藥學等，專業涉及廣泛;研究的對象有人、動物、微生物和植物，主體不同，研究的內容也分為生理生化、分子生物學和細胞生物學等不同層次，所以，各個專業背景的學生對這門課程的需求也不盡相同。因此，在實際教學過程中，我們會根據上課學生的專業特點、研究對象和內容，針對性的確定教學內容。比如，對于藥學專業的學生，在介紹文獻數據庫時，不僅介紹醫學專業學生常用的數據庫，另外還向同學講授藥學專業常用的《化學文摘》(CA)數據庫。《化學文摘》是世界上最大、最全面的化學信息數據庫，它不僅整合了文獻數據庫，還具有檢索化學結構式、化學物質登記號和三維圖像的功能，是藥學專業工作者從事科研工作必須掌握的工具，因此，向藥學專業的學生介紹這一工具，實為必要。經調查，這樣根據學生專業來調整教學內容的授課方式深受同學們的歡迎。

4 利用多媒體網絡教學，邊學邊練

西安交通大學是西北地區率先開通中國基礎教育網的高校，網絡資源非常普及，不僅每個教室、每個宿舍都通有網絡，而且，近期又開通了無線上網服務，使得在校園的每個角落師生都能方便的使用到流暢的網絡資源。而且，學校教室均為多媒體教室，配備有多媒體投影播放系統，能夠完成形式多樣的多媒體教學。以上這些硬件設施都為《生物信息學》課程的開設提供了良好的物質基礎，使得《生物信息學》的理論教學突破了傳統的粉筆和黑板的教學模式，結束了學生抽象地、艱難地接受教師填鴨式教學內容的窘境。在使用了“多媒體網絡教學”后，教師在講授某一較為難于理解的概念、工具、操作時，就可以直接連接到網絡或打開相應軟件演示給學生，讓學生一目了然。當堂的“多媒體網絡教學”靈活生動、簡明扼要，起到了事倍功半的效果。比如，在給學生講解蛋白質的空間構型時，如果單憑教師的平面講解和學生的想象，是很難達到真正理解的效果的，而當堂使用了三維圖像軟件以后，就能給學生直觀生動地展示出蛋白質的空間構象，使學生輕松地、深刻地認識生物大分子。再如，數據庫的搜索和查詢是生物信息學當中一個非常重要的環節，應該重點突出實際網絡操作的能力，因此，在給學生講解醫學常用數據庫時，就可以直接連接到數據庫網頁，現場演示其使用方法。這樣的教學方式簡明扼要，節約了課堂時間，學生又容易理解掌握，教學效果明顯，而且還教會了學生自己獲取信息的手段，開闊了視野。

另外，在理論教學基礎上，還專門安排有上機練習的課時。上機練習是該課程非常重要的一個環節，研究生的上機學時占總學時的三分之二，本科生占總學時的四分之一。學生通過上機時自己的親手操作，真正體會到教師講授的知識，將這些知識轉化為自己的工具，滿足了個體化的學習要求，保證了教學質量。

5 以科研實例為講解線索，生動易懂

《生物信息學》開課的時間是在研究生入學的第一學期，本科生第二或第三學年，這一時期的學生尚未進入課題研究階段，還不了解自己即將面臨的生物信息學需求，因此，在學習中不知道教師為什么要講授這些內容，講授的各種工具軟件都有什么重要的使用價值，以及對自己日后的科研工作能起到什么幫助，感覺非常迷茫。尤其是本科生，甚至連“科研”是什么都不清楚。一旦學生產生了這樣的情緒，就會導致其在學習的過程中迷失方向，抓不住重點，提不起興趣，甚至產生抵觸情緒，放棄學習。

因此，這就需要授課的教師在每介紹一個內容、工具之前要將其適用的目的、用途講授清楚。在實際教學中，為了解決這一問題，我們在講授時，往往采用真實科研實例為線索，讓學生通過老師自己的課題，學習在做科研過程中要使用到的知識、工具和解決問題的思路。比如，教師會首先介紹自己的學科背景和科研目標，然后從怎樣選擇合適的關鍵詞使用文獻數據庫查閱資料開始，逐一介紹怎樣閱讀、保存、編輯查獲的文獻，繼而，確定要研究的目的基因。在確定了研究目標后，繼續演示怎樣查找該基因的核酸序列，并對核酸序列進行同源性比對及進化分析，隨后使用相應的軟件設計PCR引物，進行基因功能、結構預測、調控元件及轉錄因子預測。對核苷酸序列分析完成后，再介紹怎樣查找蛋白質序列，并使用軟件對該序列進行基本理化性質分析，跨膜區及信號肽預測，二級結構和空間三維結構的預測。通過教師清晰的科研思路，讓學生真正掌握解決問題的思路，培養其科學思維能力。在此基礎上，在教學過程中還采用探討式教學的方式，提出問題，鼓勵學生思考，讓學生參與進來，通過自學或與教師、同學的協商討論，給出解決問題的方法。這樣的教學方式使學生的大腦自始至終都處于高度興奮狀態，形成了科研推動教學，教學帶動科研的良性循環。

6 制定合理考核方案和成績評定比例，理論和實踐相結合

由于《生物信息學》是一門實踐性很強的學科，因此在考核時也要突出這一特點，不能與純理論型的科目一樣，只考察對理論的掌握，而是要使理論與實踐相結合，真正考察學生的能力。

對于研究生階段的學生，在考核時采用的是課程研究論文的形式，要求學生結合自身專業或導師的研究方向通過自查資料，確定研究目標，然后結合學到的生物信息學分析方法對該目標進行分析，相當于為即將到來的論文開題提前練兵。

對于本科程度的學生，期末成績的評定是由理論考試加上機作業組成的，比例分別占60％和40％。上機作業是讓學生針對上機實習的內容，通過查文獻，找到感興趣的基因或蛋白，并對其核酸序列及蛋白質序列進行分析，實踐性的檢驗學生的學習效果。

7 結語

《生物信息學》的學習是完成國際醫學教育目標的一個重要手段，是趕超世界先進水平的一個絕好機遇。生物信息學的教學應以提高學生的學習自主性、實際操作能力、解決問題的綜合應用能力及創新能力為目標，使學生充分體會到生物信息學與其他學科的關系，培養其自覺地將其他學科的方法和思想應用于解決生物學問題。隨著今后教師自身素質的不斷提高和與時俱進的教學改革，生物信息學教學方式將會被不斷完善，更多的掌握現代生物信息知識和技能并具有高素質和強能力的生物醫學人才將會大批涌現。

[1]許忠能.生物信息學[M].北京:清華大學出版社，2008.

[2]柴 惠，趙 虹，張 婷.高等院校生物信息學雙語教學課程建設之我見[J].中國高等醫學教育，2010(4):83-84.

[3]楚雍烈，陳靜宏，王治倫.醫用生物信息學概論[M].西安:陜西科學技術出版社，2005.

[4]張 林，柴惠黃，燕 芬，等.新型教學體系在生物信息學中的探索與實踐[J].中國高等醫學教育，2010(7):57-59.

[5]孟 雙，徐 沖，陳麗媛，等.生物信息學在生物學研究領域的應用[J].微生物學雜志，2011，31(1):78-81.

[6]朱婷婷.醫學生信息能力培養與醫學專業教育整合研究[J].西北醫學教育，2011，19(3):447-449.

Practice of Bioinformatics Teaching

XUN Meng1，CHEN Yan-jiong1，YANG E1，SHAO Ming-ming2，LI Wei1，SONG Juan1，CHU Yong-lie1
(1.Department of Immunology and Microbiology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710061;2.Department of Medical Technology，Xi’an Medical College，Xi’an 710021，China)

On the basis of teaching，this paper summarizes our experience of bioinformatics teaching.It also discusses the instructional model，teaching content and methods which can help improve students’information-processing ability.It is hoped that instruction of Bioinformatics course can make students understand the latest development of bioinformatics and master the basic analytical methods so as to independently solve problems in their scientific research.

bioinformatics;practice of teaching;teaching method

G642.0

A

1006-2769(2011)06-1220-04

2011-09-19

西安交通大學醫學研究生創新教育實驗平臺建設(編號C-0707)

尋 萌(1979-)，女，博士，講師，主要從事分子病毒學和生物信息學研究。

楚雍烈(1944-)，博士生導師，教 授。