大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)背景下醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)教學(xué)探討與實踐

何群 梁彬 鐘連生

摘 要：大數(shù)據(jù)背景下醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)教學(xué)方法探討：針對不同專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)需求設(shè)置不同教學(xué)大綱；在全部教學(xué)過程中老師學(xué)生全部上機上網(wǎng)，在教學(xué)過程中結(jié)合科研領(lǐng)域應(yīng)用的需求實行科教融合一體化教學(xué)；設(shè)計合理的考核機制，實行理論知識和應(yīng)用能力雙考察；為醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)教學(xué)提供一種教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；教學(xué)模式；教學(xué)實踐

隨著基因組、蛋白組計劃完成，數(shù)以千計的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫陸續(xù)建立，對海量的生物大分子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、收集、整理、解析和服務(wù)，從中發(fā)現(xiàn)隱藏在序列信息中的生物學(xué)規(guī)律是亟待解決的問題。生物信息學(xué)（Bioinformatics）是綜合利用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)以及計算機科學(xué)等諸多學(xué)科理論方法的嶄新交叉學(xué)科[1]。隨著大數(shù)據(jù)時代來臨和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)概念的確立，生物信息學(xué)的重要性將越來越突出，已經(jīng)成為當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的核心領(lǐng)域和最具有活力的前沿領(lǐng)域之一，生物信息學(xué)分析正逐步成為生命科學(xué)研究者的有利工具。生物信息學(xué)教育逐步受到重視，由于生物信息學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，各高校內(nèi)的相關(guān)專業(yè)側(cè)重點不同，無論在課程設(shè)置和人才培養(yǎng)方面尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識和固定教學(xué)模式[2，3，4]。中國醫(yī)科大學(xué)在2002年在全國醫(yī)學(xué)院校率先開設(shè)生物信息學(xué)課程，在如何利用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)對醫(yī)學(xué)專業(yè)及生物學(xué)、藥學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)做了一些探討和實踐[5]。

一、針對不同專業(yè)制定特色教學(xué)大綱

目前生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包括：生物信息學(xué)網(wǎng)站介紹、生物大分子數(shù)據(jù)庫檢索、生物信息學(xué)軟件應(yīng)用等方面。中國醫(yī)科大學(xué)生物信息學(xué)教學(xué)對象分別為：碩博研究生，信息專業(yè)、生物專業(yè)、藥學(xué)專業(yè)本科生。由于各個專業(yè)、級別的學(xué)生的課程基礎(chǔ)不同，培養(yǎng)方向不同，課程設(shè)計的教學(xué)重點也不同。對于信息專業(yè)的學(xué)生，課程要注重數(shù)據(jù)庫的分類、檢索、應(yīng)用，注重網(wǎng)上生物信息學(xué)資源的獲取和利用；針對生物、藥學(xué)專業(yè)本科生，課程注重網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫檢索，核酸蛋白分析預(yù)測；對于研究生，生物信息學(xué)除上面基礎(chǔ)部分外，更注重實驗結(jié)果分析、科研設(shè)計應(yīng)用方面，如PCR引物以及siRNA設(shè)計、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點預(yù)測、蛋白質(zhì)功能預(yù)測分析、蛋白質(zhì)相互作用及其信號傳導(dǎo)通路分析等。

二、科教融合、學(xué)習(xí)實踐結(jié)合，進(jìn)行合理的教學(xué)組織

現(xiàn)有生物信息學(xué)網(wǎng)站以英文網(wǎng)站為主，生物信息學(xué)專業(yè)網(wǎng)站眾多，每個網(wǎng)站兼有數(shù)據(jù)庫及其軟件，所含信息量極大，如何讓學(xué)生了解網(wǎng)站內(nèi)容，熟悉軟件應(yīng)用，學(xué)會生物信息學(xué)分析方法是每個生物信息學(xué)講授者需要面臨的難題。老師單純講授的教學(xué)方法存在以下不足：1.數(shù)據(jù)庫檢索方面：學(xué)生雖然能掌握數(shù)據(jù)庫檢索方法，但不明確檢索目的以及數(shù)據(jù)庫中的各種注釋對生物信息學(xué)序列分析有何幫助；2.生物信息網(wǎng)站方面：通過學(xué)習(xí)，學(xué)生雖然了解生物信息學(xué)網(wǎng)站，卻不知如何主動應(yīng)用這些資源；3.生物信息學(xué)軟件應(yīng)用方面：學(xué)生雖然了解如何軟件應(yīng)用操作，但缺乏綜合應(yīng)用的技能；針對上述情況，我們在生物信息學(xué)教學(xué)中引入科教融合的教學(xué)模式，提高本科生對生物信息學(xué)大數(shù)據(jù)的總體認(rèn)識和應(yīng)用能力。我們教學(xué)進(jìn)行如下安排：1.利用大數(shù)據(jù)資源，上課時學(xué)生人手一機，教學(xué)中老師學(xué)生全部上機上網(wǎng)實行理論實際一體化教學(xué)，講授生物信息實用內(nèi)容（登錄網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫、軟件）時，教師講授和學(xué)生操作同步進(jìn)行。結(jié)合生物信息學(xué)實際應(yīng)用范例，給學(xué)生布置作業(yè)，學(xué)生當(dāng)堂完成，有問題當(dāng)堂解決，做到講、練、做三者結(jié)合。2.在講授中，力爭做到講課內(nèi)容與目前生命科學(xué)研究關(guān)注的熱點結(jié)合，引入案例教學(xué)，理論與實際相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。如：進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索時候，我們讓學(xué)生在網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫檢索流感病毒、埃博拉病毒、SARS病毒；進(jìn)行多序列比對時候，我們讓學(xué)生比對上述病毒核酸、蛋白序列之間的差異；蛋白核酸分析時候，我們讓學(xué)生在數(shù)據(jù)庫中檢索一個基因已知的突變位點，利用生物信息學(xué)軟件比對一個基因序列如果發(fā)生突變，其編碼蛋白會發(fā)生如何變化。這種實際分析提高了學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。3.注重啟發(fā)式、討論式教學(xué)，注重提高學(xué)生創(chuàng)新能力。對大學(xué)階段學(xué)習(xí)來說，學(xué)習(xí)不僅僅是記憶、了解一個專業(yè)的基礎(chǔ)知識，更重要的是探索、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，科學(xué)研究關(guān)鍵是在前進(jìn)路上進(jìn)行多方面可能性探索而不是記憶標(biāo)準(zhǔn)答案。由于醫(yī)學(xué)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，醫(yī)學(xué)院學(xué)生容易形成記憶標(biāo)準(zhǔn)答案的思維方式。與醫(yī)學(xué)院校其它需要記憶理解的課程不同，生物信息學(xué)注重在已知的序列結(jié)構(gòu)中尋找未知的規(guī)律，這正是提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力的合適時機。因此，我們在教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)規(guī)律的創(chuàng)新性思維，注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。例如，如果一個蛋白質(zhì)失去功能，從生物信息學(xué)分析，有幾種可能，應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行分析。學(xué)生學(xué)的有興趣，有成就感，也提高了學(xué)生對生物信息學(xué)的整體認(rèn)識。

三、構(gòu)建多元化考評機制

同醫(yī)學(xué)院校其它課程相比，生物信息學(xué)是一門發(fā)展較快的學(xué)科，網(wǎng)上的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫和軟件更新頻繁，在這種情況下，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考察不僅僅需要考察對理論知識的記憶理解，更重要的是考察實際綜合應(yīng)用能力。針對生物信息學(xué)依賴互聯(lián)網(wǎng)、計算機的特點，我們建立了多元考試機制，70%考試成績+30%實習(xí)操作。在70%考試中，我們有60%的實際操作、輸出結(jié)果分析以及生物信息學(xué)分析過程設(shè)計方面的問題，注重學(xué)生對課程的實際理解和應(yīng)用。在30%實習(xí)操作中，我們將數(shù)據(jù)庫檢索、序列對比、核酸蛋白分析及其結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子系統(tǒng)發(fā)育分析整合成三個大實驗，學(xué)生不僅僅進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索，還要利用所學(xué)的生物信息學(xué)知識對檢索的生物大分子序列進(jìn)行全面分析。在實際操作過程中具體做到每個學(xué)生一個基因或者蛋白序列。實驗課前，老師通過email將實驗內(nèi)容發(fā)給學(xué)生，實驗課時，學(xué)生上網(wǎng)上機對所給的序列進(jìn)行檢索分析，最后在word文檔中寫出實驗報告。這種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也有利于師生之間交流，很多學(xué)生喜歡跟老師探討未知問題，在畢業(yè)實習(xí)中遇到生物信息學(xué)問題也跟老師進(jìn)行探討，做到教學(xué)相長。

現(xiàn)代基因組學(xué)和后基因組學(xué)資源已經(jīng)成為人類共同財富，如何獲取和利用這些資源已經(jīng)成為科研工作者亟待解決的問題。生物信息學(xué)使得生命科學(xué)從傳統(tǒng)的“從實踐到理論總結(jié)的科研路線”革新為“從理論分析到實踐驗證”的新模式。生物信息學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)工作者不可缺少的研發(fā)工具。生物信息學(xué)教學(xué)模式也將隨著生物信息學(xué)的發(fā)展，不斷進(jìn)步和完善。（通訊作者：何 群）

參考文獻(xiàn)：

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[3]張林，柴惠黃，燕芬，等.新型教學(xué)體系在生物信息學(xué)中的探索與實踐[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育教育.2010（7）：57-59

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[5]趙雨杰.醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)[M].北京，人民軍醫(yī)出版社，2002.