生物醫學信息學導論課程教學探索

方 璐

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

隨著包括人類基因組計劃在內的生物基因組測序工程的飛速進展，以及計算機科學的發展和互聯網技術的普及，人類獲得了海量的與生物生老病死相關的數據，如何利用這些數據揭示遺傳的規律，解開生命的奧秘，推動醫學的發展成為現代生命科學和醫學的一項重要研究內容， 并由此產生了一門新的學科——生物醫學信息學[1-2]。 生物醫學信息學導論是將生物信息學所研究的生命基本規律和醫學前沿技術相融合的一門綜合性課程，知識覆蓋面廣，涉及計算機技術、生命科學、醫學等多個交叉學科，是高等學校非生物類專業本科生的公共選修課。 該課程的設置旨在讓學生了解各學科之間的交叉融合， 相互促進，拓寬學生的知識面， 激發學生對生命科學及醫學的興趣，提高學生的綜合素質。

1 課程內容特點分析

生物醫學信息學，從字面上主要包括生物信息學和醫學信息學兩部分[3-4]。 生物信息學是在生命科學的研究中，以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學，其主要研究領域包括序列對比，蛋白質對比，基因發現，蛋白質結構預測，基因表達和蛋白質的相互作用等[5-6]。 醫學信息學則是信息科學、計算機科學和醫學衛生保健等學科互相交叉的學科，通過計算機技術，優化醫學衛生領域中的數據的采集、存儲、檢索和利用。 其主要研究領域包括醫學數據標準、醫療信息系統、醫學決策系統、醫學影像、遠程醫療等[7]。從研究領域看，生物信息學和醫學信息學各不相關，然而，隨著人類基因組測序計劃的完成，越來越多的生物信息學的研究成果已經或正在醫學健康領域加以應用，如產前基因篩查，基因檢測在癌癥及罕見病治療中的應用等。 若在講課過程中將生物醫學信息學分為生物信息學和醫學信息學兩部分進行教學， 則容易使學生誤以為是兩門獨立的學科。因此，需要重新設計教學內容和教學方法，使學生既能了解兩門學科的各自特點，又能感受到兩個領域之間的交叉融合和相互促進。

2 課程內容改革

2.1 結合經典

生物信息學和醫學信息學雖然都是計算機科學發展后興起的科學，但是其理論基礎仍是經典的生命科學知識。 生命科學中許多經典基礎知識，如遺傳物質DNA、基因表達、蛋白結構、遺傳密碼等，盡管這些知識在高中生物中都已學過，但是由于生物醫學信息學導論是面向全校各專業，尤其是非生物相關專業的學生開設的通識課程，因此，對于生物基礎知識，仍然需要稍加講解，以便后續的深入理解。 在講解這些基礎知識的時候，可以在深度和廣度上對原有知識進行拔高[8]，以激發學生進一步探索和了解的欲望，同時結合相關的經典研究案例，對知識點進行講解。 如介紹遺傳物質，基因等相關知識時，我們介紹了人類基因組計劃，克隆羊多利等，使學生提高學習興趣的同時幫助其對相關知識加以理解。

2.2 結合熱點

生物醫學信息學中的知識點零散且較難理解，我們將課程內容緊密結合熱點時事， 提高學生的學習興趣，使學生感受到最新動態與經典知識的碰撞，通過探索時事背后所隱藏的科學問題，從而來展開課程教學。比如，2018 年發生的“基因編輯嬰兒”事件，我們從該事件引入， 向學生介紹了什么是基因編輯， 基于CRISPR/Cas9 基因編輯技術， 基因編輯在疾病治療中的作用等，并站在科學、醫學和倫理道德的角度對該事件進行了分析討論。 再比如，物理學家霍金去世時，我們由其所得的罕見病肌肉萎縮性側索硬化癥引入，分析了罕見病的發病原因，基因檢測在罕見病確診和治療中的作用，基因編輯技術在罕見病的藥物研發中的作用等。 通過這些社會熱點事件的引入，大大提高了學生的學習興趣，通過對熱點事件背后的前沿知識的介紹及科學問題的分析， 激發了學生的科研熱情，提升了學生思維深度和綜合素質。

2.3 結合科研重點

近年來，隨著生物信息學的迅速發展，越來越多的研究成果在醫學、農業及其他領域得到了應用。 在教學過程中引入這些最新的學科理論與研究成果，通過對學科前沿問題及相關案例進行分析討論，培養了學生的科學思維方式， 同時使學生能對學科之間的交叉融合和相互促進有更深的了解。 例如，我們介紹了生化傳感器在腫瘤標記物檢測中的應用，癌癥疫苗的研發， 生物三維打印的研發現狀及其在醫學中的應用等。 我們還介紹了諾貝爾生理學或醫學獎中，與生物醫學信息學相關的研究，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的抑制， 從而調動自體免疫細胞，來殺滅腫瘤細胞，腫瘤免疫療法與普通的放療化療的區別；又如2019 年的細胞如何感知和適應氧氣的變化含量， 我們介紹了癌癥細胞如何利用氧氣調節機制被用來刺激血管形成和重塑代謝，從而實現癌細胞的有效增殖， 以及通過激活或阻斷氧氣感受機制來對腫瘤細胞的繁殖進行抑制， 從而治療癌癥等。 通過這些科研實例的介紹，可以幫助學生了解科學研究的一般過程和方法， 以及如何將科研結果轉化為實際的醫療產品。

2.4 結合學生興趣點

生物醫學信息學導論是一門校級公選課，學生來自全校的各個專業。 為了滿足不同專業背景的學生的興趣點，在課程內容設置過程中，除了介紹生命科學和醫學的相關內容， 還增加了與各專業相結合的內容，讓學生了解不同專業之間的相互融合和促進。 例如， 我們在介紹基因編輯在罕見病治療中的作用時，以物理學家霍金所得的肌肉萎縮性側索硬化癥為例引入，除了介紹生物和醫學相關專業學生感興趣的罕見病的病因與治療方法外， 我們還介紹了計算機，電子和自動化相關專業學生感興趣的霍金的輪椅中所應用一些前沿技術，如用于健康評估的生理參數監測系統，用于文字轉換語音處理的CallText 設備，用于面部肌肉運動識別的Cheek Switch 裝置，輔助情境感知工具包等， 我們介紹了各種技術的原理和應用場景，并通過圖片和視頻進行了展示，不僅吸引了學生的興趣，而且使學生在實際案例中了解了各種專業技術在醫學中的應用。

3 教學方法改革

3.1 多媒體應用

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

3.2 案例教學

生物醫學信息學中有些知識點比較枯燥，如基因編輯、基因測序、精準醫療等，學生在學習過程中會有距離感。 通過在教學過程中引入相關案例，如熱點新聞，時事報道等，可以引起學生的共鳴，體會到先進技術在生活中的應用。 例如，我們通過好萊塢女星安吉麗娜·朱莉接受了預防性的雙側乳房切除手術以降低乳腺癌風險的案例引入，介紹了基因診斷在疾病預防和治療中的作用；我們通過結合“魏則西”事件和2018年的諾貝爾醫學獎腫瘤免疫療法，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和傳播途徑， 了解了不同病毒之間的差異以及防疫相關知識。通過將各教學內容與相關案例的結合，消除了學生與知識點之間的距離感，激發了學生的學習興趣。

3.3 開放式教學

現代科學的飛速發展，使新興生物醫學信息技術成為一把雙刃劍，一方面可以促進醫學發展，為疾病的診斷和治療帶來新的變革，另一方面新技術的應用也會帶來新的問題，如倫理、物種進化、環境等方面。在課堂教學過程中，盡可能將新技術帶來的各個方面的影響和問題呈現給學生，引導學生從不同的角度進行思考和探究。 我們在講述轉基因食品時，從轉基因技術對提高農作物抗病蟲害，改善植物品質以及提高農作物產量等方面分析了其優勢，同時也從食品安全性，對生態環境和對生物多樣性的影響角度分析了轉基因技術存在的風險。 在講解基因編輯時，我們介紹了基因編輯在腫瘤、HIV、罕見病治療以及農作物育種中的應用，同時也通過引入“基因編輯嬰兒”事件，分析了基因編輯在生育技術中應用存在的風險，倫理道德問題以及對人類基因的改變。 在案例和知識點的開放式講解和分析中，我們通過提問和討論，引導學生站在不同的科學角度對事件和技術進行觀察，形成自己的觀點，提高學生的獨立思考能力。

3.4 簡單課堂小測試

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

4 結語

生物醫學信息學是隨著基因測序技術，計算機科學發展以及與現代醫學結合發展的產生的新興科學。在課程教學過程中，通過嘗試和探索，對生物醫學信息學導論課程的教學內容和教學方法兩方面進行了一些改革，如在教學內容上結合經典、熱點、科研重點和學生興趣點，在教學方法上，通過采用多媒體技術，結合案例教學，開放式討論教學和簡單的課堂測試等方法，提高了學生的學習興趣，收到了一定的教學效果。 但教學改革是一項長期任務，在以后的教學過程中，仍需通過不斷學習探索，提高自身專業水平，引進新的教學內容，尋找更適合的教學方法，為培養復合型人才而努力。