生物信息網(wǎng)絡(luò)資源在醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用探討

在計(jì)算機(jī)教學(xué)中引入生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用的教學(xué)，既彌補(bǔ)了生物信息學(xué)教學(xué)的欠缺，又充實(shí)了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。通過(guò)教師設(shè)置主題、教學(xué)模擬及演示講解具體操作流程，在機(jī)房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并結(jié)合學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，達(dá)到教學(xué)目的，以適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)新型人才的培養(yǎng)及醫(yī)學(xué)教育現(xiàn)代化的要求，推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展。

生物信息學(xué)；網(wǎng)絡(luò)資源；計(jì)算機(jī)教學(xué)；改革；自主學(xué)習(xí)

【基金項(xiàng)目】國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30860278，81160025)；

云南省中青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人后備人才資助項(xiàng)目(2011CI057)；

云南省教育廳重大專(zhuān)項(xiàng)(ZD2010007)；

昆明醫(yī)學(xué)院教研教改項(xiàng)目（2011JY38）。

【作者簡(jiǎn)介】謝月輝，女，漢族，昆明醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室講師。

【通訊作者】孟照輝，教授，昆明醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院分子心血管研究室主任。

1.生物信息學(xué)及教學(xué)現(xiàn)狀

生物信息學(xué)(Bioinformatics)是生命科學(xué)中一門(mén)新興的前沿學(xué)科，是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科交叉所形成的一門(mén)新興學(xué)科。生物信息學(xué)綜合利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)，通過(guò)對(duì)海量生物學(xué)數(shù)據(jù)的處理和分析，揭示其中蘊(yùn)藏的內(nèi)在聯(lián)系和生物學(xué)含義，進(jìn)而提煉有用的生物學(xué)知識(shí)。生物信息學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容是收集和整理生物學(xué)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢、處理和分析等服務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，這些數(shù)據(jù)庫(kù)大多可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)并下載。

伴隨著上世紀(jì)九十年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物信息學(xué)已滲透到生物科學(xué)的每一個(gè)角落，成為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的必然選擇；因此，生物信息學(xué)的教學(xué)也日益重要。生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，以計(jì)算機(jī)為工具，全部在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房?jī)?nèi)完成。由于現(xiàn)階段不同專(zhuān)業(yè)學(xué)科的教師之間缺乏交流與合作，很難滿足生物信息學(xué)教學(xué)的需求，特別是在醫(yī)學(xué)院校，生物信息學(xué)教學(xué)仍處于欠缺狀態(tài)。

A.生物信息網(wǎng)絡(luò)資源在計(jì)算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的意義

是醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)進(jìn)一步深化改革，適應(yīng)新型醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的需要，在多年來(lái)醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革的探索與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我們對(duì)現(xiàn)今的醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育體系提出了新的想法和思路。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展，能否培養(yǎng)出能夠進(jìn)行自我知識(shí)更新、具有強(qiáng)烈的現(xiàn)代信息意識(shí)并能夠利用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的新型醫(yī)學(xué)人才，是擺在我們面前的一項(xiàng)重大研究課題。生物學(xué)數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)極為迅速，但生物數(shù)據(jù)資源的利用率卻很不理想。在高校教學(xué)中，生物信息學(xué)尚未有完善的教學(xué)模式，在醫(yī)學(xué)院校的教學(xué)中甚至處于欠缺的狀態(tài)。將生物信息網(wǎng)絡(luò)資源引入計(jì)算機(jī)教學(xué)當(dāng)中，可充實(shí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和文獻(xiàn)檢索能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣及解決學(xué)習(xí)中碰到的實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生在了解和掌握大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的同時(shí)認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)教學(xué)的目的性和實(shí)用性，以適應(yīng)當(dāng)前新型醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的需要。將生物信息網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用與計(jì)算機(jī)教學(xué)相結(jié)合是醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的重要課題，也是對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

B.適應(yīng)醫(yī)學(xué)教育現(xiàn)代化的要求，推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展

近二十年來(lái)，生物學(xué)數(shù)據(jù)如潮水般涌現(xiàn)，并正以指數(shù)方式增長(zhǎng)，但我們對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的理解卻十分有限。生物信息學(xué)是生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉結(jié)合形成的新學(xué)科，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)等手段，通過(guò)生物信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、分析等來(lái)理解和闡明大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義。生物信息學(xué)的發(fā)展已經(jīng)使生物學(xué)研究從傳統(tǒng)的試驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)積累轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)分析及其指導(dǎo)下的試驗(yàn)驗(yàn)證上來(lái)，因此，生物信息學(xué)將對(duì)醫(yī)學(xué)教育、生命科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的繁榮與發(fā)展產(chǎn)生重大影響。為趕上現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展步伐，將計(jì)算機(jī)技術(shù)有效地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)教育及科研領(lǐng)域中去已成為我國(guó)醫(yī)學(xué)教育的一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)。

目前，生物信息學(xué)教學(xué)條件尚不成熟，缺乏完善的教學(xué)模式；因此，如何在高校進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)亟需探索。在此，我們希望探討在計(jì)算機(jī)教學(xué)中如何與生物信息學(xué)有機(jī)結(jié)合，更好地適應(yīng)醫(yī)學(xué)教育現(xiàn)代化的要求，推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展。

2.醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中引入生物信息網(wǎng)絡(luò)資源的具體實(shí)施方法

目前，醫(yī)學(xué)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)集中在大學(xué)一、二年級(jí)的一個(gè)學(xué)年，有些是在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成，其教學(xué)內(nèi)容主要由理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和自主學(xué)習(xí)三部分組成，這三部分交替進(jìn)行。值得注意的是，PBL(Problem-based Learming，也稱(chēng)作問(wèn)題式學(xué)習(xí))的教學(xué)方法在醫(yī)學(xué)院校受到了推崇；它采用“以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法”和設(shè)計(jì)真實(shí)性任務(wù)相結(jié)合的教學(xué)模式，把學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，通過(guò)學(xué)習(xí)者的自主探究和合作來(lái)解決問(wèn)題，從而學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問(wèn)題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力，真正達(dá)到醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)的目的。生物信息網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用教學(xué)正是基于這種方法完成，主要分為三步進(jìn)行：

A.在教學(xué)的初期，首先提出生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)計(jì)劃

教師在計(jì)算機(jī)理論教學(xué)時(shí)向?qū)W生簡(jiǎn)要說(shuō)明進(jìn)行生物信息網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用的學(xué)習(xí)計(jì)劃：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，自主學(xué)習(xí)了解生物信息學(xué)（教學(xué)初期開(kāi)始，中期前完成）；由教師在機(jī)房講解并做示范，然后由學(xué)生自行操作完成生物信息網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用（教學(xué)中期開(kāi)始，可持續(xù)幾周時(shí)間，在本科目考試前兩周完成，提交報(bào)告）；教師評(píng)價(jià)學(xué)生的報(bào)告并給出成績(jī)，此成績(jī)占計(jì)算機(jī)學(xué)科成績(jī)的一定比例。

在教學(xué)初期，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)并初步了解生物信息學(xué)的概念、發(fā)展等基本知識(shí)。在此過(guò)程中，可讓學(xué)生以小班為單位通過(guò)電子郵件的形式把學(xué)習(xí)的進(jìn)展情況反饋給老師，以檢查和督促學(xué)生的學(xué)習(xí)。

B.在教學(xué)中后期進(jìn)行具體的指導(dǎo)學(xué)習(xí)

教學(xué)內(nèi)容包括問(wèn)題設(shè)置以及具體操作流程；教學(xué)模式將結(jié)合分子生物學(xué)和基因工程等相關(guān)學(xué)科，建立以教學(xué)內(nèi)容為核心的科研實(shí)驗(yàn)和學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)。主要由以下步驟組成——設(shè)置主題：給出一個(gè)待查詢基因或蛋白質(zhì)的英文全名或者代碼；給出常用網(wǎng)址：包括常用數(shù)據(jù)庫(kù)、文獻(xiàn)和應(yīng)用軟件等；查詢結(jié)果：指導(dǎo)學(xué)生如何從中獲取所需信息數(shù)據(jù)；提交報(bào)告：內(nèi)容包括使用的網(wǎng)站名，數(shù)據(jù)庫(kù)版本及所獲得的基因序列、氨基酸序列及編碼等；教師作出評(píng)價(jià)。

C.讓學(xué)生熟悉相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及能從中找到并分析特定的數(shù)據(jù)是生物信息學(xué)教學(xué)的核心內(nèi)容

隨著大量生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，目前已有數(shù)以百計(jì)的生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，如日本的DDBJ、歐洲的EMBL、SWISS-PROT和美國(guó)的GenBank、PDB均是國(guó)際上著名的一級(jí)核酸或蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，如何讓學(xué)生了解一級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)、掌握常用的二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)使用方法，針對(duì)醫(yī)學(xué)生的特點(diǎn)一般而言，采用問(wèn)題設(shè)置以及操作演示的教學(xué)方法讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握最常用數(shù)據(jù)庫(kù)的使用方法。具體方法如下：

問(wèn)題1：請(qǐng)查詢?nèi)梭w吡咯琳-5-羧酸還原酶（Human Pyrroline-5-carboxylate Reductase）的基因及蛋白質(zhì)序列，給出該基因NCBI官方全名、基因序列號(hào)及蛋白質(zhì)序列號(hào)、開(kāi)放閱讀框，并查詢?cè)摶虻拿盖形稽c(diǎn)及計(jì)算該蛋白質(zhì)的分子量及等電點(diǎn)。

教師將通過(guò)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene網(wǎng)址演示如何獲取該基因NCBI官方全名、基因序列號(hào)及蛋白質(zhì)序列號(hào)、開(kāi)放閱讀框，并給出相關(guān)答案如PYCR1 NCBI Reference Sequence（基因序列號(hào)）：NM_006907.2; PYCR1 NCBI Reference Sequence（蛋白質(zhì)序列號(hào)）：NP_008838.2等；通過(guò)http://searchlauncher.bcm. tmc.edu/seq-util/seq-util.html網(wǎng)址查詢?cè)摶虻拿盖形稽c(diǎn)；通過(guò)http://www.expasy.org查詢?cè)摰鞍踪|(zhì)的分子量及等電點(diǎn)。

問(wèn)題2：給出10篇近5年來(lái)關(guān)于PYCR1研究進(jìn)展的有代表性論文。教師將通過(guò)http://www.ncbi.nlm.nih.gov網(wǎng)址演示如何使用PubMed文獻(xiàn)庫(kù)。

問(wèn)題3：給出PYCR1的同源基因。

教師將利用問(wèn)題1中獲得的PYCR1序列，通過(guò)http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi網(wǎng)址演示如何使用BLAST進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)搜索獲得同源基因。

在指導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程中，先由教師講解演示，然后再讓學(xué)生完成，舉一反三，從而熟悉整個(gè)操作流程，理解掌握實(shí)驗(yàn)的目的和意義。通過(guò)自主學(xué)習(xí)及各種范例的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)初步了解生物信息學(xué)的主要內(nèi)容以及生物信息學(xué)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)臨床科研實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并能利用生物信息網(wǎng)絡(luò)資源解決常見(jiàn)的基礎(chǔ)問(wèn)題，提高了分析和解決問(wèn)題的能力，為今后的學(xué)習(xí)、發(fā)展及開(kāi)展相關(guān)研究打下了一定的基礎(chǔ)。

D.考核

根據(jù)學(xué)生掌握的生物信息學(xué)相關(guān)知識(shí)，給出相關(guān)命題，不但考核學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握情況，還要考核他們跟蹤最新前沿研究信息的能力。例如，可給出如下的命題，要求學(xué)生一周內(nèi)提交：查詢?nèi)梭wPYCR2基因序列號(hào)及蛋白質(zhì)序列號(hào)、開(kāi)放閱讀框，并查詢?cè)摶虻拿盖形稽c(diǎn)及計(jì)算該蛋白質(zhì)的分子量及等電點(diǎn)；目前關(guān)于冠心病介入治療中SNYTAX研究的最新進(jìn)展及相關(guān)應(yīng)用軟件使用的簡(jiǎn)要說(shuō)明；描述甲型HINI病毒的基因特點(diǎn)及其中的重要蛋白質(zhì)。

3.討論

生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容穿插在計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)課和自主學(xué)習(xí)完成。整個(gè)教學(xué)占用3-5個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，用于教師邊講解邊演示，可分1次或多次進(jìn)行，基本不占用理論學(xué)時(shí)（只需用10分鐘左右時(shí)間給學(xué)生提出學(xué)習(xí)計(jì)劃）。教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)計(jì)算機(jī)學(xué)科的學(xué)時(shí)數(shù)以及學(xué)生的專(zhuān)業(yè)、實(shí)際情況及興趣愛(ài)好進(jìn)行增減。

教學(xué)老師必須具有一定的生物信息學(xué)知識(shí)，需要增加投入教學(xué)的精力和備課量，對(duì)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)及教學(xué)水平提出了較高的要求。在教學(xué)過(guò)程中，教師由知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)者和組織者，學(xué)生則由知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)者和探究者。教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，做進(jìn)一步的輔導(dǎo)，幫助他們?cè)O(shè)計(jì)研究課題，并擇優(yōu)推薦進(jìn)入分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。我們已在部分本科生及碩士研究生中進(jìn)行該教學(xué)方法的嘗試，大部分學(xué)生能較快掌握數(shù)據(jù)庫(kù)使用的方法，暴露的問(wèn)題是醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)及分子生物學(xué)知識(shí)的掌握程度是影響數(shù)據(jù)文獻(xiàn)分析整理的重要因素。

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