大數據背景下單細胞轉錄組測序課程改革思考

林長松，邵嬌芳，汪強虎

（南京醫科大學 江蘇 南京 211166）

在生物學研究領域，單細胞轉錄組測序作為一項革命性的技術，正引起廣泛的關注。傳統的轉錄組測序方法通常是從大量的細胞樣本中提取RNA，這掩蓋了不同細胞之間的異質性[1]。然而，單細胞轉錄組測序技術可以突破這個限制，實現對單個細胞基因表達的高分辨率測量[2]。這項技術的出現為生物學研究帶來了巨大的機遇，揭示了細胞類型和亞型的多樣性、細胞發育軌跡的重建、細胞狀態轉換的識別等方面的研究問題。單細胞轉錄組測序的應用前景也非常廣泛。在生物醫學領域，單細胞轉錄組測序可以幫助我們深入了解疾病的發生機制、發現新的生物標志物以及指導個性化治[3]。

1 單細胞轉錄組測序課程存在的主要問題

在傳統的單細胞轉錄組測序課程教學中，筆者面臨著一個顯著的問題，即學生對單細胞轉錄組測序的感知能力不夠強。盡管這項技術具有巨大的潛力和廣泛的應用前景，但學生在課程學習過程中可能缺乏對該領域的深入理解和實際意義的認識[4]。

首先，單細胞轉錄組測序是一門復雜的技術，涉及許多先進的實驗方法和數據處理技術。然而，傳統教學模式往往無法充分展示和解釋這些復雜性。學生可能僅僅停留在表面知識的掌握，而無法真正理解單細胞轉錄組測序的核心概念和實際應用。這導致了學生對該技術的感知能力不夠強，無法準確把握其在生物學研究中的重要性和潛在的創新機會。

其次，單細胞轉錄組測序領域發展迅猛，新的技術和方法不斷涌現[5]。然而，傳統教學模式往往滯后于最新的研究進展，無法及時將前沿的知識傳達給學生。這使得學生對單細胞轉錄組測序的感知局限于已有的知識框架，無法跟上領域的快速發展和創新。

因此，為了提高學生對單細胞轉錄組測序的感知能力，筆者需要對課程進行改革。本文將探討在大數據背景下進行的單細胞轉錄組測序課程改革的思路和策略，以促進學生對該領域的深入理解和實際應用的認識。通過引入實踐環節、深化理論教學、開展科研項目等措施，筆者希望能夠提高學生的感知能力，培養他們對單細胞轉錄組測序的興趣和熱情，并為其未來的研究和職業發展奠定堅實的基礎。

2 大數據背景下單細胞轉錄組測序課程改革的建議

2.1 引入實踐環節，加強學生實驗技能和數據分析能力的培養

為了提高學生在單細胞轉錄組測序領域的實踐能力和數據分析技能，課程改革需要引入實踐環節，使學生能夠親自參與實驗操作和數據處理過程。以下是一些具體的建議和策略。

2.1.1 實驗設計和操作

在課程改革中，教師可以加入細胞解離實驗和單細胞捕獲實驗，以增加學生對單細胞轉錄組測序的實踐經驗和技能。細胞解離實驗是單細胞轉錄組測序的前期準備步驟之一[6]。通過這個實驗，學生將有機會親自操作細胞解離實驗，掌握解離細胞的方法和技巧，同時了解細胞狀態對后續實驗和數據分析的影響，另外，學生可以親自觀察和理解油包水結構，了解水滴中包裹單個細胞的原理和優勢，培養他們的實驗技能和數據解讀能力。

2.1.2 數據處理和分析

除了實驗操作外，學生還應該學習數據處理和分析的方法和工具。課程改革可以引入相關的生物信息學和數據科學技能培訓，教授學生如何處理和解讀大規模單細胞轉錄組數據。學生可以學習數據清洗、歸一化、降維、聚類和差異表達分析等常用方法，以及使用R、Python 等編程語言進行數據分析的基礎知識。

2.1.3 實驗室資源和設備支持

為了有效實施實踐環節，課程改革需要確保實驗室資源和設備的支持。學校應該提供先進的實驗室設施和設備，以支持學生的實驗操作和數據分析需求。此外，提供指導和技術支持的教師或實驗員工也是必不可少的，他們可以指導學生進行實驗，并提供必要的反饋和幫助。

2.2 深化理論教學，講解單細胞轉錄組測序的原理和方法

在單細胞轉錄組測序課程改革中，深化理論教學是培養學生對單細胞轉錄組測序技術全面理解的關鍵部分。為了幫助學生更好地理解歸一化、降維、UMAP、tSNE等抽象概念和方法，我們可以采用動畫演示的方式，提供更直觀和易于理解的學習體驗[7]。

2.3 開展科研項目，培養學生的創新思維和科研意識

為了培養學生的創新思維和科研意識，單細胞轉錄組測序課程應該引入科研項目，讓學生有機會參與真實的科學研究。

①選題和問題定義：學生可以選擇感興趣的研究問題，結合單細胞轉錄組測序技術，提出具有科學價值的問題。他們可以通過文獻研究和討論，定義研究問題的背景和目標，并明確所需的數據和分析方案。

②實驗設計和數據采集：在科研項目中，學生將有機會自主設計實驗方案，選擇適當的細胞樣本和實驗方法。他們可以學習如何進行細胞解離、單細胞捕獲、RNA 提取和測序文庫構建等關鍵步驟，并自行采集實驗數據。這樣的實踐經驗將幫助學生熟悉實驗操作流程，并加深對單細胞轉錄組測序技術的理解。

③數據分析和解讀：學生將學習如何處理和分析實驗數據，運用統計學和生物信息學方法進行數據解讀，從單細胞轉錄組數據中挖掘有意義的生物學信息，并與研究問題相聯系。這樣的數據分析實踐有利于培養學生的數據處理和解讀能力，以及對科學結果的判斷和推斷能力。

④創新和發現：在科研項目中，學生將被鼓勵思考創新方法和研究思路，以解決研究問題或發現新的科學現象。他們可以借助導師或同行的指導，提出新的假設或探索性實驗，以推動項目的進展和研究成果的創新性。通過這個過程，學生將培養創新思維和科學探索的能力，發現新的研究方向或問題。

通過開展科研項目，單細胞轉錄組測序課程可以給學生提供與真實科研環境接觸和實踐的機會。這將培養學生的科研意識、創新能力和團隊合作精神，為他們未來的科學研究和職業發展奠定堅實的基礎。

2.4 強化團隊合作

在開展科研項目的過程中，強調團隊合作是至關重要的。學生可以被組成小組或團隊，每個團隊負責一個科研項目。這樣的安排可以促進學生之間的交流、合作和共同學習。團隊合作將提供一個相互支持和協作的環境，學生可以互相交流經驗、分享發現，并共同解決實驗和數據分析過程中的問題[8]。

①分工合作與溝通：學生團隊應該合理分工，每個成員負責特定的任務和角色。有的學生負責實驗操作，有的學生可以負責數據分析，而有的學生可以負責文獻研究和項目進展的匯報。通過分工合作，學生可以專注于自己的任務，并在團隊中相互補充和支持。同時，團隊成員之間應保持良好的溝通，定期開會討論項目進展、遇到的困難和解決方案，共同制訂下一步的計劃和目標。

②合作性學習和反饋機制：為了促進學生之間的交流與合作，可以鼓勵合作性學習和反饋機制的實施。學生可以組織討論會、研討會或輪流進行項目進展報告，分享自己的發現和經驗。這種互相學習和反饋的過程可以幫助學生更好地理解和評估自己的工作，同時從他人的經驗中汲取啟發和建議，不斷改進和完善自己的研究。

2.5 應用ChatGPT 等人工智能技術

隨著人工智能的快速發展，ChatGPT 等自然語言處理技術可以在單細胞教學中發揮積極作用。這種技術可以用來設計和開發智能助教系統，為學生提供在線學習資源和個性化支持。ChatGPT 可以用于創建虛擬助教，它可以回答學生的問題、提供補充解釋和指導，以及提供即時的反饋和建議。學生可以通過與ChatGPT 的對話，解決一些常見問題，深入理解課程中的關鍵概念和方法。這種技術可以提供隨時可用的資源，幫助學生彌補自主學習中的知識空缺，并促進個性化學習的實現[9]。

此外，ChatGPT 還可以用于開展實驗室模擬和虛擬實踐。學生可以與ChatGPT 進行對話，模擬實驗操作和數據處理過程。這種虛擬實驗室環境可以幫助學生熟悉實驗步驟和數據分析技術，提前練習操作技能，并在實驗中遇到問題時得到即時的提示和指導。應用ChatGPT 等人工智能技術，可以豐富單細胞教學的形式，為學生提供更多學習資源和個性化支持。這種技術的應用將為學生創造更互動、靈活和自主的學習環境，促進他們的學習效果和興趣的提升。

3 展望

隨著單細胞轉錄組測序數據的不斷積累和豐富，如何有效地處理和分析大規模的單細胞轉錄組數據成為一個重要的挑戰。如何應用人工智能、機器學習和深度學習等技術，開發更高效、準確和智能的數據分析工具和算法，將進一步推動單細胞轉錄組測序課程的發展，使學生能夠更好地應對和利用大規模數據分析的挑戰。單細胞轉錄組測序技術不僅在生物學領域具有重要應用，還涉及計算機科學、統計學、數據科學等多個學科的交叉融合。加強跨學科的融合，引入計算機編程、數據分析、機器學習等相關內容，培養學生的綜合應用能力，將使學生在單細胞轉錄組測序領域具備更廣泛的知識背景和技能，為未來的研究和創新打下堅實的基礎。

新的單細胞捕獲技術、改進的測序方法、新型的數據分析策略等，都有望進一步提升單細胞轉錄組測序的分辨率、準確性和可操作性。此外，單細胞轉錄組測序在疾病診斷、藥物研發、生物工程等領域具有很大的應用前景，探索將這些應用納入課程改革，可培養學生的創新思維和實踐能力。探索在線教育、遠程實驗和虛擬實踐等新的教學模式，以提供更靈活和可訪問的學習環境。此外，還可以思考如何建立和共享更多的教學資源、數據集和實驗樣本，以促進學生的實踐和研究能力的培養。