“生物信息學”在生物醫學專業的教學實踐與思考

［摘 要］ 生物信息學被廣泛應用于疾病遺傳學、病理學、流行病學和藥物個體化治療等領域。在昆明理工大學醫學院，“生物信息學”是生物醫學相關專業的一門必修課程，面向基礎、臨床、轉化醫學研究院的研究生開設。總結了近年來該課程的教學內容、教學模式、面臨問題和解決方案，以期為研究生教學實踐的進一步優化提供參考，同時也有助于醫學院校在高年級本科生中開設“生物信息學”課程，滿足新醫科背景下醫工結合復合型人才的培養需求。

［關鍵詞］ 醫學院校；生物信息學；研究生；本科生

［基金項目］ 2018年度云南省“萬人計劃”青年拔尖人才專項資助（YNWR-QNBJ-2018-056）

［作者簡介］ 付 玉（1979—），女，云南昆明人，博士，昆明理工大學基礎醫學院副教授（通信作者），主要從事衰老生物學研究；孔祥陽（1964—），男，美國洛杉磯人，博士，昆明理工大學基礎醫學院教授，主要從事疾病與藥物遺傳學研究。

［中圖分類號］ G643.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0101-04 ［收稿日期］ 2023-10-07

引言

生物學研究即對觀察和實驗中得出的數據進行歸納、分析和解釋。20世紀90年代以來，生物學研究領域的一個主要變化，就是產生高通量實驗數據的分子生物技術的廣泛應用，因而對各類大規模數據進行有效地處理和分析，已成為生物學研究的一個極具挑戰和發展最為迅速的領域。生物信息學的研究范疇是以基因DNA序列的信息分析作為出發點，分析基因組結構、表達水平、基因調控信息，并在此基礎上研究基因的功能。當前，生物信息學已在理論生物學領域占據核心地位。

在生物醫學研究領域，生物信息學在疾病遺傳、病理、流行病學、藥物個體化治療等眾多領域被廣泛應用。生物信息方面的知識和基本技能，也是研究人員在實驗設計、數據分析及結果的臨床解釋等方面應具備的。在昆明理工大學醫學院，“生物信息學”為生物醫學相關專業的高級課程，針對研究生開設。科研水平是衡量醫學研究生教育質量、人才創新能力、核心競爭力的重要指標［1］。本文對近年來該課程的教學內容、教學模式、面臨的問題和解決方案等進行總結，以期為開設或進一步優化該課程的研究生教學實踐提供參考，同時也為醫學院校在高年級本科生中開設“生物信息學”課程提供幫助。

一、“生物信息學”在研究生的教學實踐

我校當前開設的“生物信息學”課程面向基礎、臨床、轉化醫學研究院的細胞生物學、遺傳學、神經生物學、發育生物學、婦產科學、外科學、臨床檢驗診斷學、內科學等專業的研究生。

（一）理論和實踐教學內容

理論教學內容主要包括：生物信息數據種類，來源和分析方法，生物信息軟件工具的原理和使用，公共數據資源，獲取、處理、存儲、分配和解釋基因組信息與生物信息，以及其在人類疾病研究中的應用等。具體教學內容為：（1）生物信息學概覽與發展趨勢、生物序列資源；（2）序列比對；（3）序列特征分析；（4）分子水平的系統發育和進化；（5）基因表達數據分析；（6）基因注釋與功能分類；（7）生物分子網絡與通路；（8）新一代測序技術、單細胞測序技術與復雜疾病；（9）結構生物信息學；（10）生物信息前沿講座。理論教學內容主要參考：李霞等主編的《生物信息學》；陳銘主編的《生物信息學》；美國喬納森·佩夫斯納編著、田衛東等主譯的《生物信息學與功能基因組學》。理論教學內容設置了36個學時。

實踐教學內容在課程的理論講授中穿插進行，當前并未設置獨立的實踐學時，具體的上機內容由學生以單獨或小組形式在課后完成。實踐內容主要包括四個經典的生物信息學實驗：（1）熟悉三大核酸數據庫等的使用，包括GenBank、ENA、DDBJ等在線數據庫；（2）使用Mega進行序列比對和構建進化樹；（3）基因注釋與功能富集，涉及GEO、GEO2R、KEGG、GO、DAVID等在線數據庫或軟件工具的使用，部分學生涉及R語言的使用；（4）使用Cytoscape構建生物分子網絡。實踐內容主要參考：李霞等主編的《生物信息學學習指導及習題集》；陳銘等主編的《生物信息學實驗》。

（二）教學模式

線下教育模式主要應用于理論教學，除使用傳統多媒體教學外，還采用雨課堂教學平臺開展。理論教學以學生為主體，充分調動學生的積極性，提高學生的興趣，尤其體現學生的參與感。主要體現在：采用雨課堂實時分享教學課件；隨機課堂點名回答問題；設置單選題、多選題、填空題、主觀題等在課間或課后進行隨機測試；討論式教學，在教學過程中，學生隨時提問，并與教師進行討論；根據雨課堂反饋對教學難點進行重復講授；進行學情分析，及時調整課堂授課節奏。

線上教育模式主要應用于實踐教學，采用學習通平臺實施。“生物信息學”是一門理論與實踐相結合的課程，研究生只有通過具體的上機實踐，才能夠較好地理解課程教學內容所蘊含的知識點。教學模式主要包括：在理論課結束后通過學習通推送實踐內容；共享實踐內容相關的教輔資料；學生可以小組形式或單獨完成實踐操作內容；學生和教師單獨或以小組形式在學習通平臺上進行討論交流；學生通過學習通提交實踐報告，教師批閱后進行反饋，學生根據反饋意見進行修改，完成后再次提交；對不同層次實踐報告進行展示和總結。

二、“生物信息學”在研究生的教學思考

近年來，隨著高通量測序技術和生物信息學研究的發展，以往的科研模式已發生轉變［2-3］，當前的生物醫學科研模式已經和生物信息學數據資源檢索、生物信息軟件工具應用等緊密融合。為了適應這種轉變，我們從教學內容、教學模式方面對研究生培養模式進行了探索。

（一）教學內容和教學模式上的探索

教學內容注重更新，力求與國內外生物信息學領域發展速度相吻合。以生物信息學數據庫為例，Nucleic Acids Research每年都會發布和更新很多在線數據庫，因此，教學章節中生物序列資源的內容點需要逐年進行調整。此外，大范圍教學章節的設置也需要與時俱進，并結合國內外研究熱點、本校研究需求點進行調整。例如，單細胞測序技術是目前生物醫學研究的應用熱點，我們在教學設計中也增加了相應的技術原理、數據分析、應用領域等內容講授。而我校位于西南邊陲的云南，有著豐富的中醫藥和少數民族醫藥資源，結構生物信息學在藥物靶點尋找和預測中具有重要的應用，因此，理論教學也涵蓋了此部分內容。

教學模式充分應用了問題導向式（Problem-based learning， PBL）和參與式（Participatory Action Research， PAR）的教學方法。PBL模式以問題為導向，引導學生自主學習、小組成員協作學習以解決問題［4］。PAR模式的優勢在于充分發揮參與者的主觀能動性，尤其重視學生的學習過程［5］。一方面，我們在課程的開始章節增加了生物信息學發展趨勢的教學內容，并以Bioinformatics等著名期刊為出發點，引導學生關注近年文獻，從中挑選1～2篇，開展自主閱讀、小組形式反復閱讀和討論交流等，最終明確研究內容，并在課程的最后章節即生物信息前沿講座中進行匯報交流。另一方面，部分研究生基礎知識較為扎實，具有較好的統計學、數學、計算機科學等教育背景。我們也將這些學生組成小組，在教學實踐設計中設置了文獻復現環節，從生物信息學期刊中挑選出與課程教學內容緊密相關的3～5篇文獻，學生在看得見的基礎上，利用團隊合作的力量，進行文獻復現。這兩方面的內容，不僅增加了研究生對國內外生物信息學研究前沿的了解，而且充分考慮了研究生的專業背景和研究需求，實現了對生物信息數據與軟件工具的熟悉和應用等。

（二）教學面臨的問題和解決方案

當前，生物信息學發展迅速，為保證研究生教育能夠跟上生物信息學發展的步伐，在具體的教學實踐中還存在諸多不容忽視的問題，我們也在教學內容和教學模式上進行了思考。

首先，教學內容的更新要更及時，與此對應的是師資力量的補充也要加強。以醫學研究生教育為例，生物信息學教育已應用到各個更細的分支，比如醫學檢驗、骨科、腫瘤學、醫學微生物等學科。然而，如何構建相應的具有生物信息學特色的研究生教育體系，以及探索不同學科專業特色的教學新模式，仍然是課程設計面臨的重要問題。此外，“生物信息學”課程的師資隊伍流動性較大，自開課以來，參與講授的教師有8位，其中4位教師因工作調動等原因相繼退出該課程的教學工作，這與生物信息學專業本身就具有較強的就業發展趨勢是高度相關的。因此，如何穩定現有師資隊伍，并補充新的師資力量，以滿足學科專業特色的教學培養需求，也是需要關注的問題。

其次，生物信息學的發展得源于計算機科學的發展，因此往往需要研究者具備一定的計算機知識和軟件應用能力。如Pevsner教授在其編著的《生物信息學與功能基因組學》教材中也指出，在大數據時代，以生物醫學科學為知識核心的人與那些以計算機科學為重點的人之間存在著很大的分歧。因此，對于生物醫學相關背景的學生而言，教師的教育理念和模式也需要調整，如避免過多講授底層算法，而是強調將生物信息學作為一種工具或手段，核心是利用其幫助學生理解生物醫學研究的問題。另外，很多測序公司提供數據分析的云平臺服務，而一些專門的互聯網生信平臺也有助于在線圖表制作。因此，課程可以較好地融合這些互聯網云平臺技術、各類生信工具等，以開展相應的教學實踐研究。

三、“生物信息學”在醫學本科的探索

在醫學本科教育上，我校當前的培養方案主要按照臨床醫學本科認證標準的要求設置課程，并未開設“生物信息學”。事實上，國內外生物信息學本科教育均處于起始階段。邢永強等［6］分析了我國生物信息學專業所屬院校的類型，結果發現除占比最高的綜合類院校外，其次為醫藥類院校和理工類院校。昆明理工大學成立于1954年，是一所以工科為主、理工結合的綜合性大學，而昆明理工大學醫學院成立于2011年，在新醫科背景下培養醫工結合的復合型人才是辦學的必然結果，而將新發展理念融入醫工融合教學模式，是提升人才培養價值的重要條件［7］。

醫學本科生培養與研究生培養有著極大的不同，研究生有明確的研究課題和方向，而本科生處于專業導向培養的初步階段，其知識架構正在建立，在學習過程中，往往會缺乏積極性和主動性。“生物信息學”是一門實踐性課程，其對學生的探索與自學能力具有一定的要求，這也是該課程在本科教學實施中的主要難點。盡管如此，在醫學院校本科生部分專業的課程教學中，已經融入了生物信息學教育的元素，如代謝組學、生物化學與分子生物學、生物技術等。此外，在教學模式探索過程中，也取得了一定成效。例如，教師可以通過數據庫挖掘、軟件對比分析和模擬數據等加強科研實踐來提高教學質量［8］；以及加強本科生的科研創新活動、增加實踐與討論環節，教師時刻更新課程在生物醫學領域的最新進展，豐富自身的知識體系，進一步提高課程的教學質量等［9］。醫學本科生“生物信息學”課程的教育可以通過優化課程設置、改革教學方法以及強化實踐創新能力、積極培養專業師資等方案，從而構建具有醫學特色的生物信息學研究型教學模式［10］。

四、展望

2015年，科技部組織召開國家首次精準醫學戰略專家會議，敲定在2030年前中國精準醫療將投入600億元。2015年，北京基因組研究所數據中心（BIGD）成立，并于2019年更改為國家基因組科學數據中心（NGDC）。這些里程碑事件標志我國生物信息學研究已然進入了蓬勃發展的黃金時期，生物信息學已經在現代生物醫學研究中得到了廣泛的應用。生物信息學的重要性不言而喻。建立科學合理、具有醫學特色的生物信息學課程體系，對培養生物信息學知識結構和實際應用能力的醫學人才具有重要意義［11-12］。在生物醫學相關專業的研究生培養教育中，需要加強教學內容的更新、師資力量的補充，以及探索不同醫學學科專業特色的教學新模式，強調利用生物信息學工具幫助學生理解生物醫學研究的問題，在教學設計中增加互聯網相關技術、云平臺技術的融合，以及開展相應的教學實踐研究等。醫學本科生“生物信息學”課程的教育，需要加強具有學科專業特色培養體系的構建，加大師資投入，增強對學生主動性、探索性和創新能力的培養，在專業課程中多方位融入現代化生物信息學元素，在教學模式中，需要更注重實踐教學等。最終，使生物信息學融入現代醫學人才的教育培養體系，以滿足新醫學背景下對醫工結合復合型人才的培養需求［12］。

參考文獻

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