新醫科背景下生物信息學技術在“分子生物學”教學中的應用

摘要：“分子生物學”作為藥科大學生物技術、生物科學、生物制藥、生物工程等多個專業的專業必修課程之一，致力于提升本科生的學習能力，以更好地適應社會的發展需求。為實現這一目標，在課程中引入了生物信息學技術相關的教學內容。通過采用課前預習、課堂講解、課后設計等三個環節，讓學生在學習過程中能夠主動吸收和接納專業知識，將理論與實踐緊密結合，以提高基礎專業知識教學的效果。本文所述的實踐經驗對其他基礎理論教學課程具有良好的借鑒與參考。

關鍵詞：分子生物學；生物信息學技術；理論與實踐；教學改革

1概述

生物學進入21世紀后將成為引導自然科學向物質運動，從理論到實踐過程中的最高層次突破的帶頭學科。作為現代生命科學最具活力和引領性的學科，分子生物學已深入到生物學各專業分支，它致力于從分子水平闡明生命的現象、本質、活動及其規律的科學［1］。

“分子生物學”作為藥科大學生物技術、生物科學、生物工程等專業必修的專業主干課，它的設立旨在培養和訓練學生，使其具備較強的邏輯思維和科學實踐動手能力、分析和解決問題的能力，并培養學生具有良好的科研素質，為其將來在生命科學及相關學科領域獨立從事基礎研究、實踐研究和產品開發奠定堅實的基礎。

“分子生物學”具有理論與實驗結合緊密、動手操作能力強、實驗技術要求高、實驗經費消耗大等特點［23］，課程內容涵蓋核酸、蛋白質等大分子功能和形態結構特征，以及中心法則之間的信息傳遞等內容，是作為生物工程、海洋藥學等專業學生必須要掌握的技能。然而目前存在教學模式單一、學生興趣不高和缺乏參與性、自主學習能力等問題，無法激發學生科研創新思維。隨著后基因組時代如互聯網的普及和ChatGPT、AI等新技術的應用，能否利用互聯網上豐富的生物信息數據并進行分析，已成為新醫科背景下生物類專業培養的新要求。

為了提高“分子生物學”理論課程的教學質量和人才培養，我們采用以小型科研項目為核心的教學模式，并結合“課前—課中—課后”三維聯動的實踐教學模式。首先，在這一框架下，將生物信息學技術/大數據分析融合至“分子生物學”課程，旨在培養學生大數據思維，使其掌握生物分析技術，從而激發學生數據挖掘思維、生物信息分析思維、整合思維。其次，將數據挖掘和生物信息學技術運用到實踐教學中，以培養學生解決問題和開展科研創新的能力。我們的最終目標是讓學生不僅具備分子生物學實驗技能，還能掌握生物信息學分析和挖掘的技能，從而填補當前目前市場上的人才缺口，為人類健康事業做出更大的貢獻。

2生物信息學技術的應用

生物信息學是基于生物學、數學、統計學、計算機科學背景知識為基礎，建立相應軟件包和公共數據庫的一門學科，目前已經廣泛應用到生命科學各個學科領域中，成為生命科學研究重要工具之一［46］。隨著后基因組時代如人類基因組計劃的完成以及多種模式生物三代測序的完成，相應開發出來的生物信息學在線軟件眾多，涵蓋了蛋白質的一級結構序列、二級結構、三級結構、理化性質、穩定性等進行科學模擬和預測。

3生物信息學技術在“分子生物學”中的應用與拓展

3.1課前預習

分子生物學的主要內容涵蓋緒論、生物信息傳遞、基因表達調控、分子生物學研究方法和分子生物學專題五大模塊。生物信息學技術可用于解析基因組和蛋白質組數據，這包括基因的序列分析、基因表達調控機制的研究，以及蛋白質結構和功能的預測。針對不同的學習板塊，我們可以利用生物信息學進行課前預習，包括基因數據庫檢索、DNAman序列比對、ImageJ7等系統發育樹構建、SWISSMODEL蛋白質的結構與性質預測、常用生物軟件或網站、基因組結構注釋如silkwormdatabase3.0等內容。如在基因表達調控這一章節，可告訴學生利用對應的在線網站（如http：//gepia2.cancerpku.cn/#index）進行課前預習（圖1），包含基因在不同腫瘤的表達情況、主成分分析、基因相關分析等，利用數據庫中的臨床模塊聯系臨床特征數據，多角度地從基因組學層面介紹基因與癌癥的相互作用，加深學習印象，進而提升學習能力。

3.2課堂講解

分子生物學課程主要圍繞核酸的分子生物學內容［7］，分為五大教學內容：第一部分，主要介紹分子生物學的概念、主要研究內容及發展史；第二部分，主要闡述染色體與DNA的結構、生物信息的傳遞過程；第三部分，主要介紹原核生物和真核生物基因表達的調控機制；第四部分，主要介紹分子生物學研究方法的原理和應用；第五部分，分子生物學專題，簡要介紹分子生物學在醫學、發育學、基因組學及其他領域的應用（見下表）。課堂中可通過PPT、動畫、視頻等教學方式梳理重難點。用互聯網思維—課程思政—創新意識—創新精神—創新思維—創新能力將知識點串聯起來，對知識模塊進行重組、廣度和深度進行延伸。將生物信息學技術融入“分子生物學”教學中，例如生物信息學技術在分析基因表達、蛋白質互作和代謝途徑方面提供了強大的工具，學生通過“分子生物學”課程學得的知識，能夠運用生物信息學技術來診斷疾病、預測患者的病程發展，并為治療方案提供更精準的指導。此外，生物信息學技術在藥物研發中扮演著重要角色，通過分析分子相互作用、生物通路等信息，對大數據進行分析，可以加速新藥的發現和設計，學生通過“分子生物學”課程可以學到如何運用生物信息學工具來優化藥物研發過程，提高新藥的成功率。將生物信息學作為一門技術，串聯加入每個教學內容中，深度挖掘提煉專業知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，有助于培養學生在新醫科背景下運用先進技術解決醫學和生物學問題的能力。

3.3課后設計

學生可以根據課堂講解的內容，了解課程中相關的研究過程、結果等，并從中獲得啟發，選擇自己感興趣的內容自主進行獨立實驗設計。這包括課題實施的必要條件、選擇適用的實驗方法和步驟、安排時刻表以及預期結果等內容。每個課題小組由6～8名成員組成，其中包括1名隊長，負責制定本課題小組的目標、組織小組討論以及執行各項考察任務。各小組通過收集查閱資料、自主交流學習，針對教學大綱確定的內容，經過認真研究、分析、評估，找出不同教學內容之間存在的內在聯系，隨后，按照這些內在關聯將教學內容進行有機歸類，并依照類別設計課題。每個類別下設計一個課題，并排定各個課題之間以及課題內各個教學內容的實施順序。在完成各小組項目成果后，學生有機會參與各類專業學科競賽，如全國大學生生命科學競賽、廣東省生物化學技能大賽、“挑戰杯”學生課外學術科技作品競賽、全國大學生藥苑論壇、大學生創新創業訓練項目等，通過這些競賽，學生在實踐中將專業知識積累轉化為專業實踐能力，促使其完成從知識獲取到實踐訓練的過渡。這一過程旨在激發學生的創新思維，提高其實際問題分析和解決的能力，培養他們全面發展的專業素養。

4生物信息學技術在“分子生物學”教學應用中的困境

根據人才培養方案的實施，“分子生物學”理論課學時從以前的72課時被壓縮成54學時。由于課時的限制，關于生物信息學技術相關資料的查詢、檢索、對比、設計和作圖等過程都需要學生課后完成，課中只是給學生進行講解，安排學生動手操作課前預習內容，這就需要學生課后能夠自主學習，對所學的知識舉一反三，融會貫通，將所學知識運用到創新創業類比賽中，提升運用理論知識分析問題的能力。再加上學生在生物信息學技術方面的背景和技能水平可能會有很大的差異，一些學生可能已經具備較強的計算機科學基礎，而其他學生可能需要額外的支持和培訓，這種差異可能導致在教學中難以滿足所有學生的需求。此外，目前教學人數限制了生物信息學技術在“分子生物學”教學中的應用。每個課程的設計都需要指導教師在課題實施前向小組介紹項目的具體實施安排、可能存在的缺陷問題等，另外加上有些項目需要連續幾天時間來完成，因此在教學上需要更加靈活地安排教學時間和教學內容，教學人數不宜超過30人，否則不利于培養學生的科研能力和動手能力。最后，設備和軟件資源也限制了其發展，生物信息學涉及大量的數據處理和分析，通常需要高性能計算資源和專業軟件。學校可能需要投資更多的資金來購買和維護這些設備和軟件，這可能會成為一項經濟負擔。克服這些困境需要學校、教育機構以及相關領域的專業人士共同努力，提供更好的培訓、資源和支持，以促進生物信息學技術在“_{rgBHXslprEQjnXgtA4hxHQ==}分子生物學”教學中的有效應用。

結語

生物信息學技術在基因序列分析、結構域預測、大數據挖掘和蛋白功能預測等方面得到了全面快速的發展［8］，這些技術的發展為深化“分子生物學”教學內容提供了廣闊的空間。生物信息學技術的發展拓展了“分子生物學”教學內容，使課程更加豐富和前沿，學生有機會學習并應用最新的技術來理解生物學領域的復雜性。隨著后基因組時代互聯網、ChatGPT、AI等工具的發展，使得生物信息學技術更加普及，這給“分子生物學”教學提供了更多的工具和資源。生物信息學技術的引入不僅僅吸引了生命科學專業的學生，還能夠吸引計算機、數學等非生命科學專業的學生，豐富了學科之間的交叉合作。引入生物信息學技術可以調動學生的自主學習積極性，學生有機會通過實踐應用這些技術，提高他們在獨立學習和研究方面的能力，使他們更好地適應未來科研和實踐的要求。總體而言，將生物信息學技術融入“分子生物學”教學中不僅符合科學發展的趨勢，也為學生提供了更豐富、更有趣的HGKUIwfWj3ybBO29xoqkqFMICQyJtzhfCP5NqNQ0Fjg=學習體驗，同時有助于他們更好地應對未來醫學和科學領域的挑戰。

參考文獻：

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［8］楊靜.生物信息學在分子生物學實驗教學中的應用與實踐［J］.高校生物學教學研究（電子版），2018，8（06）：1316.

基金項目：基于生物信息技術環境下《分子生物學》教學改革探討——廣東藥科大學2023年度本科高等教育教學改革項目;基于創新能力培養的《分子生物學》課程教學改革與實踐——廣東藥科大學2021年度本科教學質量與教學改革工程項目

作者簡介：吳文梅（1991—），男，漢族，安徽安慶人，博士，廣東藥科大學生命科學與生物制藥學院講師，從事生物化學與分子生物學研究。