“大數(shù)據(jù)”時代生物信息學(xué)教學(xué)探索與改革

王鵬 郭秋艷

摘要：隨著人類基因組學(xué)“大數(shù)據(jù)”時代的到來以及“精準(zhǔn)醫(yī)療”戰(zhàn)略計劃的開啟，生物信息學(xué)在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐中的重要性日趨明顯。生物信息學(xué)作為當(dāng)前高新熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，與現(xiàn)代生物醫(yī)藥發(fā)展存在密切聯(lián)系，對科研成果向經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化具有重大的推動意義。本文探討了“大數(shù)據(jù)”背景下醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)教學(xué)中存在的一些問題，并提出了相應(yīng)解決辦法，以期提高生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，更好的實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)優(yōu)秀生物信息學(xué)人才的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) 大數(shù)據(jù) 教學(xué)改革 學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號： G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是一門多元化新興交叉學(xué)科，涵蓋了基因組學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)分析、模式識別、生物統(tǒng)計學(xué)等多學(xué)科知識[1]。研究內(nèi)容涉及了基因組信息的獲取、整理、存儲、比對分析、功能分析、靶點(diǎn)篩選等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域各個方面。1956年，首屆“生物學(xué)中的信息理論研討會”在美國田納西州蓋特林堡召開，生物信息學(xué)這一概念被專家提出。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及人類基因組計劃的實(shí)施，生物信息學(xué)理論被逐步完善。在當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，生物信息學(xué)這門獨(dú)特學(xué)科的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，在醫(yī)學(xué)研究中起著不可替代的作用。

2015年，美國政府提出了“精準(zhǔn)醫(yī)療”戰(zhàn)略計劃。精準(zhǔn)醫(yī)療是將現(xiàn)代遺傳技術(shù)、生物信息學(xué)技術(shù)、分子影像技術(shù)等與患者臨床信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)疾病分類與診斷，制定個性化的預(yù)防及治療方案。我國也在“精準(zhǔn)醫(yī)療”戰(zhàn)略方案上不斷跟進(jìn)，并取得了一系列成果。近年來，隨著基因組學(xué)研究的不斷深入以及高通量測序技術(shù)的飛速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域迎來了一個嶄新的“大數(shù)據(jù)”時代。各大平臺產(chǎn)生的多組學(xué)海量生物數(shù)據(jù)的存儲、分析、發(fā)布等問題亟待生物信息學(xué)來解決。因此，有學(xué)者提出了“生物信息學(xué)云服務(wù)”概念，簡稱生物信息云[2]。生物信息云理論提出了海量生物數(shù)據(jù)的儲存、獲取、分析等相關(guān)需求的服務(wù)，是“精準(zhǔn)醫(yī)療”計劃開展和實(shí)施的重要手段。因此，扎實(shí)掌握生物信息學(xué)基礎(chǔ)知識，熟練運(yùn)用生物信息學(xué)軟件、方法處理生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)對于生物信息學(xué)生來說至關(guān)重要。

1“大數(shù)據(jù)”背景下生物信息學(xué)教學(xué)中的問題

筆者在對醫(yī)學(xué)院校本科生進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了如下總結(jié)：

1.1教學(xué)進(jìn)程安排不合理

生物信息學(xué)專業(yè)課程開設(shè)時間較晚。以本學(xué)校為例，生物信息相關(guān)的專業(yè)課程（例如：模式識別、生物數(shù)據(jù)可視化等）一般都開設(shè)在最后一個學(xué)年。這一時期正是學(xué)生們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的開題階段，也是一些同學(xué)著手準(zhǔn)備考取研究生的階段。由于生物信息學(xué)專業(yè)知識的缺乏，許多學(xué)生并不知道自己需要哪種知識儲備，甚至還不清楚自己課題的研究方向。面對就業(yè)和考研的雙重壓力，許多學(xué)生在本學(xué)期的課程上提不起興趣，而把大量精力放在了如何做課題以及復(fù)習(xí)考研上。而在課程設(shè)置上，這一學(xué)期往往是生物信息學(xué)本科階段中相對重要的時期，多門生物信息學(xué)專業(yè)課程在此學(xué)期展開。這就會導(dǎo)致在課堂上老師拼命講，學(xué)生無心聽的現(xiàn)象產(chǎn)生。而缺少對生物信息學(xué)專業(yè)知識的掌握，也會導(dǎo)致學(xué)生們在畢業(yè)設(shè)計過程中心有余而力不足，直接影響課題進(jìn)展。

1.2教材建設(shè)不完善

教學(xué)中缺乏適合生物信息學(xué)專業(yè)的理論和實(shí)驗(yàn)教材。近年來，隨著生物信息學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的專業(yè)書籍也不斷涌現(xiàn)，其中外文翻譯教材占大多數(shù)。由于外文教材需要經(jīng)歷從國外引進(jìn)、翻譯、重新排版等過程，使得這類教材出版周期長，從而導(dǎo)致教材的出版速度趕不上日益更新的生物信息學(xué)新技術(shù)、新方法。再者，這些教材的編寫與設(shè)計主要是針對國外生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生。由于教育方式、文化、以及背景知識等差異，國內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)目的性更強(qiáng)，對教材的需求及認(rèn)知與國外相比有著顯著不同，這也使得很多外文翻譯教材對于國內(nèi)學(xué)生并不適用。當(dāng)前生物信息學(xué)領(lǐng)域教材覆蓋范圍廣、涉及知識內(nèi)容豐富。這是新興學(xué)科的教材優(yōu)勢，但也暴露出了一些不足之處。許多教材一味追求知識面廣，在一些生物信息學(xué)專業(yè)知識點(diǎn)上只是一筆帶過，并沒有教學(xué)內(nèi)容的深化。此外，一些教材并沒有突出知識特色，不同教材中有內(nèi)容重復(fù)章節(jié)，這樣會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，降低學(xué)習(xí)興趣。

2“大數(shù)據(jù)”背景下生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量提高

生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)難度大，對專業(yè)知識要求較高，教學(xué)任務(wù)艱巨。要保證良好的生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量，順應(yīng)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展的潮流，培養(yǎng)優(yōu)秀的生物信息學(xué)專門人才，筆者認(rèn)為需要從以下幾個方面改進(jìn)：

2.1合理安排教學(xué)進(jìn)程

在生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的前兩個學(xué)年，課程設(shè)置主要以基礎(chǔ)課程為主。以本校為例，生物信息專業(yè)學(xué)生在大一、大二學(xué)年主要學(xué)習(xí)一些醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程并輔助開展計算機(jī)基礎(chǔ)課程，例如生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生理學(xué)、C語言簡介等，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程的同時對專業(yè)方向有一個簡要的了解。在大三學(xué)年可以增設(shè)一些生物信息學(xué)專業(yè)課程，例如：模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、生物數(shù)據(jù)可視化等。在這個學(xué)習(xí)階段，學(xué)生沒還沒有進(jìn)入到畢業(yè)設(shè)計階段，研究課題方向還沒有確定，通過專業(yè)課程的學(xué)習(xí)不但可以幫助學(xué)生掌握生物信息學(xué)必備技能，還可以幫助學(xué)生明確今后課題研究方向。此外，這一階段學(xué)生們剛剛掌握醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識，正是對專業(yè)知識渴求的良好時機(jī)，學(xué)習(xí)興趣濃厚。此時開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)課程可以取得較好的教學(xué)效果。生物信息學(xué)是一門飛速發(fā)展的學(xué)科，相關(guān)知識及數(shù)據(jù)資源在不斷更新。因此，在畢業(yè)設(shè)計階段，可以開設(shè)生物信息學(xué)進(jìn)展課程，聘請著名專家學(xué)者為同學(xué)們講授當(dāng)前生物信息學(xué)領(lǐng)域最新進(jìn)展，使同學(xué)們始終把握生物信息學(xué)前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

2.2建立完善的教材體系

參考國內(nèi)外生物信息學(xué)教材，對眾多優(yōu)秀的教材進(jìn)行歸納總結(jié)，吸取其優(yōu)點(diǎn)，對重復(fù)內(nèi)容進(jìn)行整理，結(jié)合本校學(xué)生知識背景及培養(yǎng)方向編寫生物信息學(xué)特色教材。同時將生物信息學(xué)領(lǐng)域新方法、新資源、新思路及時編入教材，替換老舊內(nèi)容。例如一些教材中列舉了常用的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)庫已經(jīng)更新到新的版本，相關(guān)訪問網(wǎng)址、查詢方式等也隨之發(fā)生變化，而這些內(nèi)容在一些教材上并沒有得到更新。伴隨著高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，一些測序平臺產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)也再不斷被發(fā)布，想要做到根據(jù)生物信息前沿進(jìn)展隨時修改教材是一件不可能的事。因此，生物信息學(xué)教學(xué)也不應(yīng)僅限于教材，對于知識進(jìn)展、前沿動態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)布等領(lǐng)域內(nèi)最新成果，教師應(yīng)當(dāng)自己制作相關(guān)課件，緊跟時代的步伐。這樣才能及時將最新、最全、最正確的知識傳授給學(xué)生。

3結(jié)語

隨著基因組學(xué)研究的不斷深入以及高通量測序技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域迎來了一個嶄新的“大數(shù)據(jù)”時代。各大平臺檢測產(chǎn)生多組學(xué)海量生物數(shù)據(jù)的存儲、分析、發(fā)布等問題亟待生物信息學(xué)來解決。生物信息學(xué)作為當(dāng)前高新熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，與現(xiàn)代生物醫(yī)藥發(fā)展存在密切聯(lián)系，對科研成果向經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化具有重大的推動意義，生物信息學(xué)人才培養(yǎng)以及教學(xué)方案也在不斷探索中前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] Hogeweg P. The roots of bioinformatics in theoretical bioloby. PLoS Comput Biol. 2011；7（3）：e1002021

[2] Lin D， Xin G， Yan G， et al. Bioinformatics clouds for big data manipulation[J]. Biology Direct， 2012， 7（1）：1-7.