大數據互聯(lián)網背景下醫(yī)學生物信息學教學探討與實踐

何群 梁彬 鐘連生

摘 要：大數據背景下醫(yī)學院校生物信息學教學方法探討：針對不同專業(yè)學生培養(yǎng)需求設置不同教學大綱；在全部教學過程中老師學生全部上機上網，在教學過程中結合科研領域應用的需求實行科教融合一體化教學；設計合理的考核機制，實行理論知識和應用能力雙考察；為醫(yī)學院校生物信息學教學提供一種教學模式。

關鍵詞：生物信息學；教學模式；教學實踐

隨著基因組、蛋白組計劃完成，數以千計的生物學數據庫陸續(xù)建立，對海量的生物大分子數據進行分析、收集、整理、解析和服務，從中發(fā)現隱藏在序列信息中的生物學規(guī)律是亟待解決的問題。生物信息學（Bioinformatics）是綜合利用生物學、數學、物理學、信息科學以及計算機科學等諸多學科理論方法的嶄新交叉學科[1]。隨著大數據時代來臨和精準醫(yī)學概念的確立，生物信息學的重要性將越來越突出，已經成為當今生命科學和自然科學的核心領域和最具有活力的前沿領域之一，生物信息學分析正逐步成為生命科學研究者的有利工具。生物信息學教育逐步受到重視，由于生物信息學是一門新興的交叉學科，各高校內的相關專業(yè)側重點不同，無論在課程設置和人才培養(yǎng)方面尚未形成統(tǒng)一認識和固定教學模式[2，3，4]。中國醫(yī)科大學在2002年在全國醫(yī)學院校率先開設生物信息學課程，在如何利用大數據和互聯(lián)網對醫(yī)學專業(yè)及生物學、藥學專業(yè)學生進行生物信息學教學做了一些探討和實踐[5]。

一、針對不同專業(yè)制定特色教學大綱

目前生物信息學教學內容主要包括：生物信息學網站介紹、生物大分子數據庫檢索、生物信息學軟件應用等方面。中國醫(yī)科大學生物信息學教學對象分別為：碩博研究生，信息專業(yè)、生物專業(yè)、藥學專業(yè)本科生。由于各個專業(yè)、級別的學生的課程基礎不同，培養(yǎng)方向不同，課程設計的教學重點也不同。對于信息專業(yè)的學生，課程要注重數據庫的分類、檢索、應用，注重網上生物信息學資源的獲取和利用；針對生物、藥學專業(yè)本科生，課程注重網上數據庫檢索，核酸蛋白分析預測；對于研究生，生物信息學除上面基礎部分外，更注重實驗結果分析、科研設計應用方面，如PCR引物以及siRNA設計、轉錄因子結合位點預測、蛋白質功能預測分析、蛋白質相互作用及其信號傳導通路分析等。

二、科教融合、學習實踐結合，進行合理的教學組織

現有生物信息學網站以英文網站為主，生物信息學專業(yè)網站眾多，每個網站兼有數據庫及其軟件，所含信息量極大，如何讓學生了解網站內容，熟悉軟件應用，學會生物信息學分析方法是每個生物信息學講授者需要面臨的難題。老師單純講授的教學方法存在以下不足：1.數據庫檢索方面：學生雖然能掌握數據庫檢索方法，但不明確檢索目的以及數據庫中的各種注釋對生物信息學序列分析有何幫助；2.生物信息網站方面：通過學習，學生雖然了解生物信息學網站，卻不知如何主動應用這些資源；3.生物信息學軟件應用方面：學生雖然了解如何軟件應用操作，但缺乏綜合應用的技能；針對上述情況，我們在生物信息學教學中引入科教融合的教學模式，提高本科生對生物信息學大數據的總體認識和應用能力。我們教學進行如下安排：1.利用大數據資源，上課時學生人手一機，教學中老師學生全部上機上網實行理論實際一體化教學，講授生物信息實用內容（登錄網站、數據庫、軟件）時，教師講授和學生操作同步進行。結合生物信息學實際應用范例，給學生布置作業(yè)，學生當堂完成，有問題當堂解決，做到講、練、做三者結合。2.在講授中，力爭做到講課內容與目前生命科學研究關注的熱點結合，引入案例教學，理論與實際相結合，提高學生學習興趣。如：進行數據庫檢索時候，我們讓學生在網上數據庫檢索流感病毒、埃博拉病毒、SARS病毒；進行多序列比對時候，我們讓學生比對上述病毒核酸、蛋白序列之間的差異；蛋白核酸分析時候，我們讓學生在數據庫中檢索一個基因已知的突變位點，利用生物信息學軟件比對一個基因序列如果發(fā)生突變，其編碼蛋白會發(fā)生如何變化。這種實際分析提高了學生綜合應用的能力。3.注重啟發(fā)式、討論式教學，注重提高學生創(chuàng)新能力。對大學階段學習來說，學習不僅僅是記憶、了解一個專業(yè)的基礎知識，更重要的是探索、發(fā)現和創(chuàng)新，科學研究關鍵是在前進路上進行多方面可能性探索而不是記憶標準答案。由于醫(yī)學科學的嚴謹性，醫(yī)學院學生容易形成記憶標準答案的思維方式。與醫(yī)學院校其它需要記憶理解的課程不同，生物信息學注重在已知的序列結構中尋找未知的規(guī)律，這正是提高學生發(fā)現問題、分析問題、解決問題能力的合適時機。因此，我們在教學中注重培養(yǎng)學生探索發(fā)現規(guī)律的創(chuàng)新性思維，注重培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力。例如，如果一個蛋白質失去功能，從生物信息學分析，有幾種可能，應該從哪些方面進行分析。學生學的有興趣，有成就感，也提高了學生對生物信息學的整體認識。

三、構建多元化考評機制

同醫(yī)學院校其它課程相比，生物信息學是一門發(fā)展較快的學科，網上的生物信息學數據庫和軟件更新頻繁，在這種情況下，對學生學習效果的考察不僅僅需要考察對理論知識的記憶理解，更重要的是考察實際綜合應用能力。針對生物信息學依賴互聯(lián)網、計算機的特點，我們建立了多元考試機制，70%考試成績+30%實習操作。在70%考試中，我們有60%的實際操作、輸出結果分析以及生物信息學分析過程設計方面的問題，注重學生對課程的實際理解和應用。在30%實習操作中，我們將數據庫檢索、序列對比、核酸蛋白分析及其結構預測、分子系統(tǒng)發(fā)育分析整合成三個大實驗，學生不僅僅進行數據庫檢索，還要利用所學的生物信息學知識對檢索的生物大分子序列進行全面分析。在實際操作過程中具體做到每個學生一個基因或者蛋白序列。實驗課前，老師通過email將實驗內容發(fā)給學生，實驗課時，學生上網上機對所給的序列進行檢索分析，最后在word文檔中寫出實驗報告。這種網絡教學也有利于師生之間交流，很多學生喜歡跟老師探討未知問題，在畢業(yè)實習中遇到生物信息學問題也跟老師進行探討，做到教學相長。

現代基因組學和后基因組學資源已經成為人類共同財富，如何獲取和利用這些資源已經成為科研工作者亟待解決的問題。生物信息學使得生命科學從傳統(tǒng)的“從實踐到理論總結的科研路線”革新為“從理論分析到實踐驗證”的新模式。生物信息學已經成為生命科學工作者不可缺少的研發(fā)工具。生物信息學教學模式也將隨著生物信息學的發(fā)展，不斷進步和完善。（通訊作者：何 群）

參考文獻：

[1]許忠能.生物信息學[M].北京，清華大學出版社，2008.

[2]柴惠，趙虹，張婷.高等院校生物信息學雙語教學課程建設之我見[J].中國高等醫(yī)學教育教育，2010（4）：83-84.

[3]張林，柴惠黃，燕芬，等.新型教學體系在生物信息學中的探索與實踐[J].中國高等醫(yī)學教育教育.2010（7）：57-59

[4]尋萌，陳艷炯，楊娥，邵明明，李薇，宋娟，楚雍烈.《生物信息學》教學實踐探討.西北醫(yī)學教育，2011，19（6）：1120-1123.

[5]趙雨杰.醫(yī)學生物信息學[M].北京，人民軍醫(yī)出版社，2002.