具有醫(yī)學(xué)特色的生物信息學(xué)研究型教學(xué)模式探究

陳湖星，嚴(yán)海丹，王先龍，郭 政，敖 露

(福建醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，福建福州350122)

作為當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)的重大前沿領(lǐng)域，生物信息學(xué)采用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與挖掘分析，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)[1-2]。目前，國(guó)外對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)人才的需求十分旺盛，國(guó)內(nèi)也有越來越多企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)院需要高素質(zhì)的相關(guān)人才。然而生物信息學(xué)涉及生物學(xué)、數(shù)理、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，具有學(xué)科熱點(diǎn)與技術(shù)發(fā)展更新快等前沿交叉學(xué)科的特征，其人才培養(yǎng)難度較大。因此，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展且具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的生物信息學(xué)人才迫在眉睫。

基于“研究引領(lǐng)教學(xué)”的教育理念，研究型教學(xué)是一種能夠?qū)ⅰ敖虒W(xué)與科學(xué)研究”“人才培養(yǎng)與學(xué)科建設(shè)”有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)高層次、復(fù)合型、多樣化的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的教學(xué)模式[3]。相較于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，研究型教學(xué)能夠讓本科生有機(jī)會(huì)參與科學(xué)研究工作，接觸到學(xué)科前沿，拓展專業(yè)視野[4-5]。福建醫(yī)科大學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)創(chuàng)辦于2013年，旨在培養(yǎng)醫(yī)藥行業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力與發(fā)展?jié)摿?，且?cè)重于“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用”的生物信息學(xué)人才。因此，生物信息學(xué)系結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)與學(xué)科特點(diǎn)，不斷優(yōu)化教學(xué)體系，在專業(yè)教學(xué)與實(shí)踐中對(duì)研究型教學(xué)模式進(jìn)行了探索。筆者根據(jù)5年來該專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐及在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合本校生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，從重構(gòu)教學(xué)體系、強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐、培養(yǎng)專業(yè)師資等方面，探討醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)研究型人才培養(yǎng)的模式，希望對(duì)生物信息學(xué)教學(xué)發(fā)展起到微薄的促進(jìn)作用。

一、構(gòu)建面向轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用的專業(yè)課程體系

自2003年初開始，國(guó)內(nèi)已有27所高校陸續(xù)設(shè)立生物信息學(xué)本科專業(yè)，但由于其前沿交叉性強(qiáng)，專業(yè)課程的教學(xué)工作仍處于探索階段，未能形成完整的課程建設(shè)體系；此外，各院校的人才培養(yǎng)認(rèn)識(shí)也不盡相同，造成彼此課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容差異較大[6-7]。針對(duì)上述情況，我校生物信息學(xué)系結(jié)合自身特點(diǎn)，對(duì)各類課程進(jìn)行整合與優(yōu)化，改革教學(xué)方法，構(gòu)建注重轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用的教學(xué)體系。

(一)優(yōu)化專業(yè)課程設(shè)置

在參考哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等兄弟院校課程設(shè)置的同時(shí)，我校目前主要以當(dāng)前醫(yī)藥行業(yè)對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)人才的需求為導(dǎo)向，力爭(zhēng)使所設(shè)課程具有鮮明的應(yīng)用性特點(diǎn)，課程設(shè)置及學(xué)時(shí)分配進(jìn)行了較大調(diào)整(圖1)。

圖1 生物信息學(xué)專業(yè)課程設(shè)置(單位：學(xué)時(shí))

1.重視實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)，突出學(xué)以致用。在專業(yè)課開設(shè)初期，授課教師普遍反映學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中的動(dòng)手能力不足。2015年，學(xué)系調(diào)整“專業(yè)課程教學(xué)計(jì)劃”，大幅度增加數(shù)據(jù)挖掘原理及應(yīng)用、生物芯片與高通量測(cè)序技術(shù)、生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析等課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，共計(jì)增加218學(xué)時(shí)；調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為630學(xué)時(shí)，占專業(yè)課程總學(xué)時(shí)的57%。同時(shí)，重視本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，將其列入人才培養(yǎng)方案(占6學(xué)分)，并且在畢業(yè)實(shí)習(xí)中增設(shè)醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)咨詢服務(wù)、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析服務(wù)與科研實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，使理論密切聯(lián)系實(shí)際，保證學(xué)生做到學(xué)以致用，培養(yǎng)其解決實(shí)際問題與獨(dú)立工作的能力。

2.適當(dāng)增加醫(yī)學(xué)課程。在重視傳統(tǒng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)課程等專業(yè)課的基礎(chǔ)上，特別設(shè)置了人體解剖學(xué)、組織胚胎學(xué)、病理學(xué)等醫(yī)學(xué)課程，使畢業(yè)生更符合醫(yī)藥、健康行業(yè)的人才需求。

3.開設(shè)研討性課程。部分課程如生物信息學(xué)導(dǎo)論(專業(yè)基礎(chǔ)課)、前沿講座(專業(yè)選修課)、創(chuàng)新課題設(shè)計(jì)與論文選讀(專業(yè)選修課)等嘗試采用研討式教學(xué)。這些開放的研討性課程有助于學(xué)生深入了解學(xué)科前沿與研究方法，強(qiáng)化研究學(xué)習(xí)的能力。

(二)合理取舍教學(xué)內(nèi)容

生物信息學(xué)是高度交叉的學(xué)科，多數(shù)高校仍采用整合二級(jí)學(xué)院師資的方式，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)或生物學(xué)教學(xué)[6]。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上常具有一定的偏向性，如偏向計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)或生物工程類等，導(dǎo)致面向醫(yī)藥行業(yè)的生物信息學(xué)人才培養(yǎng)缺乏針對(duì)性，且作為一門新興學(xué)科，生物信息學(xué)知識(shí)更新速度快，僅僅依靠市面上的教材難以滿足教學(xué)的需要。因此，學(xué)系組織教師參閱多種教材及參考資料，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍，并補(bǔ)充學(xué)科前沿知識(shí)，如二代測(cè)序數(shù)據(jù)處理、單細(xì)胞測(cè)序原理等，目前已成功編寫《生物信息學(xué)方法與軟件》《表觀遺傳組信息學(xué)》《蛋白質(zhì)組與代謝組信息學(xué)》《基因組與轉(zhuǎn)錄組信息學(xué)》《藥物基因組學(xué)》等5門課程自編講義。例如，在《生物信息學(xué)方法與軟件》的“識(shí)別差異基因”章節(jié)中，除了講授t檢驗(yàn)、SAM、Fold Change(FC)等經(jīng)典方法之外，還加入了Pairwise Difference(PD)、Rank-Product、Rank-compare等前沿方法[8-10]，并詳細(xì)介紹上述方法在腫瘤等復(fù)雜疾病研究中的應(yīng)用。

(三)改進(jìn)教學(xué)方法

由于招生規(guī)模較小(每年招收本科生30名)，專業(yè)課程全面實(shí)施小班化教學(xué)。這樣既利于學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)，又利于教師開發(fā)教學(xué)資源、管理課堂、加強(qiáng)師生互動(dòng)。學(xué)系還嘗試將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目與專業(yè)課教學(xué)有機(jī)結(jié)合。目前，生物信息學(xué)專業(yè)大三、大四學(xué)生已全部參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，并成立了學(xué)生課題組；教師在課堂教學(xué)中廣泛采用以學(xué)生課題為研究對(duì)象的問題導(dǎo)向式教學(xué)，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科研思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力、自主獲取知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用能力。如在“醫(yī)用多元統(tǒng)計(jì)分析”實(shí)驗(yàn)課中，任課教師結(jié)合課程內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生活學(xué)活用，以各組的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題內(nèi)容為例進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告；有學(xué)生通過食管癌、胃癌數(shù)據(jù)的聚類分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)庫GEO中廣泛存在隱含的批次效應(yīng)問題，并撰寫了相關(guān)論文；在“創(chuàng)新課題設(shè)計(jì)與論文選讀”課程中，任課教師同樣以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題內(nèi)容選擇前沿論文，通過學(xué)生報(bào)告、小組討論、教師點(diǎn)評(píng)等手段進(jìn)行開放式教學(xué)，有效提高其閱讀分析、批判性思維及口頭表達(dá)等多方面能力，學(xué)生普遍反應(yīng)收獲頗多。

二、有效實(shí)施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)

應(yīng)強(qiáng)化并重視本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，充分利用小班化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，嘗試將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)與課堂教學(xué)融合，在二者之間形成良性互動(dòng)。例如，組織學(xué)生全員參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，形成醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)創(chuàng)新課題小組，學(xué)習(xí)如何利用生物信息學(xué)方法解決臨床問題(發(fā)現(xiàn)未知的疾病致病關(guān)鍵基因、尋找穩(wěn)健的藥效標(biāo)志物、建立健康醫(yī)療數(shù)據(jù)的個(gè)體化分析方法等)；另設(shè)立導(dǎo)師組全程指導(dǎo)其專業(yè)相關(guān)活動(dòng)；開放相應(yīng)教學(xué)、科研平臺(tái)，為學(xué)生日常實(shí)踐提供條件。

(一)設(shè)立導(dǎo)師組

專業(yè)教師根據(jù)研究方向自行組團(tuán)，并可擇優(yōu)選擇3～4名研究生(含1名博士生)作為助手，形成一個(gè)導(dǎo)師小組。在本科生大二階段，經(jīng)師生雙向選擇確立導(dǎo)師組與創(chuàng)新課題小組的指導(dǎo)關(guān)系(每組4～5名學(xué)生)。導(dǎo)師組成員全程指導(dǎo)本科生小組的創(chuàng)新課題申請(qǐng)、實(shí)踐、成果總結(jié)以及課堂綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)分析服務(wù)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等活動(dòng)(圖2)；通過“暑期培訓(xùn)”“文獻(xiàn)匯報(bào)”“進(jìn)展討論”等有針對(duì)性的科研訓(xùn)練，對(duì)本科生進(jìn)行“傳幫帶”，使其了解科學(xué)研究的基本程序，掌握基本研究方法與分析技術(shù)，最終使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐順利進(jìn)行，使課堂教學(xué)的效果拓展延伸。

圖2 “導(dǎo)師組”運(yùn)行模式圖

(二)開放教學(xué)與科研平臺(tái)

建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力最基礎(chǔ)的一項(xiàng)工作，但許多醫(yī)學(xué)院校仍然缺少相應(yīng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的實(shí)踐平臺(tái)[11-12]。我系通過改造，將“生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的3間計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成網(wǎng)絡(luò)化、開放式的自主學(xué)習(xí)研究平臺(tái)(設(shè)立門禁系統(tǒng)、虛擬云桌面系統(tǒng))，并設(shè)有1間大學(xué)生創(chuàng)新研討室。中心除用于日常教學(xué)外，全天向本科生開放，學(xué)生可自由選擇進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐或其他學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)系安排教師、研究生進(jìn)行指導(dǎo)；同時(shí)，鼓勵(lì)本科生參與或旁聽研究生的文獻(xiàn)匯報(bào)及科研進(jìn)展報(bào)告活動(dòng)，培養(yǎng)科研興趣。另外，“醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，為所有課題小組順利開展工作提供保障。

三、重視專業(yè)師資的能力提升

本專業(yè)共有教師22人(生物學(xué)及醫(yī)學(xué)方向10人、數(shù)理方向5人、計(jì)算機(jī)方向7人)，具有醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)背景的專業(yè)教師10人，主要承擔(dān)專業(yè)課程的教學(xué)與實(shí)踐活動(dòng)。專業(yè)教師作為教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)，是成功實(shí)施“研究型教學(xué)”的關(guān)鍵。為了提高教師的學(xué)術(shù)水平，近3年學(xué)系舉辦了多次全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議、生物信息學(xué)暑期培訓(xùn)班及校內(nèi)外學(xué)術(shù)講座。青年教師由資深教授指導(dǎo)，并制定職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，通過階梯式培訓(xùn)確定合適的研究方向，開展課題研究；學(xué)系大力支持青年教師申報(bào)各級(jí)教學(xué)科研項(xiàng)目及各類進(jìn)修，促進(jìn)專業(yè)素質(zhì)的提高。

此外，通過研究型教學(xué)模式的實(shí)施，促進(jìn)教師的角色定位與自我成長(zhǎng)，提高教師的教學(xué)科研水平與課程創(chuàng)新的能力，真正實(shí)現(xiàn)“教學(xué)相長(zhǎng)”[13]。截至2018年12月，專業(yè)教師累計(jì)發(fā)表SCI論文47篇，獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目7項(xiàng)、省廳級(jí)項(xiàng)目9項(xiàng)，科研實(shí)力逐年增強(qiáng)。通過階梯式的培養(yǎng)，先期引進(jìn)的5名青年教師陸續(xù)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金資助，極大提升了學(xué)術(shù)能力、教學(xué)能力及科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)素材的能力。教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極將課題組的研究成果融入課堂教學(xué)，定期更新教學(xué)內(nèi)容，選拔本科生直接參與科研項(xiàng)目等，在教學(xué)與科研二者之間形成良性互動(dòng)。以“生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析”課程為例，該課程是一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課(72學(xué)時(shí))，由5名教師集體承擔(dān)；根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，每位教師將自己的科研課題及相關(guān)分析技術(shù)制作成數(shù)據(jù)分析案例(表1)，在課堂上講解分析、討論與實(shí)踐；在教學(xué)內(nèi)容中嘗試融人科研新發(fā)現(xiàn)、新體會(huì)，有效提升了教學(xué)內(nèi)容的廣度、深度。

表1 生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

四、教學(xué)成果與展望

生物信息學(xué)研究型的教學(xué)模式面向轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用，體現(xiàn)了創(chuàng)新性與實(shí)踐性的生物信息學(xué)人才培養(yǎng)特色，突出了教學(xué)內(nèi)容的前沿性、教學(xué)過程的實(shí)踐性、教學(xué)方式的多樣性及學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。目前，絕大多數(shù)本科生在實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出良好的專業(yè)素質(zhì)與應(yīng)用能力。2016年初以來，本科生創(chuàng)新課題研究小組以第一作者參與發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇，另有部分成果擬申請(qǐng)專利，獲得全國(guó)大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新論壇暨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇優(yōu)秀論文等各類獎(jiǎng)項(xiàng)；為校內(nèi)外教師、醫(yī)生提供生物信息學(xué)科技咨詢服務(wù)(表2)，服務(wù)效果較好。如“直腸癌新輔助放化療響應(yīng)組與非響應(yīng)組差異基因的篩選”項(xiàng)目，通過差異表達(dá)分析得到711個(gè)新輔助放化療耐受基因，并從中進(jìn)一步識(shí)別出一個(gè)由27對(duì)基因組成的療效預(yù)測(cè)標(biāo)志，為附屬協(xié)和醫(yī)院結(jié)直腸外科的醫(yī)生發(fā)表高質(zhì)量科研論文提供了扎實(shí)可靠的生物信息學(xué)分析基礎(chǔ)。

表2 本科生生物信息學(xué)科技咨詢與服務(wù)

此外，畢業(yè)生的個(gè)人發(fā)展情況良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2017屆、2018屆畢業(yè)生共54名，已有41名學(xué)生考取上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、電子科技大學(xué)等“雙一流”名校碩士研究生進(jìn)行專業(yè)深造，占學(xué)生總?cè)藬?shù)的75%；其余13名學(xué)生除1名自主創(chuàng)業(yè)外，已分別在清華大學(xué)交叉信息研究院及相關(guān)科技企業(yè)就業(yè)。

經(jīng)過5年的探索，該教學(xué)模式初具成效，為生物信息學(xué)或類似前沿交叉學(xué)科的人才培養(yǎng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但該模式仍存在一些不足，如可供本科生選擇的課題數(shù)量與研究方向不足，亟需豐富拓展；導(dǎo)師組的運(yùn)行模式單一，尚未與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)教師形成合力；教師進(jìn)行研究型教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)耗費(fèi)更多精力，尚缺乏合理的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行引導(dǎo)與激勵(lì)等。因此，該教學(xué)模式有待進(jìn)一步實(shí)踐與完善，探索更加合理的醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)專業(yè)的發(fā)展。