大數(shù)據(jù)背景下單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程改革思考

林長松，邵嬌芳，汪強(qiáng)虎

（南京醫(yī)科大學(xué) 江蘇 南京 211166）

在生物學(xué)研究領(lǐng)域，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序作為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，正引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組測序方法通常是從大量的細(xì)胞樣本中提取RNA，這掩蓋了不同細(xì)胞之間的異質(zhì)性[1]。然而，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)可以突破這個(gè)限制，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)細(xì)胞基因表達(dá)的高分辨率測量[2]。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)為生物學(xué)研究帶來了巨大的機(jī)遇，揭示了細(xì)胞類型和亞型的多樣性、細(xì)胞發(fā)育軌跡的重建、細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的識別等方面的研究問題。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的應(yīng)用前景也非常廣泛。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序可以幫助我們深入了解疾病的發(fā)生機(jī)制、發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物以及指導(dǎo)個(gè)性化治[3]。

1 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程存在的主要問題

在傳統(tǒng)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程教學(xué)中，筆者面臨著一個(gè)顯著的問題，即學(xué)生對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的感知能力不夠強(qiáng)。盡管這項(xiàng)技術(shù)具有巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，但學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中可能缺乏對該領(lǐng)域的深入理解和實(shí)際意義的認(rèn)識[4]。

首先，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序是一門復(fù)雜的技術(shù)，涉及許多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式往往無法充分展示和解釋這些復(fù)雜性。學(xué)生可能僅僅停留在表面知識的掌握，而無法真正理解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的核心概念和實(shí)際應(yīng)用。這導(dǎo)致了學(xué)生對該技術(shù)的感知能力不夠強(qiáng)，無法準(zhǔn)確把握其在生物學(xué)研究中的重要性和潛在的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

其次，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序領(lǐng)域發(fā)展迅猛，新的技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)[5]。然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式往往滯后于最新的研究進(jìn)展，無法及時(shí)將前沿的知識傳達(dá)給學(xué)生。這使得學(xué)生對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的感知局限于已有的知識框架，無法跟上領(lǐng)域的快速發(fā)展和創(chuàng)新。

因此，為了提高學(xué)生對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的感知能力，筆者需要對課程進(jìn)行改革。本文將探討在大數(shù)據(jù)背景下進(jìn)行的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程改革的思路和策略，以促進(jìn)學(xué)生對該領(lǐng)域的深入理解和實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識。通過引入實(shí)踐環(huán)節(jié)、深化理論教學(xué)、開展科研項(xiàng)目等措施，筆者希望能夠提高學(xué)生的感知能力，培養(yǎng)他們對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的興趣和熱情，并為其未來的研究和職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 大數(shù)據(jù)背景下單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程改革的建議

2.1 引入實(shí)踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)

為了提高學(xué)生在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序領(lǐng)域的實(shí)踐能力和數(shù)據(jù)分析技能，課程改革需要引入實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠親自參與實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理過程。以下是一些具體的建議和策略。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作

在課程改革中，教師可以加入細(xì)胞解離實(shí)驗(yàn)和單細(xì)胞捕獲實(shí)驗(yàn)，以增加學(xué)生對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技能。細(xì)胞解離實(shí)驗(yàn)是單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的前期準(zhǔn)備步驟之一[6]。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將有機(jī)會(huì)親自操作細(xì)胞解離實(shí)驗(yàn)，掌握解離細(xì)胞的方法和技巧，同時(shí)了解細(xì)胞狀態(tài)對后續(xù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的影響，另外，學(xué)生可以親自觀察和理解油包水結(jié)構(gòu)，了解水滴中包裹單個(gè)細(xì)胞的原理和優(yōu)勢，培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)解讀能力。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理和分析

除了實(shí)驗(yàn)操作外，學(xué)生還應(yīng)該學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理和分析的方法和工具。課程改革可以引入相關(guān)的生物信息學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)技能培訓(xùn)，教授學(xué)生如何處理和解讀大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。學(xué)生可以學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)清洗、歸一化、降維、聚類和差異表達(dá)分析等常用方法，以及使用R、Python 等編程語言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)知識。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)室資源和設(shè)備支持

為了有效實(shí)施實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程改革需要確保實(shí)驗(yàn)室資源和設(shè)備的支持。學(xué)校應(yīng)該提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施和設(shè)備，以支持學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析需求。此外，提供指導(dǎo)和技術(shù)支持的教師或?qū)嶒?yàn)員工也是必不可少的，他們可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并提供必要的反饋和幫助。

2.2 深化理論教學(xué)，講解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的原理和方法

在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程改革中，深化理論教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)全面理解的關(guān)鍵部分。為了幫助學(xué)生更好地理解歸一化、降維、UMAP、tSNE等抽象概念和方法，我們可以采用動(dòng)畫演示的方式，提供更直觀和易于理解的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[7]。

2.3 開展科研項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研意識

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研意識，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程應(yīng)該引入科研項(xiàng)目，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)參與真實(shí)的科學(xué)研究。

①選題和問題定義：學(xué)生可以選擇感興趣的研究問題，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，提出具有科學(xué)價(jià)值的問題。他們可以通過文獻(xiàn)研究和討論，定義研究問題的背景和目標(biāo)，并明確所需的數(shù)據(jù)和分析方案。

②實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集：在科研項(xiàng)目中，學(xué)生將有機(jī)會(huì)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇適當(dāng)?shù)募?xì)胞樣本和實(shí)驗(yàn)方法。他們可以學(xué)習(xí)如何進(jìn)行細(xì)胞解離、單細(xì)胞捕獲、RNA 提取和測序文庫構(gòu)建等關(guān)鍵步驟，并自行采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，并加深對單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的理解。

③數(shù)據(jù)分析和解讀：學(xué)生將學(xué)習(xí)如何處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和生物信息學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解讀，從單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中挖掘有意義的生物學(xué)信息，并與研究問題相聯(lián)系。這樣的數(shù)據(jù)分析實(shí)踐有利于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和解讀能力，以及對科學(xué)結(jié)果的判斷和推斷能力。

④創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)：在科研項(xiàng)目中，學(xué)生將被鼓勵(lì)思考創(chuàng)新方法和研究思路，以解決研究問題或發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象。他們可以借助導(dǎo)師或同行的指導(dǎo)，提出新的假設(shè)或探索性實(shí)驗(yàn)，以推動(dòng)項(xiàng)目的進(jìn)展和研究成果的創(chuàng)新性。通過這個(gè)過程，學(xué)生將培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)探索的能力，發(fā)現(xiàn)新的研究方向或問題。

通過開展科研項(xiàng)目，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程可以給學(xué)生提供與真實(shí)科研環(huán)境接觸和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。這將培養(yǎng)學(xué)生的科研意識、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，為他們未來的科學(xué)研究和職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作

在開展科研項(xiàng)目的過程中，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作是至關(guān)重要的。學(xué)生可以被組成小組或團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)一個(gè)科研項(xiàng)目。這樣的安排可以促進(jìn)學(xué)生之間的交流、合作和共同學(xué)習(xí)。團(tuán)隊(duì)合作將提供一個(gè)相互支持和協(xié)作的環(huán)境，學(xué)生可以互相交流經(jīng)驗(yàn)、分享發(fā)現(xiàn)，并共同解決實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析過程中的問題[8]。

①分工合作與溝通：學(xué)生團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該合理分工，每個(gè)成員負(fù)責(zé)特定的任務(wù)和角色。有的學(xué)生負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)操作，有的學(xué)生可以負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析，而有的學(xué)生可以負(fù)責(zé)文獻(xiàn)研究和項(xiàng)目進(jìn)展的匯報(bào)。通過分工合作，學(xué)生可以專注于自己的任務(wù)，并在團(tuán)隊(duì)中相互補(bǔ)充和支持。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員之間應(yīng)保持良好的溝通，定期開會(huì)討論項(xiàng)目進(jìn)展、遇到的困難和解決方案，共同制訂下一步的計(jì)劃和目標(biāo)。

②合作性學(xué)習(xí)和反饋機(jī)制：為了促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，可以鼓勵(lì)合作性學(xué)習(xí)和反饋機(jī)制的實(shí)施。學(xué)生可以組織討論會(huì)、研討會(huì)或輪流進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告，分享自己的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)。這種互相學(xué)習(xí)和反饋的過程可以幫助學(xué)生更好地理解和評估自己的工作，同時(shí)從他人的經(jīng)驗(yàn)中汲取啟發(fā)和建議，不斷改進(jìn)和完善自己的研究。

2.5 應(yīng)用ChatGPT 等人工智能技術(shù)

隨著人工智能的快速發(fā)展，ChatGPT 等自然語言處理技術(shù)可以在單細(xì)胞教學(xué)中發(fā)揮積極作用。這種技術(shù)可以用來設(shè)計(jì)和開發(fā)智能助教系統(tǒng)，為學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)資源和個(gè)性化支持。ChatGPT 可以用于創(chuàng)建虛擬助教，它可以回答學(xué)生的問題、提供補(bǔ)充解釋和指導(dǎo)，以及提供即時(shí)的反饋和建議。學(xué)生可以通過與ChatGPT 的對話，解決一些常見問題，深入理解課程中的關(guān)鍵概念和方法。這種技術(shù)可以提供隨時(shí)可用的資源，幫助學(xué)生彌補(bǔ)自主學(xué)習(xí)中的知識空缺，并促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)[9]。

此外，ChatGPT 還可以用于開展實(shí)驗(yàn)室模擬和虛擬實(shí)踐。學(xué)生可以與ChatGPT 進(jìn)行對話，模擬實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理過程。這種虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可以幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提前練習(xí)操作技能，并在實(shí)驗(yàn)中遇到問題時(shí)得到即時(shí)的提示和指導(dǎo)。應(yīng)用ChatGPT 等人工智能技術(shù)，可以豐富單細(xì)胞教學(xué)的形式，為學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)資源和個(gè)性化支持。這種技術(shù)的應(yīng)用將為學(xué)生創(chuàng)造更互動(dòng)、靈活和自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)他們的學(xué)習(xí)效果和興趣的提升。

3 展望

隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)的不斷積累和豐富，如何有效地處理和分析大規(guī)模的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)成為一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。如何應(yīng)用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，開發(fā)更高效、準(zhǔn)確和智能的數(shù)據(jù)分析工具和算法，將進(jìn)一步推動(dòng)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序課程的發(fā)展，使學(xué)生能夠更好地應(yīng)對和利用大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的挑戰(zhàn)。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)不僅在生物學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，還涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉融合。加強(qiáng)跨學(xué)科的融合，引入計(jì)算機(jī)編程、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，將使學(xué)生在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序領(lǐng)域具備更廣泛的知識背景和技能，為未來的研究和創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

新的單細(xì)胞捕獲技術(shù)、改進(jìn)的測序方法、新型的數(shù)據(jù)分析策略等，都有望進(jìn)一步提升單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的分辨率、準(zhǔn)確性和可操作性。此外，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序在疾病診斷、藥物研發(fā)、生物工程等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，探索將這些應(yīng)用納入課程改革，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。探索在線教育、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)踐等新的教學(xué)模式，以提供更靈活和可訪問的學(xué)習(xí)環(huán)境。此外，還可以思考如何建立和共享更多的教學(xué)資源、數(shù)據(jù)集和實(shí)驗(yàn)樣本，以促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐和研究能力的培養(yǎng)。