［摘 要］ 生物信息學(xué)被廣泛應(yīng)用于疾病遺傳學(xué)、病理學(xué)、流行病學(xué)和藥物個(gè)體化治療等領(lǐng)域。在昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，“生物信息學(xué)”是生物醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，面向基礎(chǔ)、臨床、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院的研究生開設(shè)?？偨Y(jié)了近年來該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、面臨問題和解決方案，以期為研究生教學(xué)實(shí)踐的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考，同時(shí)也有助于醫(yī)學(xué)院校在高年級本科生中開設(shè)“生物信息學(xué)”課程，滿足新醫(yī)科背景下醫(yī)工結(jié)合復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求。

［關(guān)鍵詞］ 醫(yī)學(xué)院校；生物信息學(xué)；研究生；本科生

［基金項(xiàng)目］ 2018年度云南省“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才專項(xiàng)資助（YNWR-QNBJ-2018-056）

［作者簡介］ 付 玉（1979—），女，云南昆明人，博士，昆明理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院副教授（通信作者），主要從事衰老生物學(xué)研究；孔祥陽（1964—），男，美國洛杉磯人，博士，昆明理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授，主要從事疾病與藥物遺傳學(xué)研究。

［中圖分類號］ G643.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0101-04 ［收稿日期］ 2023-10-07

引言

生物學(xué)研究即對觀察和實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、分析和解釋。20世紀(jì)90年代以來，生物學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)主要變化，就是產(chǎn)生高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分子生物技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因而對各類大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理和分析，已成為生物學(xué)研究的一個(gè)極具挑戰(zhàn)和發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域。生物信息學(xué)的研究范疇是以基因DNA序列的信息分析作為出發(fā)點(diǎn)，分析基因組結(jié)構(gòu)、表達(dá)水平、基因調(diào)控信息，并在此基礎(chǔ)上研究基因的功能。當(dāng)前，生物信息學(xué)已在理論生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)核心地位。

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，生物信息學(xué)在疾病遺傳、病理、流行病學(xué)、藥物個(gè)體化治療等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。生物信息方面的知識和基本技能，也是研究人員在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果的臨床解釋等方面應(yīng)具備的。在昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，“生物信息學(xué)”為生物醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的高級課程，針對研究生開設(shè)?？蒲兴绞呛饬酷t(yī)學(xué)研究生教育質(zhì)量、人才創(chuàng)新能力、核心競爭力的重要指標(biāo)［1］。本文對近年來該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、面臨的問題和解決方案等進(jìn)行總結(jié)，以期為開設(shè)或進(jìn)一步優(yōu)化該課程的研究生教學(xué)實(shí)踐提供參考，同時(shí)也為醫(yī)學(xué)院校在高年級本科生中開設(shè)“生物信息學(xué)”課程提供幫助。

一、“生物信息學(xué)”在研究生的教學(xué)實(shí)踐

我校當(dāng)前開設(shè)的“生物信息學(xué)”課程面向基礎(chǔ)、臨床、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院的細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、婦產(chǎn)科學(xué)、外科學(xué)、臨床檢驗(yàn)診斷學(xué)、內(nèi)科學(xué)等專業(yè)的研究生。

（一）理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

理論教學(xué)內(nèi)容主要包括：生物信息數(shù)據(jù)種類，來源和分析方法，生物信息軟件工具的原理和使用，公共數(shù)據(jù)資源，獲取、處理、存儲、分配和解釋基因組信息與生物信息，以及其在人類疾病研究中的應(yīng)用等。具體教學(xué)內(nèi)容為：（1）生物信息學(xué)概覽與發(fā)展趨勢、生物序列資源；（2）序列比對；（3）序列特征分析；（4）分子水平的系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化；（5）基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析；（6）基因注釋與功能分類；（7）生物分子網(wǎng)絡(luò)與通路；（8）新一代測序技術(shù)、單細(xì)胞測序技術(shù)與復(fù)雜疾??；（9）結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)；（10）生物信息前沿講座。理論教學(xué)內(nèi)容主要參考：李霞等主編的《生物信息學(xué)》；陳銘主編的《生物信息學(xué)》；美國喬納森·佩夫斯納編著、田衛(wèi)東等主譯的《生物信息學(xué)與功能基因組學(xué)》。理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)置了36個(gè)學(xué)時(shí)。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容在課程的理論講授中穿插進(jìn)行，當(dāng)前并未設(shè)置獨(dú)立的實(shí)踐學(xué)時(shí)，具體的上機(jī)內(nèi)容由學(xué)生以單獨(dú)或小組形式在課后完成。實(shí)踐內(nèi)容主要包括四個(gè)經(jīng)典的生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)：（1）熟悉三大核酸數(shù)據(jù)庫等的使用，包括GenBank、ENA、DDBJ等在線數(shù)據(jù)庫；（2）使用Mega進(jìn)行序列比對和構(gòu)建進(jìn)化樹；（3）基因注釋與功能富集，涉及GEO、GEO2R、KEGG、GO、DAVID等在線數(shù)據(jù)庫或軟件工具的使用，部分學(xué)生涉及R語言的使用；（4）使用Cytoscape構(gòu)建生物分子網(wǎng)絡(luò)。實(shí)踐內(nèi)容主要參考：李霞等主編的《生物信息學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)及習(xí)題集》；陳銘等主編的《生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)》。

（二）教學(xué)模式

線下教育模式主要應(yīng)用于理論教學(xué)，除使用傳統(tǒng)多媒體教學(xué)外，還采用雨課堂教學(xué)平臺開展。理論教學(xué)以學(xué)生為主體，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的興趣，尤其體現(xiàn)學(xué)生的參與感。主要體現(xiàn)在：采用雨課堂實(shí)時(shí)分享教學(xué)課件；隨機(jī)課堂點(diǎn)名回答問題；設(shè)置單選題、多選題、填空題、主觀題等在課間或課后進(jìn)行隨機(jī)測試；討論式教學(xué)，在教學(xué)過程中，學(xué)生隨時(shí)提問，并與教師進(jìn)行討論；根據(jù)雨課堂反饋對教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)講授；進(jìn)行學(xué)情分析，及時(shí)調(diào)整課堂授課節(jié)奏。

線上教育模式主要應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，采用學(xué)習(xí)通平臺實(shí)施?！吧镄畔W(xué)”是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，研究生只有通過具體的上機(jī)實(shí)踐，才能夠較好地理解課程教學(xué)內(nèi)容所蘊(yùn)含的知識點(diǎn)。教學(xué)模式主要包括：在理論課結(jié)束后通過學(xué)習(xí)通推送實(shí)踐內(nèi)容；共享實(shí)踐內(nèi)容相關(guān)的教輔資料；學(xué)生可以小組形式或單獨(dú)完成實(shí)踐操作內(nèi)容；學(xué)生和教師單獨(dú)或以小組形式在學(xué)習(xí)通平臺上進(jìn)行討論交流；學(xué)生通過學(xué)習(xí)通提交實(shí)踐報(bào)告，教師批閱后進(jìn)行反饋，學(xué)生根據(jù)反饋意見進(jìn)行修改，完成后再次提交；對不同層次實(shí)踐報(bào)告進(jìn)行展示和總結(jié)。

二、“生物信息學(xué)”在研究生的教學(xué)思考

近年來，隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)研究的發(fā)展，以往的科研模式已發(fā)生轉(zhuǎn)變［2-3］，當(dāng)前的生物醫(yī)學(xué)科研模式已經(jīng)和生物信息學(xué)數(shù)據(jù)資源檢索、生物信息軟件工具應(yīng)用等緊密融合。為了適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式方面對研究生培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索。

（一）教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上的探索

教學(xué)內(nèi)容注重更新，力求與國內(nèi)外生物信息學(xué)領(lǐng)域發(fā)展速度相吻合。以生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫為例，Nucleic Acids Research每年都會發(fā)布和更新很多在線數(shù)據(jù)庫，因此，教學(xué)章節(jié)中生物序列資源的內(nèi)容點(diǎn)需要逐年進(jìn)行調(diào)整。此外，大范圍教學(xué)章節(jié)的設(shè)置也需要與時(shí)俱進(jìn)，并結(jié)合國內(nèi)外研究熱點(diǎn)、本校研究需求點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。例如，單細(xì)胞測序技術(shù)是目前生物醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用熱點(diǎn)，我們在教學(xué)設(shè)計(jì)中也增加了相應(yīng)的技術(shù)原理、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容講授。而我校位于西南邊陲的云南，有著豐富的中醫(yī)藥和少數(shù)民族醫(yī)藥資源，結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)在藥物靶點(diǎn)尋找和預(yù)測中具有重要的應(yīng)用，因此，理論教學(xué)也涵蓋了此部分內(nèi)容。

教學(xué)模式充分應(yīng)用了問題導(dǎo)向式（Problem-based learning， PBL）和參與式（Participatory Action Research， PAR）的教學(xué)方法。PBL模式以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、小組成員協(xié)作學(xué)習(xí)以解決問題［4］。PAR模式的優(yōu)勢在于充分發(fā)揮參與者的主觀能動性，尤其重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過程［5］。一方面，我們在課程的開始章節(jié)增加了生物信息學(xué)發(fā)展趨勢的教學(xué)內(nèi)容，并以Bioinformatics等著名期刊為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注近年文獻(xiàn)，從中挑選1～2篇，開展自主閱讀、小組形式反復(fù)閱讀和討論交流等，最終明確研究內(nèi)容，并在課程的最后章節(jié)即生物信息前沿講座中進(jìn)行匯報(bào)交流。另一方面，部分研究生基礎(chǔ)知識較為扎實(shí)，具有較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等教育背景。我們也將這些學(xué)生組成小組，在教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)中設(shè)置了文獻(xiàn)復(fù)現(xiàn)環(huán)節(jié)，從生物信息學(xué)期刊中挑選出與課程教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)的3～5篇文獻(xiàn)，學(xué)生在看得見的基礎(chǔ)上，利用團(tuán)隊(duì)合作的力量，進(jìn)行文獻(xiàn)復(fù)現(xiàn)。這兩方面的內(nèi)容，不僅增加了研究生對國內(nèi)外生物信息學(xué)研究前沿的了解，而且充分考慮了研究生的專業(yè)背景和研究需求，實(shí)現(xiàn)了對生物信息數(shù)據(jù)與軟件工具的熟悉和應(yīng)用等。

（二）教學(xué)面臨的問題和解決方案

當(dāng)前，生物信息學(xué)發(fā)展迅速，為保證研究生教育能夠跟上生物信息學(xué)發(fā)展的步伐，在具體的教學(xué)實(shí)踐中還存在諸多不容忽視的問題，我們也在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上進(jìn)行了思考。

首先，教學(xué)內(nèi)容的更新要更及時(shí)，與此對應(yīng)的是師資力量的補(bǔ)充也要加強(qiáng)。以醫(yī)學(xué)研究生教育為例，生物信息學(xué)教育已應(yīng)用到各個(gè)更細(xì)的分支，比如醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、骨科、腫瘤學(xué)、醫(yī)學(xué)微生物等學(xué)科。然而，如何構(gòu)建相應(yīng)的具有生物信息學(xué)特色的研究生教育體系，以及探索不同學(xué)科專業(yè)特色的教學(xué)新模式，仍然是課程設(shè)計(jì)面臨的重要問題。此外，“生物信息學(xué)”課程的師資隊(duì)伍流動性較大，自開課以來，參與講授的教師有8位，其中4位教師因工作調(diào)動等原因相繼退出該課程的教學(xué)工作，這與生物信息學(xué)專業(yè)本身就具有較強(qiáng)的就業(yè)發(fā)展趨勢是高度相關(guān)的。因此，如何穩(wěn)定現(xiàn)有師資隊(duì)伍，并補(bǔ)充新的師資力量，以滿足學(xué)科專業(yè)特色的教學(xué)培養(yǎng)需求，也是需要關(guān)注的問題。

其次，生物信息學(xué)的發(fā)展得源于計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，因此往往需要研究者具備一定的計(jì)算機(jī)知識和軟件應(yīng)用能力。如Pevsner教授在其編著的《生物信息學(xué)與功能基因組學(xué)》教材中也指出，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，以生物醫(yī)學(xué)科學(xué)為知識核心的人與那些以計(jì)算機(jī)科學(xué)為重點(diǎn)的人之間存在著很大的分歧。因此，對于生物醫(yī)學(xué)相關(guān)背景的學(xué)生而言，教師的教育理念和模式也需要調(diào)整，如避免過多講授底層算法，而是強(qiáng)調(diào)將生物信息學(xué)作為一種工具或手段，核心是利用其幫助學(xué)生理解生物醫(yī)學(xué)研究的問題。另外，很多測序公司提供數(shù)據(jù)分析的云平臺服務(wù)，而一些專門的互聯(lián)網(wǎng)生信平臺也有助于在線圖表制作。因此，課程可以較好地融合這些互聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)、各類生信工具等，以開展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐研究。

三、“生物信息學(xué)”在醫(yī)學(xué)本科的探索

在醫(yī)學(xué)本科教育上，我校當(dāng)前的培養(yǎng)方案主要按照臨床醫(yī)學(xué)本科認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)置課程，并未開設(shè)“生物信息學(xué)”。事實(shí)上，國內(nèi)外生物信息學(xué)本科教育均處于起始階段。邢永強(qiáng)等［6］分析了我國生物信息學(xué)專業(yè)所屬院校的類型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除占比最高的綜合類院校外，其次為醫(yī)藥類院校和理工類院校。昆明理工大學(xué)成立于1954年，是一所以工科為主、理工結(jié)合的綜合性大學(xué)，而昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院成立于2011年，在新醫(yī)科背景下培養(yǎng)醫(yī)工結(jié)合的復(fù)合型人才是辦學(xué)的必然結(jié)果，而將新發(fā)展理念融入醫(yī)工融合教學(xué)模式，是提升人才培養(yǎng)價(jià)值的重要條件［7］。

醫(yī)學(xué)本科生培養(yǎng)與研究生培養(yǎng)有著極大的不同，研究生有明確的研究課題和方向，而本科生處于專業(yè)導(dǎo)向培養(yǎng)的初步階段，其知識架構(gòu)正在建立，在學(xué)習(xí)過程中，往往會缺乏積極性和主動性?！吧镄畔W(xué)”是一門實(shí)踐性課程，其對學(xué)生的探索與自學(xué)能力具有一定的要求，這也是該課程在本科教學(xué)實(shí)施中的主要難點(diǎn)。盡管如此，在醫(yī)學(xué)院校本科生部分專業(yè)的課程教學(xué)中，已經(jīng)融入了生物信息學(xué)教育的元素，如代謝組學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、生物技術(shù)等。此外，在教學(xué)模式探索過程中，也取得了一定成效。例如，教師可以通過數(shù)據(jù)庫挖掘、軟件對比分析和模擬數(shù)據(jù)等加強(qiáng)科研實(shí)踐來提高教學(xué)質(zhì)量［8］；以及加強(qiáng)本科生的科研創(chuàng)新活動、增加實(shí)踐與討論環(huán)節(jié)，教師時(shí)刻更新課程在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，豐富自身的知識體系，進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量等［9］。醫(yī)學(xué)本科生“生物信息學(xué)”課程的教育可以通過優(yōu)化課程設(shè)置、改革教學(xué)方法以及強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新能力、積極培養(yǎng)專業(yè)師資等方案，從而構(gòu)建具有醫(yī)學(xué)特色的生物信息學(xué)研究型教學(xué)模式［10］。

四、展望

2015年，科技部組織召開國家首次精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)戰(zhàn)略專家會議，敲定在2030年前中國精準(zhǔn)醫(yī)療將投入600億元。2015年，北京基因組研究所數(shù)據(jù)中心（BIGD）成立，并于2019年更改為國家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心（NGDC）。這些里程碑事件標(biāo)志我國生物信息學(xué)研究已然進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期，生物信息學(xué)已經(jīng)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。生物信息學(xué)的重要性不言而喻。建立科學(xué)合理、具有醫(yī)學(xué)特色的生物信息學(xué)課程體系，對培養(yǎng)生物信息學(xué)知識結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用能力的醫(yī)學(xué)人才具有重要意義［11-12］。在生物醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的研究生培養(yǎng)教育中，需要加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的更新、師資力量的補(bǔ)充，以及探索不同醫(yī)學(xué)學(xué)科專業(yè)特色的教學(xué)新模式，強(qiáng)調(diào)利用生物信息學(xué)工具幫助學(xué)生理解生物醫(yī)學(xué)研究的問題，在教學(xué)設(shè)計(jì)中增加互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、云平臺技術(shù)的融合，以及開展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐研究等。醫(yī)學(xué)本科生“生物信息學(xué)”課程的教育，需要加強(qiáng)具有學(xué)科專業(yè)特色培養(yǎng)體系的構(gòu)建，加大師資投入，增強(qiáng)對學(xué)生主動性、探索性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在專業(yè)課程中多方位融入現(xiàn)代化生物信息學(xué)元素，在教學(xué)模式中，需要更注重實(shí)踐教學(xué)等。最終，使生物信息學(xué)融入現(xiàn)代醫(yī)學(xué)人才的教育培養(yǎng)體系，以滿足新醫(yī)學(xué)背景下對醫(yī)工結(jié)合復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求［12］。

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