开展医学本科生生物信息学教学的实践与探索
摘要：伴随着各类基因组计划的展开和测序技术的突破，尤其是近年来精准医疗计划的提出和推行，生物信息学在医学科研和临床中的重要性日益显现。虽然生物信息学已逐渐成为医学类本科生亟需掌握的基本知识与技能，但国内多数院校尚未开展医学本科生的生物信息学课程。本文就如何在医学本科生中开展生物信息学教学进行了思考，并在多年教学实践基础上，总结出一种以科研为核心、学生为主体、训练项目为载体的科研实训教学模式。通过改革传统的人才培养模式，开展医学类本科生生物信息学教学，充分调动学生的主动性、积极性和创造性，增强学生的创新能力及专业素养。
關键词：生物信息学；教学方法；医学本科生
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）51-0146-03
生物信息学是20世纪80年代末随着人类基因组计划的启动而兴起的一门新的交叉学科[1-2]。它包含了生物信息的获取、处理、储存、分发、分析和解释等在内的所有方面；综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。目前，生物信息学在医学领域中已广泛应用于基础医学、临床医学及药学等多个学科。特别在科学研究工作中，生物信息学的作用逐步显现，越来越受到重视。近期，精准医疗概念的提出与相应模式的推进，进一步强化了运用生物信息学工具的要求。精准医疗是将临床信息、患者表型与基因蛋白谱进行整合，从而为患者量身制定精准诊断、预后及治疗策略。因此在高通量测序产生数以万计的庞大组学数据中，只有依托生物信息学技术，才能探寻基因突变、药物靶向等隐含遗传学奥秘的精确位点，进而提供可靠的个性化治疗方案。可见，生物信息学是精准医疗的核心内容之一。当前，大多数医学院校均已开设研究生生物信息学课程，但尚未将生物信息学正式列入本科生培养方案，以选修课形式开设生物信息学课程的院校也极为鲜见。医学本科生是祖国医学的未来，是临床一线最直接的储备军，面对飞速发展的生物技术和以几何级数增长的生物大数据，如果现阶段的医学本科生还不能学会如何利用和解读这些资源，这将大大阻碍临床医学的发展。综上，一方面医学领域对生物信息学方面存在旺盛的需求，另一方面大多数院校均未正式开设本科生生物信息学课程，造成生物信息学人才极度紧缺。针对这一现状，笔者近年来围绕在研的各项科研课题，选拔学有余力的优秀学生，在学校开展的各项大学生科研能力训练、创新创业项目支持下，吸收本科生进入实验室，对医学类本科生的生物信息学教学实践方面做了一些尝试，培养了一些初步掌握生物信息学知识与方法的本科学生。在此对教学过程中的感想和体会做一简要总结，并对本科生生物信息学的教学模式进行了探讨。
一、在医学本科生中开展生物信息学的教学实践
（一）尊重学生的教育主体地位，实施因材施教
由于生物信息学涵盖了计算机科学、统计学、分子生物学和分子遗传学等诸多学科相关知识，所以一般情况下生物信息学科研实践的开展要迟于上述各门课程。在开展的过程中，要充分考虑学生的自身条件，进行分组施教。因为不同学生对相关背景知识的掌握不同，会导致他们接受相关教学内容的快慢程度不一样，因此要针对不同层次的学生开设不同等级的实践内容。此外，根据学生将来从事的工作类型导致的对生物信息学的需求不同，可有针对性地分成科研组和临床组。如有些学生将来可能主要从事科研工作，因此希望掌握较多的生物信息学知识，包括各种计算机语言的使用、编程、复杂统计软件的使用等等，这类学生学习热情比较高涨。
（二）构建多学科教师组成的教学团队，实现知识的互补与整合
由于生物信息学是一门新兴的交叉学科，需要计算机学、统计学、医学生物化学、医学遗传学等相关学科的共同发展来支撑。此外，生物信息学专业知识较为前沿，而且涉及的医学研究领域较多。再加上目前生物信息学的专业教师缺少，这就限制了学科的发展。因此，在教学过程中应该合理组建教学团队，授课教师需要来自不同的专业，了解本专业最新的知识，教师之间相互学习沟通，将不同学科的相关知识整合起来[3]，并需持续补充和学习生物信息学前沿知识，在授课内容上还要体现教师自身优势。这样不但可以在知识结构上互补，还可以满足不同专业学生的需求。
（三）围绕教师在研科研课题和学术会议，追踪医学研究前沿
生物信息学是一门快速发展的学科。近年来计算机技术、生物技术以及医学技术及医疗模式都在快速更新。因此医学生生物信息学实践教学不能拘泥于原有教材。在进行基础和共性的知识教学时要利用教材。而对于前沿的知识，教师一方面要结合在研的各项科研课题引入知识点，另一方面可带学生参加一些与生物信息学相关的学术会议，让他们开阔眼界，增长见识，激发科研灵感。
（四）调动学生主观能动性，激发其学习潜能
由于学生专业背景知识掌握程度差异较大，以及学生自身兴趣不同，传统的大班教学较难达到一致性的教学效果。因此，在教学过程中可以采取不同的分组方式以满足学生不同的需求。由于现阶段生物信息人才非常缺乏，因此在教学过程中，对于个别基础较强的学生，教师可以有针对性地对他们进行一些更深层次的培养，充分挖掘学生的潜力，利用课余时间，合理安排一些“实战”性任务，通过实践锻炼，提升他们的专业科研素质，为当代生物信息学的发展培养特色人才。如我校2009级临床专业熊同学、2010级药学专业本科生熊同学，都对生物信息学兴趣非常浓厚，在科研实践中表现得十分出色，充分利用课余和寒暑假时间，在老师的精心指导下，用perl语言成功编写出分析组学数据的一系列程序。在研究生面试时，他们扎实的生物信息学功底获得导师的青睐，并成功读取/保送了国内知名大学的研究生。
二、医学本科生生物信息学教学方法、教学模式的探讨
（一）PBL教学法在案例教学中的应用
PBL（Problem-Based Learning）教学法[4]，也称作问题式学习。生物信息学是一门操作性和实验性很强的学科，要利用互联网、计算机和各种生物信息学数据处理软件来解决实际问题。目前，生物信息学已成为生命科学研究领域的重要工具。在实际训练中应以问题为导向，针对每个知识点尽量从实际的应用案例出发，引导学生自主探究、合作学习、进行交流。注重培养学生的实际操作能力和解决问题的能力，使学生能在解决问题的过程中学会各种技能，如统计方法、计算机语言和软件的基本使用、编程技巧及数据库的运用等。随着生物信息学技术的快速发展，整合不同生物技术产生的数据将有利于人们发现疾病致病相关位点和药物作用靶点。在本实验室开展的PBL教学实践中，我们以代谢性疾病作为主要研究方向，对糖尿病、高胆固醇血症及肝癌等展开了疾病相关基因/位点的全基因组筛查。
（二）在教學过程中发挥优秀学生的引领作用，以点带面
由于生物信息学在医学研究中的重要性逐渐凸现，因此要求参加科研实践培训的学生人数逐年增多。而目前生物信息学专业的老师相对缺乏，为了解决这一矛盾，我们在实践教学和科研中摸索出一种新的方法，即以“导师-学生双向选择制”遴选学生进入老师课题组后，以优秀学生为中心，采用以点及面式训练。与以往的老师带学生做试验的传统模式不同，在培训中教师除作为指导老师外，还要善于在众多的学生中发现优秀的人才，并对这些有天分的学生进行精细培养，然后以这些人才为中心点，进行放大，即由一个优秀的学生指导几个后参加培训的学生，在这几个学生中再选出优秀的学生作为下一轮的指导“老师”，这种以点带面的特色实践教学模式不但能节约大量教学资源，而且将最大限度地挖掘学生的科研潜力，有利于培养学生的科研创新素质。
（三）以大学生的各类科研训练、创新创业项目为载体开展教学活动
目前，科技创新已成为发达国家保持持久竞争力的“法宝”。中国早在若干年前就确立了“科技兴国”的战略目标。大学生是祖国的未来，大学生科研创新能力的培养是21世纪高校人才培养的核心内容。国内外众多高校都开展了多种形式的大学生创新训练计划。因此，将生物信息学科研训练与学校开展的各类科研创新训练计划（如大学生“挑战杯”、“创新学分”或“大学生创新性实验计划”等）相结合，将更加有效地利用各种资源，全面锻炼学生的科研创新能力，例如，文献的检索与阅读，各种组学数据的收集、处理和分析，程序的编写，实验设计和操作，科研项目书的撰写，科研论文的书写等。
（四）同步开展科技文书的写作训练，总结成果保持学生的热情
疾病的发生发展与特异基因的改变密切相关，鉴定与疾病相关的基因是医学科研工作的重要内容之一。在科研实践训练中，学生利用生物信息学方法，通过分析处理感兴趣的数据（如基因组、转录组、单核苷酸多态性、全基因组关联分析等），可挖掘出一些与疾病相关的内在信息，或再通过实验对分析结果加以验证。教师可鼓励学生将这些阶段性的成果进行发表，这对学生来说是一种能力上的认可，可以增加学生的科研信心，激发他们的科研热情和动力。此外还要鼓励学生积极申请学校乃至全国性的大学生“挑战杯”等竞赛。培养学生的创新和挑战激情，以便激励他们在科研之路上能再创新高。如我校2012级本科生王同学，从大学一年级开始就进入实验室学习生物信息学分析数据，勤奋钻研，已分别于2013和2014年发表了2篇核心文章，并已成功申请到我校大学生“挑战杯”项目，在我校大学生作品“挑战杯”竞赛中获得二等奖。这些成果极大地鼓舞了同学们的科研热情。
三、本科生生物信息学科研实践中存在的问题
随着生物信息学在医学领域的广泛应用，越来越多的学生意识到这门学科的重要性，都积极参与实践练习。而生物信息学实践离不开计算机这一硬件设备，同时由于生物数据量庞大，这就要求较高的计算机的配置。此外，现阶段生物信息学专业教师比较缺乏，在一定程度上也会影响教学实践的开展。因此，对医学本科生开展生物信息学实践训练尚需相关资源的配套和完善。
四、结语
本文主要探讨了对医学本科生开展生物信息学科研实践过程中的一些感想和体会，并在多年教学实践基础上，总结出一种以科研为核心、学生为主体、训练项目为载体的科研实训教学模式。当前虽然一些医学院校已经开设了生物信息学课程，但是在教学内容、教学方法和教学模式上还有很多不足，尚有待进一步的摸索和改进[5-6]。此外，我们要加大硬件设施的投入，并不断加强师资队伍建设，积极参与教学改革，整合各种教学力量，从而提高生物信息学教学质量。
致谢：感谢南昌大学医学实验教学中心汪雁老师生前对本科生生物信息学教学方面的贡献！
参考文献：
[1]Shachak A，Ophir R，Rubin E.Applying instructional design theories to bioinformatics education in microarray analysis and Primer design workshops[J].Cell Biol Educ，2005，4（3）：199-206.
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[3]樊代明.整合医学纵论[J].医学争鸣，2014，5（5）：1-13.
[4]祝鸿程，刘浩，王迎伟，等.基础医学课程PBL教学应用的新思路[J].基础医学与临床，2011，31（12）：1410-1412.
[5]冉景盛，姚启伦.生物信息学创新教学模式初探[J].生物学通报，2009，44（1）：46-48.
[6]高亚梅，韩毅强.《生物信息学》本科教学初探[J].生物信息学，2007，1（5）：46-48.
Abstract：With the development of genome projects and breakthrough of DNA sequencingtechnology，especially in recent years，the propose and implementation of accurate medical in the world，the importance of bioinformatics in medical scientific research and clinical practice is becoming obviously. Bioinformatics has increasingly become the basic knowledge and skill that medical undergraduates should master as soon as possible. However，bioinformatics has not yet been carried out for medical undergraduates in many universities. This article sums up teaching strategies and experiences on bioinformatics course for medical undergraduates，and proposes a new practical training model based on the core of scientific research，main body of students and carrier of training projects. This training model stimulates initiative learning，enhances the ability to apply course knowledge，develops innovating thinking of medical undergraduates.
Key words：bioinformatics；teaching method；medical undergraduates