大数据互联网背景下医学生物信息学教学探讨与实践

何群 梁彬 钟连生

摘 要：大数据背景下医学院校生物信息学教学方法探讨：针对不同专业学生培养需求设置不同教学大纲；在全部教学过程中老师学生全部上机上网，在教学过程中结合科研领域应用的需求實行科教融合一体化教学；设计合理的考核机制，实行理论知识和应用能力双考察；为医学院校生物信息学教学提供一种教学模式。

关键词：生物信息学；教学模式；教学实践

随着基因组、蛋白组计划完成，数以千计的生物学数据库陆续建立，对海量的生物大分子数据进行分析、收集、整理、解析和服务，从中发现隐藏在序列信息中的生物学规律是亟待解决的问题。生物信息学（Bioinformatics）是综合利用生物学、数学、物理学、信息科学以及计算机科学等诸多学科理论方法的崭新交叉学科[1]。随着大数据时代来临和精准医学概念的确立，生物信息学的重要性将越来越突出，已经成为当今生命科学和自然科学的核心领域和最具有活力的前沿领域之一，生物信息学分析正逐步成为生命科学研究者的有利工具。生物信息学教育逐步受到重视，由于生物信息学是一门新兴的交叉学科，各高校内的相关专业侧重点不同，无论在课程设置和人才培养方面尚未形成统一认识和固定教学模式[2，3，4]。中国医科大学在2002年在全国医学院校率先开设生物信息学课程，在如何利用大数据和互联网对医学专业及生物学、药学专业学生进行生物信息学教学做了一些探讨和实践[5]。

一、针对不同专业制定特色教学大纲

目前生物信息学教学内容主要包括：生物信息学网站介绍、生物大分子数据库检索、生物信息学软件应用等方面。中国医科大学生物信息学教学对象分别为：硕博研究生，信息专业、生物专业、药学专业本科生。由于各个专业、级别的学生的课程基础不同，培养方向不同，课程设计的教学重点也不同。对于信息专业的学生，课程要注重数据库的分类、检索、应用，注重网上生物信息学资源的获取和利用；针对生物、药学专业本科生，课程注重网上数据库检索，核酸蛋白分析预测；对于研究生，生物信息学除上面基础部分外，更注重实验结果分析、科研设计应用方面，如PCR引物以及siRNA设计、转录因子结合位点预测、蛋白质功能预测分析、蛋白质相互作用及其信号传导通路分析等。

二、科教融合、学习实践结合，进行合理的教学组织

现有生物信息学网站以英文网站为主，生物信息学专业网站众多，每个网站兼有数据库及其软件，所含信息量极大，如何让学生了解网站内容，熟悉软件应用，学会生物信息学分析方法是每个生物信息学讲授者需要面临的难题。老师单纯讲授的教学方法存在以下不足：1.数据库检索方面：学生虽然能掌握数据库检索方法，但不明确检索目的以及数据库中的各种注释对生物信息学序列分析有何帮助；2.生物信息网站方面：通过学习，学生虽然了解生物信息学网站，却不知如何主动应用这些资源；3.生物信息学软件应用方面：学生虽然了解如何软件应用操作，但缺乏综合应用的技能；针对上述情况，我们在生物信息学教学中引入科教融合的教学模式，提高本科生对生物信息学大数据的总体认识和应用能力。我们教学进行如下安排：1.利用大数据资源，上课时学生人手一机，教学中老师学生全部上机上网实行理论实际一体化教学，讲授生物信息实用内容（登录网站、数据库、软件）时，教师讲授和学生操作同步进行。结合生物信息学实际应用范例，给学生布置作业，学生当堂完成，有问题当堂解决，做到讲、练、做三者结合。2.在讲授中，力争做到讲课内容与目前生命科学研究关注的热点结合，引入案例教学，理论与实际相结合，提高学生学习兴趣。如：进行数据库检索时候，我们让学生在网上数据库检索流感病毒、埃博拉病毒、SARS病毒；进行多序列比对时候，我们让学生比对上述病毒核酸、蛋白序列之间的差异；蛋白核酸分析时候，我们让学生在数据库中检索一个基因已知的突变位点，利用生物信息学软件比对一个基因序列如果发生突变，其编码蛋白会发生如何变化。这种实际分析提高了学生综合应用的能力。3.注重启发式、讨论式教学，注重提高学生创新能力。对大学阶段学习来说，学习不仅仅是记忆、了解一个专业的基础知识，更重要的是探索、发现和创新，科学研究关键是在前进路上进行多方面可能性探索而不是记忆标准答案。由于医学科学的严谨性，医学院学生容易形成记忆标准答案的思维方式。与医学院校其它需要记忆理解的课程不同，生物信息学注重在已知的序列结构中寻找未知的规律，这正是提高学生发现问题、分析问题、解决问题能力的合适时机。因此，我们在教学中注重培养学生探索发现规律的创新性思维，注重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。例如，如果一个蛋白质失去功能，从生物信息学分析，有几种可能，应该从哪些方面进行分析。学生学的有兴趣，有成就感，也提高了学生对生物信息学的整体认识。

三、构建多元化考评机制

同医学院校其它课程相比，生物信息学是一门发展较快的学科，网上的生物信息学数据库和软件更新频繁，在这种情况下，对学生学习效果的考察不仅仅需要考察对理论知识的记忆理解，更重要的是考察实际综合应用能力。针对生物信息学依赖互联网、计算机的特点，我们建立了多元考试机制，70%考试成绩+30%实习操作。在70%考试中，我们有60%的实际操作、输出结果分析以及生物信息学分析过程设计方面的问题，注重学生对课程的实际理解和应用。在30%实习操作中，我们将数据库检索、序列对比、核酸蛋白分析及其结构预测、分子系统发育分析整合成三个大实验，学生不仅仅进行数据库检索，还要利用所学的生物信息学知识对检索的生物大分子序列进行全面分析。在实际操作过程中具体做到每个学生一个基因或者蛋白序列。实验课前，老师通过email将实验内容发给学生，实验课时，学生上网上机对所给的序列进行检索分析，最后在word文档中写出实验报告。这种网络教学也有利于师生之间交流，很多学生喜欢跟老师探讨未知问题，在毕业实习中遇到生物信息学问题也跟老师进行探讨，做到教学相长。

现代基因组学和后基因组学资源已经成为人类共同财富，如何获取和利用这些资源已经成为科研工作者亟待解决的问题。生物信息学使得生命科学从传统的“从实践到理论总结的科研路线”革新为“从理论分析到实践验证”的新模式。生物信息学已经成为生命科学工作者不可缺少的研发工具。生物信息学教学模式也将随着生物信息学的发展，不断进步和完善。（通讯作者：何 群）

参考文献：

[1]许忠能.生物信息学[M].北京，清华大学出版社，2008.

[2]柴惠，赵虹，张婷.高等院校生物信息学双语教学课程建设之我见[J].中国高等医学教育教育，2010（4）：83-84.

[3]张林，柴惠黄，燕芬，等.新型教学体系在生物信息学中的探索与实践[J].中国高等医学教育教育.2010（7）：57-59

[4]寻萌，陈艳炯，杨娥，邵明明，李薇，宋娟，楚雍烈.《生物信息学》教学实践探讨.西北医学教育，2011，19（6）：1120-1123.

[5]赵雨杰.医学生物信息学[M].北京，人民军医出版社，2002.