大数据背景下单细胞转录组测序课程改革思考

林长松，邵娇芳，汪强虎

（南京医科大学 江苏 南京 211166）

在生物学研究领域，单细胞转录组测序作为一项革命性的技术，正引起广泛的关注。传统的转录组测序方法通常是从大量的细胞样本中提取RNA，这掩盖了不同细胞之间的异质性[1]。然而，单细胞转录组测序技术可以突破这个限制，实现对单个细胞基因表达的高分辨率测量[2]。这项技术的出现为生物学研究带来了巨大的机遇，揭示了细胞类型和亚型的多样性、细胞发育轨迹的重建、细胞状态转换的识别等方面的研究问题。单细胞转录组测序的应用前景也非常广泛。在生物医学领域，单细胞转录组测序可以帮助我们深入了解疾病的发生机制、发现新的生物标志物以及指导个性化治[3]。

1 单细胞转录组测序课程存在的主要问题

在传统的单细胞转录组测序课程教学中，笔者面临着一个显著的问题，即学生对单细胞转录组测序的感知能力不够强。尽管这项技术具有巨大的潜力和广泛的应用前景，但学生在课程学习过程中可能缺乏对该领域的深入理解和实际意义的认识[4]。

首先，单细胞转录组测序是一门复杂的技术，涉及许多先进的实验方法和数据处理技术。然而，传统教学模式往往无法充分展示和解释这些复杂性。学生可能仅仅停留在表面知识的掌握，而无法真正理解单细胞转录组测序的核心概念和实际应用。这导致了学生对该技术的感知能力不够强，无法准确把握其在生物学研究中的重要性和潜在的创新机会。

其次，单细胞转录组测序领域发展迅猛，新的技术和方法不断涌现[5]。然而，传统教学模式往往滞后于最新的研究进展，无法及时将前沿的知识传达给学生。这使得学生对单细胞转录组测序的感知局限于已有的知识框架，无法跟上领域的快速发展和创新。

因此，为了提高学生对单细胞转录组测序的感知能力，笔者需要对课程进行改革。本文将探讨在大数据背景下进行的单细胞转录组测序课程改革的思路和策略，以促进学生对该领域的深入理解和实际应用的认识。通过引入实践环节、深化理论教学、开展科研项目等措施，笔者希望能够提高学生的感知能力，培养他们对单细胞转录组测序的兴趣和热情，并为其未来的研究和职业发展奠定坚实的基础。

2 大数据背景下单细胞转录组测序课程改革的建议

2.1 引入实践环节，加强学生实验技能和数据分析能力的培养

为了提高学生在单细胞转录组测序领域的实践能力和数据分析技能，课程改革需要引入实践环节，使学生能够亲自参与实验操作和数据处理过程。以下是一些具体的建议和策略。

2.1.1 实验设计和操作

在课程改革中，教师可以加入细胞解离实验和单细胞捕获实验，以增加学生对单细胞转录组测序的实践经验和技能。细胞解离实验是单细胞转录组测序的前期准备步骤之一[6]。通过这个实验，学生将有机会亲自操作细胞解离实验，掌握解离细胞的方法和技巧，同时了解细胞状态对后续实验和数据分析的影响，另外，学生可以亲自观察和理解油包水结构，了解水滴中包裹单个细胞的原理和优势，培养他们的实验技能和数据解读能力。

2.1.2 数据处理和分析

除了实验操作外，学生还应该学习数据处理和分析的方法和工具。课程改革可以引入相关的生物信息学和数据科学技能培训，教授学生如何处理和解读大规模单细胞转录组数据。学生可以学习数据清洗、归一化、降维、聚类和差异表达分析等常用方法，以及使用R、Python 等编程语言进行数据分析的基础知识。

2.1.3 实验室资源和设备支持

为了有效实施实践环节，课程改革需要确保实验室资源和设备的支持。学校应该提供先进的实验室设施和设备，以支持学生的实验操作和数据分析需求。此外，提供指导和技术支持的教师或实验员工也是必不可少的，他们可以指导学生进行实验，并提供必要的反馈和帮助。

2.2 深化理论教学，讲解单细胞转录组测序的原理和方法

在单细胞转录组测序课程改革中，深化理论教学是培养学生对单细胞转录组测序技术全面理解的关键部分。为了帮助学生更好地理解归一化、降维、UMAP、tSNE等抽象概念和方法，我们可以采用动画演示的方式，提供更直观和易于理解的学习体验[7]。

2.3 开展科研项目，培养学生的创新思维和科研意识

为了培养学生的创新思维和科研意识，单细胞转录组测序课程应该引入科研项目，让学生有机会参与真实的科学研究。

①选题和问题定义：学生可以选择感兴趣的研究问题，结合单细胞转录组测序技术，提出具有科学价值的问题。他们可以通过文献研究和讨论，定义研究问题的背景和目标，并明确所需的数据和分析方案。

②实验设计和数据采集：在科研项目中，学生将有机会自主设计实验方案，选择适当的细胞样本和实验方法。他们可以学习如何进行细胞解离、单细胞捕获、RNA 提取和测序文库构建等关键步骤，并自行采集实验数据。这样的实践经验将帮助学生熟悉实验操作流程，并加深对单细胞转录组测序技术的理解。

③数据分析和解读：学生将学习如何处理和分析实验数据，运用统计学和生物信息学方法进行数据解读，从单细胞转录组数据中挖掘有意义的生物学信息，并与研究问题相联系。这样的数据分析实践有利于培养学生的数据处理和解读能力，以及对科学结果的判断和推断能力。

④创新和发现：在科研项目中，学生将被鼓励思考创新方法和研究思路，以解决研究问题或发现新的科学现象。他们可以借助导师或同行的指导，提出新的假设或探索性实验，以推动项目的进展和研究成果的创新性。通过这个过程，学生将培养创新思维和科学探索的能力，发现新的研究方向或问题。

通过开展科研项目，单细胞转录组测序课程可以给学生提供与真实科研环境接触和实践的机会。这将培养学生的科研意识、创新能力和团队合作精神，为他们未来的科学研究和职业发展奠定坚实的基础。

2.4 强化团队合作

在开展科研项目的过程中，强调团队合作是至关重要的。学生可以被组成小组或团队，每个团队负责一个科研项目。这样的安排可以促进学生之间的交流、合作和共同学习。团队合作将提供一个相互支持和协作的环境，学生可以互相交流经验、分享发现，并共同解决实验和数据分析过程中的问题[8]。

①分工合作与沟通：学生团队应该合理分工，每个成员负责特定的任务和角色。有的学生负责实验操作，有的学生可以负责数据分析，而有的学生可以负责文献研究和项目进展的汇报。通过分工合作，学生可以专注于自己的任务，并在团队中相互补充和支持。同时，团队成员之间应保持良好的沟通，定期开会讨论项目进展、遇到的困难和解决方案，共同制订下一步的计划和目标。

②合作性学习和反馈机制：为了促进学生之间的交流与合作，可以鼓励合作性学习和反馈机制的实施。学生可以组织讨论会、研讨会或轮流进行项目进展报告，分享自己的发现和经验。这种互相学习和反馈的过程可以帮助学生更好地理解和评估自己的工作，同时从他人的经验中汲取启发和建议，不断改进和完善自己的研究。

2.5 应用ChatGPT 等人工智能技术

随着人工智能的快速发展，ChatGPT 等自然语言处理技术可以在单细胞教学中发挥积极作用。这种技术可以用来设计和开发智能助教系统，为学生提供在线学习资源和个性化支持。ChatGPT 可以用于创建虚拟助教，它可以回答学生的问题、提供补充解释和指导，以及提供即时的反馈和建议。学生可以通过与ChatGPT 的对话，解决一些常见问题，深入理解课程中的关键概念和方法。这种技术可以提供随时可用的资源，帮助学生弥补自主学习中的知识空缺，并促进个性化学习的实现[9]。

此外，ChatGPT 还可以用于开展实验室模拟和虚拟实践。学生可以与ChatGPT 进行对话，模拟实验操作和数据处理过程。这种虚拟实验室环境可以帮助学生熟悉实验步骤和数据分析技术，提前练习操作技能，并在实验中遇到问题时得到即时的提示和指导。应用ChatGPT 等人工智能技术，可以丰富单细胞教学的形式，为学生提供更多学习资源和个性化支持。这种技术的应用将为学生创造更互动、灵活和自主的学习环境，促进他们的学习效果和兴趣的提升。

3 展望

随着单细胞转录组测序数据的不断积累和丰富，如何有效地处理和分析大规模的单细胞转录组数据成为一个重要的挑战。如何应用人工智能、机器学习和深度学习等技术，开发更高效、准确和智能的数据分析工具和算法，将进一步推动单细胞转录组测序课程的发展，使学生能够更好地应对和利用大规模数据分析的挑战。单细胞转录组测序技术不仅在生物学领域具有重要应用，还涉及计算机科学、统计学、数据科学等多个学科的交叉融合。加强跨学科的融合，引入计算机编程、数据分析、机器学习等相关内容，培养学生的综合应用能力，将使学生在单细胞转录组测序领域具备更广泛的知识背景和技能，为未来的研究和创新打下坚实的基础。

新的单细胞捕获技术、改进的测序方法、新型的数据分析策略等，都有望进一步提升单细胞转录组测序的分辨率、准确性和可操作性。此外，单细胞转录组测序在疾病诊断、药物研发、生物工程等领域具有很大的应用前景，探索将这些应用纳入课程改革，可培养学生的创新思维和实践能力。探索在线教育、远程实验和虚拟实践等新的教学模式，以提供更灵活和可访问的学习环境。此外，还可以思考如何建立和共享更多的教学资源、数据集和实验样本，以促进学生的实践和研究能力的培养。