新医科背景下生物信息学技术在“分子生物学”教学中的应用

摘要：“分子生物学”作为药科大学生物技术、生物科学、生物制药、生物工程等多个专业的专业必修课程之一，致力于提升本科生的学习能力，以更好地适应社会的发展需求。为实现这一目标，在课程中引入了生物信息学技术相关的教学内容。通过采用课前预习、课堂讲解、课后设计等三个环节，让学生在学习过程中能够主动吸收和接纳专业知识，将理论与实践紧密结合，以提高基础专业知识教学的效果。本文所述的实践经验对其他基础理论教学课程具有良好的借鉴与参考。

关键词：分子生物学；生物信息学技术；理论与实践；教学改革

1概述

生物学进入21世纪后将成为引导自然科学向物质运动，从理论到实践过程中的最高层次突破的带头学科。作为现代生命科学最具活力和引领性的学科，分子生物学已深入到生物学各专业分支，它致力于从分子水平阐明生命的现象、本质、活动及其规律的科学［1］。

“分子生物学”作为药科大学生物技术、生物科学、生物工程等专业必修的专业主干课，它的设立旨在培养和训练学生，使其具备较强的逻辑思维和科学实践动手能力、分析和解决问题的能力，并培养学生具有良好的科研素质，为其将来在生命科学及相关学科领域独立从事基础研究、实践研究和产品开发奠定坚实的基础。

“分子生物学”具有理论与实验结合紧密、动手操作能力强、实验技术要求高、实验经费消耗大等特点［23］，课程内容涵盖核酸、蛋白质等大分子功能和形态结构特征，以及中心法则之间的信息传递等内容，是作为生物工程、海洋药学等专业学生必须要掌握的技能。然而目前存在教学模式单一、学生兴趣不高和缺乏参与性、自主学习能力等问题，无法激发学生科研创新思维。随着后基因组时代如互联网的普及和ChatGPT、AI等新技术的应用，能否利用互联网上丰富的生物信息数据并进行分析，已成为新医科背景下生物类专业培养的新要求。

为了提高“分子生物学”理论课程的教学质量和人才培养，我们采用以小型科研项目为核心的教学模式，并结合“课前—课中—课后”三维联动的实践教学模式。首先，在这一框架下，将生物信息学技术/大数据分析融合至“分子生物学”课程，旨在培养学生大数据思维，使其掌握生物分析技术，从而激发学生数据挖掘思维、生物信息分析思维、整合思维。其次，将数据挖掘和生物信息学技术运用到实践教学中，以培养学生解决问题和开展科研创新的能力。我们的最终目标是让学生不仅具备分子生物学实验技能，还能掌握生物信息学分析和挖掘的技能，从而填补当前目前市场上的人才缺口，为人类健康事业做出更大的贡献。

2生物信息学技术的应用

生物信息学是基于生物学、数学、统计学、计算机科学背景知识为基础，建立相应软件包和公共数据库的一门学科，目前已经广泛应用到生命科学各个学科领域中，成为生命科学研究重要工具之一［46］。随着后基因组时代如人类基因组计划的完成以及多种模式生物三代测序的完成，相应开发出来的生物信息学在线软件众多，涵盖了蛋白质的一级结构序列、二级结构、三级结构、理化性质、稳定性等进行科学模拟和预测。

3生物信息学技术在“分子生物学”中的应用与拓展

3.1课前预习

分子生物学的主要内容涵盖绪论、生物信息传递、基因表达调控、分子生物学研究方法和分子生物学专题五大模块。生物信息学技术可用于解析基因组和蛋白质组数据，这包括基因的序列分析、基因表达调控机制的研究，以及蛋白质结构和功能的预测。针对不同的学习板块，我们可以利用生物信息学进行课前预习，包括基因数据库检索、DNAman序列比对、ImageJ7等系统发育树构建、SWISSMODEL蛋白质的结构与性质预测、常用生物软件或网站、基因组结构注释如silkwormdatabase3.0等内容。如在基因表达调控这一章节，可告诉学生利用对应的在线网站（如http：//gepia2.cancerpku.cn/#index）进行课前预习（图1），包含基因在不同肿瘤的表达情况、主成分分析、基因相关分析等，利用数据库中的临床模块联系临床特征数据，多角度地从基因组学层面介绍基因与癌症的相互作用，加深学习印象，进而提升学习能力。

3.2课堂讲解

分子生物学课程主要围绕核酸的分子生物学内容［7］，分为五大教学内容：第一部分，主要介绍分子生物学的概念、主要研究内容及发展史；第二部分，主要阐述染色体与DNA的结构、生物信息的传递过程；第三部分，主要介绍原核生物和真核生物基因表达的调控机制；第四部分，主要介绍分子生物学研究方法的原理和应用；第五部分，分子生物学专题，简要介绍分子生物学在医学、发育学、基因组学及其他领域的应用（见下表）。课堂中可通过PPT、动画、视频等教学方式梳理重难点。用互联网思维—课程思政—创新意识—创新精神—创新思维—创新能力将知识点串联起来，对知识模块进行重组、广度和深度进行延伸。将生物信息学技术融入“分子生物学”教学中，例如生物信息学技术在分析基因表达、蛋白质互作和代谢途径方面提供了强大的工具，学生通过“分子生物学”课程学得的知识，能够运用生物信息学技术来诊断疾病、预测患者的病程发展，并为治疗方案提供更精准的指导。此外，生物信息学技术在药物研发中扮演着重要角色，通过分析分子相互作用、生物通路等信息，对大数据进行分析，可以加速新药的发现和设计，学生通过“分子生物学”课程可以学到如何运用生物信息学工具来优化药物研发过程，提高新药的成功率。将生物信息学作为一门技术，串联加入每个教学内容中，深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，有助于培养学生在新医科背景下运用先进技术解决医学和生物学问题的能力。

3.3课后设计

学生可以根据课堂讲解的内容，了解课程中相关的研究过程、结果等，并从中获得启发，选择自己感兴趣的内容自主进行独立实验设计。这包括课题实施的必要条件、选择适用的实验方法和步骤、安排时刻表以及预期结果等内容。每个课题小组由6～8名成员组成，其中包括1名队长，负责制定本课题小组的目标、组织小组讨论以及执行各项考察任务。各小组通过收集查阅资料、自主交流学习，针对教学大纲确定的内容，经过认真研究、分析、评估，找出不同教学内容之间存在的内在联系，随后，按照这些内在关联将教学内容进行有机归类，并依照类别设计课题。每个类别下设计一个课题，并排定各个课题之间以及课题内各个教学内容的实施顺序。在完成各小组项目成果后，学生有机会参与各类专业学科竞赛，如全国大学生生命科学竞赛、广东省生物化学技能大赛、“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生药苑论坛、大学生创新创业训练项目等，通过这些竞赛，学生在实践中将专业知识积累转化为专业实践能力，促使其完成从知识获取到实践训练的过渡。这一过程旨在激发学生的创新思维，提高其实际问题分析和解决的能力，培养他们全面发展的专业素养。

4生物信息学技术在“分子生物学”教学应用中的困境

根据人才培养方案的实施，“分子生物学”理论课学时从以前的72课时被压缩成54学时。由于课时的限制，关于生物信息学技术相关资料的查询、检索、对比、设计和作图等过程都需要学生课后完成，课中只是给学生进行讲解，安排学生动手操作课前预习内容，这就需要学生课后能够自主学习，对所学的知识举一反三，融会贯通，将所学知识运用到创新创业类比赛中，提升运用理论知识分析问题的能力。再加上学生在生物信息学技术方面的背景和技能水平可能会有很大的差异，一些学生可能已经具备较强的计算机科学基础，而其他学生可能需要额外的支持和培训，这种差异可能导致在教学中难以满足所有学生的需求。此外，目前教学人数限制了生物信息学技术在“分子生物学”教学中的应用。每个课程的设计都需要指导教师在课题实施前向小组介绍项目的具体实施安排、可能存在的缺陷问题等，另外加上有些项目需要连续几天时间来完成，因此在教学上需要更加灵活地安排教学时间和教学内容，教学人数不宜超过30人，否则不利于培养学生的科研能力和动手能力。最后，设备和软件资源也限制了其发展，生物信息学涉及大量的数据处理和分析，通常需要高性能计算资源和专业软件。学校可能需要投资更多的资金来购买和维护这些设备和软件，这可能会成为一项经济负担。克服这些困境需要学校、教育机构以及相关领域的专业人士共同努力，提供更好的培训、资源和支持，以促进生物信息学技术在“_{rgBHXslprEQjnXgtA4hxHQ==}分子生物学”教学中的有效应用。

结语

生物信息学技术在基因序列分析、结构域预测、大数据挖掘和蛋白功能预测等方面得到了全面快速的发展［8］，这些技术的发展为深化“分子生物学”教学内容提供了广阔的空间。生物信息学技术的发展拓展了“分子生物学”教学内容，使课程更加丰富和前沿，学生有机会学习并应用最新的技术来理解生物学领域的复杂性。随着后基因组时代互联网、ChatGPT、AI等工具的发展，使得生物信息学技术更加普及，这给“分子生物学”教学提供了更多的工具和资源。生物信息学技术的引入不仅仅吸引了生命科学专业的学生，还能够吸引计算机、数学等非生命科学专业的学生，丰富了学科之间的交叉合作。引入生物信息学技术可以调动学生的自主学习积极性，学生有机会通过实践应用这些技术，提高他们在独立学习和研究方面的能力，使他们更好地适应未来科研和实践的要求。总体而言，将生物信息学技术融入“分子生物学”教学中不仅符合科学发展的趋势，也为学生提供了更丰富、更有趣的HGKUIwfWj3ybBO29xoqkqFMICQyJtzhfCP5NqNQ0Fjg=学习体验，同时有助于他们更好地应对未来医学和科学领域的挑战。

参考文献：

［1］汤海峰，崔银秋，姜大志，等.一流课程视角下分子生物学实验课程内容体系和教学模式的设计与实践［J］.生物工程学报，2022，38（4）：16401648.

［2］田生礼，宋国丽，李辉，等.分子生物学实验教学模式的多样性探索［J］.教育教学论坛，2011（15）：221222.

［3］熊宏齐，戴玉蓉，郑家茂.实验教学改革与实验室建设规划的研究与实践［J］.实验技术与管理，2008（10）：14+8.

［4］胡瑞峰，邢小燕，孙桂波，等.大数据时代下生物信息技术在生物医药领域的应用前景［J］.药学学报，2014，49：15121519.

［5］马明月，曾垂省，解增言，等.生物信息学大实验教学改革的探索与实践［J］.生物化工，2018，4：103105+108.

［6］李广林.大数据背景下的生物信息学教学探索［J］.教育教学论坛，2015（29）：210211.

［7］连超群，唐王刚，夏俊，等.新医科背景下生物化学与分子生物学课程融入生物信息学元素探究［J］.河北北方学院学报（自然科学版），2023，39（06）：5457.

［8］杨静.生物信息学在分子生物学实验教学中的应用与实践［J］.高校生物学教学研究（电子版），2018，8（06）：1316.

基金项目：基于生物信息技术环境下《分子生物学》教学改革探讨——广东药科大学2023年度本科高等教育教学改革项目;基于创新能力培养的《分子生物学》课程教学改革与实践——广东药科大学2021年度本科教学质量与教学改革工程项目

作者简介：吴文梅（1991—），男，汉族，安徽安庆人，博士，广东药科大学生命科学与生物制药学院讲师，从事生物化学与分子生物学研究。