科研實踐融進生物信息學課程教學研究

胡艷玲 黃海純 蔣永華 尹富強

［摘 要］生物信息學作為一門新崛起的學科在醫學本科生科研能力培養中具有重要作用。生物信息學課程符合新時代對醫學本科生科研能力培養的要求，是醫學研究的實用工具，可拓展學生科研能力。當前生物信息學教學上也存在不足，比如課時和內容不均衡、理論和實驗不同步、學生的認識存在偏差、教材匱乏、網絡教學缺失等。教師通過挖掘數據庫、對比軟件分析和模擬數據等科研實踐能夠進一步提高生物信息學的教學質量，這樣學生能夠在課題研究過程中加深對已學知識的理解，將所學知識運用于實踐中?？茖W實踐讓學生在自主設計能力、科學研究素養和對科學實驗流程理解等方面得到鍛煉和提升，彌補了日常實驗課的不足，同時提高了學生的思考能力和科研興趣。

［關鍵詞］生物信息學；科研實踐；課程教學

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）05-0053-03

隨著現代信息和科技的發展，分子生物學、生物信息學等學科也隨之崛起，生物信息學是將數學、生物學、物理學、信息科學和計算機科學等多種學科的知識運用在生物信息的收集、分選、分析、統計和儲存中，利用結果找尋生物學規律，推動了醫學和醫藥產業不斷發展。生物信息學有著更新速度快的特點與優勢，更能適應現代技術研究發展的形勢。

《中國教育現代化2035》提出以德為先、全面發展、面向人人、終身學習、因材施教、知行合一、融合發展、共建共享的八個基本理念。生物醫學本科生參與科研實踐是大學教育的重要環節，對提升他們的創新認知能力是一條良好的途徑[1]。隨著科技進步、社會經濟發展以及教育的現代化發展，如何提升本科生的科研實踐及創新能力是眾多教育工作者關注的焦點。目前，已經有不少的研究表明，通過在教學設計中加入科研實踐，使學生參與項目實踐過程中，可以更好地提升學生動手實踐能力，更能深入理解教學內容，培養他們的綜合素質[2]。

本科教學的教師把科研過程中的思維方式、觀點結論、分析方法等方面結合到理論授課中，使科研成果向教學轉化，從而實現科研與教學的有效結合，符合新時代對本科學生教育培養專業實踐能力強、科研素養高的要求。學生參與科研是大學教育的重要環節，也是提升他們創新認知能力的良好途徑。學生在課堂上所學的基礎知識并不足以完全接受實踐上的結果，所以科研與實踐相結合的教學愈發重要。

一、生物信息學課程在醫學本科生科研能力培養中的必要性

（一）生物信息學課程符合新時代對醫學本科生科研能力培養的要求

隨著科學技術的不斷創新和發展，生物醫藥行業也將迎來巨大提升空間。作為我國經濟高質量發展戰略支柱產業之一，生物醫藥行業所需的人才數量逐年增加。為適應醫學領域高速更新換代的人才需求，緊跟先進醫學科學技術發展的步伐，培養全面發展的醫學生迫在眉睫。作為為一名醫學生，不但需要掌握醫學方面的專業知識、積累臨床經驗，還需要培養科研創新意識和能力。從本科階段開始，醫學生在教師的指導下可以培養良好的科研創新意識，練就良好的創新思維，積極參加科研項目，提升實驗研究能力。

本科生提前接觸科研有利于全面發展，特別是學校鼓勵學生參加大學生創新創業項目，讓他們在科研實踐中培養科研興趣。學生開展科研實驗，對于醫學生來說還是有一定困難度。由于醫學生日常課業較多，且未來工作需要專業知識為基礎，所以參加科研實驗的時間也就較少，導致科研實驗大多難以按時按質完成，學生也難以在科研實驗中感受到樂趣，進而言之他們難以產生對科研的興趣，也就難以繼續開展之后的科研工作。

基于大數據的生物信息學隨著精準醫學概念的提出不斷體現出其作為學科前沿的魅力[3]，可以使學生更好地找到科研的目標，指導其對疾病機理的深入研究，是溝通基礎研究與臨床醫療的橋梁。生物信息學課程可以幫助學生尋找感興趣的方向，理順實驗流程，開展相關科研課題，深入了解疾病發生發展機制，彌補實驗室無法滿足的技術要求，使所學專業知識在實踐中加深理解和記憶，提升了學生的科研素養和創新能力。

（二）生物信息學知識是醫學研究的實用工具

當下生物醫學領域已經得出了大量數據，利用數據分析已經成為新的研究熱點。疾病診斷和治療已經從細胞層面向分子層面轉變，生物信息學通過研究核酸序列和蛋白質序列，發現疾病基因突變位點，為人類研發針對變異位點突變基因發生的疾病的治療方法提供指引。通過學習生物信息學，學生可以培養處理生物學具體問題分析能力和解決問題的能力[4]。學生學會生物信息學的相關知識和技術，在遇到生物學問題時就能找尋突破點來解決。沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）曾表明，醫學研究是在全部基因被解析后，以理論開始，用實驗驗證。因此，將現有數據進行分析再去驗證理論，是生物信息學得以快速發展的優勢。作為未來科研參與者，醫學本科生應該更早接觸生物信息學，掌握分析技術，使臨床與科研有力結合成為可能。

（三）生物信息學課程能拓展學生科研能力

醫學生本科課程就已經開展細胞生物學、生物化學與分子生物學、病理學、生理學、組織學與胚胎學、流行病學、醫學遺傳學等專業課，外加英語、大學生計算機等必修課，要求具備專業知識基礎，熟悉掌握生物學基礎理論，在進行數據篩選時對臨床相關數據有極高的“嗅覺”，并能快速找尋疾病變異位點，分析所得的信息，研究突變疾病發生與發展機制。醫學生本科時就學會利用生物信息學知識和技術進行實驗研究和論文發表，會比其他專業學生更有競爭力[5]。如果學會并掌握生物信息學相關知識和技術，就可以進行更新科學研究，鍛煉學生的科研思維，加強他們的科研能力，發表更多優秀成果。大數據時代加強醫學相關案例與研究課題開發，可以提前培養醫學本科生臨床與研究思維相結合的能力，滿足現代醫學研究的發展需要。

二、生物信息學教學上的不足

（一）課時和內容不均衡

生物信息學需要學生掌握的生物基礎知識很多，醫學類大學在安排生物信息學這門課程時，會優先考慮醫學類專業基礎課程，那么安排生物信息學的課時就會被壓縮，要求學生掌握的知識內容較多，課時緊張，學生對學到的知識難以消化。課程課時少和內容多的矛盾值得引起重視。

（二）理論和實驗不同步

生物信息學課程學習需要理論與實踐結合共進，單純的理論知識的學習并不能滿足生物信息學的教學要求。將理論課與實踐課交叉進行，把一段時間內所學的理論知識盡快運用于實踐，是大部分學生所接受的教學方式。實際上，生物信息學課程仍需要根據不同學校不同專業以及其他課程的安排情況進行調整，有時難以實現理論課與實踐課共進。

（三）學生的認識存在偏差

根據學生對生物信息學課程學習后的反饋情況來看，多數學生依舊認為生物信息學只是作為一門科研工具學科，是依靠計算機處理核酸或蛋白質片段等方式收集信息數據。如果學生不參與科研實驗，就沒有機會體驗生物信息學技術帶來的效率，也無法正確認識生物信息學這門課程。醫學類學校的生物學科專業，會相對更關注醫學類專業知識講授，在生物信息學基礎概念知識講授上不太重視，造成了在教學進化樹構建知識時，學生只會利用已得序列和模型做出聚類圖，但不知道序列從何而來，無法理解相似性和同源性，也無法區分直系同源和旁系同源。

（四）生物信息學的教材匱乏

生物信息學涉及多個研究領域，涵蓋多方面的知識，教學材料多種多樣，不同教材的內容側重也不相同，大都與其他學科相互交融，語言編寫上也有區別。生物信息學教材匱乏，醫學類學校想找到相關的生物信息學教材更像是在沙漠中尋找綠洲。

（五）生物信息學網絡教學的缺失

目前，我國大部分學校仍以在傳統教室授課為主，2020年新冠疫情開始后才逐漸采取線上網絡教學，但這種線上授課內容依然是以理論知識為主，學生接觸網絡實驗虛擬平臺的機會較少，無法跟隨教師動手操作，實現網絡授課還面臨較多困難。

三、完善醫學院校生物信息學課程教學的手段

（一）醫學本科生科研實踐嵌入教學培養方案體系架構的設計

醫學本科生的科研實踐與創新能力培養應與教學結合，以學生為中心，課堂整合教學、科研與實踐相結合，在培養學生創新性思維的基礎上，努力提高他們的創新實踐能力為關鍵。其目標是實現學科建設、教學科研、人才培養相融合的發展模式，達到“德育為先，能力為重”的人才培養體系。醫學本科生科研實踐嵌入式教學培養體系架構，如圖1所示。

（二）教學資料中提取醫學相關內容

生物信息學的內容涵蓋多門學科，不單單是涉及醫學方面。而醫學專業課程和生物信息學課程的課時權重不同，生物信息學在有限的時間內更應該合理選擇教學內容，比如分子數據庫的原理和應用、計算機模型的構建和使用、算法優化的方法和應用等，教學內容全面且各有側重。醫學院對學生授課時可以向臨床問題靠攏，解決臨床和科研實驗中發現的問題，并利用生物信息學開創醫學新視角，發掘醫學新方法。另外，計算機編程或數學計算也可以適當作為教學內容。

在醫學院校中，生物信息學的教學內容可以將基因組學、蛋白質組學、高通量測序和基因芯片等原理知識包括在內，詳細講解GEO數據庫、TCGA數據庫、ICGC數據庫和MSK-IMPACT等數據庫的選擇和使用，依靠專業基礎知識學習基因組序列信息的提取和分析、生物大分子結構模擬和藥物設計、蛋白質功能預測等內容，開展相關科研課題實驗，幫助學生鞏固已學的專業知識，培養學生的科研興趣與創新能力。

（三）教學融合臨床相關案例

生物信息學不僅需要理論知識，還需要實踐經驗。教師在備課時加入一些案例，授課時利用案例跟學生互動，指引學生自主思考、合作討論，解決醫學臨床問題。生物信息學課程的緒論部分內容想要引起學生興趣，除了介紹相關概念和應用領域外，還可以分享國內外最新科研成果。教師進行章節教學時，首先，在課堂上提出案例，抓住學生的注意力，再展開講解案例流程，如方案設計、研究方法、結果結論、討論分析；其次，組織學生就案例自主討論，提出疑惑，教師解答；最后，分配課后練習，提供數據庫操作指南，規定以小組為單位來完成以后，提交實驗結果報告，鼓勵主動找尋解決方式，將被動接受示例方法轉變為主動學習解決方法，既鍛煉了學生的自主思考能力，又培養了團隊協作能力。教師再根據小組課后作業完成度給予評分。

學生在課堂上可以跟隨教師提供的案例去了解生物信息學的某一個知識點在科研實驗的哪一步驟被應用，這樣可以清晰指引學生的學習思路，提高學生的學習效果。醫學本科生在初步接觸科研實驗階段，教師選擇教學案例時要充分考慮學生的知識范圍和接受能力，案例涵蓋教學知識大綱的同時又應具有科學性和新穎性，跟上新時代發展要求，讓學生能繼續向科研方向發展。臨床研究利用生物信息學對臨床數據進行分析計算，找尋疾病基因突變位點，梳理造成疾病發生的原因，篩查疾病診斷和治療的基因靶點，為臨床治療方案優化提供理論依據和方向[5]。學生盡早接觸臨床研究案例，可以為日后的科研積累經驗。關注世界衛生組織發布的公共衛生事件，將相關案例放進教學課堂，如之前的新冠疫情，利用生物信息學分析病原體抗原，確定SARS-CoV-2主蛋白酶的晶體結構，分析其基因組序列，明確了其來源和與其他病毒的同源性。另外還可以針對腫瘤疾病開展生物信息學分析，篩選腫瘤基因組中哪些基因參與了腫瘤的形成或發展，找到新的原癌基因或抑癌基因，優化腫瘤早期診斷和腫瘤治療等方法。這些案例已有成套的研究模式，能更好地培養學生的應用能力。

（四）教學連接醫學前線，開展相關臨床課題

生物信息學作為引領醫學領域研究的一門學科，應關注其前景發展。依賴教師自身的知識容量和技術熟練程度，可以關注學科發展動態，優化教學方式和授課內容。教研室配備教師應科學合理，不僅要有從教經驗豐富的教授進行緒論講述，還要有身在科研前線的博士為學生講解醫學技術方法與研究熱點，帶領學生從入門到自主進行相關操作。同時，可以邀請國際知名大學交換進修的年輕教師授課，或者青年教師在海外進修后回國教授國外的前沿技術，這樣可以擴展課程教學視野，提高生物信息學的學科教學水平。

生物信息學以實踐輔佐教學，倡導教師帶領學生參與前沿臨床研究，將生物信息學應用于實踐教學中。部分醫學院校實施一對一的指導模式，即一名導師負責指導一名學生，指導學生利用生物信息學相關數據庫篩選臨床信息，利用相關技術進行臨床數據分析等工作，完成臨床科研前沿課題。利用生物信息學的前沿優勢，促進教、學、研一體化教學模式，培養醫學領域科研人才，推進教育事業發展[6]。另外，教師應鼓勵學生將焦點瞄向最新的科研發展動態，豐富自身的學科知識儲備量，提出疑點或問題，培養自我創新意識[7]。

四、結語

隨著信息時代的到來，在大數據下供醫學本科生選擇的研究方向也更為廣泛，學生可以自主思考，開展創新課題研究，鍛煉自己的創新思維。構建醫學生物信息學課程教學體系，加強臨床案例分析，增加臨床相關課題研究，為本科醫學生培養臨床和科研結合的思維，符合現代醫學科研發展的要求。臨床醫學的本科生通過學習生物信息學，不僅能培養自身的臨床和科研能力，還促進自身的未來職業發展。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 袁鑫，孫敏，翟慕賽，等.科研經歷對理工類本科生創新能力培養的分析與探討[J].江蘇科技信息，2018，35（31）：57-59.

[2] 崔正波.中國國家基因庫：功能及意義[J].生態經濟，2016，32（12）：10-13.

[3] 胡烔宇，張東霞，韓健.醫學生物信息學人才培養的理論探討[J].西北醫學教育，2016，24（1）：32-34.

[4] 陳銘.大數據時代的整合生物信息學[J].生物信息學，2022，20（2）：75-83.

[5] 楊曉勤，高上上，吳華.RBL教學模式培養“5+3”一體化醫學生科研思維的探索[J].基礎醫學教育，2021，23（9）：609-611.

[6] 袁鑫，孫敏，翟慕賽，等.科研經歷對理工類本科生創新能力培養的分析與探討[J].江蘇科技信息，2018，35（31）：57-59.

[7] 楊蒙蒙，鄧三星，王碩博，等.理工類本科生科研實踐與創新能力培養研究[J].機電技術，2021（4）：117-120.

[責任編輯：雷 艷]