新医科背景下生物芯片技术课程教学改革与实践

［摘 要］新医科是构筑健康中国的重要基础，需要不断推进理念创新和实践创新。生物芯片技术是典型的新医科课程，教学内容丰富，包含表达谱芯片、甲基化芯片、单核苷酸多态芯片和拷贝数变异芯片等高通量生物医学大数据的处理和应用，在产前诊断、肿瘤检测及抗肿瘤药物筛选、感染性疾病诊断和抗药机制等方面具有重要的应用。同时，生物芯片技术具有前沿性和交叉性的特点。因此，对生物芯片技术课程的教学，既要强基固本，又要守正创新，这样才能培养适应和服务于现代医学研究的人才。南京医科大学生物芯片技术课程教学团队在现有教学模式基础上，从融入课程思政、明确课程目标、分析学情、完善课程内容、优化课程教学方式和完善考核方式六个维度进行教学改革和实践，相关研究可为医学院校生物芯片技术教学提供借鉴与参考。

［关键词］新医科；生物芯片技术；生物医学大数据

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）18-0061-05

一、生物芯片技术的发展和课程教学现状

生物芯片技术是由微电子学、物理学、化学、计算机科学、生命科学与医学交叉综合的高新技术，是生命科学研究中一项革命性的技术突破，也是分子生物学领域的一项里程碑式的突破。该技术能够高通量、并行化、微型化和自动化地检测蕴藏在生物体内的海量基因和蛋白质信息[1]，在分子生物学研究领域、医学临床检验领域和生物制药领域等领域显示出了强大的生命力并得到了广泛的应用[2-4]。

2000年8月，国务院批示、原国家计委批复，成立生物芯片北京国家工程研究中心，旨在研制开发具有我国自主知识产权的生物芯片技术，以及可供研究、诊断和药物开发等领域应用的生物芯片，实现中国生物芯片产业化[5]。如今，生物芯片技术发展迅猛，在医学生物研究领域展现出巨大的应用前景，广泛应用于人类疾病的诊断、药物开发和个体化医疗。

开设生物芯片技术课程已成为现代社会发展的需要，也是新医科发展的必然结果。生物芯片技术课程已成为医学院校生物信息学专业重要的主干课，同时越来越多的医学院校其他专业也将该课程纳入必修课程体系[6]。传统生物芯片技术课程主要讲述生物芯片概念及发展过程，系统介绍生物芯片的原理、类型、制备、检测、数据存储管理与处理分析以及在基因表达、基因多态性、病原体检测、新药筛选等方面的应用，使学生掌握生物芯片技术的基本理论、基础知识和基本技能，掌握生物芯片在现代医学研究中的应用。

然而，随着科学技术和医学的发展，生物芯片技术作为一门前沿交叉技术，也在不断革新，其临床应用场景也越来越广[7-8]，现有教材知识体系难以满足教学需求，若故步自封于已有的教学内容，可能会导致学生深造或走向工作岗位时，出现知识的割裂，难以适应行业发展和科研需求。因此，授课教师需要对生物芯片前沿科研进展和产业应用进行及时追踪，并将相关内容纳入课程教学体系。

新医科是新时代国家对医学教育发展提出的最新要求，也对医理交叉学生的创新能力提出了更高的要求。生物芯片技术课程不能将教学目标局限于生物技术原理和知识点层面，而应将理科、医科领域的相关知识融会贯通于教学中，以培养掌握丰富生物医学知识和临床应用的生物芯片技术及其临床应用的专业人才[9-10]。生物芯片技术课程应进一步加强对学生获取、处理和应用生物医学大数据能力的培养。因此，在教学过程中，教师不能囿于理论教学，需要采用真实的临床数据和案例，让学生在计算机上完成生物芯片数据获取、分析和临床应用的全过程，从而培养学生的动手能力及科研素养。此外，该课程在教学方法上不能沿袭教师的“一言堂”，否则会导致学生在学习过程中缺少方向和动力，失去学习的主动性和独立探索的动力。

南京医科大学开设的生物芯片技术课程最大的特色是学科融合，充分利用附属医院临床医学问题和数据优势，将前沿科研探索和临床应用相结合，对课程内容进行拓展，并融入临床案例教学，使学生既能适应生物芯片技术不断发展和变化的需要，又能应用生物芯片技术解决临床问题。这门课程教学内容和方式的设置和实施，将有利于完善学生的知识结构，锻炼学生的科学思维方式，启迪学生科学研究方法，激发学生的探索精神和创新精神，提高学生的科研素养，为学生将来从事与生物芯片有关的医学教学、科研和临床工作打下基础，推动新医科的发展。

二、生物芯片技术课程教学改革与实践

生物芯片技术课程是生物信息学国家一流本科专业的主干课，课程内容在临床诊断、个性化治疗和疾病预后评估等方面起着重要作用。课程教学团队需要立足专业和行业发展动态，全局把握课程培养目标。授课教师对专业发展及该课程在专业培养中的重要性的认知，可能会影响学生的学习热情。因此，授课教师应从专业人才培养角度，在教学过程中积极引导，培养能够服务于健康中国战略的生物信息学人才。

（一）融入课程思政，为党育人，为国育才

在课程教学中，应融入课程思政，落实立德树人根本任务。例如讲到芯片数据分析时，举例说明我国科学家在芯片数据分析及其基础和临床应用领域处于领军地位，已涌现一批杰出的生物信息学国际知名专家，从而增强学生的民族自豪感，鼓舞学生把握时代良机，锐意创新，为国家荣誉和国民健康努力奋斗。在讲到生物芯片应用于预后分析，某个基因表达可延长病人几个月的生存期时，带领学生观看诺贝尔生理学或医学奖获得者詹姆斯·P.艾利森（James P. Allison）的采访视频。该视频中提到，一位患者对艾利森讲，她最大的人生愿望就是她的生命能延长几个月，看到她的孩子毕业。这样真实的例子，可以引起学生的共情，激发学生为人类健康而奋斗的激情与动力。

（二）明确课程目标

1.知识目标

教师在让学生掌握已有的教学内容包括表达谱芯片、甲基化芯片、单核苷酸多态芯片、拷贝数变异芯片、蛋白质芯片原理及数据分析的基础上，着重将生物芯片领域内最新的研究，包括前沿技术和产业应用融入课堂，使学生能适应社会和产业发展的需求。

2.技能目标

通过真实临床数据解析，使学生独立完成生物芯片数据的获取、处理、分析和应用，其中分析部分包括科研图表制作以及临床结果解读。

3.素质目标

使学生理论结合实际，完成临床问题导向的实验设计。例如给定一个临床问题，让学生设计出芯片检测方案以及分析方法。

这些目标的实现对推动现代生物医学快速发展和临床转化、推动生物医药健康产业与新医科产业深入融合具有重要意义。

（三）学情分析和应对策略

以南京医科大学为例，生物芯片技术课程是生物信息学国家一流本科专业重要的主干课程，在大三第一学期开设。该课程既依赖于一、二年级专业基础课程的学习，又是后续重要专业课程的先修课程。对该课程知识的认知和掌握程度直接影响到学生对后续课程的学习。因此，教师需要对学情进行合理分析，对学生加以正确引导，提高学生的学习热情和兴趣。首先，要强调该课程作为专业主干课，其内容在专业知识体系中非常重要，让学生在思想上高度重视。其次，在导论课给出具体的生物芯片技术临床应用案例，介绍生物芯片在基础医学和临床医学中的应用，使学生对该课程产生浓厚的兴趣。最后，芯片数据分析需要学生具备扎实的数学和统计学基础，实验课需要学生能够熟练使用R语言和Linux系统，上述知识点薄弱的学生对该课程存在畏惧感，教师需合理回顾相关知识，让学生克服畏惧，顺利进入该课程的学习。

（四）完善课程内容

生物芯片技术具有前沿性和交叉性特点，课程教学团队围绕科技前沿和产业应用，不断拓展课程知识体系。一方面，保证学生毕业后不会出现知识的断层；另一方面，培养学生主动追踪前沿发展动态的意识和自主学习的能力，增强学生毕业后的岗位胜任力。

1.围绕科技前沿拓展教学内容，使学生适应科技发展和科研需求

教师应当全面了解生物芯片的前沿科技进展，及时追踪最新发表的生物芯片相关文章，从而在教学过程中有的放矢，及时更新和拓展课程知识体系，使学生能够适应行业发展和科研需求。例如，2018年3月，Nature重磅发表通过机器学习程序分析DNA甲基化芯片大数据、获得甲基化指纹图谱、助力脑肿瘤精准诊断的文章[11]。在2018年秋季学期的课程教学中，课程教学团队开始增加该文献的解读、文献相关数据获取和处理、脑肿瘤诊断探讨的内容，并重现文章的分析流程。在后续教学中，课程教学团队持续追踪了甲基化芯片的前沿进展，使学生紧跟科技前沿发展，并培养学生的科研素养。

2.围绕产业应用拓展教学内容，使学生适应行业发展和产业需求

随着经济的发展和科技的进步，国内外生物芯片技术和产业也在迅猛发展，课程教学团队通过行业调查，将新技术及其产业应用及时纳入课程体系。例如，甲基化芯片是研究DNA甲基化的重要工具，近20年来，Illumina 450K和850K芯片在癌症研究、遗传疾病、衰老和分子流行病学领域具有广泛的应用。2023年，Illumina公司在850K芯片基础上，推出了升级版甲基化芯片900K EPIC v2.0，更新优化了更多的甲基化位点，以期在疾病机制、生物标志物、表观遗传学研究领域有更多的生物学发现[12]。教师应在后续课程教学中增加EPIC v2.0芯片的介绍，包括与之前版本芯片的比较、异同点及其在芯片检测和疾病研究中的优势，从而保证学生紧跟行业发展动态，毕业后能够从事并胜任专业相关工作。

3.注重临床案例教学，结合医学院背景，融入临床项目驱动

实践课教学以理论知识为基础，采用真实的生物芯片数据，完成芯片数据处理。课题设计与实施要求学生能完成问题导向的实验设计，例如给定一个白血病分型诊断的临床问题，让学生设计芯片检测方案以及分析方法。通过临床案例的实践教学，提高学生主动思考、发现问题和解决问题的能力。

（五）优化课程教学方式

生物芯片技术课程内容包括生物芯片的原理和高通量生物医学数据分析及应用。在该课程的教学中，教师应以学生为中心，强调理论与实践紧密结合，使学生理论知识和动手实践能力水平同步提高，并以临床问题为驱动，推动新医科的发展。

1.灵活运用多种教学手段，拓展学习深度和广度

如介绍各类生物芯片原理时，教师除运用PPT及板书外，还可以适当运用音频、视频和网络等，提高课堂教学的直观性和趣味性。同时，充分利用超星网络平台，发布知识点相关的网页或视频，助力学生课后学习和提升。

2.开展翻转课堂教学，实现教学相长、师生共进

转变角色，以学生为主体，真正做到教学相长。教师在阅读大量课程相关科研文献后，精选部分让学生课后阅读，并要求学生在课堂上进行汇报，同时让学生在教师的引导下对文章进行深入剖析和讨论。通过文献阅读、汇报和讨论，培养学生独立思考、表达及与同学交流讨论的能力，锻炼学生主动学习新知识并进行总结的能力。

（六）建立多元化的评价体系与反馈机制，多维度考查教学效果

评价体系既要注重考查学生所获得的知识，也要注重考查学生处理实际问题的能力。生物芯片技术课程的考核分为文献汇报、阶段性考核、课题设计与实施、期末考试4个部分。

文献汇报主要考查学生自学新知识并进行总结归纳的能力；阶段性考核通过课堂提问、讨论和作业的形式来完成，将学生的课堂学习表现（如课堂互动、实际操作过程中的学习态度、在学习过程中对其他学生的帮助以及所提出问题的深度等）与成绩挂钩，促进学生积极参与课堂教学；课题设计与实施是让学生基于所学内容，提出一个科学假设，并从公共数据库下载相应数据，设计课题并解决问题；期末考试由检查学生掌握知识的程度转向考核学生独立分析问题和解决问题的能力，减少死记硬背的题型，增加与医学实践、科研相结合的分析型试题。

这些考核方式可更为公正、科学地评定学生的学习效果、调动学生的积极性，有助于多维度提高学生的创造力、想象力及科研素养。同时，为了及时掌握学生的学习效果，教师可以通过课后作业、教学门户网站、微信和邮件等渠道与学生沟通，及时了解学生的思想动态和学生对知识点的掌握程度，并根据这些反馈信息，及时调整教学方案和进度。