“生物信息学”在生物医学专业的教学实践与思考

［摘 要］ 生物信息学被广泛应用于疾病遗传学、病理学、流行病学和药物个体化治疗等领域。在昆明理工大学医学院，“生物信息学”是生物医学相关专业的一门必修课程，面向基础、临床、转化医学研究院的研究生开设。总结了近年来该课程的教学内容、教学模式、面临问题和解决方案，以期为研究生教学实践的进一步优化提供参考，同时也有助于医学院校在高年级本科生中开设“生物信息学”课程，满足新医科背景下医工结合复合型人才的培养需求。

［关键词］ 医学院校；生物信息学；研究生；本科生

［基金项目］ 2018年度云南省“万人计划”青年拔尖人才专项资助（YNWR-QNBJ-2018-056）

［作者简介］ 付 玉（1979—），女，云南昆明人，博士，昆明理工大学基础医学院副教授（通信作者），主要从事衰老生物学研究；孔祥阳（1964—），男，美国洛杉矶人，博士，昆明理工大学基础医学院教授，主要从事疾病与药物遗传学研究。

［中图分类号］ G643.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0101-04 ［收稿日期］ 2023-10-07

引言

生物学研究即对观察和实验中得出的数据进行归纳、分析和解释。20世纪90年代以来，生物学研究领域的一个主要变化，就是产生高通量实验数据的分子生物技术的广泛应用，因而对各类大规模数据进行有效地处理和分析，已成为生物学研究的一个极具挑战和发展最为迅速的领域。生物信息学的研究范畴是以基因DNA序列的信息分析作为出发点，分析基因组结构、表达水平、基因调控信息，并在此基础上研究基因的功能。当前，生物信息学已在理论生物学领域占据核心地位。

在生物医学研究领域，生物信息学在疾病遗传、病理、流行病学、药物个体化治疗等众多领域被广泛应用。生物信息方面的知识和基本技能，也是研究人员在实验设计、数据分析及结果的临床解释等方面应具备的。在昆明理工大学医学院，“生物信息学”为生物医学相关专业的高级课程，针对研究生开设。科研水平是衡量医学研究生教育质量、人才创新能力、核心竞争力的重要指标［1］。本文对近年来该课程的教学内容、教学模式、面临的问题和解决方案等进行总结，以期为开设或进一步优化该课程的研究生教学实践提供参考，同时也为医学院校在高年级本科生中开设“生物信息学”课程提供帮助。

一、“生物信息学”在研究生的教学实践

我校当前开设的“生物信息学”课程面向基础、临床、转化医学研究院的细胞生物学、遗传学、神经生物学、发育生物学、妇产科学、外科学、临床检验诊断学、内科学等专业的研究生。

（一）理论和实践教学内容

理论教学内容主要包括：生物信息数据种类，来源和分析方法，生物信息软件工具的原理和使用，公共数据资源，获取、处理、存储、分配和解释基因组信息与生物信息，以及其在人类疾病研究中的应用等。具体教学内容为：（1）生物信息学概览与发展趋势、生物序列资源；（2）序列比对；（3）序列特征分析；（4）分子水平的系统发育和进化；（5）基因表达数据分析；（6）基因注释与功能分类；（7）生物分子网络与通路；（8）新一代测序技术、单细胞测序技术与复杂疾病；（9）结构生物信息学；（10）生物信息前沿讲座。理论教学内容主要参考：李霞等主编的《生物信息学》；陈铭主编的《生物信息学》；美国乔纳森·佩夫斯纳编著、田卫东等主译的《生物信息学与功能基因组学》。理论教学内容设置了36个学时。

实践教学内容在课程的理论讲授中穿插进行，当前并未设置独立的实践学时，具体的上机内容由学生以单独或小组形式在课后完成。实践内容主要包括四个经典的生物信息学实验：（1）熟悉三大核酸数据库等的使用，包括GenBank、ENA、DDBJ等在线数据库；（2）使用Mega进行序列比对和构建进化树；（3）基因注释与功能富集，涉及GEO、GEO2R、KEGG、GO、DAVID等在线数据库或软件工具的使用，部分学生涉及R语言的使用；（4）使用Cytoscape构建生物分子网络。实践内容主要参考：李霞等主编的《生物信息学学习指导及习题集》；陈铭等主编的《生物信息学实验》。

（二）教学模式

线下教育模式主要应用于理论教学，除使用传统多媒体教学外，还采用雨课堂教学平台开展。理论教学以学生为主体，充分调动学生的积极性，提高学生的兴趣，尤其体现学生的参与感。主要体现在：采用雨课堂实时分享教学课件；随机课堂点名回答问题；设置单选题、多选题、填空题、主观题等在课间或课后进行随机测试；讨论式教学，在教学过程中，学生随时提问，并与教师进行讨论；根据雨课堂反馈对教学难点进行重复讲授；进行学情分析，及时调整课堂授课节奏。

线上教育模式主要应用于实践教学，采用学习通平台实施。“生物信息学”是一门理论与实践相结合的课程，研究生只有通过具体的上机实践，才能够较好地理解课程教学内容所蕴含的知识点。教学模式主要包括：在理论课结束后通过学习通推送实践内容；共享实践内容相关的教辅资料；学生可以小组形式或单独完成实践操作内容；学生和教师单独或以小组形式在学习通平台上进行讨论交流；学生通过学习通提交实践报告，教师批阅后进行反馈，学生根据反馈意见进行修改，完成后再次提交；对不同层次实践报告进行展示和总结。

二、“生物信息学”在研究生的教学思考

近年来，随着高通量测序技术和生物信息学研究的发展，以往的科研模式已发生转变［2-3］，当前的生物医学科研模式已经和生物信息学数据资源检索、生物信息软件工具应用等紧密融合。为了适应这种转变，我们从教学内容、教学模式方面对研究生培养模式进行了探索。

（一）教学内容和教学模式上的探索

教学内容注重更新，力求与国内外生物信息学领域发展速度相吻合。以生物信息学数据库为例，Nucleic Acids Research每年都会发布和更新很多在线数据库，因此，教学章节中生物序列资源的内容点需要逐年进行调整。此外，大范围教学章节的设置也需要与时俱进，并结合国内外研究热点、本校研究需求点进行调整。例如，单细胞测序技术是目前生物医学研究的应用热点，我们在教学设计中也增加了相应的技术原理、数据分析、应用领域等内容讲授。而我校位于西南边陲的云南，有着丰富的中医药和少数民族医药资源，结构生物信息学在药物靶点寻找和预测中具有重要的应用，因此，理论教学也涵盖了此部分内容。

教学模式充分应用了问题导向式（Problem-based learning， PBL）和参与式（Participatory Action Research， PAR）的教学方法。PBL模式以问题为导向，引导学生自主学习、小组成员协作学习以解决问题［4］。PAR模式的优势在于充分发挥参与者的主观能动性，尤其重视学生的学习过程［5］。一方面，我们在课程的开始章节增加了生物信息学发展趋势的教学内容，并以Bioinformatics等著名期刊为出发点，引导学生关注近年文献，从中挑选1～2篇，开展自主阅读、小组形式反复阅读和讨论交流等，最终明确研究内容，并在课程的最后章节即生物信息前沿讲座中进行汇报交流。另一方面，部分研究生基础知识较为扎实，具有较好的统计学、数学、计算机科学等教育背景。我们也将这些学生组成小组，在教学实践设计中设置了文献复现环节，从生物信息学期刊中挑选出与课程教学内容紧密相关的3～5篇文献，学生在看得见的基础上，利用团队合作的力量，进行文献复现。这两方面的内容，不仅增加了研究生对国内外生物信息学研究前沿的了解，而且充分考虑了研究生的专业背景和研究需求，实现了对生物信息数据与软件工具的熟悉和应用等。

（二）教学面临的问题和解决方案

当前，生物信息学发展迅速，为保证研究生教育能够跟上生物信息学发展的步伐，在具体的教学实践中还存在诸多不容忽视的问题，我们也在教学内容和教学模式上进行了思考。

首先，教学内容的更新要更及时，与此对应的是师资力量的补充也要加强。以医学研究生教育为例，生物信息学教育已应用到各个更细的分支，比如医学检验、骨科、肿瘤学、医学微生物等学科。然而，如何构建相应的具有生物信息学特色的研究生教育体系，以及探索不同学科专业特色的教学新模式，仍然是课程设计面临的重要问题。此外，“生物信息学”课程的师资队伍流动性较大，自开课以来，参与讲授的教师有8位，其中4位教师因工作调动等原因相继退出该课程的教学工作，这与生物信息学专业本身就具有较强的就业发展趋势是高度相关的。因此，如何稳定现有师资队伍，并补充新的师资力量，以满足学科专业特色的教学培养需求，也是需要关注的问题。

其次，生物信息学的发展得源于计算机科学的发展，因此往往需要研究者具备一定的计算机知识和软件应用能力。如Pevsner教授在其编著的《生物信息学与功能基因组学》教材中也指出，在大数据时代，以生物医学科学为知识核心的人与那些以计算机科学为重点的人之间存在着很大的分歧。因此，对于生物医学相关背景的学生而言，教师的教育理念和模式也需要调整，如避免过多讲授底层算法，而是强调将生物信息学作为一种工具或手段，核心是利用其帮助学生理解生物医学研究的问题。另外，很多测序公司提供数据分析的云平台服务，而一些专门的互联网生信平台也有助于在线图表制作。因此，课程可以较好地融合这些互联网云平台技术、各类生信工具等，以开展相应的教学实践研究。

三、“生物信息学”在医学本科的探索

在医学本科教育上，我校当前的培养方案主要按照临床医学本科认证标准的要求设置课程，并未开设“生物信息学”。事实上，国内外生物信息学本科教育均处于起始阶段。邢永强等［6］分析了我国生物信息学专业所属院校的类型，结果发现除占比最高的综合类院校外，其次为医药类院校和理工类院校。昆明理工大学成立于1954年，是一所以工科为主、理工结合的综合性大学，而昆明理工大学医学院成立于2011年，在新医科背景下培养医工结合的复合型人才是办学的必然结果，而将新发展理念融入医工融合教学模式，是提升人才培养价值的重要条件［7］。

医学本科生培养与研究生培养有着极大的不同，研究生有明确的研究课题和方向，而本科生处于专业导向培养的初步阶段，其知识架构正在建立，在学习过程中，往往会缺乏积极性和主动性。“生物信息学”是一门实践性课程，其对学生的探索与自学能力具有一定的要求，这也是该课程在本科教学实施中的主要难点。尽管如此，在医学院校本科生部分专业的课程教学中，已经融入了生物信息学教育的元素，如代谢组学、生物化学与分子生物学、生物技术等。此外，在教学模式探索过程中，也取得了一定成效。例如，教师可以通过数据库挖掘、软件对比分析和模拟数据等加强科研实践来提高教学质量［8］；以及加强本科生的科研创新活动、增加实践与讨论环节，教师时刻更新课程在生物医学领域的最新进展，丰富自身的知识体系，进一步提高课程的教学质量等［9］。医学本科生“生物信息学”课程的教育可以通过优化课程设置、改革教学方法以及强化实践创新能力、积极培养专业师资等方案，从而构建具有医学特色的生物信息学研究型教学模式［10］。

四、展望

2015年，科技部组织召开国家首次精准医学战略专家会议，敲定在2030年前中国精准医疗将投入600亿元。2015年，北京基因组研究所数据中心（BIGD）成立，并于2019年更改为国家基因组科学数据中心（NGDC）。这些里程碑事件标志我国生物信息学研究已然进入了蓬勃发展的黄金时期，生物信息学已经在现代生物医学研究中得到了广泛的应用。生物信息学的重要性不言而喻。建立科学合理、具有医学特色的生物信息学课程体系，对培养生物信息学知识结构和实际应用能力的医学人才具有重要意义［11-12］。在生物医学相关专业的研究生培养教育中，需要加强教学内容的更新、师资力量的补充，以及探索不同医学学科专业特色的教学新模式，强调利用生物信息学工具帮助学生理解生物医学研究的问题，在教学设计中增加互联网相关技术、云平台技术的融合，以及开展相应的教学实践研究等。医学本科生“生物信息学”课程的教育，需要加强具有学科专业特色培养体系的构建，加大师资投入，增强对学生主动性、探索性和创新能力的培养，在专业课程中多方位融入现代化生物信息学元素，在教学模式中，需要更注重实践教学等。最终，使生物信息学融入现代医学人才的教育培养体系，以满足新医学背景下对医工结合复合型人才的培养需求［12］。

参考文献

［1］王宁，王茜.医学学术型硕士研究生科研能力与科研自我效能感的相关性研究［J］.中华全科医学，2021，19（3）：498-501.

［2］古丽娟，曾智.生物信息学在医学研究生科研活动中的意义及培养途径［J］.继续医学教育，2021，35（7）：53-55.

［3］王燕忠，但青，张钧.生物信息学在医学检验中的研究进展及研究生教学中的意义与应用［J］.全科医学临床与教育，2023（3）：242-244+255.

［4］姜梅，王娟，付小花，等.问题导向式学习在医学生物信息学教学中的实践［J］.基础医学教育，2020（11）：785-788.

［5］蒋永华，胡艳玲.参与式教学在“生物信息学”提高班教学的应用［J］.科教文汇（下旬刊），2019（18）：93-94.

［6］邢永强，刘国庆，蔡禄.生物信息学本科专业建设现状［J］.生物信息学2020，18（3）：195-200.

［7］王莉，林佳，曹蕾，等.基于“新发展理念”的医工融合教学探析：以《生物信息学前沿》为例［J］.华北理工大学学报（社会科学版），2022，22（1）：142-146.

［8］胡艳玲，黄海纯，蒋永华，等.科研实践融进生物信息学课程教学研究［J］.大学教育，2023（5）：53-55.

［9］华琳，夏翃，浅谈医学院校“生物信息学”课程的在线教学［J］.医学教育管理，2021，7（S1）：78-80+107.

［10］陈湖星，严海丹，王先龙，等.具有医学特色的生物信息学研究型教学模式探究［J］.福建医科大学学报（社会科学版），2020，21（2）：60-64.

［11］杨俊丽，韩竞，叶鸿瑾，等.医学院校生物信息学课程建设与实践［J］.基础医学教育，2019，21（2）：113-115.

［12］阮陟，王泽宇，冯晔.医学生物信息学培养研究生科研思维初探［J］.基础医学教育，2021，23（1）：64-66.