科研实践融进生物信息学课程教学研究

胡艳玲 黄海纯 蒋永华 尹富强

［摘 要］生物信息学作为一门新崛起的学科在医学本科生科研能力培养中具有重要作用。生物信息学课程符合新时代对医学本科生科研能力培养的要求，是医学研究的实用工具，可拓展学生科研能力。当前生物信息学教学上也存在不足，比如课时和内容不均衡、理论和实验不同步、学生的认识存在偏差、教材匮乏、网络教学缺失等。教师通过挖掘数据库、对比软件分析和模拟数据等科研实践能够进一步提高生物信息学的教学质量，这样学生能够在课题研究过程中加深对已学知识的理解，将所学知识运用于实践中。科学实践让学生在自主设计能力、科学研究素养和对科学实验流程理解等方面得到锻炼和提升，弥补了日常实验课的不足，同时提高了学生的思考能力和科研兴趣。

［关键词］生物信息学；科研实践；课程教学

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）05-0053-03

随着现代信息和科技的发展，分子生物学、生物信息学等学科也随之崛起，生物信息学是将数学、生物学、物理学、信息科学和计算机科学等多种学科的知识运用在生物信息的收集、分选、分析、统计和储存中，利用结果找寻生物学规律，推动了医学和医药产业不断发展。生物信息学有着更新速度快的特点与优势，更能适应现代技术研究发展的形势。

《中国教育现代化2035》提出以德为先、全面发展、面向人人、终身学习、因材施教、知行合一、融合发展、共建共享的八个基本理念。生物医学本科生参与科研实践是大学教育的重要环节，对提升他们的创新认知能力是一条良好的途径[1]。随着科技进步、社会经济发展以及教育的现代化发展，如何提升本科生的科研实践及创新能力是众多教育工作者关注的焦点。目前，已经有不少的研究表明，通过在教学设计中加入科研实践，使学生参与项目实践过程中，可以更好地提升学生动手实践能力，更能深入理解教学内容，培养他们的综合素质[2]。

本科教学的教师把科研过程中的思维方式、观点结论、分析方法等方面结合到理论授课中，使科研成果向教学转化，从而实现科研与教学的有效结合，符合新时代对本科学生教育培养专业实践能力强、科研素养高的要求。学生参与科研是大学教育的重要环节，也是提升他们创新认知能力的良好途径。学生在课堂上所学的基础知识并不足以完全接受实践上的结果，所以科研与实践相结合的教学愈发重要。

一、生物信息学课程在医学本科生科研能力培养中的必要性

（一）生物信息学课程符合新时代对医学本科生科研能力培养的要求

随着科学技术的不断创新和发展，生物医药行业也将迎来巨大提升空间。作为我国经济高质量发展战略支柱产业之一，生物医药行业所需的人才数量逐年增加。为适应医学领域高速更新换代的人才需求，紧跟先进医学科学技术发展的步伐，培养全面发展的医学生迫在眉睫。作为为一名医学生，不但需要掌握医学方面的专业知识、积累临床经验，还需要培养科研创新意识和能力。从本科阶段开始，医学生在教师的指导下可以培养良好的科研创新意识，练就良好的创新思维，积极参加科研项目，提升实验研究能力。

本科生提前接触科研有利于全面发展，特别是学校鼓励学生参加大学生创新创业项目，让他们在科研实践中培养科研兴趣。学生开展科研实验，对于医学生来说还是有一定困难度。由于医学生日常课业较多，且未来工作需要专业知识为基础，所以参加科研实验的时间也就较少，导致科研实验大多难以按时按质完成，学生也难以在科研实验中感受到乐趣，进而言之他们难以产生对科研的兴趣，也就难以继续开展之后的科研工作。

基于大数据的生物信息学随着精准医学概念的提出不断体现出其作为学科前沿的魅力[3]，可以使学生更好地找到科研的目标，指导其对疾病机理的深入研究，是沟通基础研究与临床医疗的桥梁。生物信息学课程可以帮助学生寻找感兴趣的方向，理顺实验流程，开展相关科研課题，深入了解疾病发生发展机制，弥补实验室无法满足的技术要求，使所学专业知识在实践中加深理解和记忆，提升了学生的科研素养和创新能力。

（二）生物信息学知识是医学研究的实用工具

当下生物医学领域已经得出了大量数据，利用数据分析已经成为新的研究热点。疾病诊断和治疗已经从细胞层面向分子层面转变，生物信息学通过研究核酸序列和蛋白质序列，发现疾病基因突变位点，为人类研发针对变异位点突变基因发生的疾病的治疗方法提供指引。通过学习生物信息学，学生可以培养处理生物学具体问题分析能力和解决问题的能力[4]。学生学会生物信息学的相关知识和技术，在遇到生物学问题时就能找寻突破点来解决。沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）曾表明，医学研究是在全部基因被解析后，以理论开始，用实验验证。因此，将现有数据进行分析再去验证理论，是生物信息学得以快速发展的优势。作为未来科研参与者，医学本科生应该更早接触生物信息学，掌握分析技术，使临床与科研有力结合成为可能。

（三）生物信息学课程能拓展学生科研能力

医学生本科课程就已经开展细胞生物学、生物化学与分子生物学、病理学、生理学、组织学与胚胎学、流行病学、医学遗传学等专业课，外加英语、大学生计算机等必修课，要求具备专业知识基础，熟悉掌握生物学基础理论，在进行数据筛选时对临床相关数据有极高的“嗅觉”，并能快速找寻疾病变异位点，分析所得的信息，研究突变疾病发生与发展机制。医学生本科时就学会利用生物信息学知识和技术进行实验研究和论文发表，会比其他专业学生更有竞争力[5]。如果学会并掌握生物信息学相关知识和技术，就可以进行更新科学研究，锻炼学生的科研思维，加强他们的科研能力，发表更多优秀成果。大数据时代加强医学相关案例与研究课题开发，可以提前培养医学本科生临床与研究思维相结合的能力，满足现代医学研究的发展需要。

二、生物信息学教学上的不足

（一）课时和内容不均衡

生物信息学需要学生掌握的生物基础知识很多，医学类大学在安排生物信息学这门课程时，会优先考虑医学类专业基础课程，那么安排生物信息学的课时就会被压缩，要求学生掌握的知识内容较多，课时紧张，学生对学到的知识难以消化。课程课时少和内容多的矛盾值得引起重视。

（二）理论和实验不同步

生物信息学课程学习需要理论与实践结合共进，单纯的理论知识的学习并不能满足生物信息学的教学要求。将理论课与实践课交叉进行，把一段时间内所学的理论知识尽快运用于实践，是大部分学生所接受的教学方式。实际上，生物信息学课程仍需要根据不同学校不同专业以及其他课程的安排情况进行调整，有时难以实现理论课与实践课共进。

（三）学生的认识存在偏差

根据学生对生物信息学课程学习后的反馈情况来看，多数学生依旧认为生物信息学只是作为一门科研工具学科，是依靠计算机处理核酸或蛋白质片段等方式收集信息数据。如果学生不参与科研实验，就没有机会体验生物信息学技术带来的效率，也无法正确认识生物信息学这门课程。医学类学校的生物学科专业，会相对更关注医学类专业知识讲授，在生物信息学基础概念知识讲授上不太重视，造成了在教学进化树构建知识时，学生只会利用已得序列和模型做出聚类图，但不知道序列从何而来，无法理解相似性和同源性，也无法区分直系同源和旁系同源。

（四）生物信息学的教材匮乏

生物信息学涉及多个研究领域，涵盖多方面的知识，教学材料多种多样，不同教材的内容侧重也不相同，大都与其他学科相互交融，语言编写上也有区别。生物信息学教材匮乏，医学类学校想找到相关的生物信息学教材更像是在沙漠中寻找绿洲。

（五）生物信息学网络教学的缺失

目前，我国大部分学校仍以在传统教室授课为主，2020年新冠疫情开始后才逐渐采取线上网络教学，但这种线上授课内容依然是以理论知识为主，学生接触网络实验虚拟平台的机会较少，无法跟随教师动手操作，实现网络授课还面临较多困难。

三、完善医学院校生物信息学课程教学的手段

（一）医学本科生科研实践嵌入教学培养方案体系架构的设计

医学本科生的科研实践与创新能力培养应与教学结合，以学生为中心，课堂整合教学、科研与实践相结合，在培养学生创新性思维的基础上，努力提高他们的创新实践能力为关键。其目标是实现学科建设、教学科研、人才培养相融合的发展模式，达到“德育为先，能力为重”的人才培养体系。医学本科生科研实践嵌入式教学培养体系架构，如图1所示。

（二）教学资料中提取医学相关内容

生物信息学的内容涵盖多门学科，不单单是涉及医学方面。而医学专业课程和生物信息学课程的课时权重不同，生物信息学在有限的时间内更应该合理选择教学内容，比如分子数据库的原理和应用、计算机模型的构建和使用、算法优化的方法和应用等，教学内容全面且各有侧重。医学院对学生授课时可以向临床问题靠拢，解决临床和科研实验中发现的问题，并利用生物信息学开创医学新视角，发掘医学新方法。另外，计算机编程或数学计算也可以适当作为教学内容。

在医学院校中，生物信息学的教学内容可以将基因组学、蛋白质组学、高通量测序和基因芯片等原理知识包括在内，详细讲解GEO数据库、TCGA数据库、ICGC数据库和MSK-IMPACT等数据库的选择和使用，依靠专业基础知识学习基因组序列信息的提取和分析、生物大分子结构模拟和药物设计、蛋白质功能预测等内容，开展相关科研课题实验，帮助学生巩固已学的专业知识，培养学生的科研兴趣与创新能力。

（三）教学融合临床相关案例

生物信息学不仅需要理论知识，还需要实践经验。教师在备课时加入一些案例，授课时利用案例跟学生互动，指引学生自主思考、合作讨论，解决医学临床问题。生物信息学课程的绪论部分内容想要引起学生兴趣，除了介绍相关概念和应用领域外，还可以分享国内外最新科研成果。教师进行章节教学时，首先，在课堂上提出案例，抓住学生的注意力，再展开讲解案例流程，如方案设计、研究方法、结果结论、讨论分析；其次，组织学生就案例自主讨论，提出疑惑，教师解答；最后，分配课后练习，提供数据库操作指南，规定以小组为单位来完成以后，提交实验结果报告，鼓励主动找寻解决方式，将被动接受示例方法转变为主动学习解决方法，既锻炼了学生的自主思考能力，又培养了团队协作能力。教师再根据小组课后作业完成度给予评分。

学生在课堂上可以跟随教师提供的案例去了解生物信息学的某一个知识点在科研实验的哪一步骤被应用，这样可以清晰指引学生的学习思路，提高学生的学习效果。医学本科生在初步接触科研实验阶段，教师选择教学案例时要充分考虑学生的知识范围和接受能力，案例涵盖教学知识大纲的同时又应具有科学性和新颖性，跟上新时代发展要求，让学生能继续向科研方向发展。临床研究利用生物信息学对临床数据进行分析计算，找寻疾病基因突变位点，梳理造成疾病发生的原因，筛查疾病诊断和治疗的基因靶点，为临床治疗方案优化提供理论依据和方向[5]。学生尽早接触临床研究案例，可以为日后的科研积累经验。关注世界卫生组织发布的公共卫生事件，将相关案例放进教学课堂，如之前的新冠疫情，利用生物信息学分析病原体抗原，确定SARS-CoV-2主蛋白酶的晶体结构，分析其基因组序列，明确了其来源和与其他病毒的同源性。另外还可以针对肿瘤疾病开展生物信息学分析，筛选肿瘤基因组中哪些基因参与了腫瘤的形成或发展，找到新的原癌基因或抑癌基因，优化肿瘤早期诊断和肿瘤治疗等方法。这些案例已有成套的研究模式，能更好地培养学生的应用能力。

（四）教学连接医学前线，开展相关临床课题

生物信息学作为引领医学领域研究的一门学科，应关注其前景发展。依赖教师自身的知识容量和技术熟练程度，可以关注学科发展动态，优化教学方式和授课内容。教研室配备教师应科学合理，不仅要有从教经验丰富的教授进行绪论讲述，还要有身在科研前线的博士为学生讲解医学技术方法与研究热点，带领学生从入门到自主进行相关操作。同时，可以邀请国际知名大学交换进修的年轻教师授课，或者青年教师在海外进修后回国教授国外的前沿技术，这样可以扩展课程教学视野，提高生物信息学的学科教学水平。

生物信息学以实践辅佐教学，倡导教师带领学生参与前沿临床研究，将生物信息学应用于实践教学中。部分医学院校实施一对一的指导模式，即一名导师负责指导一名学生，指导学生利用生物信息学相关数据库筛选临床信息，利用相关技术进行临床数据分析等工作，完成临床科研前沿课题。利用生物信息学的前沿优势，促进教、学、研一体化教学模式，培养医学领域科研人才，推进教育事业发展[6]。另外，教师应鼓励学生将焦点瞄向最新的科研发展动态，丰富自身的学科知识储备量，提出疑点或问题，培养自我创新意识[7]。

四、结语

随着信息时代的到来，在大数据下供医学本科生选择的研究方向也更为广泛，学生可以自主思考，开展创新课题研究，锻炼自己的创新思维。构建医学生物信息学课程教学体系，加强临床案例分析，增加临床相关课题研究，为本科医学生培养临床和科研结合的思维，符合现代医学科研发展的要求。临床医学的本科生通过学习生物信息学，不仅能培养自身的临床和科研能力，还促进自身的未来职业发展。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 袁鑫，孙敏，翟慕赛，等.科研经历对理工类本科生创新能力培养的分析与探讨[J].江苏科技信息，2018，35（31）：57-59.

[2] 崔正波.中国国家基因库：功能及意义[J].生态经济，2016，32（12）：10-13.

[3] 胡烔宇，张东霞，韩健.医学生物信息学人才培养的理论探讨[J].西北医学教育，2016，24（1）：32-34.

[4] 陈铭.大数据时代的整合生物信息学[J].生物信息学，2022，20（2）：75-83.

[5] 杨晓勤，高上上，吴华.RBL教学模式培养“5+3”一体化医学生科研思维的探索[J].基础医学教育，2021，23（9）：609-611.

[6] 袁鑫，孙敏，翟慕赛，等.科研经历对理工类本科生创新能力培养的分析与探讨[J].江苏科技信息，2018，35（31）：57-59.

[7] 杨蒙蒙，邓三星，王硕博，等.理工类本科生科研实践与创新能力培养研究[J].机电技术，2021（4）：117-120.

[责任编辑：雷 艳]