八年制醫(yī)學教育中開展《生物信息學》教學的實踐探討

                            作者：徐良德 馬曄 孫紅梅 常志強 李霞 

        2009年，衛(wèi)生部立項“十二五”八年制規(guī)劃教材《生物信息學》的編寫工作，并將生物信息學列為八年制醫(yī)學生的必修課。這是中國現(xiàn)代醫(yī)學教育的一件大事，一方面體現(xiàn)國家對高等醫(yī)學人才全面發(fā)展、提高理工科理論水平的重視程度；另一方面也表明生物信息學理論已經(jīng)深入到生物醫(yī)學科研和實際應用層面，理論生物醫(yī)學研究已經(jīng)被國內(nèi)院校所接受，成為生物醫(yī)學學科群的重要組成部分[1]。
        生物信息學是一門新興的交叉學科，有非常明顯的理工科特性，即在有良好的生物醫(yī)學背景下，注重數(shù)學思維和計算機操作能力，這對于我們目前以醫(yī)學專業(yè)學習為主的高等醫(yī)學教育產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)。如何在有限的學時基礎上，完成生物信息學教學任務的同時，讓學生初步掌握科研、臨床中應用生物信息學的能力，形成理工科處理醫(yī)學問題的思維，是目前在八年制學生中開展生物信息學教學迫切需要研討的問題。筆者作為主講教師于哈爾濱醫(yī)科大學完成了兩輪八年制生物信息學教學任務，通過教學過程、課后調(diào)研及考試分析，總結了八年制學生對學習生物信息學的一些認識和學習期間遇到的問題，在這里共同探討，以便于推進醫(yī)學院校生物信息學的教學工作，培養(yǎng)更高理論和實踐層次的醫(yī)學人才。
        一、授課對象
        課程面向臨床醫(yī)學八年制學生93人、基礎醫(yī)學八年制（基地班）學生60人，學生入學錄取分數(shù)高于生源地重本線50分以上。開課時兩個專業(yè)的學生均處于大學三年級，已經(jīng)學完高數(shù)、計算機基礎等理工基礎課，分子生物、細胞生物等生物學基礎課，以及組胚、生理等醫(yī)學基礎課，開課學期同時學習遺傳、免疫、病理和藥理學課程；部分學生參加PBL教學，已經(jīng)完成呼吸、消化、循環(huán)系統(tǒng)的知識學習。
        二、教材和課程內(nèi)容選擇
        面向兩個軌道分別開展《醫(yī)學信息分析方法》（36學時）和《生物信息學概論》（56學時）兩門課程。兩個軌道均以人民衛(wèi)生出版社規(guī)劃教材《生物信息學》2010年第一版為主講教材[2]，結合臨床醫(yī)學和基礎醫(yī)學的學科特點，采取教師自主選擇內(nèi)容的方式講授。
        在臨床專業(yè)中以疾病理論和分析方法為中心，專題式講解疾病分析相關資源、研究策略和常用軟件工具。36學時的《醫(yī)學信息分析方法》講授疾病數(shù)據(jù)資源和系統(tǒng)理論、遺傳多態(tài)與疾病定位、轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息學與復雜疾病分析、miRNA表達與疾病分類、疾病狀態(tài)表觀遺傳改變，及測序技術與疾病研究進展等6個專題。每個專題包括4學時理論課程和2學時上機實踐。理論課程強調(diào)分子生物學基礎、實驗設計思想和分析理念，實踐課程以疾病為中心，由教師指引，學生自主完成一個小規(guī)模的實驗設計、數(shù)據(jù)下載到結果分析的全程化信息學實踐。
        在基礎專業(yè)中強調(diào)生物醫(yī)學研究數(shù)據(jù)資源、計算生物醫(yī)學方法和實驗設計手段，系統(tǒng)講解生物信息學在生物醫(yī)學研究中的理論和實踐技術。講授內(nèi)容涉及序列數(shù)據(jù)資源與分析方法、分子進化、基因表達與調(diào)控、蛋白質(zhì)組學信息學、網(wǎng)絡系統(tǒng)生物學、遺傳和表觀遺傳計算分析、疾病的計算系統(tǒng)生物學等較全面的生物信息學方法和理論，要求學生能夠在生物醫(yī)學研究中貫穿理工科分析思維，不僅能熟練運用相應的網(wǎng)絡資源和軟件工具，還能對生物信息學方法理論有一定了解，熟悉不同方法的擴展性應用。理論和實踐課基本按照2比1分配，實踐課程根據(jù)內(nèi)容需要選取生物學或醫(yī)學問題進行全程模擬實驗。
        三、考試形式和分析
        現(xiàn)階段，兩個八年制專業(yè)的生物信息學教學以必修考查課形式進行，采取開卷考試、實驗報告和標書設計三種考核方式，以便于了解學生對本門課程的學習和對生物信息學研究思想的領悟情況。
        開卷考試試題均為主觀題，其中理論基礎題考查概念、重要的研究思路和經(jīng)典的研究方法；案例分析題要求學生能夠在學過的或書本上的知識基礎上，聯(lián)系生物醫(yī)學知識進行案例分析，選取相應的方法解決特定的問題；思維拓展題給定學生主題詞，由學生進行以生物信息學方法為工具的課題流程設計�？荚嚱Y果表明學生能夠通過學習了解基本的生物信息學方法，并具備初步運用新方法解決實際問題的能力，但考試也反映出，大學三年級學生還具有一定的科研思維局限性，不能夠完全把握課題設計過程的創(chuàng)新性和可靠性原則。
        實踐能力考查主要通過實驗報告進行，實驗報告要寫明研究問題名稱、實驗數(shù)據(jù)、處理方法、處理結果和結果分析討論。通過實驗報告的提交，學生基本能夠就相應的問題自主選擇數(shù)據(jù)、進行一般性軟件分析，并能夠?qū)�實驗結果進行知識面內(nèi)的討論和思考，得出符合問題要求的結論。      標書設計作為課后實踐，要求學生就自己感興趣的研究方向進行課題設計。設計內(nèi)容可以為生物信息學方法研究，也可以以生物信息學為工具進行生物醫(yī)學問題的探討和分析。大多數(shù)學生能夠通過文獻查閱、原先具備的生物醫(yī)學知識總結，發(fā)現(xiàn)有意義的生物醫(yī)學問題，設計內(nèi)容具有現(xiàn)實意義和一定創(chuàng)新性的，部分課題還有較好的可行性。很多標書設計也暴露出在三年級開展生物信息學時，學生的臨床醫(yī)學知識還比較欠缺，有時候不能很好的發(fā)現(xiàn)具有醫(yī)學意義或應用價值的課題，也比較難于理解生物信息學在實際應用中的價值。
        四、學生反饋和教學心得
        通過課堂互動、課程臨近結束時進行的問卷調(diào)查，筆者進一步了解了學生在生物信息學學習過程中的一些困惑，及一些意見和建議。主要問題如下： 
        1、課程理論性強，計算強度大
        學生們普遍反映生物信息學與他們學習的其他課程不一樣，生物醫(yī)學課程偏向于文科性質(zhì)，主要靠記憶，而生物信息學理科特性很強，需要深入理解分析。另外學生的數(shù)理知識有限，感到有些算法比較難，根本聽不懂。
        2、課程內(nèi)容多，課時少
        許多學生通過學習對生物信息學產(chǎn)生了濃厚的興趣，真切感受到生物信息學對于他們未來的學習、科研和臨床工作將有很大幫助，但是課時太少，不能夠在現(xiàn)有課時下理解全部理論。
        3、實踐課時少，計算機能力薄弱
        絕大多數(shù)學生都認為生物信息學需要通過理論結合實踐的方法來學習才能更好的掌握�，F(xiàn)有的實踐課程只能完成基本的教學任務，對于眾多的研究工具和研究方法只有感性認識。另外大家在實踐中也感覺到自身的計算機知識很有限，在高通量數(shù)據(jù)處理面前力不從心，影響對問題的分析能力。
        4、課程開課偏早，背景知識不全
        很多學生反映三年級時，八年制學生還沒有進行統(tǒng)計學、臨床各學科的培養(yǎng)，知識背景不足，很難理解生物信息學中重要的算法公式，也很難對醫(yī)學問題進行更為深入的思考。
        學生們的反饋基本上反映出他們在學習生物信息學時所遇到的困難。筆者所在教研室教師（包括多名規(guī)劃教材的參編者）共同進行了深入探討，認為應當根據(jù)學生意愿向?qū)W校申請①增加理論課課時，分別由24和36增加為28和44學時；②增加實踐課課時，分別由12和20增加20和28學時；③適當降低理論難度，減少不必要的數(shù)學理論推導，提請學校為八年制學生增設概率統(tǒng)計和計算機編程課程。
        生物信息學的理工科特性決定了生物信息學課程在醫(yī)學教育中開展的難度。雖然醫(yī)學院校學生課業(yè)重、訓練強度大，但是現(xiàn)代生物醫(yī)學發(fā)展趨勢告訴我們，生物信息學必然在未來的生物醫(yī)學研究中處于關鍵地位[3]。不斷改進教學手段、加強教學過程的趣味性，更為全面的貫徹以疾病和問題為中心的教學理念，培養(yǎng)理工醫(yī)結合的現(xiàn)代化醫(yī)學人才是生物信息教學工作者共同的努力方向，這些理念在不久的將來也會隨著教學實踐的不斷深入而在新版《生物信息學》出版時得到進一步體現(xiàn)。
參考文獻：
[1] Wei Liping and Yu Jun; Bioinformatics in China: A Personal Perspective [J]; Plos Computational Biology, 2008, 4(4): e1000020.
[2] 李霞主編. 生物信息學. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2010, 13-25.
[3] Ned Wingreen and David Botstein; Back to the Future: Education for Systems-level Biologists [J]; Nature Review Molecular Cell Biology, 2006, 7(11): 829-832.

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