临床医学8 年制生物信息学课程教学的探讨

临床医学8 年制生物信息学课程教学的探讨 临床医学8年制生物信息学课程教学的探讨 邹凌云，胡福泉 (第三军医大学基础医学部，重庆 400038) [摘要] 结合近年的教学实践，对临床医学8年制本科开设生物信息学课程的必要性以及具体教学过程的实施进行探讨，阐述了在选择、教学内容安排和教学方法创新上的一些经验和认识，为该专业生物信息学课程建设和教学实施提供参考。 [关键词] 8年制;生物信息学;课程教学 [中图分类号] G642.3 [文献标识码] A 近年来，生物信息学在各医学院校越来越受到重视，多所院校相继在临床医学、药学等 [1]专业的研究生中开设了生物信息学课程。而对于医学本科层次是否需要开设生物信息学课程这一问，虽然目前各方面的观点不一，但是已经有一些院校开始进行尝试。临床医学8年制是一种新的临床医学专业人才培养模式，该专业的课程设置与临床医学5年制本科差别 [2]较大，课程体系也还处于逐步完善的过程。生物信息学作为一门新课程，在8年制临床医学专业学生培养中的作用正日益受到关注，逐步被一些开设了此专业的院校选择作为必修课或者选修课。此外，临床医学8年制生物信息学课程的教学如何实施，也正在成为一个需要合理解决的现实问题。 一、课程开设的必要性 生物信息学使用计算机和信息技术来对生物学(包括医学的)数据进行存储、检索、分 [3]析和理解，揭示其中的生物学意义，是生命科学的前沿学科。对于医学专业学生而言，通过生物信息学课程学习，能够掌握如何利用互联网上的各种生物信息资源、如何检索和获取生物信息数据、如何选择和使用各种生物信息学软件来数据，等等。在实验科学越来越依赖于合理的数据分析的今天，这方面的知识和技能的培养对于医学生今后从事医学科研工作是非常重要的，对于临床实践也有一定的帮助。因此，在医学专业学生中，尤其是将来从事科学研究的研究生中开设生物信息学课程非常必要。我校从2007年开始将生物信息学设置为研究生的基础必修课。在我国医学院校中，临床医学8年制专业学生往往进行单独培养和单独授课，经历的各学习阶段具有连贯性，与其他专业的本科和研究生过程培养基本没有 [4]交集，其生物信息学知识和技能的掌握就需要通过专门开设课程来实现。我校从2009年开始开设临床医学8年制生物信息学课程，并设为必修课。 概而言之，在临床医学8年制专业中开设生物信息学课程，能够为该专业学生的临床和科研方面的素质的积累提供必要的生物信息学方面的知识，更重要的是使得学生掌握重要的生物信息数据库和分析工具的使用，增强在医学和信息科学交叉的领域解决问题的技能。在这些方面，其意义和在研究生开设这一课程的意义是几乎等同的。 二、课程的教学实施 (一)教材的选择 目前，国内的生物信息学中文出版物有数十种之多，近年来的出版速度还呈上升趋势，新的书籍、电子出版物不断涌现。这些出版物的内容侧重点各不相同，面向的读者群也不一 [5]样，并非全部都适合于作为教材。生物信息学是一门发展很快的学科，其中的知识在不断更新中，相关出版物的内容更新也比较快，这也给教材的选择增加了难度。医学院校生物信息学教学不要求学生掌握该学科中复杂的理论和大量的算法原理，而注重对学生实践能力的培养，因此应该选择能够深入浅出讲授理论知识，并且注重应用，能够理论联系实际的出版物作为教材。我们通过内容比较，选择了一些适合于作为医学院校生物信息学课程教材的书籍，列于表1。 表1 一些适合医学院校作为教材使用的生物信息学出版物 书名 作者(编者) 出版社 出版时间 适合教学对象 生物信息学 赵国屏 等 科学出版社 本科、研究生 2008 生物信息学 许忠能 等 清华大学出版社 本科生、研究生 2008 生物信息学 陶士珩 等 科学出版社 本科生、研究生 2007 生物信息学 李霞 等 人民卫生出版社 本科生、研究生 2010 生物信息学基础 孙啸 等 清华大学出版社 研究生 2005 生物信息学分析实践 吴祖建 等 科学出版社 实践课使用 2010 生物信息学实验指导 于浩 等 吉林大学出版社 实践课使用 2009 生物软件选择与使用指南 李军 等 化学工业出版社 实践课使用 2008 我们选择人民卫生出版社出版的《生物信息学》(李霞主编)一书作为临床医学8年制生物信息学课程教材，该书是卫生部“十一五”规划教材，专门针对8年制及7年制临床医学等专业学生编写。国内多所医学院校生物信息学教学骨干教师参与了该书的编写工作。该书的内容翔实，图文并茂(彩色插图)，注重以问题为中心来展开理论阐述和应用分析，注重实例分析和知识拓展，带有课后习题，既能满足课堂教学的需要，也适合于学生课后阅读和自学。此外，该书还特别增加了多个章节来介绍计算表观遗传学、人类复杂疾病与计算系统生物学、单核苷酸多态性与人类疾病、microRNA与复杂疾病等方面的知识、资源、方法和工具，及时地收纳了临床医学涉及的生物信息学研究方面的内容，满足了教师和学生的双重需求，既是一本合适的教材，也是一本合适的参考书。我们针对8年制学生的特点对该书的内容进行了一定的取舍，简化了很多章节的教学内容，力求达到深入浅出的教学效果。此外，我们还专门编写上机课指导讲义来配合上机实践课的教学实施。 (二)教学内容的安排 临床医学8年制本科阶段的教学任务非常紧张，每学期的课程安排紧密，学生学习压力很大。我校为了减轻学生负担，各课程的课时数都比5年制学生有所减少，课程之间的整合 程度更大。生物信息学被列为该专业的必修课，一共30学时。为了在较短的学时内实现教学效果的最大化，我们结合该专业学生的特点和需求，将授课内容分为理论课和实践课两部分，二者的学时数比为21:9。理论课主要介绍基本的生物信息学理论、资源和数据的获取、分析方法和工具的使用;实践课则通过上机操作，使用生物信息数据库和软件来解决问题。 理论课主要内容包括:生物信息数据库与BLAST搜索、多序列比对、分子进化与系统发生分析、基因组序列分析、蛋白质序列和结构分析、基因芯片数据分析等六个专题。 实践课主要内容包括:常用分子生物信息数据库(Genbank、OMIM、Uniprot、PDB、Pfam等)的数据查询、数据格式的解读、数据下载;NCBI EntreZ检索系统和相关分析工具的使用;Expasy各种资源的使用;蛋白质结构数据的获取和观察;利用NCBI BLAST和Uniprot BLAST搜索相似序列;使用ClustalX、BioEdit进行多序列比对;使用MEGA进行分子进化分析;使用DNAStar Lasergene软件包进行基因组序列的注释和综合分析，等等。 在理论课和实践课实施过程中，注重将与生物信息学相关的生命科学和医学前沿的一些最新进展和最新成果引入理论知识讲授和上机操作过程中，让学生在有限学时内能够进一步认识生物信息学的内涵和课程的价值，追踪前沿学科的动态，开拓视野。 (三)教学方法的探讨 临床医学8年制学生的基础牢固，学习能力强，主动性高，生物学和计算机知识都比较丰富，能够较快的接受生命科学前沿的知识，这些是学习生物信息学这类课程的有利条件。但是，生物信息学涉及数学和统计学、数据库和算法、生物学等多个学科领域，交叉性强，在较短的学时内学好这门课程的难度很大。因此，除了教学内容上的精心选择以外，教学方法上也有很多需要革新乃至创造的地方。我们在教学过程中，注意对教学方法的创造和，形成了以下两点经验。 1. 教学过程凸现医学特色，教学手段多元化。学生的学习兴趣与教学内容和手段关系密切，临床医学8年制学生的课程学习主要是为将来的临床工作打基础，因此他们对医学相关的知识兴趣浓厚。在教学内容上，我们引入医学相关的实例来进行教学，比如讲解生物信息数据库的时候，介绍一些人类疾病相关数据库如OMIM、Gene Ontology、KEGG，通过检索人类疾病相关基因数据的例子来学习EntreZ检索系统的使用;在分子进化专题学习中,以临床感染相关病毒和细菌的进化为例来讲解进化树的构建方法;在基因芯片数据分析专题中，以癌症组织和正常组织芯片数据的表达差异分析为例进行讲解，等等。课堂上教学实例的设计需要任课教师在备课时投入大量精力来完成，还需要教师具备多学科交叉的知识，因此，我们在全校包括附属医院中选择符合条件的教师，组建了跨学科的教学组。教学实践表明，与医学相关的生物信息学分析实例可以让学生更好地认识该课程的作用，大幅度提高学生的学习兴趣和学习的主动性。此外，课堂教学手段也应该丰富多彩，多媒体教学中可以充分使用图片、动画等元素，比如分析基因组和蛋白质数据时，三维基因组结构图和Pymol构建的蛋白质三维模型具有很好的视觉效果;实例分析时可以进行一定的现场演示，比如讲 解EntreZ检索系统时可以在互联网上边演示边讲解。考虑到该专业学生英语水平较好，我们在某些课次中实施双语教学，教员通过英语与学员进行互动，明显活跃了课堂气氛，也提高了教学效果。此外，我们还安排了讨论课，课前设计好一个综合性的与疾病相关的问题，在课堂上提出问题，让学员分组讨论并给出使用生物信息学方法解决该问题的答案，这种类似于PBL教学的方法也被学生所接受。此外，在课堂上适当介绍基因组和生物信息学领域的一些最新进展来拓宽学生的视野;在课后不定期安排若干问题让学生自己去完成，这些问题主要围绕生物信息数据库的使用展开，因为这方面的应用可能是他们今后频繁遇到的。 2. 对上机课进行充分设计，注重提高学生的实践能力。课程中安排4次左右的上机课，让学生能够得到一定的实践锻炼。临床医学8年制学生动手能力强，计算机基础较好，对于生物信息学上机课的兴趣往往高于理论课。每一次上机课我们都花费较多的时间来设计，采用任务完成式的上机教学方式来实施。教师在上机课课件中提出一个分析题(任务)，并提出相互关联的若干问题，要求学生上机操作来解决这些问题，教师通过辅助讲解和答疑的方式参与进来。问题的设计是上机课能否取得预期效果的关键，因此，我们将医学问题与生物信息学问题相结合来设计上机课的任务题，比如首先介绍勒伯尔先天性黑朦(Leber Congenital Amaurosis，LCA)是一种遗传疾病，最新发现一个基因LCA5与该疾病相关，然后提出一系列问题，要求学员通过数据库搜索找到该基因的mRNA序列和蛋白质序列并解读序列的结构，通过BLAST搜索找到多个同源基因和蛋白质，完成同源蛋白的多序列比对并分析保守的结构域，使用MEGA计算同源基因之间的进化速率，使用Primer Premier 5设计该基因的PCR引物，获取该基因编码的蛋白质的结构数据并进行观察，预测该蛋白质的二级结构，通过数据库搜索寻找与该基因相互作用的分子，等等。我们把上机课的教学摆在课程教学最突出的地位来对待，主要目的是为了让学生在学习这一课程后能感到有所收获，在动手能力方面取得进步。 (四)考核方式的变革 考核是检验课程教学效果的重要环节，作为必修课，既需要遵循学校相关的考试制度，也需要通过对考试方式的变革来提高考试效果。我们将课程考核与学生的实践能力考核联系起来，结合学生课外实践、上机课的任务完成情况和考试成绩，综合评定。在课程中安排一次课外实践任务，要求学生结合医学或生物学问题设计一个生物信息学分析实例，独立完成相关分析，提交电子版或书面，该部分占考核成绩的30%;每次上机课完成上机任务后，提交电子版的分析结果和讨论，占考核成绩的30%;课程结束后安排一次考试，内容包括基础知识和综合分析，尽量采取灵活的出题方式，并控制题量，占考核成绩的40%。这两年的教学实践表明，这种综合评定的方式能够反映学生对该课程的掌握程度，体现学生利用生物信息学知识解决问题的能力。考核结束后我们及时进行考试分析，利用分析结果检验考试效果，总结经验和不足，并在今后的该课程教学中改进和提高。 三、结束语 临床医学8年制生物信息学课程教学的实践表明，该课程能够提供给学生所需要的生物信息学知识和技能，但是在课程设置、教学内容选择、教学方法和手段使用、教学效果评价等诸多环节都需要进一步探索和创新。在这个过程中，我们既需要吸收传统教学模式中的优 和不脱离实际，又需要大胆创新，更新教学理念，突出医学特色，尝试点和精髓，做到严谨 新的教学方法和手段的应用，将教学过程充分与临床医学8年制学生的优势相结合，才能够在本课程的教学中不断取得进步，形成这门课程自己的风格和特色，实现课程的价值。 [参考文献] [1] 谭宁. 医学硕士研究生生物信息学教育初探[J]. 华夏医学, 2008, 21(5): 967-969. [2] 李亚敏, 陈俊国. 临床医学八年制的现状分析与思考[J]. 中国高等医学教育. 2010, 4: 117-118. [3] 赵国屏. 生物信息学[M]. 北京: 科学出版社, 2002.4. 万成松. 我国八年制医学教育的现状与专业建设初探[J]. 医学教育探索, 2010, [4] 高凯, 9(4):433-435. [5] 王兰萍. 生物信息学课程建设的初步探讨[J]. 生物信息学, 2007, 5(3): 143-144. [收稿日期] 2011-04 [作者简介] 邹凌云，男，博士，讲师，研究方向:生物信息学与微生物基因组学 [基金项目] 重庆市高等教育教学改革研究重大项目(“生物信息学课程建设的实践研究”， 渝教高[2010] 48号)