《生物信息学》教学实践探讨

寻 萌，陈艳炯，杨 娥，邵明明，李 薇，宋 娟，楚雍烈

(1.西安交通大学医学院免疫与病原生物学系，陕西西安 710061;2.西安医学院医学技术系，陕西西安 710021)

《生物信息学》教学实践探讨

寻 萌1，陈艳炯1，杨 娥1，邵明明2，李 薇1，宋 娟1，楚雍烈1

(1.西安交通大学医学院免疫与病原生物学系，陕西西安 710061;2.西安医学院医学技术系，陕西西安 710021)

从教学实际出发，总结了医学院校《生物信息学》教学实践中的一些体会，探讨了提高学生生物医学信息处理能力的教学模式、教学内容和方法。期望通过《生物信息学》课程的讲授，使学生了解到生物信息学发展的前沿，掌握生物信息学的基本分析方法，最终达到能够在科研中独立应用生物信息学进行分析的目的。

生物信息学;教学实践;教学方式

生物信息学(bioinformatics)是一门由生物学、计算机学、信息管理学、应用数学以及统计学等多门学科相互交叉而形成的新兴学科，简单的说就是利用计算机技术解决生物学问题的一门实用性非常强的学科[1]。它主要研究生物信息数据的收集、整理、存储、检索、加工与分析，通过综合应用生物学、计算机和信息技术等手段，进而达到揭示纷繁复杂的数据中所蕴含的生物学本质的目的[2]。能够在医学管理、教学、科研、临床医疗诸多领域中，帮助医学工作者作出决策并解决问题。

20世纪末，随着人类遗传密码的破译、多种模式生物基因组测序的完成，以及功能基因组和蛋白质组研究的开展，有关核酸、蛋白质的序列和结构等生物学数据呈现指数式增长模式[3]。这样庞大复杂的数据，如果仅仅依靠人脑的处理，是无论如何也完成不了的。因此，运用计算机辅助分析数据、排除分析误差、加快分析过程势在必行，生物信息学也就是顺应此需要而快速发展起来的。

西安交通大学医学院是西北地区率先开设这门课程的高校之一。自2002年开设《生物信息学》课程以来，历经逾10年的时间。目前，《生物信息学》是医学院研究生的必修课目、本科生的选修课目。学生专业涉及基础医学、临床医学、口腔、预防、法医、药学等，每年授课人数近500人。

本文根据笔者多年的生物信息学教学实践，对该课程的重要性及教学实践进行总结，提出几点见解，希望能引起同行专家对《生物信息学》教学方式的关注和交流，由此推动教学质量的提高。

1 《生物信息学》课程的开设，实属必要

生物信息学是一门实用性非常强的学科，内涵涉及广泛，应用领域宽广，它所提供的研究工具对生物学、医学发展至关重要。生物信息学技术在发现与识别人类疾病基因，研究基因与蛋白质的表达和功能方面发挥着关键的作用，并可帮助人类阐明疾病发生的遗传背景和分子机制，提出相应的预防措施及开发新的治疗药物[4-5]。因此，是所有从事生物医学相关学科的科研人员、临床医生、教师和学生必须掌握的知识和技能。同时，当前我国高校的人才培养模式已转变为培养“科研型人才”为主，不论本科生还是研究生，在日后的学习阶段都要进行科研工作，而生物信息学知识恰好可以帮助学生确定研究课题，明确研究方案，简化数据分析，缩短研究时间，加强分析深度，最终提高研究的可靠性和成功率，让学生少走弯路，避免不必要的重复。另外，学习生物信息学知识也是适应日后就业的需要，只具有理论知识和传统实验技能的学生目前已经不能满足用人单位的要求，同时兼备生物学理论、技术并能获取生物学最新数据和对其分析的学生才是当今时代的需要[6]。因此，开设《生物信息学》这门课程实属必要。

2 理论教学随时更新，与时俱进

任何学科都在不断地发展完善，尤其是《生物信息学》，更新速度更快。随着新的应用领域的扩展和新问题的出现，其他学科的方法也在不断地应用到生物信息学之中，这一点进一步增加了《生物信息学》多学科交叉融合的广度和深度。因此，在教学工作中教师必须紧跟学科发展方向，随时进行知识体系的更新补充，了解国际最新的前沿动态，掌握新方法、新工具，适时调整教学内容，将最新的知识传授给学生。同时，也要在教学中激发学生对科研的兴趣，鼓励学生通过各种途径自觉地关注医学发展动态，拓宽知识面。

另外，近年来，随着生物信息学的重要性越来越被大家认可，介绍和讲授生物信息学的书籍也不断涌现。但是由于各个编者的学科背景不同，各种专著的侧重点和特点也不尽相同。在这种情况下，我们教研室就在开课初期，针对医学院学生的特点，自主编写了《医用生物信息学概论》这本教材，由陕西科学技术出版社出版，作为学校《生物信息学》教学的主要参考教材。这本教材主要是从生物学研究工作的实际需要出发，针对科研工作中可能遇到的问题进行讲解，重点讲授现有生物信息学工具的使用，着重培养学生的能力，帮助学生建立一个生物信息学的思维模型，以适应今后工作学习的需要。而对于偏计算机专业的计算方法或模型的建立等非生物领域的问题只做简单介绍，让学生大致了解即可。而且，在书的附录部分还编写了上机实习指导以帮助学生在上机操作时更加一目了然，容易上手，并且可以加深和巩固学生所学的知识。目前，由于学科自身的发展和知识体系的不断更新，正在积极筹备改版，希望将这门课程的新近发展补充进去，与时俱进。

3 根据学生专业背景调整教学内容，深受欢迎

医学院学习《生物信息学》的学生，专业包括基础医学、临床医学、口腔、预防、法医、药学等，专业涉及广泛;研究的对象有人、动物、微生物和植物，主体不同，研究的内容也分为生理生化、分子生物学和细胞生物学等不同层次，所以，各个专业背景的学生对这门课程的需求也不尽相同。因此，在实际教学过程中，我们会根据上课学生的专业特点、研究对象和内容，针对性的确定教学内容。比如，对于药学专业的学生，在介绍文献数据库时，不仅介绍医学专业学生常用的数据库，另外还向同学讲授药学专业常用的《化学文摘》(CA)数据库。《化学文摘》是世界上最大、最全面的化学信息数据库，它不仅整合了文献数据库，还具有检索化学结构式、化学物质登记号和三维图像的功能，是药学专业工作者从事科研工作必须掌握的工具，因此，向药学专业的学生介绍这一工具，实为必要。经调查，这样根据学生专业来调整教学内容的授课方式深受同学们的欢迎。

4 利用多媒体网络教学，边学边练

西安交通大学是西北地区率先开通中国基础教育网的高校，网络资源非常普及，不仅每个教室、每个宿舍都通有网络，而且，近期又开通了无线上网服务，使得在校园的每个角落师生都能方便的使用到流畅的网络资源。而且，学校教室均为多媒体教室，配备有多媒体投影播放系统，能够完成形式多样的多媒体教学。以上这些硬件设施都为《生物信息学》课程的开设提供了良好的物质基础，使得《生物信息学》的理论教学突破了传统的粉笔和黑板的教学模式，结束了学生抽象地、艰难地接受教师填鸭式教学内容的窘境。在使用了“多媒体网络教学”后，教师在讲授某一较为难于理解的概念、工具、操作时，就可以直接连接到网络或打开相应软件演示给学生，让学生一目了然。当堂的“多媒体网络教学”灵活生动、简明扼要，起到了事倍功半的效果。比如，在给学生讲解蛋白质的空间构型时，如果单凭教师的平面讲解和学生的想象，是很难达到真正理解的效果的，而当堂使用了三维图像软件以后，就能给学生直观生动地展示出蛋白质的空间构象，使学生轻松地、深刻地认识生物大分子。再如，数据库的搜索和查询是生物信息学当中一个非常重要的环节，应该重点突出实际网络操作的能力，因此，在给学生讲解医学常用数据库时，就可以直接连接到数据库网页，现场演示其使用方法。这样的教学方式简明扼要，节约了课堂时间，学生又容易理解掌握，教学效果明显，而且还教会了学生自己获取信息的手段，开阔了视野。

另外，在理论教学基础上，还专门安排有上机练习的课时。上机练习是该课程非常重要的一个环节，研究生的上机学时占总学时的三分之二，本科生占总学时的四分之一。学生通过上机时自己的亲手操作，真正体会到教师讲授的知识，将这些知识转化为自己的工具，满足了个体化的学习要求，保证了教学质量。

5 以科研实例为讲解线索，生动易懂

《生物信息学》开课的时间是在研究生入学的第一学期，本科生第二或第三学年，这一时期的学生尚未进入课题研究阶段，还不了解自己即将面临的生物信息学需求，因此，在学习中不知道教师为什么要讲授这些内容，讲授的各种工具软件都有什么重要的使用价值，以及对自己日后的科研工作能起到什么帮助，感觉非常迷茫。尤其是本科生，甚至连“科研”是什么都不清楚。一旦学生产生了这样的情绪，就会导致其在学习的过程中迷失方向，抓不住重点，提不起兴趣，甚至产生抵触情绪，放弃学习。

因此，这就需要授课的教师在每介绍一个内容、工具之前要将其适用的目的、用途讲授清楚。在实际教学中，为了解决这一问题，我们在讲授时，往往采用真实科研实例为线索，让学生通过老师自己的课题，学习在做科研过程中要使用到的知识、工具和解决问题的思路。比如，教师会首先介绍自己的学科背景和科研目标，然后从怎样选择合适的关键词使用文献数据库查阅资料开始，逐一介绍怎样阅读、保存、编辑查获的文献，继而，确定要研究的目的基因。在确定了研究目标后，继续演示怎样查找该基因的核酸序列，并对核酸序列进行同源性比对及进化分析，随后使用相应的软件设计PCR引物，进行基因功能、结构预测、调控元件及转录因子预测。对核苷酸序列分析完成后，再介绍怎样查找蛋白质序列，并使用软件对该序列进行基本理化性质分析，跨膜区及信号肽预测，二级结构和空间三维结构的预测。通过教师清晰的科研思路，让学生真正掌握解决问题的思路，培养其科学思维能力。在此基础上，在教学过程中还采用探讨式教学的方式，提出问题，鼓励学生思考，让学生参与进来，通过自学或与教师、同学的协商讨论，给出解决问题的方法。这样的教学方式使学生的大脑自始至终都处于高度兴奋状态，形成了科研推动教学，教学带动科研的良性循环。

6 制定合理考核方案和成绩评定比例，理论和实践相结合

由于《生物信息学》是一门实践性很强的学科，因此在考核时也要突出这一特点，不能与纯理论型的科目一样，只考察对理论的掌握，而是要使理论与实践相结合，真正考察学生的能力。

对于研究生阶段的学生，在考核时采用的是课程研究论文的形式，要求学生结合自身专业或导师的研究方向通过自查资料，确定研究目标，然后结合学到的生物信息学分析方法对该目标进行分析，相当于为即将到来的论文开题提前练兵。

对于本科程度的学生，期末成绩的评定是由理论考试加上机作业组成的，比例分别占60％和40％。上机作业是让学生针对上机实习的内容，通过查文献，找到感兴趣的基因或蛋白，并对其核酸序列及蛋白质序列进行分析，实践性的检验学生的学习效果。

7 结语

《生物信息学》的学习是完成国际医学教育目标的一个重要手段，是赶超世界先进水平的一个绝好机遇。生物信息学的教学应以提高学生的学习自主性、实际操作能力、解决问题的综合应用能力及创新能力为目标，使学生充分体会到生物信息学与其他学科的关系，培养其自觉地将其他学科的方法和思想应用于解决生物学问题。随着今后教师自身素质的不断提高和与时俱进的教学改革，生物信息学教学方式将会被不断完善，更多的掌握现代生物信息知识和技能并具有高素质和强能力的生物医学人才将会大批涌现。

[1]许忠能.生物信息学[M].北京:清华大学出版社，2008.

[2]柴 惠，赵 虹，张 婷.高等院校生物信息学双语教学课程建设之我见[J].中国高等医学教育，2010(4):83-84.

[3]楚雍烈，陈静宏，王治伦.医用生物信息学概论[M].西安:陕西科学技术出版社，2005.

[4]张 林，柴惠黄，燕 芬，等.新型教学体系在生物信息学中的探索与实践[J].中国高等医学教育，2010(7):57-59.

[5]孟 双，徐 冲，陈丽媛，等.生物信息学在生物学研究领域的应用[J].微生物学杂志，2011，31(1):78-81.

[6]朱婷婷.医学生信息能力培养与医学专业教育整合研究[J].西北医学教育，2011，19(3):447-449.

Practice of Bioinformatics Teaching

XUN Meng1，CHEN Yan-jiong1，YANG E1，SHAO Ming-ming2，LI Wei1，SONG Juan1，CHU Yong-lie1
(1.Department of Immunology and Microbiology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710061;2.Department of Medical Technology，Xi’an Medical College，Xi’an 710021，China)

On the basis of teaching，this paper summarizes our experience of bioinformatics teaching.It also discusses the instructional model，teaching content and methods which can help improve students’information-processing ability.It is hoped that instruction of Bioinformatics course can make students understand the latest development of bioinformatics and master the basic analytical methods so as to independently solve problems in their scientific research.

bioinformatics;practice of teaching;teaching method

G642.0

A

1006-2769(2011)06-1220-04

2011-09-19

西安交通大学医学研究生创新教育实验平台建设(编号C-0707)

寻 萌(1979-)，女，博士，讲师，主要从事分子病毒学和生物信息学研究。

楚雍烈(1944-)，博士生导师，教 授。