网站原创关 键 词：生物信息学；现代教育技术；案例教学
中图分类号：G643；Q-3文献标识码：B文章编号：1008-2409(2008)05-0967-03
人类基因组计划的成功实施使生命科学进入了信息时代.基因组学、蛋白质组学和生物芯片技术的发展,使得与生命科学相关的数据量呈线性高速增长.对这些数据全面、正确的解读,为阐明生命的本质提供了可能.连接生物数据与医学科学研究的是生物信息学(Bioinformatics).应用生物信息学研究方法分析生物数据,提出与疾病发生、发展相关的基因或基因群,再进行实验验证,是一条高效的研究途经.医学是研究生命的科学,医学研究在基础上就注定离不开对生物信息的了解.
我国目前医学研究生教学模式主要有两种,一是医学本科教育延续过来的理论型,这种类型的教育是在本科教学大纲的基础上,按照教学计划进行理论讲授,最后按照导师指定的课题完成毕业论文.这种培养模式突出理论学习,忽视了实验机能和科研能力的培养.二是科研能力培养的前轻后重型,前期只是进行理论授课,后期由导师指导学生的科研.这种模式虽然开设了一定的实验项目,但对研究生科研能力的培养缺乏系统性,并且前期的培养不足直接影响到研究生后期的学位课题和论文的进度、质量.
因此,笔者对生物信息学在医学硕士研究生中的教育初探,不但有利于该门课程尚未完全形成成熟的课程体系之际,为教师学习借鉴先进的教育思想与教学实践经验,更有利于医学硕士研究生对生物信息学的学习.
1生物信息学的研究范围
生物信息学是一门新兴的交叉学科,涉及生物学、数学和信息科学等学科领域,并注定以互联网为媒介,数据库为载体,利用数学知识、各种计算模型,并以计算机为工具,进行各种生物信息分析,以理解海量分子数据中的生物学含义.
生物信息包括多种类型的数据,如核酸和蛋白质序列、蛋白质二级结构和结构的数据等.由实验获得的核酸蛋白序列和三维结构数据等构成初级数据,由此构建的数据库称初级数据库.由初级数据分析得来的诸如二级结构、疏水位点、结构域(Domain),由核酸序列翻译来的蛋白质以及预测的二级结构,称为二级数据.创新算法和软件是生物信息学持续发展的基础,高通量生物学研究方法和平台技术是验证生物信息学研究结果的关键技术.因此,现代生物信息学是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互渗透而形成的交叉学科,是应用计算机技术和信息论方法研究蛋白质及核酸序列等各种生物信息的采集、存储、传递、检索、分析和解读,以帮助了解生物学和遗传学信息的科学.从其研究所涉及的学科上看,生物信息学是集生物学、数学、信息学和计算机科学一体化的一门新的科学；从其研究的主要内容上看,基因组信息学、蛋白质的结构模拟以及药物设计是生物信息学的三个重要组成部分,并有机地结合在一起［1］.
2医学硕士研究生中的生物信息学教学初探
2.1课堂教学重在教授实践技巧与方法
生物信息学在医学研究生中的教学应以教授实践技巧为主,以介绍原理为辅,深入浅出,注重课堂知识与科研实践的紧密结合.课堂讲授应简要介绍生物信息学的相关算法、原理,着重介绍其使用技巧与方法,真正做到“有的放矢”,而这也是教学的重点和难点.
在教学中对于这部分内容应遵循深入浅出、避繁就简的原则,结合具体实例分析算法,避免空洞复杂的算法讲解让学生觉得枯燥乏味、晦涩难懂,产生畏惧心理,知难而退；注重讲解使用技巧与方法的思想和来龙去脉,让学生真正掌握解决问题的思路,培养其科学思维能力,并采用探讨式教学鼓励学生思考,通过讨论与研究的方式循序渐进的掌握复杂的内容,介绍相关的教学和物理学知识,使学生充分体会到生物信息学与其他学科的关系,其他学科的思想方法对于生物科学的重要性,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的科学素质.任何学科都处于不断地发展、更新中,生物信息无论是理论研究还是应用研究仍处于不断发展完善中,同时随着新的应用领域和新问题的发现,其他学科的方法也在不断地应用于生物信息学,进一步增加了其多学科交叉融合的深度和广度.
2.2充分利用现代化教育技术,采用案例教学
目前,高等院校在教室内配备的多媒体投影播放系统,促进了多媒体教学的广泛应用.生物信息学采用多媒体教学是适应学科特点、提高教学效果和充分利用现代化教育技术的一项基本要求.作为生物信息学教学的基本模式,多媒体教学使讲解的内容更加直观形象,尤其是对于具体数据库的介绍以及数据库检索、数据库相似性搜索、序列分析和蛋白质结构预测等内容涉及到的具体方法和工具的讲解,可以激发学生的学习兴趣,加深学生对知识的理解和掌握,提高学生理论与实践相结合的能力.
但多媒体教室也有局限性,学生主要以听讲为主不能及时实践,教师讲解与学生实践相脱节,如果将生物信息学课程安排在计算机房内进行,并采用多媒体电子教室的教学方式可以解决上述问题.在教学中采用启发式教学,为学生建立教学情景,学生通过与教师、同学的协商讨论,参与操作,发现知识,理解知识并掌握知识.例如在讲授“目的基因序列的查寻”时,除对基本内容的介绍,如数据库的发展、分类等,其他采用案例法,让学生利用搜索工具查找三大公共核酸数据库,并通过数据库网站的介绍内容对该数据库的发展、内容、特点进行学习并总结,通过讨论和实际的数据库浏览操作了解三大公共核酸数据库并且掌握数据库使用方法.
2.3采用“讲、练”一体化的教学模式,强调学生实践能力的培养
生物信息学课堂教学积极学习借鉴职业培训和计算机课程教学中“讲、练、做”一体化的教学模式,在理论教学中增加实训内容,在实践教学中结合理论讲授,改变了传统的“以教师为中心、以教材和讲授为中心”教学方式.
根据教学内容和学生的认知规律,灵活地采用先理论后实践或先实践后理论或边理论边实践的方法,融生物信息学理论教学与实践操作为一体,使学生的知识和能力得到同步、协调、综合发展.通常采用先讲后练的方法,即首先介绍原理、方法,之后设计相关的实训内容让学生上机实践.对于操作性内容和生物信息分析的方法和工具的讲解采取了进行实际演示的方法,教师边讲解边示范,学生在听课时边听讲边练习或者教师讲解结束后学生再进行练习,理论与实践高度结合,充分发挥课堂教学的生动性、直观性,加深学生对知识的理解,培养和提高学生的实践操作能力.
2.4发挥网络教学优势,优化生物信息学实验教学内容
生物信息学实验教学主要是针对海量生物数据处理与分析的实际需要,培养学生综合运用生物信息学知识和方法进行生物信息提取、储存、处理、分析的能力,提高学生应用理论知识解决问题的能力和独立思考、综合分析的能力.生物信息学实验教学内容的选择与安排应按照循序渐进的原则,针对特定的典型性的生物信息学问题设计,以综合性、设计性实验内容为主,明确目的要求,突出重点,充分发挥学生的主观能动性和探索精神,以激发学生学习的主动性和创造性为出发点,加强学生创新精神和实验能力的培养.生物信息学实验教学以互联网为媒介、计算机为工具,全部在计算机网络实验室内完成.在教学中,充分利用网络的交互特点实现信息技术与课程的结合.教师通过电子邮件将实验教学内容、实验序列、工具等传递给学生,学生同样通过电子邮件将实验报告、作业、问题和意见等反馈给教师,教师在网上批改实验报告后将成绩和评语发送给学生,让学生及时了解自己的学习情况.
生物信息实验教学与现代网络和信息技术密不可分,在教学工作中充分利用现代教育技术较其他课程更具优势.区别于其他生命科学课程,在教学过程中要求有发达的互联网和计算机作为必备条件.调查显示国内高校都已建立校园网,其中拥有1000M主干带宽的高校已占调查总数的64.9％,2005年一些综合类大学和理工类院校将率先升级到万兆校园网［2］,这些都为生物信息学课程在高校开设提供了良好的物质基础.
2.5考试无纸化,加强实践能力考核
考试重点是考查学生对生物信息分析的基本方法和技能的掌握程度和对结果的分析解释能力.因此,在生物信息学考试中尝试引入实践技能考试,重点考核学生知识应用能力.实践技能考试采用无纸化考试方式,学生在互联网环境下,对序列进行生物信息分析并对结果进行解释,不仅考核学生对基本知识和基本原理的掌握,而且考查学生进行生物信息分析的实际能力和分析思考能力.通过实践技能考试,淡化理论考试,克服传统的死记硬背,促进学生注重提高理论用于实践的综合能力,同时更有效地提高学生计算机应用能力.除采用实践技能考试并将其作为学生成绩的主要部分外,还加强了对学生平时学习态度、学习能力、创新思维等方面的考核.
总之,生物信息学教学是网络环境下生物教学的全新内容.通过上述教学措施,提高了学生的学习积极性、实践操作能力、解决实际问题的综合应用能力及创新能力,收到了良好的教学效果,得到了学生的普遍欢迎,具有较强的可操作性和实践性.在今后的教学实践中,随着教师自身素质的提高和进一步的教学改革将会不断完善生物信息学教学,培养具有“大科学”素质和意识的医学研究生人才.