医学生物信息学课程开设的必要性

摘 要生物信息学是一门融合了现代生物学和计算机科学的前沿学科,已经深入到生物医学科研和实际应用层面.针对医学院校生物信息学课程开设欠缺,医学专业学生数学思维和计算机操作能力相对薄弱等特点,探讨开设医学生物信息学课程的必要性,通过丰富教学内容、改革教学方法、强化实验教学,以期提高学生在科研、临床中应用生物信息学的能力.

关 键 词生物信息学教学改革医学教学模式

中图分类号：Q811-4文献标识码：A

21世纪是生命科学的世纪,人类及模式生物基因组计划的全面实施,使分子生物学数据以爆炸性速度增长.面对基因组学、蛋白质组学、基因芯片、分子进化等大量的生物信息,在计算机科学、网络技术以及生物分析技术的相互作用和渗透下,诞生了一门崭新的学科――生物信息学（Bioinformatics）.生物信息学利用计算机和互联网,以数据库为载体,运用数学算法和计算模型,研究生物信息数据的获取、处理、存储、分发、分析和解释等方面,进而阐明和解释庞杂的生物数据所蕴含的意义.生物信息学跨越了整个生命科学领域,近年来在医药学研究中发挥了不可替代的作用,无论是从分子生物学的角度阐述病因,还是对疾病的预防、诊断、治疗与新药研发都将产生巨大的推动作用,医学生物信息学必然在未来的医学研究中处于关键地位,但生物信息学的理工科特性决定了该课程在医学教育中开展的难度.本文结合医学院校特色和生物信息学课程特点,探讨开设医学生物信息学课程的必要性,分析生物信息学课程在教学实践中存在的问题,提出本校开展生物信息学教学的实施方法.

1医学生物信息学的主要研究内容

1.1疾病基因的发现与鉴定

约有6000种以上的人类疾患与特异基因的改变有关,某些关键性基因或其产物的结构功能异常,可以直接或间接地导致疾病的发生.使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段.例如：通过构建肿瘤cDNA文库或表达序列标签（expressionsequencetag,EST）分析差异表达基因,揭示肿瘤发生的分子水平变化,寻找靶基因.

1.2药物设计与新药研发

生物信息技术为药物研究、设计提供了崭新的研究思路和手段.利用数据资料、软件工具筛选药物作用的靶位和候选基因,阐明其结构和功能关系,指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物.

生物信息药物设计常用的方法有：①三维结构搜寻,寻找符合特定性质和三维结构的分子,从而发现合适的药物分子.②分子对接,建立大量化合物的三维结构数据库,依次搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合,通过优化使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配.③全新药物设计,利用计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子.

生物信息学方法为药物研制提供了更多的、潜在的靶标,大大减少药物研发的成本,提高研发的质量和效率.

1.3流行病学研究中的应用

将流行病学的遗传和非遗传性的研究与生物信息学结合起来,会对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识,对疾病的预防和治疗有极大的指导意义.

2医学生物信息学课程的特点及主要困难分析

2.1课程内容丰富,学科交叉,数据庞杂

生物信息学利用生物学,计算机科学和信息技术揭示大量复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘,是一门交叉性学科,并且理科特性很强,需要深入理解分析.目前生物信息学包含了基因组、蛋白质组、代谢及药物等多个部分,每个部分都具有各自的特色和相应的分析技术.根据《NucleicAcidsResearch》统计,全球共有约1000多个主要的生物医学数据库,涵盖了生物医学研究的诸多领域.学生不仅要掌握获取和利用海量生物信息的基本知识和技术,还应掌握相关的数学、物理学、计算机程序设计等知识和技术,又因为医学专业学生的数理知识有限,学习起来有一定的困难.

2.2操作性和实践性强

生物信息学是一门操作性和实践性很强的学科,主要是在互联网环境中,依靠计算机,利用数据库和各种信息处理软件来进行生物信息学方面的分析工作.针对医学专业学生开设生物信息学课程,其教学内容应注重理论与实践紧密结合,着重学习利用计算机对各种生物信息资源和数据库的检索,使用方法与技巧,真正做到学有所用.

2.3现状与困难分析

目前,国内的生物信息学教学基本沿用以“教师讲授为主”的传统教学模式,与生物信息学交叉前沿性特点不相适应,实验教学单一,多为验证性试验,缺乏综合性和设计性.此外,医学专业学生计算机知识薄弱,对生物信息学的算法与数据库的原理和特点等不甚了解,在高通量数据处理面前力不从心,影响对问题的分析能力.

3医学生物信息学课程开设实施方法和对策

3.1根据医学专业特点设计教学内容,建立具有模块化的教学大纲

目前尚未形成系统、成熟的生物信息学教学模式.开设课程之前,对医学专业学生进行问卷调查,让他们选择医学生物信息学课程中感兴趣的、需要学习的知识内容,并提出难点问题.教师汇总问卷结果,对授课内容进行调整,建立模块化的教学大纲,例如：导论模块、数据库及使用模块、基因组信息学及其分析方法模块、蛋白质组生物信息学模块、代谢和药物生物信息学及系统生物学模块等,使学生清楚每个模块的特点和作用,提高学生的学习兴趣,激发学生的学习热情.

3.2强化实验教学,激发学生的创新思维和创新意识

生物信息学的学习是运用生物医学、数学、以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断、推理、综合的实践过程,强化实验教学显得尤为重要.另外,采用PBL（ProblemBasedLearning）教学法,可以有效地激发学生的创新思维和创新意识.3.2.1注重实验操作

生物信息学实验课程以计算机操作为主,需要学生灵活应用互联网、数据库和多种生物信息学软件,所以实验操作显得尤为重要,加大实验比例,为学生提供较多的实验操作机会,不仅提高了学生的动手能力,而且大大提高了学生在因特网环境下对生物大分子序列、生物大分子结构进行生物信息学分析的能力,是提高学生学习生物信息学效果的有力保障.

3.2.2采用PBL教学模式,优化实验内容

加大设计性实验的比例,采用PBL教学法,根据学生能力和兴趣进行分组,由教师提出问题并布置真实性任务,使学生在已有的知识基础上,通过查找文献、小组讨论、探索,最终完成任务,写出试验报告.由教师对任务完成过程及结果进行点评,对学生掌握知识的程度及学生的科研、应用能力进行评价,并提出进一步的提高方向.学生在实验操作的过程中,不断地发现问题、解决问题,有效地激发了学生的创新思维和创新意识.

3.3改革教学方法,革新考核方式

3.3.1结合多媒体技术与双语教学

多媒体技术教学灵活生动,教师在讲授难于理解的概念和生物信息学工具时,可以直接打开相关软件和网站进行演示,使抽象的生物信息学知识以具体的、动态的形式展现出来,从而加深学生对课程的掌握程度.此外,生物信息学涉及到的数据库、网站、应用软件多为英文界面,所以双语授课显得尤为重要,教师可借助多媒体,对课程进行中英整合讲解.

3.3.2结合科研实例进行教学

生物信息学是一门不断完善和发展的学科,数据库的更新、相关软件的升级、算法的优化等,通常会随着科研中遇到的生物学问题变化而变化,所以教师可以结合现阶段的科研背景和具体的研究方向,结合实例进行教学,可以让学生真正掌握利用生物信息学方法解决生物学问题的思路,并培养和提高学生的科学思维能力,使学生由知识的被动接受者变为知识的主动发现者、探究者,教师则由知识的传授者转变为教学活动的指导者、组织者.

3.3.3采用无纸化考核方式

适当降低课程理论难度,减少不必要的数学理论推导,注重实际应用、解决问题能力的培养,通过上机实践操作,考核学生对基本知识和原理的掌握情况,克服传统的死记硬背现象.

4.结语

生物信息学作为一门交叉学科,发挥了其独特的桥梁作用,已经广泛地渗透到医学的各个研究领域.本文针对开设医学生物信息学课程的必要性和教学模式进行了探讨,以提高学生学习的自主性、实际操作能力和解决问题的应用能力为目标,不断改进教学手段、加强教学过程的趣味性,以期培养综合型的、高素质、现代化医学人才.