方 璐

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

随着包括人类基因组计划在内的生物基因组测序工程的飞速进展，以及计算机科学的发展和互联网技术的普及，人类获得了海量的与生物生老病死相关的数据，如何利用这些数据揭示遗传的规律，解开生命的奥秘，推动医学的发展成为现代生命科学和医学的一项重要研究内容， 并由此产生了一门新的学科——生物医学信息学[1-2]。 生物医学信息学导论是将生物信息学所研究的生命基本规律和医学前沿技术相融合的一门综合性课程，知识覆盖面广，涉及计算机技术、生命科学、医学等多个交叉学科，是高等学校非生物类专业本科生的公共选修课。 该课程的设置旨在让学生了解各学科之间的交叉融合， 相互促进，拓宽学生的知识面， 激发学生对生命科学及医学的兴趣，提高学生的综合素质。

1 课程内容特点分析

生物医学信息学，从字面上主要包括生物信息学和医学信息学两部分[3-4]。 生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学，其主要研究领域包括序列对比，蛋白质对比，基因发现，蛋白质结构预测，基因表达和蛋白质的相互作用等[5-6]。 医学信息学则是信息科学、计算机科学和医学卫生保健等学科互相交叉的学科，通过计算机技术，优化医学卫生领域中的数据的采集、存储、检索和利用。 其主要研究领域包括医学数据标准、医疗信息系统、医学决策系统、医学影像、远程医疗等[7]。从研究领域看，生物信息学和医学信息学各不相关，然而，随着人类基因组测序计划的完成，越来越多的生物信息学的研究成果已经或正在医学健康领域加以应用，如产前基因筛查，基因检测在癌症及罕见病治疗中的应用等。 若在讲课过程中将生物医学信息学分为生物信息学和医学信息学两部分进行教学， 则容易使学生误以为是两门独立的学科。因此，需要重新设计教学内容和教学方法，使学生既能了解两门学科的各自特点，又能感受到两个领域之间的交叉融合和相互促进。

2 课程内容改革

2.1 结合经典

生物信息学和医学信息学虽然都是计算机科学发展后兴起的科学，但是其理论基础仍是经典的生命科学知识。 生命科学中许多经典基础知识，如遗传物质DNA、基因表达、蛋白结构、遗传密码等，尽管这些知识在高中生物中都已学过，但是由于生物医学信息学导论是面向全校各专业，尤其是非生物相关专业的学生开设的通识课程，因此，对于生物基础知识，仍然需要稍加讲解，以便后续的深入理解。 在讲解这些基础知识的时候，可以在深度和广度上对原有知识进行拔高[8]，以激发学生进一步探索和了解的欲望，同时结合相关的经典研究案例，对知识点进行讲解。 如介绍遗传物质，基因等相关知识时，我们介绍了人类基因组计划，克隆羊多利等，使学生提高学习兴趣的同时帮助其对相关知识加以理解。

2.2 结合热点

生物医学信息学中的知识点零散且较难理解，我们将课程内容紧密结合热点时事， 提高学生的学习兴趣，使学生感受到最新动态与经典知识的碰撞，通过探索时事背后所隐藏的科学问题，从而来展开课程教学。比如，2018 年发生的“基因编辑婴儿”事件，我们从该事件引入， 向学生介绍了什么是基因编辑， 基于CRISPR/Cas9 基因编辑技术， 基因编辑在疾病治疗中的作用等，并站在科学、医学和伦理道德的角度对该事件进行了分析讨论。 再比如，物理学家霍金去世时，我们由其所得的罕见病肌肉萎缩性侧索硬化症引入，分析了罕见病的发病原因，基因检测在罕见病确诊和治疗中的作用，基因编辑技术在罕见病的药物研发中的作用等。 通过这些社会热点事件的引入，大大提高了学生的学习兴趣，通过对热点事件背后的前沿知识的介绍及科学问题的分析， 激发了学生的科研热情，提升了学生思维深度和综合素质。

2.3 结合科研重点

近年来，随着生物信息学的迅速发展，越来越多的研究成果在医学、农业及其他领域得到了应用。 在教学过程中引入这些最新的学科理论与研究成果，通过对学科前沿问题及相关案例进行分析讨论，培养了学生的科学思维方式， 同时使学生能对学科之间的交叉融合和相互促进有更深的了解。 例如，我们介绍了生化传感器在肿瘤标记物检测中的应用，癌症疫苗的研发， 生物三维打印的研发现状及其在医学中的应用等。 我们还介绍了诺贝尔生理学或医学奖中，与生物医学信息学相关的研究，如2018 年的肿瘤免疫治疗， 我们介绍了免疫疗法是如何利用免疫抑制剂阻断肿瘤对免疫系统的抑制， 从而调动自体免疫细胞，来杀灭肿瘤细胞，肿瘤免疫疗法与普通的放疗化疗的区别；又如2019 年的细胞如何感知和适应氧气的变化含量， 我们介绍了癌症细胞如何利用氧气调节机制被用来刺激血管形成和重塑代谢，从而实现癌细胞的有效增殖， 以及通过激活或阻断氧气感受机制来对肿瘤细胞的繁殖进行抑制， 从而治疗癌症等。 通过这些科研实例的介绍，可以帮助学生了解科学研究的一般过程和方法， 以及如何将科研结果转化为实际的医疗产品。

2.4 结合学生兴趣点

生物医学信息学导论是一门校级公选课，学生来自全校的各个专业。 为了满足不同专业背景的学生的兴趣点，在课程内容设置过程中，除了介绍生命科学和医学的相关内容， 还增加了与各专业相结合的内容，让学生了解不同专业之间的相互融合和促进。 例如， 我们在介绍基因编辑在罕见病治疗中的作用时，以物理学家霍金所得的肌肉萎缩性侧索硬化症为例引入，除了介绍生物和医学相关专业学生感兴趣的罕见病的病因与治疗方法外， 我们还介绍了计算机，电子和自动化相关专业学生感兴趣的霍金的轮椅中所应用一些前沿技术，如用于健康评估的生理参数监测系统，用于文字转换语音处理的CallText 设备，用于面部肌肉运动识别的Cheek Switch 装置，辅助情境感知工具包等， 我们介绍了各种技术的原理和应用场景，并通过图片和视频进行了展示，不仅吸引了学生的兴趣，而且使学生在实际案例中了解了各种专业技术在医学中的应用。

3 教学方法改革

3.1 多媒体应用

随着多媒体技术的日益发展和成熟，PPT、动画、视频等常见的多媒体教学技术已成为现代教学的发展基础和改革热点。 与传统的板书教学相比，多媒体技术的应用使教学内容更条理清晰，图文并茂，同时也使知识点更生动明了，简单易懂，可以更大程度地激发学生的学习兴趣，活跃课堂氛围，增强教学效果。 生物医学信息学导论是一门全新的课程，其课程内容中涉及许多抽象和复杂专业名词以及科技前沿技术，若仅使用传统的语言文字进行解释，很难使非生物专业的学生能深刻理解其含义。 因此在教学过程中，我们引入了科技动画和视频，对教学过程中的专业词汇和技术加以展示和分析，使学生更直观地理解教学内容。 例如我们在介绍克隆技术时， 给学生展示了在显微镜下，细胞核是如何从一个细胞转移至另一细胞，从而实现克隆的过程；在讲解基因测序技术时，以动画形式向学生展示了各代测序技术的不同原理和过程；在讲述基因编辑技术时， 我们向学生展示了当前最先进的CRISPER-Case9 基因编辑技术的原理和方法。由于我们在课堂上引入的教学视频大多为英文原版，内容会涉及一些专业的英文名词， 所以在视频展示过程中，对于较难理解的内容，我们采用了1+1 的方式，即先放映一遍视频，使学生对内容有大概的了解，然后在第二遍放映的过程中，老师再对其进行讲解。 通过两遍观看和讲解， 加深了学生对教学内容的理解和掌握。 动画和视频等多媒体技术的应用，使原本枯燥难懂的知识点变得生动易懂， 同时活跃了课堂氛围；引入的视频大多为1～3 分钟时长，可以在视频放映过程中缓解课堂压力， 同时助于帮助学生集中注意力，提高课堂效率。

3.2 案例教学

生物医学信息学中有些知识点比较枯燥，如基因编辑、基因测序、精准医疗等，学生在学习过程中会有距离感。 通过在教学过程中引入相关案例，如热点新闻，时事报道等，可以引起学生的共鸣，体会到先进技术在生活中的应用。 例如，我们通过好莱坞女星安吉丽娜·朱莉接受了预防性的双侧乳房切除手术以降低乳腺癌风险的案例引入，介绍了基因诊断在疾病预防和治疗中的作用；我们通过结合“魏则西”事件和2018年的诺贝尔医学奖肿瘤免疫疗法，分析了魏则西所接受的肿瘤生物免疫疗法（DC-CIK 疗法）和诺贝尔奖的免疫疗法（PD-1 阻断疗法）之间的区别以及基因编辑在肿瘤治疗中的作用；我们通过比较流感、SARS、埃博拉、新型冠状肺炎等流行性疾病的病毒特点和传播途径， 了解了不同病毒之间的差异以及防疫相关知识。通过将各教学内容与相关案例的结合，消除了学生与知识点之间的距离感，激发了学生的学习兴趣。

3.3 开放式教学

现代科学的飞速发展，使新兴生物医学信息技术成为一把双刃剑，一方面可以促进医学发展，为疾病的诊断和治疗带来新的变革，另一方面新技术的应用也会带来新的问题，如伦理、物种进化、环境等方面。在课堂教学过程中，尽可能将新技术带来的各个方面的影响和问题呈现给学生，引导学生从不同的角度进行思考和探究。 我们在讲述转基因食品时，从转基因技术对提高农作物抗病虫害，改善植物品质以及提高农作物产量等方面分析了其优势，同时也从食品安全性，对生态环境和对生物多样性的影响角度分析了转基因技术存在的风险。 在讲解基因编辑时，我们介绍了基因编辑在肿瘤、HIV、罕见病治疗以及农作物育种中的应用，同时也通过引入“基因编辑婴儿”事件，分析了基因编辑在生育技术中应用存在的风险，伦理道德问题以及对人类基因的改变。 在案例和知识点的开放式讲解和分析中，我们通过提问和讨论，引导学生站在不同的科学角度对事件和技术进行观察，形成自己的观点，提高学生的独立思考能力。

3.4 简单课堂小测试

在课堂知识点讲解过程中，学生难免会出现注意力不集中，开小差的情况。 为了加深学生对知识点的理解，我们在每次课程结束时，首先对当堂课的重点进行回顾，然后针对重点知识，出几个小测试题，帮助学生对知识点进行巩固。 在对高中所学的基础知识进行回顾时，我们也可采用小测试的形式对学生对基础知识的掌握程度进行初步判断，如果大部分人都能做出正确的解答，则对此基础知识无须过多讲解，反之则在课堂上需花更多的时间使学生先掌握基础，再在深度和广度上进行扩展。

4 结语

生物医学信息学是随着基因测序技术，计算机科学发展以及与现代医学结合发展的产生的新兴科学。在课程教学过程中，通过尝试和探索，对生物医学信息学导论课程的教学内容和教学方法两方面进行了一些改革，如在教学内容上结合经典、热点、科研重点和学生兴趣点，在教学方法上，通过采用多媒体技术，结合案例教学，开放式讨论教学和简单的课堂测试等方法，提高了学生的学习兴趣，收到了一定的教学效果。 但教学改革是一项长期任务，在以后的教学过程中，仍需通过不断学习探索，提高自身专业水平，引进新的教学内容，寻找更适合的教学方法，为培养复合型人才而努力。