何永蜀，范 浩，楊 芳，李 清，狄 勇，楊銀峰，朱月春 (昆明醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系，昆明 650500;云南省醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心; 通訊作者)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校智力培養(yǎng)體系的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、處理和解決問題能力、科學(xué)思維及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等方面起著不可替代的作用。1997年及2005年教育部提出“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃”以及《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》，要求高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想，更新教育觀念，改革人才培養(yǎng)模式，大力加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，為高等院校教學(xué)改革指明了方向。

綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的根本保障。實(shí)驗(yàn)課可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的平臺(tái)，并與學(xué)生的后續(xù)發(fā)展?jié)撃苊芮邢嚓P(guān)［1］。2009年我校成立了云南省醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，依托生物化學(xué)與分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)兩個(gè)系的教學(xué)資源和教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建醫(yī)學(xué)細(xì)胞與分子系列綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生中產(chǎn)生了良好的反響。我們?cè)谠撓盗袑?shí)驗(yàn)中引入4學(xué)時(shí)生物信息學(xué)實(shí)踐，包括1學(xué)時(shí)理論課和3學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)踐，將生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)貫穿細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。本文介紹了在細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行生物信息學(xué)實(shí)踐的必要性，并就教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行初步探討。

1 確立細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生物信息學(xué)教學(xué)目標(biāo)

生物信息學(xué)是與生物、數(shù)理、信息科學(xué)有關(guān)的一門前沿應(yīng)用學(xué)科，特別是生物學(xué)研究領(lǐng)域中高通量、自動(dòng)化研究技術(shù)的應(yīng)用，開辟了生物學(xué)研究領(lǐng)域的“組學(xué)”紀(jì)元，也使生物信息學(xué)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分［2，3］。與生物數(shù)據(jù)有關(guān)的核酸及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)的組織和分析，成為生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力量，生物信息學(xué)工具和資源的利用是支撐當(dāng)今生物學(xué)發(fā)展的重要途徑。國外大學(xué)開設(shè)的生物信息學(xué)課程為我們提供了整合生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的范例［4］。近年來，國內(nèi)高校已開始重視生物信息學(xué)的教學(xué)，一些高校已在研究生(或本科生)教學(xué)中設(shè)立了生物信息學(xué)課程，一些醫(yī)學(xué)院校也將生物信息學(xué)納入醫(yī)學(xué)本科生和研究生的教學(xué)范圍，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握其中的研究方法和工具，提高科研能力和水平，達(dá)到科研和教學(xué)的相互促進(jìn)及學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［5－7］。我們認(rèn)為，在針對(duì)醫(yī)學(xué)臨床本科生開設(shè)的醫(yī)學(xué)細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)中有必要進(jìn)行生物信息學(xué)實(shí)踐，能夠培養(yǎng)本科生利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源并進(jìn)行科研設(shè)計(jì)、獲取文獻(xiàn)資料及疾病檢索。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行國外稱謂的電子學(xué)習(xí)或電子訓(xùn)練，沒有時(shí)間、地點(diǎn)的限制，并有方便、快捷、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)［8］。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行初步的生物信息學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練有助于開發(fā)學(xué)生后續(xù)的科研潛能，是學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要，在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)廣泛普及的前提下，更具有可實(shí)現(xiàn)性和可操作性。

考慮到細(xì)胞分子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象是醫(yī)學(xué)本科一年級(jí)學(xué)生，一方面學(xué)生剛?cè)氪髮W(xué)具備的自主學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，而生物信息學(xué)作為一門交叉學(xué)科，對(duì)一年級(jí)的學(xué)生有一定難度，所以我們的理論講授和實(shí)踐都以基本知識(shí)為主;另一方面，我們也意識(shí)到一年級(jí)學(xué)生可塑性較強(qiáng)，是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、分析問題和解決問題的好時(shí)機(jī)。我們制定了適合我校實(shí)際具體情況的教學(xué)目標(biāo):①通過案例分析演示數(shù)據(jù)庫使用的基本方法和實(shí)踐過程，介紹生物信息學(xué)的基本概念和方法;②讓學(xué)生自行利用數(shù)據(jù)庫完成作業(yè)，使其掌握當(dāng)今主要的生物信息中心資源及二級(jí)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫的檢索使用，學(xué)會(huì)從生物信息中心相關(guān)數(shù)據(jù)庫中檢索并提取相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，真正學(xué)以致用。

我們主要進(jìn)行以下實(shí)踐，登錄美國國立生物技術(shù)信息中心建立的 NCBI網(wǎng)站(http://www.ncbi.nlm.nig.gov)，利用Entrez檢索系統(tǒng)進(jìn)行序列檢索。①獲取基因的 DNA、mRNA、cDNA、tRNA、rRNA、coding sequence(CDS，編碼序列及蛋白質(zhì)序列);②進(jìn)行PCR或是RT-PCR引物設(shè)計(jì);③了解應(yīng)用NCBI文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫PubMed的文獻(xiàn)查詢檢索，對(duì)MEDLINE進(jìn)行文獻(xiàn)查詢和通過電子期刊鏈接獲取文獻(xiàn)，閱讀最新的文獻(xiàn);④講解使用人類基因和遺傳疾病分類數(shù)據(jù)庫OMIM(online mendelian inheritance in man)，了解OMIM的各種信息，如基因符號(hào)、病變名稱、病變描述(包括臨床、生物化學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)的特征)、遺傳模式(包括圖譜信息)、臨床說明及參考文獻(xiàn)等。

2 綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生物信息學(xué)實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計(jì)

生物信息學(xué)實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、完成綜合性實(shí)驗(yàn)不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。我們的生物信息學(xué)實(shí)踐內(nèi)容總體設(shè)計(jì)是以科研課題為主線，以科研助教學(xué)。

2.1 教師介紹生物信息學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源，然后將研究課題作為案例進(jìn)行教學(xué) 例如，在案例中選擇本課題組成員關(guān)于G6PD缺乏癥研究的國家基金研究課題。首先介紹教師的科研思路及如何應(yīng)用生物信息學(xué)資源完成該項(xiàng)研究，重點(diǎn)偏重于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源及工具的應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)庫資源講解該病的相關(guān)基因、相關(guān)蛋白質(zhì)序列、該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域及三維結(jié)構(gòu)。講解過程中采用截圖的方式，逐步完成任務(wù)。通過完成該任務(wù)，讓學(xué)生在解決問題過程中實(shí)踐數(shù)據(jù)庫資源，掌握從數(shù)據(jù)庫中獲取目的基因數(shù)據(jù)與信息的方法，并且學(xué)習(xí)教師研究的具體思路及方法。

2.2 選取適當(dāng)內(nèi)容作為課后作業(yè)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫檢索完成課后問題 例如，基于NCBI界面的gene程序查找最早在數(shù)據(jù)庫中公布的瘧原蟲裂殖子表面抗原基因MSP1、MSP2有關(guān)資料:①組成基因的堿基數(shù)量、所編碼蛋白質(zhì)的氨基酸數(shù)量、DNA及RNA序列;②外顯子和內(nèi)含子位置，序列所發(fā)表雜志及期號(hào);③在瘧原蟲染色體上的位置等。

2.3 設(shè)計(jì)引物 待學(xué)生熟悉核酸序列的查找后，我們?cè)僦v解利用引物設(shè)計(jì)軟件Primer Premier 5.0進(jìn)行PCR引物設(shè)計(jì)及用Oligo 6驗(yàn)證。將學(xué)生隨機(jī)分組，以組為單位進(jìn)行引物設(shè)計(jì)，在學(xué)生完成設(shè)計(jì)引物后，通過講解設(shè)計(jì)軟件中參數(shù)的改變可能導(dǎo)致的二聚體、異二聚體、發(fā)夾結(jié)構(gòu)，再述引物設(shè)計(jì)中可能遇到的問題，進(jìn)行這些簡單的操作探索以訓(xùn)練學(xué)生基本的設(shè)計(jì)技能，基本流程如下:

NCBI主頁Entrez檢索系統(tǒng)→教師案例示范獲取并分析目的基因序列→引物設(shè)計(jì)軟件Primer Primer 5.0→教師講解并選定引物→PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)(科研案例)→結(jié)果討論(案例)→教師選取新目的基因留課后作業(yè)→學(xué)生分組進(jìn)行引物設(shè)計(jì)→與目的基因相關(guān)的PubMed文獻(xiàn)查詢與疾病OMIM信息→課后討論。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的組織

在授課中，通過通俗易懂的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)截圖、圖片和Flash動(dòng)畫實(shí)例進(jìn)行演示操作，激發(fā)學(xué)生興趣。我們的上機(jī)實(shí)踐以具體的科學(xué)問題為基礎(chǔ)，使用互聯(lián)網(wǎng)資源分析數(shù)據(jù)解決問題。這種任務(wù)完成式的上機(jī)教學(xué)法，為學(xué)生設(shè)置了具體的動(dòng)手實(shí)踐內(nèi)容，啟發(fā)和擴(kuò)展了學(xué)生的思路。完成生物信息學(xué)實(shí)踐課后布置課后作業(yè)，并以小組的形式完成作業(yè)，克服了某些學(xué)生因外語水平和計(jì)算機(jī)使用差異所造成的學(xué)習(xí)困難，組間的交流可以深化學(xué)生對(duì)某一個(gè)具體問題的理解。對(duì)學(xué)生因思維方式反映的共性問題，在教師的幫助下解決，這樣對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織使學(xué)生印象深刻。在醫(yī)學(xué)細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行的生物信息學(xué)的實(shí)踐，此前沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但是通過課題組教師的不斷摸索，初步形成了自己的教學(xué)模式。

4 目前尚存在的問題

在細(xì)胞與分子綜合性實(shí)驗(yàn)中引入的生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生初步掌握了如何利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源查找信息，了解了科研工作如何入手，為其將來后續(xù)科研打下了基礎(chǔ)。但也存在一些實(shí)際問題，生物信息學(xué)的實(shí)踐首先對(duì)教師提出了更高的要求，我們沒有生物信息學(xué)專業(yè)的專任教師，所有任課教師都是從學(xué)校范圍內(nèi)依據(jù)知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)水平選出來的。教師根據(jù)自己在科研工作中的積累和實(shí)踐進(jìn)行講解，我們開設(shè)的教學(xué)內(nèi)容僅僅是生物信息數(shù)據(jù)庫搜索和基因識(shí)別實(shí)踐。目前國內(nèi)尚無合適的醫(yī)學(xué)院校學(xué)生實(shí)踐課教材，因此，在教學(xué)過程中需要投入更多精力進(jìn)行教學(xué)資源的準(zhǔn)備。另外，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)的使用和英文程度方面存在一定差異，也會(huì)導(dǎo)致生物信息學(xué)實(shí)踐課效果有所區(qū)別。

盡管生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)還存在著一定的問題和難度，但隨著教師經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的積累，生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)將成為醫(yī)學(xué)本科學(xué)生細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)中有效的輔助工具。

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