生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)課程

　　生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)課程

　　摘要：介紹了生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，分析了生物專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了生物專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)方法。

　　關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);生物專(zhuān)業(yè); 教學(xué)方法;學(xué)科交叉

　　Abstract： The characteristics of the professional teaching of bioinformatics are introduced ， then the paper analyzes on the professional students of biological problems existing in the teaching of computer， biological computer curriculum teaching methods are put forward.

　　Keywords： Bioinformatics; biology; teaching method; course cross

　　0.概述

　　近年來(lái)，伴隨著生命科學(xué)的快速發(fā)展，有關(guān)生物的數(shù)據(jù)逐漸增多，而分析手段也很多，產(chǎn)生了生物信息學(xué)這個(gè)概念。

　　生物信息學(xué)是由生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科相互交叉而形成的一門(mén)新興學(xué)科，它使用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)對(duì)生物信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、檢索和分析，從而達(dá)到揭示相關(guān)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義的目的[1]。

　　為了快速有效地從海量的生物數(shù)據(jù)中獲得所需信息，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，在生物信息學(xué)教學(xué)過(guò)程中有必要開(kāi)設(shè)一些計(jì)算機(jī)課程、數(shù)學(xué)及工程相關(guān)課程，這樣可以啟發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、工程科學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)的能力，拓寬其知識(shí)面，了解學(xué)科前沿和最新進(jìn)展，培養(yǎng)跨越生命科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、數(shù)理科學(xué)等不同領(lǐng)域的大科學(xué)素質(zhì)和意識(shí)，為今后選擇新興交叉學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行深造奠定基礎(chǔ)。

　　因此很多大學(xué)增設(shè)了生物信息學(xué)這個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，有的在計(jì)算機(jī)學(xué)院中增加生物信息專(zhuān)業(yè)本科，有的在生命學(xué)院增加生物信息本科，在本文中主要討論在生命學(xué)院中開(kāi)始生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)。

　　作為一門(mén)交叉學(xué)科，不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)科體系對(duì)生物信息學(xué)課程教學(xué)提出了不同的要求，如何在生物專(zhuān)業(yè)學(xué)生中開(kāi)展生物信息與計(jì)算機(jī)課程的結(jié)合，是培養(yǎng)更高理論和實(shí)踐能力的生物信息專(zhuān)業(yè)人才的關(guān)鍵。

　　1 生物信息學(xué)的特點(diǎn)

　　生物信息學(xué)涉及分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、分子遺傳學(xué)、基因組學(xué)、生物物理學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信息論及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科，學(xué)科交叉性極強(qiáng)。

　　僅就計(jì)算機(jī)技術(shù)而言，計(jì)算機(jī)編程、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和模式識(shí)別、軟件工程及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都在生物信息學(xué)中有廣泛的應(yīng)用[1，2]。

　　因此，生物信息學(xué)是將不同領(lǐng)域知識(shí)高度集中的學(xué)科。

　　2 計(jì)算機(jī)課程的設(shè)置

　　對(duì)生物信息學(xué)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)就是一個(gè)工具，用來(lái)對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　工欲善其事，必先利其器，所以要做好數(shù)據(jù)的分析工作，必須讓學(xué)生學(xué)好計(jì)算機(jī)課程，但更應(yīng)該在生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中把計(jì)算機(jī)課程設(shè)置恰當(dāng)，讓學(xué)生受益[2]。

　　2.1 課程的選擇順序

　　生物信息學(xué)面對(duì)的是海量生物數(shù)據(jù)，所以首先需要學(xué)習(xí)使用編程工具，如JAVA或者C++語(yǔ)言或者Perl語(yǔ)言等編程工具，然后安排數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程對(duì)編程課程進(jìn)行深入了解，后期安排數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等課程，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

　　2.2 教材和授課內(nèi)容的合理選擇

　　在學(xué)習(xí)生物的學(xué)生中開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)，那么教材的選擇應(yīng)該兼顧學(xué)生的知識(shí)背景和學(xué)習(xí)興趣，由于學(xué)生對(duì)蛋白、進(jìn)化、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因序列有一些認(rèn)識(shí)，但對(duì)計(jì)算機(jī)比較恐懼，因此計(jì)算機(jī)教材可選用比較簡(jiǎn)單、易懂的，如JAVA課程主要講解編程思想，那么主要包括環(huán)境變量設(shè)置、語(yǔ)法和如何編程，那么選擇教材時(shí)就選包括這些內(nèi)容的教材就可以了，并在上課過(guò)程中，結(jié)合一些生物信息軟件來(lái)講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

　　同時(shí)，選擇適合的授課內(nèi)容也是必不可少的環(huán)節(jié)：序列比對(duì)算法、基因識(shí)別算法、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子動(dòng)力學(xué)模型及機(jī)器學(xué)習(xí)或模式識(shí)別算法在生物信息學(xué)中的應(yīng)用等方面的內(nèi)容，此外在大學(xué)初期也要加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)方面的基本知識(shí)的課程開(kāi)設(shè)[2]。

　　能夠從他們自己的知識(shí)體系出發(fā)， 闡述生物數(shù)據(jù)如何用計(jì)算機(jī)方法和技術(shù)進(jìn)行獲得并處理;并且了解學(xué)生已經(jīng)掌握哪些生物學(xué)知識(shí)，在授課過(guò)程中，針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)綜合使用多本教材更能達(dá)到預(yù)期效果。

　　使學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)技術(shù)和方法在生物學(xué)研究領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用空間。

　　隨著生物信息學(xué)研究的深入，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量的生物信息學(xué)教材、專(zhuān)著和一些最新的文獻(xiàn)。

　　2.3從抽象到具體的教學(xué)理念

　　由于生物信息學(xué)涉及數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)及算法等眾多理論知識(shí)，但有生物基礎(chǔ)的學(xué)生具有生物學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，缺乏計(jì)算機(jī)知識(shí)。

　　所以在為生物學(xué)專(zhuān)業(yè)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)課程時(shí)盡量采用結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解。

　　首先，針對(duì)生物學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)知識(shí)薄弱的特點(diǎn)，盡可能將生物信息學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟知領(lǐng)域的問(wèn)題，例如，在講解蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)時(shí)，可考慮學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)螺旋、折疊和無(wú)規(guī)則卷曲的特征，講解模式識(shí)別算法預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程時(shí)用可采用一些模型如蘋(píng)果等進(jìn)行形象講解更容易被學(xué)生接受了;其次，充分利用現(xiàn)代化教育技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)于未接觸過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)生來(lái)說(shuō)，程序代碼對(duì)于他們而言是枯燥無(wú)味的，在教學(xué)過(guò)程中充分利用計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)資源，讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行過(guò)程和網(wǎng)絡(luò)中生物信息軟件的使用，從而對(duì)計(jì)算機(jī)處理生物學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。

　　例如，在講解利用聚類(lèi)算法分析基因芯片數(shù)據(jù)時(shí)，可以先播放基因芯片制作過(guò)程的Flash動(dòng)畫(huà)，讓學(xué)生身臨其境，這樣不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

　　或者講解聚類(lèi)算法可以用物種分類(lèi)進(jìn)行類(lèi)比來(lái)講解[2]。

　　2.4加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

　　生物專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程就是讓學(xué)生了解并掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)如何處理分析生物學(xué)數(shù)據(jù)的過(guò)程。

　　因此，進(jìn)行理論教學(xué)的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)也是必不可少的[3]。

　　計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)不同于生物實(shí)驗(yàn)，而是主要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，例如可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)直觀的了解三大核酸數(shù)據(jù)庫(kù)：蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)組織方式;通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握如何利用Acclrys Discovery Stdio軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，感受蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示軟件的強(qiáng)大威力，更重要的是，使學(xué)生了解到計(jì)算機(jī)技術(shù)和方法在生物數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的舉足輕重的作用。

　　從生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，他們可以領(lǐng)略到計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的魅力，增加作為生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的自豪感，并堅(jiān)定學(xué)好生物信息學(xué)知識(shí)的信念。

　　3 后續(xù)課程的構(gòu)想

　　在后續(xù)課程中，由于前面為學(xué)生設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)原理與設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)挖掘等課程，可開(kāi)設(shè)一些專(zhuān)題講座，如了解數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)后，可結(jié)合生物專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，可能了解了在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中三大核酸數(shù)據(jù)庫(kù)的組織結(jié)構(gòu)，講解它們是如何采用數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)進(jìn)行組織的，并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)工作;在數(shù)據(jù)挖掘課程后可采用一些統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件如MATLAB處理生物數(shù)據(jù)的一些專(zhuān)題[4，5]。

　　又如開(kāi)設(shè)講解生物信息學(xué)的研究熱點(diǎn)與與原來(lái)講解的課程進(jìn)行對(duì)接。

　　也可講解一下藥物信息學(xué)的設(shè)計(jì)、疾病靶點(diǎn)的選擇等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的意義，讓有可能進(jìn)一步深造的學(xué)生知道前進(jìn)的動(dòng)力。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　作為一門(mén)新興的學(xué)科，生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展非常迅速，新的理論、算法和應(yīng)用程序不斷涌現(xiàn)。

　　因此在進(jìn)行生生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，不拘泥于現(xiàn)有的生物信息學(xué)教材和計(jì)算機(jī)教材時(shí)納入最新的研究成果，將相關(guān)研究領(lǐng)域的一些新的研究方法、網(wǎng)絡(luò)資源以及工具軟件介紹給學(xué)生。

　　例如， GCG軟件是一套蛋白質(zhì)、核酸序列分析軟件，一般在Linux環(huán)境下使用，包括130多個(gè)軟件，但現(xiàn)在這些類(lèi)似功能的軟件很多可網(wǎng)絡(luò)上下載到Windows系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行蛋白質(zhì)、核酸序列分析，因此可介紹這些軟件給同學(xué)使用，方便同學(xué)在自己的電腦里熟練使用這些軟件，同時(shí)有些軟件有更新的算法和版本也可以介紹，及時(shí)更新學(xué)生的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)學(xué)科前沿的意識(shí)，拓展學(xué)生視野。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 孫嘯，陸祖宏，謝建明.生物信息學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：3

　　[2] 丁彥蕊，蔡宇杰.計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)的實(shí)踐探討，安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(29)14596-14597

　　[3] 高亞梅，韓毅強(qiáng).生物信息學(xué)本科教學(xué)初探[J].生物信息學(xué)，2007，5(1)：44-48

　　[4] 戴凌燕，姜述君，高亞梅.《生物信息學(xué)》課程教學(xué)方法探索與實(shí)踐[J].生物信息學(xué)，2009，7(4) ：311～313.

　　[5] David W M.Bioinformatics：sequence and genome analysis影印本[M].科學(xué)出版社，2002.

【生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)課程】相關(guān)文章：

生物信息學(xué)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)課程中的設(shè)置及教學(xué)探索論文10-08

中職計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程思考論文10-11

試論高校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)10-05

非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革研究論文10-09

計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)課程銜接思考論文10-08

計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)課程銜接初探論文10-08

中職學(xué)校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)論文10-12

中職非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革論文10-09

教育技術(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)類(lèi)課程建設(shè)分析論文10-09

視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)課程在計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)中探究論文10-08