程序設(shè)計語言在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)探索

王鵬　郭秋艷

摘 要：該研究通過對生物信息學(xué)專業(yè)程序設(shè)計語言課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計語言課程在教學(xué)中存在的問題，探索適合于生物信息學(xué)專業(yè)特點(diǎn)的本科生程序設(shè)計語言課程的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) 程序設(shè)計 算法實(shí)現(xiàn) 課程凝練

中圖分類號：Q811.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0126-02

隨著基因組學(xué)研究的不斷深入，生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域迎來了一個嶄新的“大數(shù)據(jù)”時代。新一代測序、高通量的基因芯片等生物檢測技術(shù)產(chǎn)生了大量的生物數(shù)據(jù)。計算機(jī)程序設(shè)計語言成為了生物信息學(xué)領(lǐng)域處理海量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)[1]。例如：使用JAVA語言建立網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布；利用Perl語言識別數(shù)據(jù)中關(guān)鍵信息；利用R語言統(tǒng)計分析方法提取差異表達(dá)基因等。在近年來具有高應(yīng)用價值的藥物信息組研究中，也采用計算機(jī)編程手段預(yù)測新的藥物靶點(diǎn)、藥物重置及藥物副作用和藥物毒性。因此，程序設(shè)計語言理論和實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)對生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生有著重要的應(yīng)用價值[2]。程序設(shè)計語言課程通常在生物信息學(xué)專業(yè)的本科階段開設(shè)，對該課程的掌握有助于學(xué)生的本科畢業(yè)設(shè)計的開展、工作所需實(shí)用知識的積累。然而，目前生物信息學(xué)專業(yè)程序設(shè)計語言課程的教材和教學(xué)方法也存在不足之處。生物信息學(xué)的學(xué)科交叉性，使該課程的教學(xué)應(yīng)根據(jù)生物信息學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，采用適合于專業(yè)自身特點(diǎn)的教學(xué)方法和更實(shí)用的教學(xué)內(nèi)容。通過程序設(shè)計語言課程的教學(xué)實(shí)踐和總結(jié)，對生物信息學(xué)專業(yè)程序設(shè)計語言課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行仔細(xì)分析，并提出具有針對性的解決方案，這將為該課程教學(xué)的探索提供幫助。

1 程序設(shè)計語言課程教學(xué)存在的問題

1.1 程序設(shè)計語言課程難度高

程序設(shè)計語言涉及到多門計算機(jī)課程，并且在程序設(shè)計語言實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中實(shí)現(xiàn)的多種數(shù)據(jù)分析方法來自于不同課程的數(shù)據(jù)分析理論。例如：數(shù)據(jù)庫技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)的抽樣、多線程計算、信息論、優(yōu)化方法、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等。這些技術(shù)每一個都形成了一門學(xué)科，可單獨(dú)作為一門課程講授。程序設(shè)計語言課程所需的多門基礎(chǔ)課程在很大程度上增加了教學(xué)難度。以該校為例，生物信息學(xué)專業(yè)本科生需要大量精力學(xué)習(xí)生物學(xué)基礎(chǔ)課程，沒有充足的時間來系統(tǒng)地學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言所需的各種知識。學(xué)生們即使學(xué)習(xí)了這些課程，也很難將這些內(nèi)容融會貫通，導(dǎo)致在基礎(chǔ)知識向計算機(jī)編程的生物學(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)困難。

1.2 課程教材內(nèi)容滯后

生物信息學(xué)研究領(lǐng)域，仍然處于快速發(fā)展和不斷完善的過程，也不斷有新的重要應(yīng)用價值的數(shù)據(jù)分析方法和理論加入到該領(lǐng)域的研究中。由于生物信息學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展和內(nèi)容更新快，程序設(shè)計語言的課程內(nèi)容，尤其是算法設(shè)計方面，往往出現(xiàn)滯后嚴(yán)重現(xiàn)象。例如：雖然在大部分教材中都包含了聚類分析方法。但許多方法在生物學(xué)研究領(lǐng)域已很少使用。而在生物學(xué)數(shù)據(jù)分析中重要的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)聚類方法卻很少在程序設(shè)計語言教材中發(fā)現(xiàn)。此外，在多年授課過程中缺乏專為生物信息學(xué)專業(yè)編寫的教材，這導(dǎo)致授課過程中計算機(jī)語言應(yīng)用方面的生物學(xué)案例非常少。例如：大部分教材沒有關(guān)聯(lián)分析算法在生物學(xué)中的應(yīng)用案例。即使在生物信息學(xué)研究中常用的組合分類器方法，也很少有教材有生物學(xué)案例。另外，生物信息學(xué)領(lǐng)域的高速發(fā)展給生物信息學(xué)程序設(shè)計語言課程的內(nèi)容設(shè)置帶來巨大挑戰(zhàn)。怎樣將計算機(jī)編程思想、算法設(shè)計等知識在生物中應(yīng)用的重要方法傳授給學(xué)生，成為教學(xué)中需要迫切解決的關(guān)鍵問題。

2 教學(xué)思考與探索

2.1 通過與該專業(yè)相關(guān)應(yīng)用相結(jié)合精簡授課內(nèi)容

程序設(shè)計語言課程的內(nèi)容過多是造成該課程教學(xué)困難的一大原因。應(yīng)適當(dāng)縮減課程的內(nèi)容，在有限的學(xué)時內(nèi)提高程序設(shè)計語言課程教學(xué)質(zhì)量。在多年的教學(xué)和科研實(shí)踐中逐漸掌握了生物信息學(xué)專業(yè)必備的程序設(shè)計語言相關(guān)內(nèi)容。通過與該專業(yè)的教授、授課教師及科研一線的博士生、碩士生進(jìn)行深入研究，評估課程中各個部分對于學(xué)生的理論價值、應(yīng)用價值，去除教材中與該專業(yè)應(yīng)用相關(guān)度不大、陳舊的且非課程核心的內(nèi)容。去除簡化數(shù)學(xué)證明、統(tǒng)計和計算機(jī)硬件理論等內(nèi)容過重而在實(shí)際應(yīng)用較少的內(nèi)容。例如：在聚類分析算法實(shí)現(xiàn)部分，結(jié)合實(shí)際適當(dāng)?shù)厝コ飻?shù)據(jù)分析中很少使用的方法。通過如上的內(nèi)容簡化處理，課程內(nèi)容過多、理論知識過難的問題在很大程度上得到了改善。對于課程基礎(chǔ)所需的基礎(chǔ)內(nèi)容以及具有應(yīng)用價值的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾訉W(xué)時數(shù)，并增加與該專業(yè)應(yīng)用直接相關(guān)的案例，采用案例式的教學(xué)方式進(jìn)行重點(diǎn)講解。例如：決策森林算法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容對于該專業(yè)非常重要。首先收集各種應(yīng)用案例和調(diào)查該專業(yè)科研人員應(yīng)用該方法的情況；其次結(jié)合學(xué)生的背景知識、學(xué)習(xí)能力設(shè)計應(yīng)用案例。授課時講授基本的原理、方法后，利用案例來深入講解該方法并分析這些方法的性能和使用途徑。對于十分重要的方法，用多個案例來反復(fù)加深理解，整個授課過程中注重內(nèi)容的深入淺出、避繁就簡。

2.2 結(jié)合生物醫(yī)學(xué)研究案例培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

通過對該學(xué)院生物技術(shù)、生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的調(diào)查，總結(jié)了學(xué)生的興趣和愛好。發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對程序設(shè)計語言課程的實(shí)用性具有足夠的認(rèn)識，但大部分學(xué)生反應(yīng)程序設(shè)計語言課程的應(yīng)用案例過少，部分案例也過于陳舊。生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生更感興趣生物信息學(xué)有關(guān)的最新研究及該領(lǐng)域最新進(jìn)展，這也符合生物信息學(xué)前沿性特點(diǎn)。生物信息學(xué)發(fā)展速度快，領(lǐng)域知識更新也快，學(xué)生在基礎(chǔ)課階段時已感覺到了這一領(lǐng)域的特點(diǎn)。而現(xiàn)有的國內(nèi)教材幾乎沒有適合于生物信息學(xué)專業(yè)的程序設(shè)計語言類教材。為此，試著設(shè)計方案，把與程序設(shè)計語言知識在生物信息學(xué)中的應(yīng)用及最新案例逐步引入到教學(xué)當(dāng)中。根據(jù)從教授、科研人員和教師那里收集來的最新研究進(jìn)展，獲得程序設(shè)計語言在生物信息學(xué)的最新應(yīng)用和未來需求。例如：通過結(jié)直腸癌基因表達(dá)譜訓(xùn)練最近鄰分類器預(yù)測結(jié)直腸癌患病傾向；對蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聚類，挖掘前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)功能模塊。此外，還進(jìn)一步開發(fā)實(shí)際的案例程序，并編寫與之配套的理論知識電子版講義。將最新的案例和教師整理的講義發(fā)送給學(xué)生。這樣，學(xué)生帶著興趣學(xué)習(xí)知識，他們的學(xué)習(xí)積極性必然得到提高。在這一過程中，注重選擇內(nèi)容新穎性強(qiáng)且方法簡單、需要較少背景知識的案例。例如：基于網(wǎng)絡(luò)Hub節(jié)點(diǎn)的蛋白質(zhì)功能模塊挖掘方法，僅僅需要幾個步驟的實(shí)現(xiàn)就能夠獲得功能模塊的結(jié)果。該方法具有生物學(xué)應(yīng)用廣泛性、生物學(xué)含義直接性和算法容易實(shí)現(xiàn)性等特點(diǎn)。對案例方法的教學(xué)使用講、學(xué)、練密切結(jié)合的教學(xué)模式，漸進(jìn)式地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課堂上進(jìn)行方法講解時，使用計算機(jī)編程手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘程序，演示數(shù)據(jù)挖掘算法的運(yùn)行過程。例如：在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)聚類方法的程序演示，利用聚類方法發(fā)現(xiàn)和預(yù)測蛋白質(zhì)功能模塊。這樣的例子使學(xué)生對聚類方法的應(yīng)用有了直觀的認(rèn)識，明顯增加他們的學(xué)習(xí)興趣。這幾年的教學(xué)實(shí)踐顯示，這種方法非常有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在課堂上對理論知識的熟悉程度較好，加之實(shí)際算法實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的演示，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的知識掌握程度和興趣。

3 結(jié)語

自從該教學(xué)方法實(shí)施以來，從學(xué)生的教學(xué)反饋中顯示出的教學(xué)方法大大改進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。在生物信息學(xué)專業(yè)的程序設(shè)計語言課程的教授過程中，結(jié)合生物信息學(xué)專業(yè)的應(yīng)用案例和編程實(shí)例，精簡課程內(nèi)容，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。這也進(jìn)一步增強(qiáng)了對教學(xué)改革的興趣和信心。將不斷地總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，摸索新的教學(xué)方法、不斷創(chuàng)新思維，以促進(jìn)該課程教學(xué)水平的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] Hogeweg P. The roots of bioinformatics in theoretical bioloby[J].PLoS Comput Biol， 2011，7（3）：1002021.

[2] 劉燕，鄒賽德.對醫(yī)學(xué)生計算機(jī)教育的思考[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育，2006（4）：5-6.