運籌學課程在生物信息學專業(yè)中的教學探索

李彭平　胡杰　呂颯麗　汪強虎

摘要：生物信息學是現(xiàn)代生命科學發(fā)展過程中，生物醫(yī)學與數(shù)理科學、計算機技術相結合而形成的新興前沿交叉學科。運籌學在生物信息學中有著廣泛應用，可為學生后續(xù)專業(yè)課學習和應用研究提供指導。文章結合生物信息學專業(yè)特點，對于如何提高運籌學在生物信息學專業(yè)中的教學質量和培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的生物信息學人才，探討了運籌學在生物信息學專業(yè)教學中的教學目的、教學內容以及教學方法和手段。

關鍵詞：生物信息學;運籌學;教學方法

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0250-02

一、前言

生物信息學是隨著人類基因組計劃的完成而興起的一門前沿交叉學科，在采集、處理、分析各種生物學數(shù)據如蛋白質組、代謝組、基因組、轉錄組所包含的重大生物學意義方面起著重要作用。運籌學是一門廣泛應用于自然科學、社會科學、工程技術生產實踐、經濟建設及現(xiàn)代化管理的學科，具有很強的實踐性和應用性。運籌學中很多方法已被廣泛地運用到生物信息學中，比如基于凸規(guī)劃問題的支持向量機用于疾病診斷和分類;基于動態(tài)規(guī)劃模型的局部比對和全局比對算法被廣泛應用于DNA和蛋白質序列的比對;基于圖的最短路徑算法則可被用于對生物網絡的分析研究等。因此，運籌學被列為生物信息學專業(yè)的專業(yè)基礎課。然而目前相關教材大多是為經濟管理學編寫，很少有專門從生物信息學角度出發(fā)編寫的運籌學教材，這樣書中的例題也都是以管理和經濟類為基礎。因此，本文針對生物信息學專業(yè)的特色，探討了運籌學在生物信息學專業(yè)中的教學目的、教學內容、教學方法及考核形式，這將有助于提高運籌學在生物信息學專業(yè)中的教學質量，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新和實踐能力的生物信息學人才。

二、根據專業(yè)的需要確定教學目的和教學內容

生物信息學是在現(xiàn)代生命科學發(fā)展過程中，生物醫(yī)學與數(shù)理科學、計算機技術相結合而形成的新興前沿交叉學科，主要研究如何對海量生物醫(yī)學數(shù)據進行獲取、加工、存儲和分析，進而理解和闡明海量數(shù)據中所包含的重大生物學意義和醫(yī)學價值。生物信息學在現(xiàn)代生物醫(yī)藥領域的研究與應用中發(fā)揮著日益關鍵的作用，已成為基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、藥學及其他相關學科發(fā)展的重要支撐學科。生物信息學旨在培養(yǎng)具有良好職業(yè)素質，掌握生物信息學的基礎理論和科學方法，富有創(chuàng)新精神，能夠從事生物信息學教學、科研、產業(yè)應用及科技開發(fā)等相關工作的專門人才。

運籌學通過提出問題、建立模型、理解算法、對模型進行求解、對解進行分析與評價，最終得到解決問題的最優(yōu)化決策方案，這種最優(yōu)化思想和工作策略越來越被廣泛地應用于生物信息學領域。因此該課程的目的是要在生物信息學和運籌學之間架起一座橋梁，針對生命科學研究中遇到的一些實際問題，運用運籌學的知識進行解決，從而為培養(yǎng)具備一定創(chuàng)新和科研潛力，具有綜合分析和解決問題能力的生物信息學人才夯實基礎。

運籌學分支很多，且各個分支自成體系，考慮到課時限制，必須對講解的內容有所側重，因此結合專業(yè)特點，主要介紹線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和圖與網絡分析等基本內容。在講解這些分支的基本概念、模型、建模和求解后，引入生物信息學相關實例，講解這些知識點在生物信息學專業(yè)中的具體應用。

將運籌學理論知識和生物信息學實例結合講解，并輔以實驗課實現(xiàn)相關案例，可以進一步激發(fā)學生的學習熱情，加深學生對知識的理解和掌握，增強學生應用理論知識解決實際問題的能力，提升教學質量。

三、結合課程和專業(yè)特點確定教學方法和手段

在教學方法上，目前采用多媒體授課方式為主，實驗課為輔的教學方式。在理論課講解中，授課前會簡要復習上一節(jié)課的內容;在講解過程中，教師適當對學生進行提問，與學生互動，了解學生對知識點的理解程度，并據以調整講課節(jié)奏;課后布置適當練習，進一步鞏固學生對知識點的掌握。在實驗課教學中，主要是設計專業(yè)相關的案例，讓學生用生物信息領域必須掌握的R語言實現(xiàn)模型的建立和求解，這樣既能鞏固理論課知識點，又能實踐運籌學在信息科學和生命科學中的相關應用。在教學的具體實施中，我們采取以下教學方法。

1.交叉知識點自學。由于運籌學具有多學科交叉的特點，依賴于學生已經學習過的線性代數(shù)課程，和學生必須知道而在之前的學習中未接觸的知識點。因此，在授課之前，教師可這些知識點列成清單，讓學生去復習線性代數(shù)相關知識，并自學之前未接觸到的知識點。從前三屆學生的教學反饋來看，大部分學生都能通過自學理解這些基礎知識。

2.基于計算機實驗教學，提高學生實際解決問題的能力。在生物信息學教學中，計算機實踐教學是必不可少的環(huán)節(jié)。在實驗課教學中，用生物信息領域必須掌握的R語言實現(xiàn)模型的建立和求解等計算分析過程，進一步提高了學生對理論課內容的理解，培養(yǎng)學生動手實踐的能力。

3.學生分組討論。為了充分發(fā)揮學生的主體性、積極性和參與性，在授課過程中，教師將針對運籌學的每一個分支，提出一個與專業(yè)相關的案例，將學生分組，以團隊協(xié)作的方式完成案例。通過查閱資料、整理數(shù)據、制作PPT、再上臺講解案例，并由其他同學質疑和點評的方式，提高每個學生的學習熱情。分組討論的模式，可以充分開拓學生思維，發(fā)揮學生的學習主體作用，提高學生團隊合作學習和自主學習的能力，為培養(yǎng)高素質的生物信息學人才打好基礎。

四、利用網絡資源開闊學生視野

同時，生物信息學具有前瞻性的特點，這就要求授課教師在明確專業(yè)人才培養(yǎng)目標的基礎上，探討如何將現(xiàn)有的相關科研成果轉化為課堂教學內容，并逐步形成科學的專業(yè)教材體系。在教學過程中，通過搜索運籌學在生物信息學中的高質量研究論文，把論文內容作為專業(yè)課內容的擴展及應用部分，這樣集理論和應用于一體的教學內容，既可以適當培養(yǎng)學生的科研素質，同時也激發(fā)了學生的創(chuàng)造力，從而提高人才培養(yǎng)的質量。這也是教學科研一體化思想的具體體現(xiàn)，有利于培養(yǎng)高素質的生物信息學人才。

五、多種平臺聽取學生反饋

為了及時掌握學生的學習效果，我們會通過課后作業(yè)、學校教學門戶網站、微信和郵件等多種渠道與學生溝通。隨時了解學生的思想動態(tài)和學生對知識點的掌握程度，并根據這些反饋信息，及時調整教學方案和進度，使教學目的得到真正的實現(xiàn)，并為后期運籌學在生物信息學專業(yè)中的教學積累更多的經驗。

六、多種考核方式并存

考核方面，不再僅僅依照傳統(tǒng)的試卷考試形式，還將引入其他評價方式，如課堂討論、案例匯報、平時作業(yè)和計算機實驗。其中卷面內容反映學生對課程基本理論、重點、難點的掌握情況;課堂討論考察學生的積極性;案例匯報重點考察學生的探索能力、創(chuàng)新能力和表述能力;計算機實驗主要考查學生運用R語言解決實際問題的能力。多種考核方式并存，有利于全面衡量學生對運籌學課程知識的掌握和綜合實踐能力。

七、結語

通過運籌學在生物信息學專業(yè)中的教學，不斷探索適合生物信息學專業(yè)的教學方法，提高學生分析和處理實際問題的能力，以培養(yǎng)適應信息技術、生物醫(yī)藥科技發(fā)展與高新技術產業(yè)發(fā)展，熟練應用信息技術解決生物醫(yī)藥問題的人才。

參考文獻：

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[3]史歡歡.復雜生物網絡最短路徑計算問題[D].蘭州大學，2016.

Exploration of Operations Research Teaching in Bioinformatics

LI Peng-ping，HU Jie，LV Sa-li，WANG Qiang-hu

（School of Biomedical Engineering and Informatics，Nanjing Medical University，Nanjing Medical University，Nanjing，Jiangsu 211166，China）

Abstract：Bioinformatics combines biology，computer science，information engineering，mathematics and statistics to analyze and interpret biological data.Operations research is widely used in bioinformatics，providing theoretical knowledge and methods for students to major courses learning in the future.Considering of the characteristics of bioinformatics，the paper discusses the teaching purpose，contents and methods of operations research teaching in bioinformatics to improve the quality of teaching and cultivate innovative bioinformatics talents.

Key words：bioinformatics;Operations Research;teaching method

收稿日期：2019-05-17

基金項目：中華醫(yī)學會“現(xiàn)代生物信息學教學模式的創(chuàng)新與實踐”項目（2016B-FF057）;南京醫(yī)科大學“十三五”教育研究課題“生物信息學專業(yè)程序設計類課程建設的研究”項目（YB2017024）;江蘇省研究生教學改革課題“面向醫(yī)學專業(yè)的生物信息學教學研究與實踐”（JGZZ19_052）;南京醫(yī)科大學教學研究課題“面向精準醫(yī)學產業(yè)的生物信息學復合型人才培養(yǎng)體系研究與應用”

作者簡介：李彭平（1985-），女，安徽安慶人，博士，南京醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程與信息學院講師，研究方向為腫瘤免疫微環(huán)境。