計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程的探索

邱景璇 裘天頤＊

（1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093；2.上海市公共衛(wèi)生臨床中心，上海201052）

通識(shí)教育最早是由帕卡德教授提出的一種綜合的教育，是同學(xué)們進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)之前的準(zhǔn)備[1]，通識(shí)教育不應(yīng)以職業(yè)和實(shí)用為目的，更應(yīng)側(cè)重課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)[2]。設(shè)置通識(shí)課程，是當(dāng)前我國高校通識(shí)教育的重要方式之一。在科學(xué)綜合素養(yǎng)類學(xué)科中，生命科學(xué)是與人類生活息息相關(guān)的一門科學(xué)，也是21世紀(jì)以來最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科之一。生命科學(xué)的通識(shí)教育，是當(dāng)今高校綜合素養(yǎng)類課程教育的一個(gè)必備環(huán)節(jié)。近年來隨著生物大數(shù)據(jù)的積累，傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)為主體的生命科學(xué)思路與認(rèn)識(shí)在與高通量計(jì)算的結(jié)合中碰撞出了新的火花，形成了獨(dú)具特色的計(jì)算生物學(xué)及生物信息學(xué)相關(guān)交叉學(xué)科。在信息數(shù)據(jù)爆炸的當(dāng)今時(shí)代，設(shè)置計(jì)算生物學(xué)類的通識(shí)課程，是當(dāng)前生命科學(xué)通識(shí)教育的重要補(bǔ)充。

1 設(shè)置計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程的必要性

計(jì)算生物學(xué)是后基因組時(shí)代的產(chǎn)物之一[3]，隨著人類基因組計(jì)劃的不斷深入，以堿基序列為基礎(chǔ)的生物類數(shù)據(jù)開啟了急速地積累。同時(shí)，生物數(shù)據(jù)的積累不僅包括了數(shù)據(jù)量的增長，也包括了不同類型及維度的生物數(shù)據(jù)的爆發(fā)。對(duì)巨大而復(fù)雜的生物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，挖掘其背后的生物學(xué)意義，應(yīng)用于指導(dǎo)人們的認(rèn)知或應(yīng)用于日常生活，是當(dāng)今時(shí)代下生物學(xué)發(fā)展所不可避免的挑戰(zhàn)。計(jì)算科學(xué)與生物學(xué)之間的交叉，相互滲透，促進(jìn)了創(chuàng)新，計(jì)算科學(xué)為研究生物問題提供了新的思路與方法，而生命科學(xué)為計(jì)算科學(xué)提供了目標(biāo)問題。隨著測(cè)序成本的降低以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，計(jì)算生物學(xué)早已不只停留在專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，計(jì)算生物類的產(chǎn)品已逐步走入人們的日常生活中，比如利用生物信息學(xué)手段快速了解新型冠狀病毒的生物特征進(jìn)行病毒檢測(cè)，利用二代測(cè)序技術(shù)分析預(yù)測(cè)疾病類型指導(dǎo)用藥，通過基因芯片預(yù)測(cè)疾病易感風(fēng)險(xiǎn)（包括糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，酒精代謝能力預(yù)測(cè)）等，傳統(tǒng)的以疾病為導(dǎo)向的計(jì)算分析，已越來越多地融入疾病之前的大健康數(shù)據(jù)分析之中。對(duì)于大數(shù)據(jù)時(shí)代下的大學(xué)生，學(xué)會(huì)以大數(shù)據(jù)的思維來了解生物醫(yī)學(xué)的具體范疇與應(yīng)用，學(xué)會(huì)利用學(xué)科交叉的思路來解決日常生活中的生物醫(yī)學(xué)問題，在通識(shí)課程的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的素質(zhì)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程設(shè)計(jì)

計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程的設(shè)計(jì)應(yīng)與生物信息學(xué)專業(yè)課程有所側(cè)重與區(qū)分，對(duì)于此類通識(shí)課程，應(yīng)在介紹基礎(chǔ)生命科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，結(jié)合計(jì)算手段在對(duì)應(yīng)生物學(xué)內(nèi)容部分的具體應(yīng)用。在內(nèi)容設(shè)計(jì)上的總原則為側(cè)重講述計(jì)算方法與生物知識(shí)的結(jié)合，激發(fā)學(xué)生從數(shù)據(jù)分析的角度解析生物問題的興趣，培養(yǎng)學(xué)生敬畏生命的價(jià)值觀。在具體授課過程中應(yīng)以實(shí)例應(yīng)用為主，側(cè)重了解計(jì)算工具的輸入與輸出，以及對(duì)應(yīng)計(jì)算工具或算法的適用范圍，弱化對(duì)計(jì)算原理的推導(dǎo)及算法設(shè)計(jì)方面的講解。

2.1 課程內(nèi)容

課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)緊密圍繞計(jì)算科學(xué)與生命科學(xué)的結(jié)合部分重點(diǎn)展開，核心的四大課程模塊包括：遺傳、發(fā)育、進(jìn)化、免疫與疾病。針對(duì)各個(gè)核心模塊，均分為兩個(gè)部分：基礎(chǔ)生命科學(xué)知識(shí)介紹和相應(yīng)計(jì)算方法的應(yīng)用。

（1）遺傳。該模塊首先重點(diǎn)介紹生命的化學(xué)組成，包括組成細(xì)胞的重要糖類、脂類、蛋白質(zhì)及核酸的基本結(jié)構(gòu)與功能。其次對(duì)基因的遺傳定律進(jìn)行介紹，使學(xué)生了解分子遺傳的基本規(guī)律。在該模塊對(duì)應(yīng)的計(jì)算部分，介紹二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，并對(duì)人類基因組計(jì)劃的歷史進(jìn)行講述。本模塊通過針對(duì)我國科學(xué)家參加人類基因組計(jì)劃的經(jīng)過及成果進(jìn)行介紹，來培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷。引入大分子蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬的計(jì)算工具，并通過對(duì)國際蛋白結(jié)構(gòu)計(jì)算模擬比賽的介紹，使學(xué)生了解最新的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)進(jìn)展。

（2）發(fā)育。該模塊的內(nèi)容按照從微觀到宏觀，從分子到動(dòng)物的順序安排教學(xué)內(nèi)容。依次介紹細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育的方向與過程，干細(xì)胞的特征及臨床應(yīng)用，動(dòng)物克隆的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)。相對(duì)應(yīng)的，本模塊介紹的對(duì)應(yīng)計(jì)算內(nèi)容包括，生物信息工具預(yù)測(cè)發(fā)育相關(guān)的目標(biāo)基因，如何利用計(jì)算方法對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路進(jìn)行富集分析從而得到關(guān)鍵通路。對(duì)于干細(xì)胞相關(guān)信息技術(shù)的成果，重點(diǎn)介紹我國的國家干細(xì)胞資源轉(zhuǎn)化庫及干細(xì)胞信息平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生如何將其中包含的信息進(jìn)行歸納分析。

（3）進(jìn)化。該模塊的教學(xué)內(nèi)容依次包括達(dá)爾文與進(jìn)化論、人類的起源與進(jìn)化、病毒的進(jìn)化。對(duì)應(yīng)的計(jì)算科學(xué)內(nèi)容包括利用生物信息學(xué)工具（如MEGA、PHYLIP等）構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，通過進(jìn)化樹預(yù)測(cè)不同分支上的分子或生物之間的遺傳相似性。進(jìn)化分析包括人與黑猩猩、大猩猩、長臂猿等哺乳動(dòng)物之間的進(jìn)化樹構(gòu)建，以及微生物尤其是病毒之間進(jìn)化關(guān)系的預(yù)測(cè)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到進(jìn)化的過程，以及如何利用基因相似性確定進(jìn)化關(guān)系。

（4）免疫與疾病。本部分內(nèi)容包括人體免疫系統(tǒng)（細(xì)胞免疫與體液免疫）的介紹、常見病原微生物介紹及免疫信息學(xué)的應(yīng)用。介紹我國科學(xué)家與臨床醫(yī)生利用免疫信息學(xué)手段進(jìn)行疾病治療的先進(jìn)方法與成功案例，包括腫瘤免疫治療及疫苗設(shè)計(jì)。同時(shí)，介紹轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳學(xué)相關(guān)高通量檢測(cè)產(chǎn)品在疾病的診斷及預(yù)后分析上的應(yīng)用。

2.2 課程形式

通識(shí)課程與專業(yè)課程的區(qū)別在于所選修的學(xué)生來自理工類及文科類各專業(yè)，因此在授課內(nèi)容及課程形式上應(yīng)注意各專業(yè)同學(xué)的接受度與結(jié)合點(diǎn)。同時(shí)，在課程形式上應(yīng)更加注意結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下的各種與時(shí)俱進(jìn)的案例，將知識(shí)內(nèi)容融入案例分析之中[4]。

2.2.1 案例分析

本課程從始至終貫穿著案例分析，以案例的方式提出每節(jié)課程的科學(xué)問題，通過生物學(xué)知識(shí)的介紹，確定需要解決問題的環(huán)節(jié)，再引入計(jì)算的方法和手段有針對(duì)性地解決本節(jié)課程中提出的科學(xué)問題。以遺傳模塊為例，將中國科學(xué)家利用DNA檢測(cè)技術(shù)判斷曹操墓的真假，以及確定曹操家族DNA的案例。利用家喻戶曉的歷史人物及歷史爭(zhēng)議引起學(xué)生的興趣，提出一系列的科學(xué)問題，比如，為了研究一個(gè)家族的起源及其后代分支，應(yīng)當(dāng)從哪些基因入手？解析出的DNA序列包含了何種信息？如何利用計(jì)算方法定量計(jì)算兩條DNA序列之間的相似性高低？通過這些問題的引入，層層深入，依次介紹孟德爾遺傳規(guī)律、DNA測(cè)序技術(shù)以及目前開發(fā)的序列比對(duì)的計(jì)算方法。最終通過DNA序列實(shí)例，使學(xué)生切身體會(huì)到如何利用計(jì)算手段解決序列相似性評(píng)估問題。至此，從問題引入，生物知識(shí)講解，計(jì)算工具介紹，完成了該節(jié)內(nèi)容的講授。

2．2．2 社會(huì)熱點(diǎn)問題討論會(huì)

當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，關(guān)于社會(huì)熱點(diǎn)問題不能刻意避之不談，需要在討論中引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的保護(hù)生命、敬畏生命的價(jià)值觀和道德觀，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生參與到課程中，設(shè)立專題討論會(huì)，每次針對(duì)一個(gè)大家感興趣的時(shí)事生命科學(xué)問題，各專業(yè)同學(xué)可從多角度進(jìn)行分析與討論。例如，如何看待基因編輯嬰兒的事件？在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，如何保證每個(gè)人的生物醫(yī)學(xué)信息與數(shù)據(jù)安全，維護(hù)個(gè)人隱私？微生物與人和諧共生，如何利用計(jì)算方法監(jiān)測(cè)微生物的突變與進(jìn)化？為什么需要每年都注射流感疫苗，可否通過計(jì)算模型監(jiān)測(cè)流感疫苗的有效性？通過設(shè)立類似的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的自主探究與摸索[5]。2．2．3 辯論賽

如果說上述討論會(huì)能夠鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)表自己的觀點(diǎn)，那么設(shè)置辯論賽的形式則更能激發(fā)學(xué)生的思辨熱情。對(duì)于既有有利方面又有明顯弊端的技術(shù)與方法，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生自主分析兩種對(duì)立觀點(diǎn)之間的利害關(guān)系。這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)置是為了避免課堂上完全由教師列出利弊對(duì)比，而學(xué)生缺乏自主地探索。設(shè)計(jì)辯論賽，需設(shè)置正反雙方，可設(shè)計(jì)的題目包括，克隆技術(shù)的利與弊；你是否愿意數(shù)字化自己的記憶、你是否愿意與私人定制的人工智能做朋友。通過此類問題的設(shè)置，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，集合大數(shù)據(jù)時(shí)代下能獲取的各種數(shù)據(jù)資源，發(fā)散思維，多角度衡量計(jì)算技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合所帶來的影響。

2.3 課程考核方式

如上所述，在課程形式方面，本課程所設(shè)置的互動(dòng)環(huán)節(jié)較為豐富，因此，相對(duì)應(yīng)的課程考核方式也應(yīng)該有別于傳統(tǒng)的考試形式。在教學(xué)管理方面充分利用信息化教學(xué)管理平臺(tái)[6]，如超星平臺(tái)、雨課堂等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師線上線下的混合式教學(xué)模式，開拓多種線上線下溝通渠道。本課程注重過程化考核，分為個(gè)人得分及小組團(tuán)隊(duì)得分，考核分值包括案例分析得分（20%）、討論會(huì)個(gè)人評(píng)分（20%）、辯論賽團(tuán)隊(duì)得分（30%）以及期末綜述總結(jié)（30%）。在70%的過程化考核中，每一個(gè)部分的得分均由教師打分（50%）及學(xué)生互評(píng)得分（50%）組成，使課程不再拘泥于教師的單項(xiàng)考核，更多地讓學(xué)生成為課堂的主體，變課堂為思維碰撞的平臺(tái)。

3 結(jié)語

本文圍繞計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程提出課程設(shè)計(jì)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，將信息與計(jì)算技術(shù)與生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行交叉結(jié)合，是現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，了解計(jì)算生物學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，是當(dāng)代大學(xué)生在通識(shí)教育中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過計(jì)算生物學(xué)類通識(shí)課程的設(shè)置，側(cè)重學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力，引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)科交叉創(chuàng)新的思維，能夠?qū)Ρ究仆ㄗR(shí)教育起到推動(dòng)作用。