大數(shù)據(jù)背景下計(jì)算生物學(xué)“教學(xué)科研一體化”模式的應(yīng)用探究

郭文娜，馬珊珊，趙慧智，關(guān)方霞

（鄭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州）

一 引言

計(jì)算生物學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門新興學(xué)科，主要是應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、結(jié)合數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等來研究生物學(xué)問題。計(jì)算生物學(xué)研究范疇廣泛，具有多學(xué)科綜合交叉、生物學(xué)數(shù)據(jù)量大、實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)、與計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)緊密結(jié)合等特點(diǎn)。計(jì)算生物學(xué)的研究結(jié)果可以減少生物學(xué)中的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，為生物學(xué)研究提供新的研究思路，將傳統(tǒng)的“實(shí)踐到理論總結(jié)”的研究思路，改變?yōu)樾碌摹袄碚摬聹y到實(shí)踐檢驗(yàn)再到理論總結(jié)”的研究思路。隨著生命科學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的大量增長，計(jì)算生物學(xué)方法在現(xiàn)代生物學(xué)研究中越來越重要和復(fù)雜，逐漸成為核心方法之一。英國劍橋大學(xué)的 Florian Markowetz于2017年在《Plos Biology》上發(fā)文稱“All biology is computational biology”。他認(rèn)為計(jì)算生物學(xué)的發(fā)展促使了我們對生命現(xiàn)象的理解，使我們可以對傳統(tǒng)的生物學(xué)概念進(jìn)行計(jì)算測試，規(guī)范了研究者對生物學(xué)的見解。他認(rèn)為數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法等將驅(qū)動生物學(xué)的下一個(gè)重大進(jìn)化，將生物學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎靠茖W(xué)。

計(jì)算生物學(xué)是在生物信息學(xué)的基礎(chǔ)上利用計(jì)算方法解決生物學(xué)問題，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)通過計(jì)算技術(shù)對生物學(xué)問題進(jìn)行研究，為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究提供分析方法和技術(shù)。運(yùn)用計(jì)算生物學(xué)，有助于認(rèn)識生物生長發(fā)育、進(jìn)化等的規(guī)律。近年來，國內(nèi)外對計(jì)算生物學(xué)對重視不斷增加。在國內(nèi)，計(jì)算生物學(xué)是我國國家自然科學(xué)基金委員會重點(diǎn)資助的研究方向之一。在國外，國際計(jì)算生物學(xué)學(xué)會（ISCB）自1997年成立以來，已擁有來自70多個(gè)國家的2500多名會員。斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)等多個(gè)國際名校都成立了計(jì)算生物學(xué)中心。越來越多的研究者也意識到在大數(shù)據(jù)背景下運(yùn)用計(jì)算生物學(xué)方法分析數(shù)據(jù)解決問題的重要性，計(jì)算生物學(xué)人才的需求量也隨之增加，因此計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)也顯得尤為重要。

目前，許多高校的本科教學(xué)已開展《計(jì)算生物學(xué)》專業(yè)課程?！队?jì)算生物學(xué)》是我院（鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修課程，該課程共設(shè)置了 48 學(xué)時(shí)，包含序列比對、DNA序列拼接、基因預(yù)測、基因功能分析、RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測等相關(guān)算法等介紹與應(yīng)用等?！队?jì)算生物學(xué)》課程的開設(shè)不僅讓學(xué)生了解計(jì)算生物學(xué)及其應(yīng)用，還有助于學(xué)生了解當(dāng)今生物學(xué)發(fā)展的前沿，為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)，同時(shí)還能為繼續(xù)研究生學(xué)習(xí)的學(xué)生提供良好的知識背景和分析方法。然而，由于計(jì)算生物學(xué)涉及的內(nèi)容較繁雜，且與多個(gè)學(xué)科存在交叉滲透，傳統(tǒng)的“以課本為基礎(chǔ)，以教師為中心”的教學(xué)方式并不完全適合《計(jì)算生物學(xué)》的教學(xué)。教學(xué)科研一體化的教學(xué)模式將科研融入教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的科研興趣與科研思維，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，以更好地滿足當(dāng)代社會的需求。本文從高校《計(jì)算生物學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題出發(fā)，對計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和方式、教學(xué)方法，及教學(xué)科研一體化模式在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用等進(jìn)行探索，為高校計(jì)算生物學(xué)教學(xué)改革的奠定基礎(chǔ)。

二 計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中存在的問題

結(jié)合我院生物信息專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃、課程教學(xué)大綱和實(shí)際授課情況，我們選擇楊晶等人編著的《生物計(jì)算—生物序列的分析方法與應(yīng)用》作為主要參考教材，同時(shí)結(jié)合《生物序列分析》《第二代測序信息處理》等多本參考書，授課內(nèi)容將計(jì)算生物學(xué)的基本算法、基本理論、技術(shù)進(jìn)展、相關(guān)軟件及其應(yīng)用相結(jié)合。目前計(jì)算生物學(xué)教學(xué)存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一） 優(yōu)秀的計(jì)算生物學(xué)師資缺乏

作為一門新興學(xué)科，我國計(jì)算生物學(xué)教師隊(duì)伍的數(shù)量和質(zhì)量與該學(xué)科的快速發(fā)展規(guī)模不匹配。就我院而言，計(jì)算生物學(xué)是由在相關(guān)教學(xué)和科研方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師講授，但目前學(xué)院教師中具有專業(yè)的計(jì)算生物學(xué)背景的博士較少，大部分老師為理學(xué)專業(yè)的博士，很少老師具備良好計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)及算法的基礎(chǔ)知識，因此很難系統(tǒng)專業(yè)地講授計(jì)算生物學(xué)課程。

（二） 計(jì)算生物學(xué)與其他學(xué)科的合作交流有待加強(qiáng)

計(jì)算生物學(xué)與其他專業(yè)之間存在交叉聯(lián)系。計(jì)算生物學(xué)教師應(yīng)與其他學(xué)科的教師之間交流合作，提高計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)。而實(shí)際上不同專業(yè)學(xué)科的教師缺乏交流合作，難以實(shí)現(xiàn)其高效教學(xué)。如我院開設(shè)的相關(guān)課程有《生物信息學(xué)》《系統(tǒng)生物學(xué)》《R語言》等，但由于教師之間缺乏溝通，造成有些內(nèi)容不同學(xué)科教師重復(fù)講授、不同學(xué)科間不能相互結(jié)合，為其他學(xué)科提供基礎(chǔ)。而且不同授課老師根據(jù)自身的情況，其側(cè)重點(diǎn)也不一樣。如醫(yī)學(xué)院的授課教師可能側(cè)重于疾病相關(guān)信息的分析鑒定；理學(xué)院教師的授課則可能側(cè)重于計(jì)算生物學(xué)應(yīng)用有關(guān)的數(shù)學(xué)方法、理論及算法的原理等；而計(jì)算機(jī)專業(yè)教師的授課可能側(cè)重于程序的編寫、相關(guān)數(shù)據(jù)庫的查詢與構(gòu)建、算法的上機(jī)實(shí)踐等方面。計(jì)算生物學(xué)側(cè)重于算法，以計(jì)算為工具，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與方法對生物學(xué)問題進(jìn)行分析研究，最終解決生物學(xué)問題。因此，各相關(guān)專業(yè)的教師應(yīng)該加強(qiáng)交流學(xué)習(xí)，提高課程教學(xué)。

（三） 缺乏理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)整合

教師關(guān)注系統(tǒng)知識的傳授及授課計(jì)劃的完成，而在學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面有所忽略，缺乏理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合。首先，通過計(jì)算生物學(xué)方法得到的結(jié)果的有效性需要靠有意義的生物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。然而目前生物專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較為單一，只是以驗(yàn)證基本理論為目的，創(chuàng)新性較差，缺乏對學(xué)生實(shí)際動手操作能力以及創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。其次，對計(jì)算生物學(xué)而言，計(jì)算機(jī)上機(jī)實(shí)踐操作能夠直觀地檢測驗(yàn)證相關(guān)結(jié)果，上機(jī)實(shí)踐教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性以及創(chuàng)新思維能力，目前的計(jì)算生物學(xué)教學(xué)缺乏上機(jī)實(shí)踐。

（四） 缺乏科研成果與教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合

目前計(jì)算生物學(xué)在科學(xué)研究中得到越來越多的應(yīng)用，也取得了許多科研成果。但是，前沿科研成果仍未能有效地融入到當(dāng)前的計(jì)算生物學(xué)課程教學(xué)中，主要表現(xiàn)在：一方面，教師未能及時(shí)將科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，融入實(shí)際課堂教學(xué)中，另一方面，教學(xué)內(nèi)容太偏理論，與實(shí)際科研應(yīng)用存在脫節(jié)。這導(dǎo)致學(xué)生并不知道學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)在當(dāng)前科學(xué)研究中能做什么，該如何做，不能將所學(xué)的課堂理論知識很好地應(yīng)用于科研實(shí)踐中，學(xué)起來難免有點(diǎn)枯燥無味。因此，在計(jì)算生物學(xué)課程中嘗試應(yīng)用教學(xué)科研一體化的教學(xué)模式，通過科研成果與理論教學(xué)的有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與科研興趣，在完成系統(tǒng)知識傳授和授課計(jì)劃的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和素質(zhì)。

（五） 缺乏適合的理論和實(shí)踐教材

此外，計(jì)算生物學(xué)還缺乏適合的理論和實(shí)踐教材。目前，并沒有明確的計(jì)算生物學(xué)教材，相關(guān)教材主要是國外教科的翻譯書籍，國內(nèi)研究者自編的教材卻寥寥無幾，如《計(jì)算生物學(xué)導(dǎo)論——圖譜，序列和基因組》《生物序列分析》都是翻譯書籍。課本內(nèi)容更新較慢，而計(jì)算生物學(xué)發(fā)展迅速，教材中缺乏計(jì)算生物學(xué)相關(guān)的新技術(shù)和新方法的介紹。而且，目前教材還普遍存在內(nèi)容零散、系統(tǒng)性弱的問題。

三 教學(xué)科研一體化模式在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中的改革和應(yīng)用

教學(xué)科研一體化模式是指將已有的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)研究成果融入實(shí)際教學(xué)課堂中，采用以科研帶動教學(xué)的思路來提高教學(xué)，同時(shí)通過提高教學(xué)水平來促進(jìn)科學(xué)研究的發(fā)展，使二者有機(jī)融合、協(xié)同發(fā)展?！敖潭谎袆t淺，研而不教則空”，科研是教學(xué)的“源頭活水”，如果缺乏科研作為支撐，課堂教學(xué)就會缺少“靈魂”。因此，如何將科研成果有效地融入到實(shí)際教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)理論教學(xué)方法與現(xiàn)代科研一體化模式的改變，進(jìn)而提高學(xué)生將理論知識學(xué)習(xí)與科研應(yīng)用相結(jié)合的能力，是目前計(jì)算生物學(xué)課程教學(xué)中需要解決的重要問題之一。

（一） 規(guī)范計(jì)算生物學(xué)教學(xué)大綱和授課計(jì)劃

計(jì)算生物學(xué)開好的前提是要有較好的教學(xué)大綱和授課計(jì)劃。學(xué)院應(yīng)根據(jù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的人才培養(yǎng)要求，結(jié)合前期計(jì)算生物學(xué)及相關(guān)課程的教學(xué)與學(xué)生反饋情況，組織老師制定詳細(xì)的適合計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)大綱，并編寫授課計(jì)劃。由于不同授課老師的興趣可能更偏向某個(gè)領(lǐng)域或某一方面，而計(jì)算生物學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，因此，在制定教學(xué)大綱時(shí)，應(yīng)組織不同研究領(lǐng)域的教師及研究人員進(jìn)行溝通交流，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)需要適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法。同時(shí)考慮在實(shí)際教學(xué)中需要融入相關(guān)領(lǐng)域的科研成果，教師要了解專業(yè)前沿，改革教學(xué)內(nèi)容。大綱應(yīng)概括每個(gè)章節(jié)的基本內(nèi)容與要求、相關(guān)科研成果、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)及建議、課后練習(xí)題等內(nèi)容。教學(xué)大綱的制定要把握以下幾個(gè)原則：教學(xué)科研相融合，具有連貫與整體性，同時(shí)要避免重復(fù)。

（二） 科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合

教師在課堂教學(xué)時(shí)，應(yīng)該將科學(xué)研究與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，把“學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)的相關(guān)知識點(diǎn)在科學(xué)研究中能做什么？怎么做？是否已有相關(guān)研究？”等問題貫穿到實(shí)際教學(xué)活動中，將已有的前沿科學(xué)研究成果融入實(shí)際教學(xué)內(nèi)容。通過問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生主動思考，并通過合作或自主探討等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。教師提出相關(guān)問題，鼓勵(lì)學(xué)生通過不同方法方式尋找解決方案，然后學(xué)生對各種解決方案進(jìn)行討論和評價(jià)，教師進(jìn)行歸納總結(jié)，探討不同解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，加強(qiáng)與學(xué)生間的互動，教師要及時(shí)了解國內(nèi)外前沿進(jìn)展，隨時(shí)補(bǔ)充和完善教學(xué)知識體系，將科研成果有效融入到課堂教學(xué)內(nèi)容中，實(shí)現(xiàn)課本理論基礎(chǔ)知識與科研前沿動態(tài)的良好結(jié)合。此外，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，了解學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，拓寬知識面。

（三） 教學(xué)科研與實(shí)踐相結(jié)合

對于高校教學(xué)改革而言，實(shí)踐教學(xué)是重要的環(huán)節(jié)之一。實(shí)踐教學(xué)是提高素質(zhì)教育的最有效的教學(xué)方式之一。實(shí)踐教學(xué)通過實(shí)踐應(yīng)用可以檢測學(xué)生對課程基礎(chǔ)理論知識的掌握程度。計(jì)算生物學(xué)不僅理論性強(qiáng)，而且實(shí)踐性要求也很高。計(jì)算生物學(xué)實(shí)踐應(yīng)用主要是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算生物學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)。實(shí)踐應(yīng)用與理論知識講授相結(jié)合的教學(xué)方式對于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和能力非常重要。傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式限制了學(xué)生獨(dú)立探索問題及實(shí)際操作解決問題的能力。因此，需要將教學(xué)科研與實(shí)踐相結(jié)合，將學(xué)生簡單被動接收課堂知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿鲗W(xué)習(xí)知識，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力。

采用教學(xué)科研一體化模式，針對計(jì)算生物學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，倡導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和小組協(xié)作學(xué)習(xí)的方式，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，鍛煉學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生對相關(guān)信息資源和軟件的應(yīng)用能力。比如，讓學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，或者參加教師的科研課題等，通過教學(xué)與科研結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力；或者教師給定待選課題或?qū)W生根據(jù)自身興趣查閱相關(guān)科研文獻(xiàn)報(bào)道選擇課題，根據(jù)計(jì)算生物學(xué)學(xué)習(xí)的知識，以個(gè)人或小組討論的形式提出分析方案、進(jìn)行分析整理、并對分析結(jié)果給出解釋、整理結(jié)果撰寫小論文、進(jìn)行匯報(bào)。同時(shí)，不同小組學(xué)生進(jìn)行討論和點(diǎn)評，最后教師進(jìn)行點(diǎn)評與總結(jié)，學(xué)生進(jìn)行總結(jié)思考，從而提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)以及技能和知識應(yīng)用的能力。在學(xué)生學(xué)習(xí)討論點(diǎn)評的過程中，提高學(xué)生的科研意識和科研思維能力，進(jìn)而提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

（四） 教學(xué)科研與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合

計(jì)算生物學(xué)利用計(jì)算方法和技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，從大量的測序或分子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中探究背后潛藏的信息，基于數(shù)據(jù)提出假設(shè)，然后結(jié)合數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，最后通過計(jì)算機(jī)模擬方法來進(jìn)一步檢驗(yàn)假設(shè)與模型，為進(jìn)一步的體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)研究提供參考。數(shù)據(jù)挖掘和模型驗(yàn)證是交互進(jìn)行的，一方面，通過計(jì)算生物學(xué)分析預(yù)測得到的模型可以為進(jìn)一步的分子實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，另一方面，從新的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)未知知識，進(jìn)一步修正假設(shè)、完善模型，最終深入理解生命活動的現(xiàn)象和本質(zhì)。因此，在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)將教學(xué)科研與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合。

四 結(jié)語

計(jì)算生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，其內(nèi)容新穎、數(shù)據(jù)量大、發(fā)展迅速、技術(shù)手段先進(jìn)、實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)，而且與其他學(xué)科交叉性強(qiáng)，目前已在多個(gè)研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。因此，教學(xué)過程中計(jì)算生物學(xué)的授課方式也非常重要。隨著測序技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算生物學(xué)需要對產(chǎn)生的大規(guī)模的組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。教師要及時(shí)了解計(jì)算生物學(xué)最新發(fā)展動態(tài)和科研進(jìn)展，掌握前沿知識，將科研前沿成果融入到課堂教學(xué)中，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和方式，使教學(xué)基礎(chǔ)知識與科研有機(jī)結(jié)合、良性互動和協(xié)調(diào)發(fā)展，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與科研熱情和潛能，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、和科研思維能力，同時(shí)讓學(xué)生積極參與科研，提高學(xué)生將理論知識和實(shí)際科研應(yīng)用相結(jié)合的能力，從而提高教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。