計算機系統應用到生物學的課程教學

　　這篇計算機工程師論文發表了計算機系統生物學的課程教學與實踐，論文介紹了計算機系統生物學課程的教學現狀、教學內容和教學模式，結合醫學院校的特點，探討了在計算機系統生物學課程教學中需要注意的問題，這將有助于學生創新思維的訓練和科研時間能力的培養。

　　關鍵詞：計算機工程師論文,計算系統生物學,醫學院校

　　生命系統高度復雜,成千上萬的基因相互作用,形成復雜的調控網絡,繼而完成特定的生物學過程。傳統生物學實驗從單個基因角度出發,探索生命現象或者疾病致病機制,忽略了系統中各個層面的交互、支持、整合等作用,限制了生物學研究的發展。隨著高通量測序技術的發展,海量組學數據(基因組、轉錄組、蛋白質組、表觀組、互作組等)的涌現,以及生物信息整合分析技術的開發,計算系統生物學應運而生[1]。計算系統生物學是生物信息專業本科生基礎課程。自哈爾濱醫科大學2003年開設生物信息專業以來,計算系統生物學一直是該專業學生的主干課程,經過多年的理論與實踐教學,筆者將探討該課程相關內容和教學方法,以期提高教學質量。

　　1計算系統生物學課程簡介

　　計算系統生物學是一門新學科,以生物信息學為基礎,以計算為工具,從系統的角度解決生物學和醫學問題。計算系統生物學研究流程首先是實驗數據的獲得,其次是利用計算生物學建立生物模型。科學家把計算系統生物學分為“濕”的實驗部分(實驗室內的研究)和“干”的實驗部分(計算機模擬和理論分析)。“干”和“濕”實驗的完美整合才是真正的計算系統生物學[2]。計算系統生物學的核心是整合,包括三方面：將系統內不同性質的構成要素(基因、mRNA、蛋白質、生物小分子等)整合在一起進行研究;從基因到細胞、到組織、到個體的各個層次的整合;研究思路和方法的整合(水平型和垂直型整合)。計算系統生物學與其他學科密切相關,如生物信息學、分子生物學、數學、計算機[3]。計算系統生物學不僅僅滲透到醫藥領域,也已經廣泛應用到能源領域,工業生產、畜牧農林業等等。

　　2教學現狀

　　計算系統生物學課程總學時數目是60學時,包括42學時理論學時和18學時實驗學時。一般開設在本科三年級。該課程授課教師質量優,是從生物信息學方向畢業的博士,具有生物背景和數學背景,常年從事復雜疾病的系統生物學方面的研究。由于該課程在醫學院校開設,必然需要一些具備計算機和算法良好基礎的優秀教師參與授課,這樣才能使得該課程具有良好的師資結構,保證好的授課效果。目前,據不完全統計,全國有30余家生物信息學專業開設計算系統生物學課程。不同背景的院校開設該課程,側重點各有不同。工科院校側重算法的開發和模型的建立。醫學院校側重生物學問題和疾病機制的探索。

　　3教學內容

　　目前沒有規范的、成熟的中文計算系統生物學課程教材,均是授課教師編寫的講義。授課教師根據專業背景、專業人才培養定位,緊跟專業前沿研究內容,制定教學大綱和教學計劃,包括理論課和實驗課。教學大綱包括理論課每一個學時的授課內容(掌握和熟悉的內容)、教學基本要求、教學重點和難點。實驗課需要明確實驗名稱、實驗內容、實驗目的和要求、實驗程序、結果分析等。計算系統生物學的實驗制定以理論為基礎,將理論應用于時間,旨在提高學生動手操作能力。

　　4教學模式

　　4.1理論與實踐結合

　　計算系統生物學課程依賴于專業基礎課的內容,例如:組學的知識點、網絡知識點、概率論、數理統計、計算機編程等。對于理論課,主要采用教師主導的傳統講授方法,運用PPT等多媒體授課,以彌補書本教材抽象、呆板的缺點。在授課課件中需要利用大量圖片生動、形象地展示當前計算系統生物學研究領域的最新進展。收集或制作動畫、視頻教程在課堂上進行演示。

　　從數據搜集、數據分析、數據綜合、建立模型、干實驗模擬、系統分析模型、提煉假設和預測,到最后的實驗驗證。這是一個經典的計算系統生物學分析流程。在理論知識的基礎上,需要及時在實驗課堂上進行實踐。指導學生理解不同算法的基本原理,結合生物學問題,深入淺出地闡明計算系統生物學精髓。由于實驗課課時有限,需要引導學生課后積極思考、探索有意思的生物問題,鼓勵學生自己實踐小課題,活學活用。鼓勵學生自學,拓展知識面,積極關注最新科研動態,培養學生學習興趣。

　　4.2案例式授課

　　計算系統生物學課程的理論知識是枯燥的,計算系統生物學是一門多學科交叉的科學,涉及的知識面廣而深。例如:計算系統生物學涉及到數學知識,如貪婪算法、圖算法、組合模式匹配、聚類和樹、隱馬氏模型、隨機化算法等[4]。又如,涉及廣泛的生物學知識點,必須有分子生物學、生物化學、細胞生物學知識儲備。如何提高學生學習的積極性,學會將不同的知識點融會貫通的運用起來,是一個關鍵問題。

　　在授課過程中,針對不同的教學內容和教學目的,需要采取不同的教學方法。因此,采取案例式方法授課,可以收到很好的教學效果。例如:在腫瘤系統生物學這部分知識點授課時,以肺癌為例,整合突變、拷貝數、甲基化等多維度分子改變識別肺癌相關基因[5]。首先,學生需要了解肺癌這個疾病的背景知識,了解不同分子改變的內涵;其次,要獲得肺癌患者的數據,需要到公共數據庫,如TheCancerGenomeAtlas等,搜集不同分子改變數據并進行處理;然后,根據一定的生物學假設,建立統計模型,應用到肺癌數據上;最后,進行癌基因的預測和驗證。通過案例,引導學生思考,將不同的知識點進行融合利用,收到良好的教學效果。

　　4.3科研教學一體化

　　計算系統生物學是一門新學科,知識處于不斷更新中。教師在授課過程中需要引導學生學會檢索文獻、閱讀前沿英文文獻,重視學生的創新思維,提高學生學習的積極性。我院實行學業導師制,學生在大三年級進入各位老師研究的課題組。那么,在授課過程中,授課教師需要注重引導學生將理論知識應用到解決科研問題上,將科學研究和教學一體化,以科研促進教學,學以致用,讓學生感受到學到的知識的用處。這樣學生對課程內容會產生興趣,興趣是最好的老師,這將有助于學生創新思維的訓練和科研時間能力的培養。

　　5結語

　　總之,計算系統生物學教學目的是從大數據中挖掘有用的生物信息,并整合起來從整體上認識生物系統;用數學模型為生物系統建模,揭示生物機制和致病機制[6]。大數據時代下,精準醫學的發展必然離不開計算系統生物學。通過該課程的授課,培養復合型的學生,提高學生的學習積極性、實踐操作能力和解決實際問題的創新能力。同時,對我們任課教師也提出了更高的要求。授課教師需要不斷提高自身素質,包括科研能力、教學水平等,積極和同專業的教師進行交流,不斷地探索和完善計算系統生物學課程教學,培養具有跨越數理科學、生命科學、信息科學、醫學等不同領域的優秀生物信息學人才。

　　參考文獻

　　[1]刁妍妍,蔡超錢,蔣華良,等.計算系統生物學：理論、方法及在藥物研發中的應用[J].生命科學,2010(10)：1035-1042.

　　[2]程妍,劉仲林.計算生物學一門充滿活力的新興交叉學科[J].科學學與科學技術管理,2006(3):11-15.

　　[3]高亞梅,韓毅強.《生物信息學》本科教學初探[J].生物信息學,2007(1):46-48.

　　[4]王兵,姚益平,邢飛.計算系統生物學中并行隨機仿真方法研究進展[J].計算機工程與科學,2010,32(9):134-139.

　　[5]張百紅,岳紅云.腫瘤的系統生物學觀點[J].中國腫瘤臨床,2012(16):1233-1235.

　　[6]徐強,王長亮,李勝.系統生物學——生命科學的新領域[J].中國醫藥導報,2008,5(26):20-22.

　　作者：顧云燕 單位：哈爾濱醫科大學生物信息科學與技術學院

　　推薦閱讀：《工業控制計算機》(月刊)創刊于1988年，由中國計算機學會工業控制計算機專業委員會、江蘇省計算技術研究所有限責任公司主辦。

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