離散數(shù)學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)本科教學(xué)的開展研究

【摘要】生物信息學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科已經(jīng)在國內(nèi)各重點(diǎn)院校迅速開展起來，并形成了獨(dú)立的專業(yè)方向，然而生物信息專業(yè)的課程規(guī)劃和課程設(shè)計(jì)目前還不成熟，正處于探索的階段。本文結(jié)合多年來在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，淺談離散數(shù)學(xué)在本科生物信息學(xué)專業(yè)中開展的必要性，課程規(guī)劃設(shè)計(jì)及教學(xué)體會。

【關(guān)鍵詞】離散數(shù)學(xué) 生物信息專業(yè) 本科教育

【中圖分類號】O158【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0243-01

1.引言

21世紀(jì)是“生命科學(xué)的世紀(jì)”，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人類對生命現(xiàn)象的理解也越來越深入，國內(nèi)各大實(shí)驗(yàn)室和科研機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行大規(guī)模的濕實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量驚人，已經(jīng)突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究的范圍。從20世紀(jì)末，伴隨著人類基因組計(jì)劃的開展，許多計(jì)算機(jī)科學(xué)家，應(yīng)用數(shù)學(xué)家，物理學(xué)家都參與系統(tǒng)處理和分析涌現(xiàn)的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究中，并形成了一個新的交叉學(xué)科“生物信息學(xué)”。生物信息學(xué)在近二十年來得到快速的發(fā)展，在國內(nèi)外知名院校的研究生教育中已經(jīng)開展了生物信息學(xué)課程。近些年，國內(nèi)各知名院校相繼開設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)，專門培養(yǎng)生物信息學(xué)人才。然而在本科生物信息學(xué)課程規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面，各個學(xué)校都處在探索階段，本文淺談將離散數(shù)學(xué)作為生物信息專業(yè)基礎(chǔ)課設(shè)立的必要性，課程設(shè)計(jì)和規(guī)劃，及在教學(xué)中遇到的問題和體會等幾個方面。

2.離散數(shù)學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)開展的必要性

生物信息學(xué)是生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)相交叉所形成的新學(xué)科，因而生物信息學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)的課的設(shè)置比較復(fù)雜。 雖然這三個傳統(tǒng)學(xué)科的基礎(chǔ)課的設(shè)置可以作為生物信息學(xué)課程設(shè)置的參考，然而他們每個學(xué)科的知識量非常大，如何在本科階段的基礎(chǔ)課階段精選出合理的課程體系，讓生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生在兩年內(nèi)掌握三個學(xué)科的基礎(chǔ)知識，并能較好的與后續(xù)學(xué)習(xí)的專業(yè)課結(jié)合上是目前生物信息學(xué)本科教育的一個急需解決的問題。 生物信息學(xué)專業(yè)從無，到課程體系的基本構(gòu)建完成大概經(jīng)歷十年左右的時(shí)間，具有相關(guān)專業(yè)的院校都進(jìn)行了有益的探索，特別是在本科教育前兩年基礎(chǔ)課授課的內(nèi)容已經(jīng)基本完成。 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)生物信息科學(xué)和技術(shù)學(xué)院是國內(nèi)首個開設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的學(xué)院，在過去近十年的本科教育中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行了多次教學(xué)討論和改革。 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，離散數(shù)學(xué)這個古老的學(xué)科又重新煥發(fā)了青春，并在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中得到了快速的發(fā)展，它已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)兩個學(xué)科教學(xué)的核心課程， 并成為了我院生物信息學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)的一門重要課程。結(jié)合近些年，在生物信息專業(yè)教授離散數(shù)學(xué)的過程，深刻體會到離散數(shù)學(xué)在本科基礎(chǔ)教學(xué)中開設(shè)的必要性。離散數(shù)學(xué)是指研究離散量的結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系的綜合學(xué)科。離散數(shù)學(xué)的重要性逐漸被人們認(rèn)識，從理論計(jì)算機(jī)科學(xué)到計(jì)算機(jī)應(yīng)用，從計(jì)算機(jī)的硬件和軟件開發(fā)到人工智能和人工識別，無處不在體現(xiàn)著離散數(shù)學(xué)包含的思想和方法。而生物信息學(xué)研究中核心的工具是計(jì)算機(jī)，培養(yǎng)生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)這個強(qiáng)大和有效的工具解決實(shí)際問題是基礎(chǔ)課設(shè)過程中需要考慮的重要方面。離散數(shù)學(xué)因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)科學(xué)中獨(dú)特的地位，使得它已經(jīng)成為生物信息學(xué)專業(yè)必不可少的一門基礎(chǔ)課。

3.離散數(shù)學(xué)的課程規(guī)劃和設(shè)計(jì)

由于生物信息學(xué)是一個多學(xué)科的交叉的專業(yè)，因而離散數(shù)學(xué)的課程規(guī)劃和設(shè)計(jì)是不可能如計(jì)算機(jī)專業(yè)和數(shù)學(xué)專業(yè)那樣分成幾門課程：組合數(shù)學(xué)，圖論，數(shù)理邏輯和運(yùn)籌學(xué)等分別授課，這樣會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)過重，而且是難以實(shí)現(xiàn)的。因而需要根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，從數(shù)理邏輯，組合數(shù)學(xué)，圖論和運(yùn)籌學(xué)精簡一部分和生物學(xué)信息學(xué)及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)密切相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行講授。講授的時(shí)間一般應(yīng)在本科階段第三個學(xué)期。 此時(shí)，與數(shù)學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)課高等數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)、C語言，及生命科學(xué)相關(guān)的分子生物學(xué)等課程已經(jīng)講授完畢，離散數(shù)學(xué)的授課將可以和這些基礎(chǔ)知識結(jié)合，促進(jìn)對離散數(shù)組的分析研究的認(rèn)識，并對后續(xù)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

離散數(shù)學(xué)的課程設(shè)計(jì)的總學(xué)時(shí)一般為72學(xué)時(shí)，分為理論課和實(shí)驗(yàn)課兩部分。理論課一般為56學(xué)時(shí)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課為16學(xué)時(shí)。由于生物信息學(xué)是一門側(cè)重應(yīng)用型的專業(yè)，因而理論課和實(shí)驗(yàn)課，可以實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有效結(jié)合，把數(shù)學(xué)知識轉(zhuǎn)化成解決問題的有效工具。由于離散數(shù)學(xué)中包含的內(nèi)容較多，因而需要數(shù)理邏輯，組合數(shù)學(xué)，圖論和運(yùn)籌學(xué)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行精簡。基礎(chǔ)課中，數(shù)理邏輯一般授課為8學(xué)時(shí)，重點(diǎn)講授集合論知識；組合數(shù)學(xué)是授課的重點(diǎn)，課時(shí)數(shù)為24學(xué)時(shí)，重點(diǎn)講授組合計(jì)數(shù)和排列組合的生成算法等基礎(chǔ)知識；圖論是側(cè)重應(yīng)用部分，授課學(xué)時(shí)數(shù)為12學(xué)時(shí)，授課重點(diǎn)為無向圖和有向圖的基本概念及最短道路和最小生成樹的搜索算法的知識；運(yùn)籌學(xué)方面的授課學(xué)時(shí)為12學(xué)時(shí)，授課重點(diǎn)為線性的最優(yōu)化的理論知識。實(shí)驗(yàn)課是對學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的有效檢驗(yàn)和升華，可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和熱情，實(shí)驗(yàn)課共16學(xué)時(shí)，可分為4次，每次4學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容可設(shè)為：排列組合生成算法，最短道路搜索算法，最小生成樹的搜索算法和二次線性規(guī)劃的搜索算法的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)課順利開展便于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)的自信心。

4.教學(xué)實(shí)踐及體會

在講授離散數(shù)學(xué)的過程中，深刻體會離散數(shù)學(xué)具有知識點(diǎn)多及交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而在授課過程中不可能把每一個知識點(diǎn)講細(xì)，面面俱到。教師授課應(yīng)力求“講思想，講重點(diǎn)，講方法，講體會”，應(yīng)該充分相信學(xué)生的自學(xué)能力和探索的潛力，著重培訓(xùn)學(xué)生的探索發(fā)現(xiàn)的能力，給學(xué)生一個足夠大的思想空間，培訓(xùn)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。由于離散數(shù)學(xué)的發(fā)展目前處于活躍期，很多新的知識正不斷補(bǔ)充進(jìn)來，而且這些知識和現(xiàn)實(shí)中存在的問題能夠結(jié)合，從而要求教師需要不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)修，提高自己的數(shù)學(xué)修養(yǎng)，來引導(dǎo)學(xué)生更好的學(xué)習(xí)離散數(shù)學(xué)，為生物信息學(xué)相關(guān)的其他課程打下一個良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇建忠，張巖，劉洪波等，組合數(shù)學(xué)在生物信息學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，02，142。

[2]袁崇義等，離散數(shù)學(xué)及其應(yīng)用（第4版，譯著）.機(jī)械工業(yè)出版社，2002。