計算生物學類通識課程的探索

邱景璇 裘天頤＊

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

通識教育最早是由帕卡德教授提出的一種綜合的教育，是同學們進行專業(yè)學習之前的準備[1]，通識教育不應以職業(yè)和實用為目的，更應側重課程學習和實踐，目的在于培養(yǎng)學生的全面素質[2]。設置通識課程，是當前我國高校通識教育的重要方式之一。在科學綜合素養(yǎng)類學科中，生命科學是與人類生活息息相關的一門科學，也是21世紀以來最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W科之一。生命科學的通識教育，是當今高校綜合素養(yǎng)類課程教育的一個必備環(huán)節(jié)。近年來隨著生物大數(shù)據(jù)的積累，傳統(tǒng)的以實驗為主體的生命科學思路與認識在與高通量計算的結合中碰撞出了新的火花，形成了獨具特色的計算生物學及生物信息學相關交叉學科。在信息數(shù)據(jù)爆炸的當今時代，設置計算生物學類的通識課程，是當前生命科學通識教育的重要補充。

1 設置計算生物學類通識課程的必要性

計算生物學是后基因組時代的產物之一[3]，隨著人類基因組計劃的不斷深入，以堿基序列為基礎的生物類數(shù)據(jù)開啟了急速地積累。同時，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)。對巨大而復雜的生物學數(shù)據(jù)進行解析，挖掘其背后的生物學意義，應用于指導人們的認知或應用于日常生活，是當今時代下生物學發(fā)展所不可避免的挑戰(zhàn)。計算科學與生物學之間的交叉，相互滲透，促進了創(chuàng)新，計算科學為研究生物問題提供了新的思路與方法，而生命科學為計算科學提供了目標問題。隨著測序成本的降低以及大數(shù)據(jù)時代的到來，計算生物學早已不只停留在專業(yè)領域的基礎研究，計算生物類的產品已逐步走入人們的日常生活中，比如利用生物信息學手段快速了解新型冠狀病毒的生物特征進行病毒檢測，利用二代測序技術分析預測疾病類型指導用藥，通過基因芯片預測疾病易感風險（包括糖尿病發(fā)病風險，酒精代謝能力預測）等，傳統(tǒng)的以疾病為導向的計算分析，已越來越多地融入疾病之前的大健康數(shù)據(jù)分析之中。對于大數(shù)據(jù)時代下的大學生，學會以大數(shù)據(jù)的思維來了解生物醫(yī)學的具體范疇與應用，學會利用學科交叉的思路來解決日常生活中的生物醫(yī)學問題，在通識課程的學習中培養(yǎng)與時俱進的素質，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 計算生物學類通識課程設計

計算生物學類通識課程的設計應與生物信息學專業(yè)課程有所側重與區(qū)分，對于此類通識課程，應在介紹基礎生命科學知識的同時，結合計算手段在對應生物學內容部分的具體應用。在內容設計上的總原則為側重講述計算方法與生物知識的結合，激發(fā)學生從數(shù)據(jù)分析的角度解析生物問題的興趣，培養(yǎng)學生敬畏生命的價值觀。在具體授課過程中應以實例應用為主，側重了解計算工具的輸入與輸出，以及對應計算工具或算法的適用范圍，弱化對計算原理的推導及算法設計方面的講解。

2.1 課程內容

課程內容的設置應緊密圍繞計算科學與生命科學的結合部分重點展開，核心的四大課程模塊包括：遺傳、發(fā)育、進化、免疫與疾病。針對各個核心模塊，均分為兩個部分：基礎生命科學知識介紹和相應計算方法的應用。

（1）遺傳。該模塊首先重點介紹生命的化學組成，包括組成細胞的重要糖類、脂類、蛋白質及核酸的基本結構與功能。其次對基因的遺傳定律進行介紹，使學生了解分子遺傳的基本規(guī)律。在該模塊對應的計算部分，介紹二代測序技術的發(fā)展與應用，并對人類基因組計劃的歷史進行講述。本模塊通過針對我國科學家參加人類基因組計劃的經(jīng)過及成果進行介紹，來培養(yǎng)學生的愛國情懷。引入大分子蛋白質空間結構模擬的計算工具，并通過對國際蛋白結構計算模擬比賽的介紹，使學生了解最新的蛋白結構預測進展。

（2）發(fā)育。該模塊的內容按照從微觀到宏觀，從分子到動物的順序安排教學內容。依次介紹細胞分化與胚胎發(fā)育的方向與過程，干細胞的特征及臨床應用，動物克隆的關鍵技術節(jié)點。相對應的，本模塊介紹的對應計算內容包括，生物信息工具預測發(fā)育相關的目標基因，如何利用計算方法對信號轉導通路進行富集分析從而得到關鍵通路。對于干細胞相關信息技術的成果，重點介紹我國的國家干細胞資源轉化庫及干細胞信息平臺，引導學生如何將其中包含的信息進行歸納分析。

（3）進化。該模塊的教學內容依次包括達爾文與進化論、人類的起源與進化、病毒的進化。對應的計算科學內容包括利用生物信息學工具（如MEGA、PHYLIP等）構建系統(tǒng)進化樹，通過進化樹預測不同分支上的分子或生物之間的遺傳相似性。進化分析包括人與黑猩猩、大猩猩、長臂猿等哺乳動物之間的進化樹構建，以及微生物尤其是病毒之間進化關系的預測，讓學生認識到進化的過程，以及如何利用基因相似性確定進化關系。

（4）免疫與疾病。本部分內容包括人體免疫系統(tǒng)（細胞免疫與體液免疫）的介紹、常見病原微生物介紹及免疫信息學的應用。介紹我國科學家與臨床醫(yī)生利用免疫信息學手段進行疾病治療的先進方法與成功案例，包括腫瘤免疫治療及疫苗設計。同時，介紹轉錄組學、表觀遺傳學相關高通量檢測產品在疾病的診斷及預后分析上的應用。

2.2 課程形式

通識課程與專業(yè)課程的區(qū)別在于所選修的學生來自理工類及文科類各專業(yè)，因此在授課內容及課程形式上應注意各專業(yè)同學的接受度與結合點。同時，在課程形式上應更加注意結合“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下的各種與時俱進的案例，將知識內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)課程的科學問題，通過生物學知識的介紹，確定需要解決問題的環(huán)節(jié)，再引入計算的方法和手段有針對性地解決本節(jié)課程中提出的科學問題。以遺傳模塊為例，將中國科學家利用DNA檢測技術判斷曹操墓的真假，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議引起學生的興趣，提出一系列的科學問題，比如，為了研究一個家族的起源及其后代分支，應當從哪些基因入手？解析出的DNA序列包含了何種信息？如何利用計算方法定量計算兩條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測序技術以及目前開發(fā)的序列比對的計算方法。最終通過DNA序列實例，使學生切身體會到如何利用計算手段解決序列相似性評估問題。至此，從問題引入，生物知識講解，計算工具介紹，完成了該節(jié)內容的講授。

2．2．2 社會熱點問題討論會

當今時代是一個信息爆炸的時代，關于社會熱點問題不能刻意避之不談，需要在討論中引導學生樹立正確的保護生命、敬畏生命的價值觀和道德觀，應當讓學生參與到課程中，設立專題討論會，每次針對一個大家感興趣的時事生命科學問題，各專業(yè)同學可從多角度進行分析與討論。例如，如何看待基因編輯嬰兒的事件？在大數(shù)據(jù)時代下，如何保證每個人的生物醫(yī)學信息與數(shù)據(jù)安全，維護個人隱私？微生物與人和諧共生，如何利用計算方法監(jiān)測微生物的突變與進化？為什么需要每年都注射流感疫苗，可否通過計算模型監(jiān)測流感疫苗的有效性？通過設立類似的問題，引導學生進行科學的自主探究與摸索[5]。2．2．3 辯論賽

如果說上述討論會能夠鼓勵學生主動發(fā)表自己的觀點，那么設置辯論賽的形式則更能激發(fā)學生的思辨熱情。對于既有有利方面又有明顯弊端的技術與方法，應當鼓勵學生自主分析兩種對立觀點之間的利害關系。這個環(huán)節(jié)的設置是為了避免課堂上完全由教師列出利弊對比，而學生缺乏自主地探索。設計辯論賽，需設置正反雙方，可設計的題目包括，克隆技術的利與弊；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。通過此類問題的設置，鼓勵學生結合所學的知識，集合大數(shù)據(jù)時代下能獲取的各種數(shù)據(jù)資源，發(fā)散思維，多角度衡量計算技術與生物技術結合所帶來的影響。

2.3 課程考核方式

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

3 結語

本文圍繞計算生物學類通識課程提出課程設計，在大數(shù)據(jù)時代下，將信息與計算技術與生物學知識進行交叉結合，是現(xiàn)代生物學發(fā)展的必然趨勢，了解計算生物學的實際應用，是當代大學生在通識教育中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。通過計算生物學類通識課程的設置，側重學生自主探究，培養(yǎng)學生的思辨能力，引導學生建立學科交叉創(chuàng)新的思維，能夠對本科通識教育起到推動作用。