大數據背景下計算生物學“教學科研一體化”模式的應用探究

郭文娜，馬珊珊，趙慧智，關方霞

（鄭州大學 生命科學學院，河南 鄭州）

一 引言

計算生物學是生命科學領域的一門新興學科，主要是應用數據分析及理論的方法、結合數學建模和計算機仿真技術等來研究生物學問題。計算生物學研究范疇廣泛，具有多學科綜合交叉、生物學數據量大、實踐應用性強、與計算機和數學緊密結合等特點。計算生物學的研究結果可以減少生物學中的重復實驗，為生物學研究提供新的研究思路，將傳統的“實踐到理論總結”的研究思路，改變為新的“理論猜測到實踐檢驗再到理論總結”的研究思路。隨著生命科學領域數據的大量增長，計算生物學方法在現代生物學研究中越來越重要和復雜，逐漸成為核心方法之一。英國劍橋大學的 Florian Markowetz于2017年在《Plos Biology》上發文稱“All biology is computational biology”。他認為計算生物學的發展促使了我們對生命現象的理解，使我們可以對傳統的生物學概念進行計算測試，規范了研究者對生物學的見解。他認為數學、統計和計算方法等將驅動生物學的下一個重大進化，將生物學轉變為定量科學。

計算生物學是在生物信息學的基礎上利用計算方法解決生物學問題，具有很強的實際應用價值，同時通過計算技術對生物學問題進行研究，為生命科學領域的研究提供分析方法和技術。運用計算生物學，有助于認識生物生長發育、進化等的規律。近年來，國內外對計算生物學對重視不斷增加。在國內，計算生物學是我國國家自然科學基金委員會重點資助的研究方向之一。在國外，國際計算生物學學會（ISCB）自1997年成立以來，已擁有來自70多個國家的2500多名會員。斯坦福大學、加州大學等多個國際名校都成立了計算生物學中心。越來越多的研究者也意識到在大數據背景下運用計算生物學方法分析數據解決問題的重要性，計算生物學人才的需求量也隨之增加，因此計算生物學的教學也顯得尤為重要。

目前，許多高校的本科教學已開展《計算生物學》專業課程?！队嬎闵飳W》是我院（鄭州大學生命科學學院）生物信息學專業學生的必修課程，該課程共設置了 48 學時，包含序列比對、DNA序列拼接、基因預測、基因功能分析、RNA結構預測等相關算法等介紹與應用等?！队嬎闵飳W》課程的開設不僅讓學生了解計算生物學及其應用，還有助于學生了解當今生物學發展的前沿，為學生畢業后從事相關工作奠定基礎，同時還能為繼續研究生學習的學生提供良好的知識背景和分析方法。然而，由于計算生物學涉及的內容較繁雜，且與多個學科存在交叉滲透，傳統的“以課本為基礎，以教師為中心”的教學方式并不完全適合《計算生物學》的教學。教學科研一體化的教學模式將科研融入教學，可以激發學生的學習熱情，提高學生的科研興趣與科研思維，鍛煉學生的創新和實踐能力，以更好地滿足當代社會的需求。本文從高?！队嬎闵飳W》課程教學中存在的問題出發，對計算生物學的教學內容和方式、教學方法，及教學科研一體化模式在計算生物學教學中的應用等進行探索，為高校計算生物學教學改革的奠定基礎。

二 計算生物學教學中存在的問題

結合我院生物信息專業學生的培養計劃、課程教學大綱和實際授課情況，我們選擇楊晶等人編著的《生物計算—生物序列的分析方法與應用》作為主要參考教材，同時結合《生物序列分析》《第二代測序信息處理》等多本參考書，授課內容將計算生物學的基本算法、基本理論、技術進展、相關軟件及其應用相結合。目前計算生物學教學存在的問題主要表現在以下幾個方面：

（一） 優秀的計算生物學師資缺乏

作為一門新興學科，我國計算生物學教師隊伍的數量和質量與該學科的快速發展規模不匹配。就我院而言，計算生物學是由在相關教學和科研方面具有豐富經驗的教師講授，但目前學院教師中具有專業的計算生物學背景的博士較少，大部分老師為理學專業的博士，很少老師具備良好計算機、數學及算法的基礎知識，因此很難系統專業地講授計算生物學課程。

（二） 計算生物學與其他學科的合作交流有待加強

計算生物學與其他專業之間存在交叉聯系。計算生物學教師應與其他學科的教師之間交流合作，提高計算生物學的教學。而實際上不同專業學科的教師缺乏交流合作，難以實現其高效教學。如我院開設的相關課程有《生物信息學》《系統生物學》《R語言》等，但由于教師之間缺乏溝通，造成有些內容不同學科教師重復講授、不同學科間不能相互結合，為其他學科提供基礎。而且不同授課老師根據自身的情況，其側重點也不一樣。如醫學院的授課教師可能側重于疾病相關信息的分析鑒定；理學院教師的授課則可能側重于計算生物學應用有關的數學方法、理論及算法的原理等；而計算機專業教師的授課可能側重于程序的編寫、相關數據庫的查詢與構建、算法的上機實踐等方面。計算生物學側重于算法，以計算為工具，利用計算機技術與方法對生物學問題進行分析研究，最終解決生物學問題。因此，各相關專業的教師應該加強交流學習，提高課程教學。

（三） 缺乏理論教學與實踐教學的有機整合

教師關注系統知識的傳授及授課計劃的完成，而在學生實踐能力的培養方面有所忽略，缺乏理論教學與實踐教學的結合。首先，通過計算生物學方法得到的結果的有效性需要靠有意義的生物實驗來驗證。然而目前生物專業的實驗教學內容較為單一，只是以驗證基本理論為目的，創新性較差，缺乏對學生實際動手操作能力以及創新思維能力的培養。其次，對計算生物學而言，計算機上機實踐操作能夠直觀地檢測驗證相關結果，上機實踐教學有助于培養學生的主觀能動性以及創新思維能力，目前的計算生物學教學缺乏上機實踐。

（四） 缺乏科研成果與教學內容的有機融合

目前計算生物學在科學研究中得到越來越多的應用，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前的計算生物學課程教學中，主要表現在：一方面，教師未能及時將科研成果進行轉化，融入實際課堂教學中，另一方面，教學內容太偏理論，與實際科研應用存在脫節。這導致學生并不知道學習計算生物學在當前科學研究中能做什么，該如何做，不能將所學的課堂理論知識很好地應用于科研實踐中，學起來難免有點枯燥無味。因此，在計算生物學課程中嘗試應用教學科研一體化的教學模式，通過科研成果與理論教學的有機融合，激發學生的學習熱情與科研興趣，在完成系統知識傳授和授課計劃的同時，培養學生的科研能力和素質。

（五） 缺乏適合的理論和實踐教材

此外，計算生物學還缺乏適合的理論和實踐教材。目前，并沒有明確的計算生物學教材，相關教材主要是國外教科的翻譯書籍，國內研究者自編的教材卻寥寥無幾，如《計算生物學導論——圖譜，序列和基因組》《生物序列分析》都是翻譯書籍。課本內容更新較慢，而計算生物學發展迅速，教材中缺乏計算生物學相關的新技術和新方法的介紹。而且，目前教材還普遍存在內容零散、系統性弱的問題。

三 教學科研一體化模式在計算生物學教學中的改革和應用

教學科研一體化模式是指將已有的與教學內容相關的科學研究成果融入實際教學課堂中，采用以科研帶動教學的思路來提高教學，同時通過提高教學水平來促進科學研究的發展，使二者有機融合、協同發展。“教而不研則淺，研而不教則空”，科研是教學的“源頭活水”，如果缺乏科研作為支撐，課堂教學就會缺少“靈魂”。因此，如何將科研成果有效地融入到實際教學中，實現傳統理論教學方法與現代科研一體化模式的改變，進而提高學生將理論知識學習與科研應用相結合的能力，是目前計算生物學課程教學中需要解決的重要問題之一。

（一） 規范計算生物學教學大綱和授課計劃

計算生物學開好的前提是要有較好的教學大綱和授課計劃。學院應根據學校相關專業學生的人才培養要求，結合前期計算生物學及相關課程的教學與學生反饋情況，組織老師制定詳細的適合計算生物學的教學大綱，并編寫授課計劃。由于不同授課老師的興趣可能更偏向某個領域或某一方面，而計算生物學涉及多個學科，因此，在制定教學大綱時，應組織不同研究領域的教師及研究人員進行溝通交流，根據教學內容和教學需要適當調整教學方法。同時考慮在實際教學中需要融入相關領域的科研成果，教師要了解專業前沿，改革教學內容。大綱應概括每個章節的基本內容與要求、相關科研成果、教學重點難點及建議、課后練習題等內容。教學大綱的制定要把握以下幾個原則：教學科研相融合，具有連貫與整體性，同時要避免重復。

（二） 科研成果與教學內容有機融合

教師在課堂教學時，應該將科學研究與教學內容相結合，把“學習計算生物學的相關知識點在科學研究中能做什么？怎么做？是否已有相關研究？”等問題貫穿到實際教學活動中，將已有的前沿科學研究成果融入實際教學內容。通過問題引導學生學習，啟發學生主動思考，并通過合作或自主探討等方式進行學習，從而提高學生的學習主動性。教師提出相關問題，鼓勵學生通過不同方法方式尋找解決方案，然后學生對各種解決方案進行討論和評價，教師進行歸納總結，探討不同解決方案的優缺點。同時，加強與學生間的互動，教師要及時了解國內外前沿進展，隨時補充和完善教學知識體系，將科研成果有效融入到課堂教學內容中，實現課本理論基礎知識與科研前沿動態的良好結合。此外，鼓勵學生充分利用互聯網資源，了解學習計算生物學相關的網絡資源，拓寬知識面。

（三） 教學科研與實踐相結合

對于高校教學改革而言，實踐教學是重要的環節之一。實踐教學是提高素質教育的最有效的教學方式之一。實踐教學通過實踐應用可以檢測學生對課程基礎理論知識的掌握程度。計算生物學不僅理論性強，而且實踐性要求也很高。計算生物學實踐應用主要是應用網絡資源和計算生物學軟件進行實踐操作學習。實踐應用與理論知識講授相結合的教學方式對于培養學生的科研興趣和能力非常重要。傳統的理論教學方式限制了學生獨立探索問題及實際操作解決問題的能力。因此，需要將教學科研與實踐相結合，將學生簡單被動接收課堂知識轉變為主動探索學習知識，提高學生主動學習與實踐能力。

采用教學科研一體化模式，針對計算生物學中的重點和難點，倡導學生通過自主學習和小組協作學習的方式，培養學生應用知識的能力和團隊協作精神，鍛煉學生的主觀能動性，提高學生對相關信息資源和軟件的應用能力。比如，讓學生積極參加大學生創新創業項目，或者參加教師的科研課題等，通過教學與科研結合，培養學生的創新思維能力；或者教師給定待選課題或學生根據自身興趣查閱相關科研文獻報道選擇課題，根據計算生物學學習的知識，以個人或小組討論的形式提出分析方案、進行分析整理、并對分析結果給出解釋、整理結果撰寫小論文、進行匯報。同時，不同小組學生進行討論和點評，最后教師進行點評與總結，學生進行總結思考，從而提高學生主動學習以及技能和知識應用的能力。在學生學習討論點評的過程中，提高學生的科研意識和科研思維能力，進而提升學生發現問題、解決問題的能力。

（四） 教學科研與實驗驗證相結合

計算生物學利用計算方法和技術進行數據挖掘，從大量的測序或分子實驗數據中探究背后潛藏的信息，基于數據提出假設，然后結合數學方法建立數學模型，最后通過計算機模擬方法來進一步檢驗假設與模型，為進一步的體內、體外實驗研究提供參考。數據挖掘和模型驗證是交互進行的，一方面，通過計算生物學分析預測得到的模型可以為進一步的分子實驗研究提供指導，另一方面，從新的體內體外實驗數據中可以發現未知知識，進一步修正假設、完善模型，最終深入理解生命活動的現象和本質。因此，在計算生物學教學中應將教學科研與實驗驗證有機結合。

四 結語

計算生物學是一門新興的交叉學科，其內容新穎、數據量大、發展迅速、技術手段先進、實踐應用性強，而且與其他學科交叉性強，目前已在多個研究領域具有重要的應用。因此，教學過程中計算生物學的授課方式也非常重要。隨著測序技術的發展和應用，計算生物學需要對產生的大規模的組學數據進行分析。教師要及時了解計算生物學最新發展動態和科研進展，掌握前沿知識，將科研前沿成果融入到課堂教學中，創新教學內容和方式，使教學基礎知識與科研有機結合、良性互動和協調發展，激發學生學習與科研熱情和潛能，培養學生的學習能力、和科研思維能力，同時讓學生積極參與科研，提高學生將理論知識和實際科研應用相結合的能力，從而提高教學水平和人才培養質量。