生物信息学基本概念

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生物信息学基本概念范文第1篇

关键词：生物信息学；实践教学；教学模式

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）06-0179-03

Innovative Teaching Pattern of Bioinformatics

Zhu Liucun et al.

（School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Abstract：As a newly-developing interdiscipline，bioinformatics has received incessant attention on the research of teaching models.Traditional teaching methods focus on the pattern of direct instruction and demonstration from the lecturer which students were used to learning in China.However，this straight teaching pattern usually lacks of capacity of arousing students' interest in learning，let alone achieves the aim of making them complete their work with the knowledge they learned in class.Recently，case-based learning，problem-based learning and program-based learning are known as successfully innovative teaching models.In this paper，by combining these three models and considering the background of students and characteristic of bioinformatics，we propose a new teaching pattern to be geared to the needs of the undergraduates learning bioinformatics.We look forward to the innovation and development this teaching pattern may achieve so as to enhance the students' capacity of independent study and thinking.

Key words：Bioinformatics；Practice teaching；Teaching pattern

1 前言

生物信息学是生命科学的重要前沿交叉学科之一，综合计算机科学、数学、生物学等学科的技术和方法，以计算机为主要的工具，对生物原始数据进行研究、存档、分析和处理，以阐明其具有的生物学意义[1，2]。随着人类基因组计划的成功完成，测序技术的不断发展，越来越多的生物基因序列数据被载入到数据库中。而大数据时代的到来要求我们能大规模的分析处理这些数据，因此生物信息学进入高速发展的黄金期。

目前生物信息学在许多高校本科生物专业中开设，目的是让学生掌握生物信息学的相关技术及分析数据能力，并具有查找、跟踪生物信息学前沿性技术的能力。然而，在与学生的交流过程中，笔者发现几个普遍存在的问题：有的学生反映，听完课很快就忘了；有的学生感觉很多概念太难懂；而更为关键的是，很多学生学完这门课之后，仍然不知道遇到具体的问题应当如何去做，甚至根本想不到用生物信息学课上学到的方法去解决他们的实际问题。究其原因，主要是由于国内的生物信息学教学基本以教师讲授为主，缺少与学科本身交叉前沿性特点相结合的教学方法[3]，导致学生学习积极性不高，变成简单的重复老师的实验操作，失去独立思考的能力，这就违背了开设这门课的初衷。为此，本文就目前流行的3种创新教学模式的特点进行分析，结合生物信息学特点，归纳出一套适合本科生物信息学教学的方法。

2 几种创新教学模式介绍

2.1 案例式教学法 案例式教学法（Case-Based Learning）是指教师根据教学内容设计案例，利用案例材料指导学生参与教学活动，充分发挥学生主导地位的方法[3，4]。不同于传统教学灌输的方式，案例式教学更加注重学生能力的培养，不直接提供解决问题的标准答案，而是通过结合具体案例讨论得到解决问题的方法。

2.2 问题式教学法 问题式教学法（Problem-Based Learning）是以问题为导向的开放式教学模式[5]，主张让学生自主学习去解决问题，培养学生的学习主动性，加深学生对理论知识的理解和应用。其特点是将教材的知识点以问题的形式呈现在学生的面前，让学生在探索解决问题的过程中展开探索，教师和学生一起协作寻找解决问题的方法，从而掌握课本中的知识。在研究活动中，学生可以充分利用身边的资源，比如图书馆的文献检索系统、网络学习软件以及多媒w等多种形式进行自主学习。问题式教学模式营造了一种轻松快乐的学习氛围，提高了学生相互合作的团队意识，为以后步入社会工作打下坚实的基础。比如，在BLAST软件使用教学中，可以先给学生提出如何对两条DNA序列进行比对的问题，让他们通过自学与相互讨论的方式掌握BLAST的使用方法并将2条DNA序列利用BLAST进行比对并对比对结果加以阐述。

2.3 项目式教学法 项目式教学法（Program-Based Learning）是以项目为主线，在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生处理，包括对信息的收集、方案的设计、项目的实施及最终评价[6]。学生通过对该项目的进行，了解并把握整个程及每一个环节中的基本要求，以此来培养学生独立分析解决问题的能力，让学生提高自己的动手能力、组织协作能力和综合概括的能力，拓展学生思考问题的深度和广度。这种教学法应用非常广泛，尤其是在职业教育中。

3 应用于生物信息W课程的创新教学模式

那么采取哪种教学方式才能够让学生顺利掌握知识点，并且能应用到实际当中去呢？一般的生物学课程，只要在理论课后加入实践课的内容，就可以解决这个问题，例如细胞生物学，只要再加入细胞生物学实验，那么学生对这门课的理解就会加深很多，对这门课的应用也会有一定的了解。然而笔者在实际的教学过程中却发现，这样的方式并不适合生物信息学这门课程，这是由于多数学生在上机实践之后，仍然不是太理解课上讲的一些概念，也不知道如何将这些方法运用到实际中。造成这种情况的原因主要有两点，一个是生物信息学这门课程所要求的数学和计算机方面基础，绝大多数学生物的学生都比较薄弱，甚至有部分同学在计算机编程方面是零基础。这使得他们在理论课上，对一些概念只是强行记住，并没有真正理解。而在上机实践环节中，他们又只是走马观花地将整个流程给过了一遍，并不知道这些操作是用来做什么的。另一个原因则是生物信息学与其他生物学的课程之间有脱节，这使得生物信息学的知识点很难融入到学生的现有知识体系当中去，这样就导致了学生不知道这些知识点的用途。因此，必须在激发学生学习兴趣的基础上，深入剖析生物信息学的基本概念，并且结合生物学中的实际问题，引导学生对其进行解决，才能让学生真正掌握这门课。而传统的老师讲、学生听的授课方式显然是不能满足这一要求的。

案例式教学法起源于美国哈佛商学院，最早应用于商业管理课程。其重点在于对一些热门且有争议的问题进行反复讨论，加深学生对知识点的理解。而生物信息学课程的内容大多比较确定，比较前沿有争议的话题又离日常生活较远，极少出现热门话题。因此，笔者认为案例式教学法目前可以偶尔用作课堂教学穿插，不适合全面应用于本科生物信息学课程。

问题式教学模式与项目式教学模式在本质上是相同的，均是以学生为主体，让学生带着问题或者有明确的目标的去主动利用身边资源查找相关知识解决问题完成目标，使学生在探索过程不仅掌握了知识，同时萌生自主学习的动机和欲望，提高了自主学习能力。两种教学模式的区别在于问题式教学法是将书本中的知识点凝练为问题再分析问题并解决问题，而项目式教学法则是根据老师提出的项目要求，以收集信息、设计方案、实施项目、最终评价为线索进行教学。问题式教学提出的问题与书本知识更为接近且较为零散，学生在针对问题进行分析和解决的过程中，容易对教学内容缺乏整体认识，即难以将知识点连成线，也很难结合实际问题。而项目式教学法是目前最适合提高学生能力的教学方法。然而在实际教学过程中，笔者发现大多数学生对项目式教学并不适应，很多学生在理解项目时就遇到了困难，在项目设计时感到无从下手。

因此，笔者在对两种教学方法进行研究归纳之后，将问题式教学法与项目式教学法相结合，总结出一套适合本科生物信息学教学的方法。具体为：首先教师根据课程安排制定一个可扩展的课题，明确课题要求，并根据课题内容将知识点拆分，以问题形式展现给学生，教师先就这些问题讲一些例子，学生查找资料。在此基础上，学生既对课题内容有整体认识，又在分析、解决一系列小问题时学习到知识点、收集了项目信息。随后通过参与定期分组讨论，与老师进行沟通的方式，学生最终可以拟定项目的方案并付诸实施。这种教学模式让学生了解实际工作的流程，培养基本的工作能力。在与教师的交流讨论中收获更多的专业知识，与同学之间的合作交流中查漏补缺，完善自己的不足，达到相互提高的作用。例如，在教学中，教师可以设计一个题为“构建一个可以预测乳腺癌患者生存时间的基因模型”的项目，并将项目拆解为：如何查找潜在包含乳腺癌患者信息的数据库？如何筛选与生存时间相关的基因？如何构建模型？如何评价模型的好坏四个问题？同时，为了让学生在实践中更好下手，可以依次为各个问题举例加以说明。如查找数据库环节，可以列举NCBI中的GEO数据库与美国政府发起的癌症和肿瘤基因图谱计划涉及的TCGA数据库两个例子，让学生先从这两个数据库获取相关的数据，对数据本身有所认识，再利用校园网资源查找更多的数据库。在此过程中，学生全程参与项目实现的各个流程，不仅学会了自主查找资料与学习，还提高了同学间的优势互补与团队协作的能力，提高学生学习的积极性，获得独立思考的能力。

参考文献

[1]龚乐君，杨荣根.浅谈计算机交叉学科――生物信息学教学中的探讨[J].新教育时代电子杂志（教师版），2014（19）：123-124.

[2]徐培杰.生物信息学研究现状[J].科技信息，2013（10）：268-269.

[3]刘念.案例教学法在《生物信息学》本科教学中的应用[J].考试周刊，2016（78）：152，191.

[4]张俊河，董卫华，王芳，等.案例教学法在医学生物化学教学中的应用[J].山西医科大学学报（基础医学教育版），2010（02）：139-142.

生物信息学基本概念范文第2篇

关键词：生物信息学；创新思维；课外训练；文献抄读

随着生物信息学在生物学、医学中的广泛应用，许多高校开始开办生物信息学专业，培养生物信息学人才。哈尔滨医科大学是最早开设生物信息本科专业的高校之一。目前，几十所高校陆续开办生物信息学专业，包括：东南大学、同济大学、南方医科大学等。多学科交叉的特点，使得生物信息学人才的培养面临极大的困难。生物信息学的本科生需要接受数学、统计学、生物/医学、计算机科学等多个学科课程的学习。短短的几年时间对于掌握这些知识，非常困难。更为困难的是，生物信息学的发展速度极快，读研深造或就业生物信息公司，需要的大多是最新的生物信息学技术[1]。因此，哈尔滨医科大学采取了课外创新思维训练的模式，即为学生分配指导教师，学生加入教师所在的科研团队，学习生物信息知识[2]。本文以哈尔滨医科大学大庆校区学生为例，探讨该模式的经验和策略。

1生物信息技术培训

通过宣传，让大一的本科生自由报名参加培训，组织系内有科研经验的教师对学生开展生物信息基础知识培训课程，每年培训10几次，每次根据授课教师的准备内容，讲授2-4学时。这些课程大部分安排在周末进行，内容主要结合基础知识和教师科研特点来设定，包括：非编码RNA基本概念、microRNA、Cytoscape画图、统计学方法、聚类分析、二代测序理论知识等，详见表1。授课场地利用计算机机房，这样便于学生边学边做。学生的课外创新思维与课内创新思维最大的不同在于有效的结合了实践活动。这些培训内容均为教师实际从事科研所必须的知识，教师有丰富的实践经验。因此，可以学生一边上课，一边操作。学生有困难时，教师可以轻松的解答。研究生也可以参与其中，为学生进行答疑，传授他们实践知识和编程技巧，有利于学生对知识产生极大的兴趣，提升求知欲望。生物信息的一个特点是：高校的科研内容往往与公司所需的技术接近，因此学生对这些内容的深入学习和实践，对以后的就业有很大的帮助。

2文献抄读活动

文献抄读是科研中掌握最新研究动态和学习最先进技术的有效手段。从事生物信息科研的教师和研究生一般会定期的进行文献抄读。哈尔滨医科大学大庆校区的生物信息团队每周有三次的文献抄读，往往设定在工作日晚上进行。我们要求自愿参加课外创新思维训练的本科学生与教师、研究生一同参加文献抄读活动。对于低年级的本科生，只需要听，不需要讲。即使这样安排，低年级学生也很难听懂，因为文献抄读的论文经常发表在顶级期刊，如：nature、science和cell。我们发现，由于低年级学生听不懂，一段时期内会对生物信息参数厌倦感。有的学生一两个月后会适应，有的学生需要半年及以上，还有一部分学生坚持不了，选择退出。这段时期，对于教师和学生都是一个极大的考验和煎熬。教师往往因为学生多次听不懂而一筹莫展；学生因为多次听不懂而灰心。我们采取导师制兼课题组负责的策略，部分缓解了学生和教师的压力。一位导师带1至2名低年级学生，科研方向相近的导师形成团队，共同负责学生的创新思维培养。根据团队课题方向的特点，选择方向相近的论文进行文献抄读。低年级学生主要听所在团队的文献抄读活动。有精力时，可以参加其它团队的文献抄读。由于文献抄读内容相近，学生的接受程度有了较大的改善。对于高年级的本科生，我们选择优秀的学生阅读和讲授文献抄读。在实践过程中，发现高年级本科学生更加适合于讲生物信息数据库和软件使用类的论文。因此，为学生主要分配这两类论文，但要求学生要讲清楚数据库使用和软件的操作步骤。当学生站在讲台上为其他学生、尤其教师和研究生讲授论文知识后，学生的自信心会有很大的提升。从学生的讲授过程，也可以考察学生的逻辑思维能力。往往逻辑思维能力有较大提升的学生，在讲授论文时，表达非常清晰。在文献抄读过程中，我们注重与实践结合。如果文献中有需要使用的软件和方法。我们会马上安排学生去实现和使用该方法，然后写帮助文档并特异安排一次培训，让该学生教会教师、研究生、本科生软件使用和方法。通过这一策略，一方面学生对文献抄读产生更大的兴趣，因为文献抄读内容有很实用的知识和方法，学生课下可以马上根据文献内容来复现结果，并应用在课题组正在进行的课题当中。另一方面，真正为教师的科研起到帮助。教师安排学生立刻复现文献抄读内容，可以帮助对文献理论知识的理解和掌握。学会文献中的软件，可以帮助科研的策略选择。学会文献中的数据库使用，可以增加数据量和数据来源。但也需要注意一点，学生的知识面有限，在安排学生任务时，要评估学生是否能够胜任该任务。

3结束语

本文以介绍生物信息本科生创新思维课外训练的经验为例，探讨了生物信息学创新思维的培养策略和方法。我们发现本科生参与文献抄读活动有利于培养本科生的创新思维。

参考文献

[1]冯陈晨，李春权.如何培养本科生的科研创新能力.科技创新导报,2015．

生物信息学基本概念范文第3篇

【关键词】免疫学；教学改革；教学与科研结合

随着生物技术的不断发展，以基因工程产品、抗体工程产品和细胞工程产品等现代生物技术为主要代表的生物制药产业是发展最快的高技术产业之一。我校开设生物制药、生物技术专业，进而成立生命科学与生物制药学院已有十年，取得了一定的成绩，但也暴露出在教学过程中与专业切合度不够，学生学习兴趣有待提高的局面，尤其免疫学在内容上具有很强的内在联系和严谨的逻辑性，使得大多数初次接触免疫学的生物专业学生不容易理解和掌握，学生常反映听不太懂。近些年我们通过一系列的教学改革，取得不错的成绩并积累了一定的经验，现将教学中的一些措施归纳如下。

一、讲好绪论，通览免疫学全貌

免疫学本科教学中一直以“老师难教”、“学生难学”为著称的课程，讲好绪论，提高学生学习兴趣至关重要。免疫学教学改革的首要任务就是解放思想，树立新的教育观念以学生的全面发展为目标，以学生的创新与实践能力培养为重点，全面推进素质教育。在此思想指导下，授课教师重新定位了教学目的，提出“理论结合实践，教与学并重，让学生在掌握免疫学基本概念、基本理论以及常用实验技术的基础上，能够创新性地提出问题，并能独立地分析和解决问题，为生物医药的相关课程奠定基础”。授课教师在第一堂课就设计了思考题――你将来想从事什么工作，你认为免疫学与你将从事的工作有什么联系。这个问题引起了强烈的反响。多数学生认为今后将从事的药物开发、生物试剂开发、营养师等工作与免疫密切相关，学好免疫学将有重要的帮助。

二、调整教学内容，与生物学、药学紧密结合

根据生物本科专业的特点和培养要求，授课教师对教学内容进行了合理的安排和调整。例如：着重介绍免疫应答等基础免疫的内容，临床免疫则选取与生物专业相关性较高的肿瘤免疫，免疫缺陷等内容讲授； 根据知识的关联性，将固有免疫应答细胞与固有免疫应答，T、B细胞与适应性免疫应答结合介绍。此外，还补充了理论研究和实验技术的新进展。如：除了造血干细胞，还为学生介绍干细胞分类、成体干细胞“可塑性”、胚胎干细胞克隆等。同时，利用本院研究所的软硬件支持，给学生开设目前应用广泛的流式细胞术等实验技术。经过精心安排和组织，免疫学的教学内容既突出了重点、难点，又保持了时代性、先进性和前沿性。

三、利用多种教学手段，加强讨论式、启发式教学，提高学生学习兴趣

现代教育理念认为，真正的教育应当是以人为本的教育，把人作为发展的主体、发展的动力，把发掘人的潜能、开发人的聪明才智作为出发点和落脚点。结合近年来发生的社会普遍关注的重要事件，如SARS、禽流感的流行等，教师还进一步强调了免疫学的重要性和实用性，大大提高了学生的学习兴趣和动力。教学过程中，注重充分发挥教师和学生的主观能动性，开展了多种形式的互动教学。例如，将学生分组，按照“自学―自制P盯并讲课―教师点评”的方式学习细胞免疫应答。

学生不仅在课前认真预习了相关章节的内容，还查阅了书籍和网络，并制作了精美的PPT。经过教师对知识点、PPT制作及授课技巧的点评，学生普遍反映既扎实地掌握了知识，又学到了其它东西，对自己综合能力的提高有较大的帮助。

又如：在学习抗原分类、补体激活途径及抗原提呈等知识时，让学生对异同点进行比较和讨论，让学生通过自己的思考牢固地掌握知识。还利用现代化的教学手段，通过声音、图像、动画等多种形式，将抗原抗体反应、补体激活、T 细胞杀伤靶细胞等抽象的概念和知识点形象、直观地讲述出来，既吸引了学生的注意力，又促进了知识的理解，更为学生想象力和抽象理解能力的发展提供了帮助。

四、改革实验教学内容，适应专业发展需要

免疫学实验是通过实验教学环节，促进学生对课堂理论知识的理解，在动手操作专业基本技能训练之中培养学生严谨的科学态度、分析问题和解决问题的能力与创新思维。免疫学实验教学的质量直接影响学生对免疫学基本理论的理解与掌握，也间接影响学生将免疫学知识运用到工作实践的能力与水平，实验教学是培养学生创新能力的重要环节。以往开设的经典免疫学实验多为单个验证性实验，如E花环沉淀这些实验很大程度上落后于迅速发展的现代免疫学理论和技术，在方法和水平上都显陈旧，不利于学生科研思维和创新能力的培养。授课教师经过讨论和设计，将淋巴细胞分离培养、ELISA 法测定IL-2、免疫组化SP法测定肿瘤组织VEGF以及流式细胞术检测T细胞亚群等实验有机结合，开设了免疫学综合性实验，让学生了解科学研究的基本过程，培养他们的科研设计能力。借鉴生物技术专业开设跨课程基因工程综合性大实验的成功经验，授课教师还设计将生物信息学、分子生物学、免疫学联合起来开设“单抗制备”的综合性大实验，让学生能够真正地运用所学的知识及实验技能。

生物信息学基本概念范文第4篇

【关键词】科技传播；计算主义；信息

一、计算主义视角简介

对于意识的认识是长久以来一直困扰人们的问题。意识的本质究竟是什么？意识的运行机制是什么？这些问题一直没有解决。无论是哲学，心理学，自然科学，都为解决意识问题进行了深刻而持久的研究。随着科技手段的进步，意识问题的自然科学研究取向逐渐成为主流，而其中，计算主义的研究取向，是认知科学研究最基本的方向。

计算主义取向是伴随着当代计算机科学迅猛发展而出现的一种新的研究范式，计算主义的基本思想是将意识、心智的本质以及行为与计算机程序进行类比，提出“认知的本质就是计算”这样的基本假说，当前信息、算法和计算这些计算主义的基本概念已成为当前理解人的生命及意识本质的重要概念。[1]

这种思潮，随着人工智能、生物信息学、量子计算、元胞自动机理论等的产生和发展，开始广泛的渗透到各个科学领域，继而发展为一种哲几乎遍及所有科学和哲学领域的超范式，即构成物质世界的基本要素是计算或信息流，世界的全部内容是信息从一个部分传递到另一个部分的过程。

计算主义实际上已经渗透到宇宙学、物理学、生物学乃至经济学和社会科学等诸多领域。计算或者算法不仅成为人们认识自然、生命、思维和社会的一种普适的观念和方法,而且成为一种新的世界观。[2]

科技传播是基于传播学而集中研究科学技术传播的学科，以计算主义的视角，对科技传播进行认识和研究，在一定程度上，可以拓展和加深对科技传播的最根本的理解。

二、科技传播的四个要素

传播是人类社会广泛存在的现象，可以说，自人类出现，传播就一直存在于人类社会之中。传播现象也许是人类认识索要面对的最为复杂的对象之一。以传播为研究对象的传播学是20世纪出现的社会科学，传播学的研究范围十分广泛，经过多年发展，传播相关的历史研究，心理学研究，社会学研究，乃至传播方式的物理学研究以及上升到哲学高度的语言哲学研究等，与传播相关的领域的研究几乎已经面面俱到，而科技传播的研究因为局限于传播科技知识，较人类的一般传播要简单一些，虽然科技传播具有不同于传播学研究领域的特殊性，但是作为一种传播的过程，传播学的基本理论还是适用的。

人类的传播是一种交流和交换信息的行为。一个基本的传播过程由传播者、传播内容、传播渠道与传播媒体和受传者四个要素构成。[3]信息在四要素之中的传递，构成了一个传播的过程。对这四大要素的分析是认识、理解和研究科技传播活动和科技传播现象的出发点。而如果要做一个最根本的认识，需要先对信息进行解读。

在人类的社会传播过程中，信息是符号和意义的统一体。符号简要的说，是信息的外在形式和物质载体，而意义本身是抽象和无形的，但可以通过如语言及其他符号得到表达和传递，一个符号和其携带的意义构成信息。人类最基本和最主要的符号，就是语言。

语言是一套完整和较完善的符号体系。在计算主义的视角下，可以这样认为，语言的符号体系是一种人类意识可以理解的算法，人类实际上通过这样一种算法，来理解和处理信息所包含的意义。而只有在这样一种人类可以理解的算法内，意义才得以存在。比如一个彻底陌生的自然物，我们不妨利用数学的方式定义为x，对于人类而言，在认识它的形状和与外界的作用之前，它毫无意义，而认识它并认识它与外界的作用，实际上经历了将这些关系编译为人类可以理解的形式，比如，称之为“费米子凝聚态”，这不仅是一个单纯的符号，这个符号承载了对应物的信息，也就是人类对它的认识。这个过程发生的，可以说是人类建立了一套算法，来认知这个东西。同样的，所有的信息，只有经过人类可理解的算法处理之后，才具有对人类而言的意义。为什么经过这样的过程，信息就可以被理解？传播学中，认为语言的理解是一种语义契约，基于这种达成的共识，语言得以被普遍理解。这其实可以理解为一种算法。可以借用计算机领域的一个常见术语，格式化。在计算机中，硬盘经过格式化才能作系统识别，这一过程，与人类的认知过程有些类似。

那么，传播的四个要素，分别在这种理解中是怎样的呢？

传播者是指信息的提供者，亦即向受众传播信息的一方。在科技传播中，传播者的地位极其特殊，尤其是科技知识最初的发现或发明者，这个角色的特殊在于，他首先使对本对人类毫无意义的东西，进入到人类的可理解的范围中，也可以说，是建立了一种新的算法，将信息进行了编码。

科技传播中的传播者一般分为两种基本类型，职业化的传播者和非职业化的传播者。本文认为，传播者可以分为两种，传播内容的首创者和首创者之外的传播者。二者的区别将在后面阐述。

传播内容是流动在科技传播过程中的科技知识信息。在本文中可以理解为包含了科技知识意义的算法。

传播渠道与传播媒体涉及到传播的具体过程和传播媒介，实际上，是可以认为是信息的等价变换，后文将阐述。

受传者又称为受众，是与传播者相对的信息接受者。受传者最重要的特点是学习能力。在本文的语境中，学习能力是指解码的能力，通过对符号的解码，得到符号所携带的意义。

一个科技传播的过程，具体是怎样发生的呢？

三、科学传播的模式

对于传播的模式，在传播学史上，学者们曾建立了很多种模式。但这些模式都是基于上述四个要素的。本文结合拉斯韦尔的5w模式、奥斯古德与施拉姆的循环模式和赖利夫妇的系统模式提出一种稍作改进的模式，见图1。

最初的传播者将没有意义的信息进行编码，也就是从无意义进入到人类语言中，使之变为在人类的语言契约下能够理解的形式，这一过程实际是一中算法的等价变换，换句话说，这些信息的意义，也就在于传播者进行了怎样的编码。

在语义契约的约束下，传播内容传递给了受众，如果受众继续传播，那么他就是其他传播者，所谓的职业传播者，也就是专职负责再次传递信息的受众，他们的信息来源于最初的传播者。受众在接触到信息后，实际上是用语义契约进行了一个解码，提取了其中的意义。[4]而其他传播者可以将接受到的信息原封不动的传播出去，但是，由于他们的专业背景，认识能力，和理解程度，尤其是职业传播者，面对特定的受众，通常会将接受的信息进行新的编码，再次传播。所谓新的编码并没有脱离语义契约。语言系统是一个复杂的系统。由于人们的教育程度，认识能力，专业领域的区别，往往趋向于形成在语义契约内的子系统。比如一个经济学者和一个化学学者，他们虽然都处于一个大的语义契约下，但是由于专业原因，对于对方专业领域的信息往往接触不多，这使得他们的专业相对封闭。那么，经济学者们要了解某一项化学成果，往往需要进行多次的编码解码，使最初的专业化的信息变得能够被他们容易的理解。

这个传播的过程是如此继续下去的，直到受众不再传播。当然，这里的受众和其他传播者，并不是指单一的个体，而是符合定义的人或组织的集合。

传播的媒介，是得到传播学着重研究的领域，媒介起到一个信息传递中介的作用，信息无论是以文字还是声音还是图像的形式得到传播，其目的是使最初的信息能够有效的传播，但是，从最初的信息到媒介所包含的信息再到受众接收到携带信息的媒介，这一个过程需要经过多次的解码和编码，由于传播者和受众的原因，信息也许会发生变化，其含义与最初的含义可能不同，如何确保信息的失真度最低，是科学传播研究的问题之一。[5]

四、总结

上述分析着重强调了在科技传播中编码和解码的重要作用。从计算主义的视角，对科技传播中“科技知识信息通过跨越时空的扩散而在不同个性间实现知识共享”[4]这样一个最核心的研究内容进行了简单的分析。通过上述分析，可以看到，由于科技研究事业相对于人类社会来说，是相对较小和相对封闭的系统，即使是科技研究事业内部，不同领域和专业也相对封闭，这使得科技传播的过程，需要更多的努力才能成为有效的传播，在本文的语境中，也就是需要更多的算法的变换或编码解码的过程。本文试图从最根本的层次上分析知识、信息、共享、传播这些概念的含义，以及在科技传播过程中它们的意义，虽然可能这种努力现在还是有些粗糙和简陋，但是在科技传播研究的方法上，希望能够提供一种新的角度。

参考文献：

[1]李西林,霍涌泉.当前意识研究的自然科学取向及其意义[J].东南大学学报(哲学社会科学版).2007(01).

[2]李建会.从计算的观点看[J].哲学研究2004(03).

[3]翟杰全.科技传播研究与其基本方向[J].科学管理研究.1999(06).

[4]翟杰全.让科技跨越时空[M].北京理工大学出版社.2002.

[5]郭庆光.传播学教程[M].中国人民大学出版社.1999.

生物信息学基本概念范文第5篇

[关键词]数值计算方法；融会式；教学理念；教学实践

[中图分类号]G642.0　[文献标识码]A　[文章编号]1005－4634(2012)02－0053－04

0　引言

随着计算机技术的飞速发展，数学学科的地位发生了巨大的变化，特别是在自然科学的许多分支中，有相当多的研究问题走向定量化和数值化，从而出现了一系列与计算有关系的研究方向，如计算物理、计算力学、计算化学、计算地质学、计算生物学、计算气象学等。目前，科学计算、理论研究、科学实验已经成为当今科学研究的三大方法，而科学计算由于具有研究成本低、周期短、风险少等特点，因而受到广泛的重视。数值计算方法，也称“数值分析”或“计算方法”，是科学计算的重要基础，也是理工科大学生和研究生的核心课程，国内外综合性大学无一例外均开设了本门课程。数值计算方法以采用计算机技术求解工程实践中提炼出的数学问题为主线，既有数学课程理论上的抽象性和严谨性，又有解决实际问题的实用性和实践性。自从教育部分别颁布高等教育“面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”后，很多教学工作者积极探索数值计算方法教学的新模式，并投入到教学实践之中。在教学观念、教学内容、教学方法、教学手段等方面出现了百家争鸣的好局面，开展了多层面多方位的教学改革探索，展现了数值计算方法课程教学在理工科人才培养中的奠基性作用。

鉴于数值计算方法在理工科人才培养课程体系中的重要地位，通过问卷调查及统计分析，分别从教师和学生两个角度剖析课程教学所面临的主要问题，有针对性地提出数值计算的融会式教学理念，从课程体系、教学模式、教学内容、教师队伍等多个方面阐述该理念的内涵，并结合国防科技大学自动化专业本科生《数值计算方法》课程教学任务开展教学实践，检验融会式教学理念的实际效果，为21世纪数值计算方法教学改革提供新的思路和有益借鉴。

1　课程教学的问题分析

数值计算方法在理工科大学生及研究生培养的课程体系中具有显著的桥梁性作用，一方面是对高等数学、线性代数、编程语言(或算法设计)等公共前缘课程的巩固与扩展，另一方面也是力学、计算机科学、自动化、航空航天、土木工程、机械工程、经济管理等专业后续课程的基础和工具。通过问卷调查统计分析，目前数值计算方法课程教学所面临的主要困难可从教师和学生两个方面加以总结。根据数值计算方法授课教师的反映，教学面临的困难主要有以下几个方面。

1)课程信息量大与教学时数少之间的矛盾。课程主要研究数值逼近与曲线拟合、线性方程组求解、非线性方程求根、数值积分与数值微分、常微分方程求解等问题的数值解法，教学内容多，而培养方案又在压缩教学课时，所以出现学时少、内容多的矛盾。

2)课程覆盖面广与教师专业知识受限之间的矛盾。课程涉及的数值方法都有着典型的工程应用背景，涉及的学科领域宽泛，从事教学的教师往往精通于有限的领域，如何充实提高自身素养适应课程教学的要求是任课教师必须面对的问题。

3)实践环节与相应保障之间的矛盾。数值计算方法课程是理论与实践结合的产物，实践性是此课程有别于其它数学课程的一个基本特征。课程教学的实践环节花费时间较多，可能与教学大纲要求的在一定时间需完成的教学任务有冲突。教师在研究情境设置的问题“难易度”的把握尺度上与学生的接受能力也有可能冲突。有些太困难的研究问题难免超出教学大纲的要求，给学生造成额外负担。

根据学生反映的情况，课程学习面临困难主要有：(1)学习兴趣淹没在冗长的公式推导和理论分析之中。课程涉及相当多的理论推导，对于己经复杂冗长的公式，还要进行理论分析，包括算法的收敛性、数值稳定性、误差分析以及好的时间复杂性和好的空间复杂性。这些方法几乎都很复杂，公式冗长，推导繁琐。过多地强调数学理论证明，大多数的学生觉得这门课很难，学得很枯燥，也感觉不到乐趣。(2)课程内容及进度与学生个体差异的矛盾。伴随着高校招生规模的扩大，学生的人数越来越多，生源的个体差异也越来越显著，同样的内容设置和进度安排往往使得人数众多、差异显著的学生群体难以适应，学习效果自然受到严重影响。(3)课程内容难以体现贯通培养课程体系的桥梁性作用。无论是教材还是实际授课，绪论往往将数值计算方法定位为理工科大学生和研究生培养的核心基础课程，但是主体内容讲授时由于课时有限，只能突出理论推导和算法设计，学生只能见到树木，却始终未能见到好奇的森林，严重的话会削弱学生的学习兴趣和热情。(4)实践环节与基础能力的矛盾。数值计算中的问题仅靠课堂教学、理论推导是很难讲明白的，特别是各种算法的收敛性、稳定性等问题。实践环节是学生加深算法理解、学以致用的重要途径。但是，课程实践环节不可避免地涉及到程序编写与调试，很多学生在编程语言或算法设计课程中基本功不够扎实，从而对数值计算方法的实践环节产生畏惧心理，导致课程实践效果不佳。

2　融会式教学理念

针对数值计算方法课程教学的上述问题，教学工作者们主动思考、积极探索，不断实践新的教学理念或教学模式。在现有研究基础之上，本文提出数值计算方法的融会式教学理念，重点探讨如何培养学生的数值思维能力和计算求解能力，使他们通过课程的学习，构建起所学专业课程体系的全貌，领悟课程的基础性、开放性的重要特征，融会贯通数值计算的思想理解、算法设计和工程实践，在碰到新问题时，不是生搬硬套书本公式，而是灵活运用掌握的数值思维方法去分析和求解。

融会式教学理念关键落实在“融会”二字上，它突破传统的课程讲授、课后作业、上机实践、考核结课的授课过程，将其扩充为前缘深入先摸底、备课充实贴前沿、授课生动重启发、习题思考多互动、实践灵活循算法，授课讲座齐并举、考核全面现能力、试后逐一面点评的融会贯通的全过程。

1)前缘深入先摸底。开课之前深入选课学生群体之中进行交流沟通，了解大家对高等数学、线性代数、编程语言(或算法设计)等公共前缘课程的掌握隋况，获取并分析选课学生在前缘课程的成绩分布情况，特别留意个体的差异程度。比如，对于具有畏惧心理的学生，要及时发现，因材施教，可通过课堂简单提问或者通过批改作业留下鼓励性质的评语，帮助其树立自信心。

2)备课充实贴前沿。综合考虑学生对前缘课程的掌握情况和培养计划对课时的规定，合理选择备课内容，不求面面俱到、照本宣科，但求重点突

出、贴近前沿。每个章节精心设计问题导入环节，举例须紧扣技术发展的前沿，避免书本上例子通行天下的现象，充分激发学生的学习热情。比如，插值方法可结合风洞试验数据估算神舟飞船阻力系数的例子。

3)授课生动重启发。授课过程中，可充分利用课程的实用性和实践性，从工程实践中凝炼科学问题，有针对性地启发学生主动思考相应的对策，再跟大师们的计算方法进行比较，分析优劣，进而转入算法的思想、流程和设计，剖析所学计算方法解决工程问题的实际效果及适用范围。另外，还要注重多媒体和板书的有效结合。

4)习题思考多互动。合理安排习题课，精心准备由易而难的例题，既注意问题的工程实践性，也引导学生积极思考，结合前缘课程的了解情况，有针对性地让学生参与分析和计算，采用分组讨论的形式，充分尊重个体差异，尽量让每位学生都有所获益，有所提高。融会式教学在考试之前的复习课中，一方面梳理本门课程内容之间的相互联系，比如插值是数值微积分的基础，样条插值是线形方程组求解之追赶法的典型应用等等。另一方面更要回顾课程与前缘课程的具体关系，比如多项式插值充分利用了线形代数中多项式空间基函数的概念，数值逼近多次引用范数的定义，而且要根据选课学生的专业分布，选取有典型意义的后续课程，比如自动化专业的控制系统原理、信息科学专业的信号与系统等等，讲解课程所学方法将在专业后续课程中发挥重要的作用，同时也是大家学习这些后续课程的重要基础。

5)实践灵活循算法。课程教学的实践环节非常重要，由于学时有限，必须充分利用。建议可分3次上机实践。第一次可以考查编程能力，及时发现情况，及时总结原因，可组织一次集体答疑，为大家编制统一的接口函数，将数据结构定义、数据读入、结果显示等公共环节提取出来统一处理，而引导学生把精力投入到算法思想的理解和算法流程的实现。第二次，直接提供基本程序框架，由学生填充算法流程的主体部分。第三次，则可当作现场模拟上机考试，要求学生在规定时间内提交算法程序和结果。实践环节的合理运用对改善课程教学效果具有极其重要的作用，教师可适当补充编程的基本技能和基本方法，编制易于理解易于运用的程序框架，以便于学生将有限精力投入到算法设计本身，而不是过多地消耗在输入输出等公共环节。特别是，需要关注对编程具有畏惧心理的学生，采取合适而又有效的措施，比如分组合作或者亲手示范等手段，消除畏惧，激发兴趣，以全面提高课程教学质量。

6)授课讲座齐并举。考虑课程覆盖面广与教师专业知识受限之间的矛盾，并不能要求教师同时掌握多门专业知识，而是可以采用授课和讲座相辅相成的方式，邀请其他专业的老师，根据他们从事科学研究过程中运用数值计算方法解决领域问题的具体体会，向学生讲解数值计算方法的实际应用流程和作用。比如，生物信息学中大量应用最小二成、稀疏矩阵求逆等数值方法。讲座往往较为轻松，占用课时少，学生易于接受，既可提高学习兴趣，也可拓宽知识面，对课程的基础性作用不言而喻，从而有效避免了授课教师“王婆卖瓜，自卖自夸”的尴尬。

7)考核全面现能力。课程考核要全面覆盖授课内容，合理制定试题难度，注重综合能力的考查。课程考核重在数值计算方法基本思想的领悟和掌握程度，不苛求公式的背诵记忆，建议设置一定比例的推导题，比如给出数值积分的梯形公式，要求学生推导Simpson公式。

8)试后逐一面点评。不同于以往考试结课的惯例，融会式教学强调全过程的交流沟通，学生一般在考试之前集中复习，考试之后遗忘性衰减现象很普遍。为了巩固教学效果，融会式教学注重考试之后，教师及时批改试卷，总结课程教学效果，与每一位学生进行当面点评，分析丢分的具体原因，加深学生对所学方法的理解和应用。

综合起来，数值计算方法的融会式教学理念重在将授课过程、教学内容、教学方法、教学手段、教师构成、课程考核、试后讲评等多个环节融会贯通。在教学内容上，突出本门课程与前缘、后续课程的内在联系、相互关系及本质特色，让学生既见树木，也见森林；在教学方法上，强调理论与实践并重，紧扣专业特色，无论是课堂举例，还是上机实践，都结合授课对象的专业分布，从实际工程应用提炼科学问题，将算法思想付诸问题求解，激发学生的学习积极性，加深数值方法的理解；在教学手段上，注重现代多媒体技术与板书的合理搭配，多媒体形象生动，结合插值、拟合、方程组迭代求解等数值方法的几何意义、物理意义进行讲解，节省时间提高课堂效率。板书节奏感强，容易引导学生积极思考，也便于开展师生互动，加深学生对算法思想的理解，提高学以致用的实践能力；在授课过程上，更是体现“融会”的特征，从前缘课程摸底、个体差异关注，到跨专业邀请讲座，再到试后当面点评，直至后续课程的展望，都充分注重融会贯通的教学环节，最大程度上提高教学效果。

3　融会式教学实践

与数值计算方法课程的实践性相统一，融会式教学理念同样需要教学实践的不断检验。笔者结合国防科技大学自动化专业本科生《数值计算方法》课程教学任务，遵循融会式教学理念，积极开展包括前缘深入先摸底、备课充实贴前沿、授课生动重启发、习题思考多互动、实践灵活循算法，授课讲座齐并举、考核全面现能力、试后逐一面点评等所有环节的教学实践，检验融会式教学理念的效果。

笔者独立主讲了国防科技大学自动化专业本科生在大三秋季学期设置的32学时《数值计算方法》课程。结合课程的特点，全程采用融会式教学理念，采用“掌握思想、设计算法、上机实践”等多种手段进行全方位教学。根据授课对象前缘课程的掌握情况，选取插值、拟合、数值微积分、线性方程组求解直接法、线性方程组求解迭代法、非线性方程求根、常微分方程数值解等作为主讲内容，课堂26个学时重点开展算法思想的讲授和研讨，实践6个学时则重点考查学员设计算法、解决问题的综合能力。

在学期开课之前深入授课对象所在的学员队，与学员交流本科阶段学习的体会与经验，了解大家对本课程前缘课程(高等数学、线性代数、C语言等)的掌握程度，对微积分、方程组求解、矩阵特征值等相关内容进行复习巩固，同时留意个体差异，及时发现自称“逢数学课必挂”的具有畏惧心理的学生。

备课时，紧密结合科技发展前沿，比如从神舟飞天中根据风洞数据估算阻力系数的实例引入插值方法，同样由加速度计离散测量数据估算飞行速度的问题引出数值积分的问题；在课堂教学中，强调学员主动发现问题、积极参与课堂讨论，在适当的引导中鼓励学员自己得出结论，既提高学习兴趣，也增强自信心。鉴于课程学时受限，全程作业逐本批改，在指定课时之外，采用集体答疑和第二课堂的自由形式，补充8个课时进行课外习题辅导，学生可以根据自身的学习情况自行决定是否参加，加深大家对数值算法的理解和求解过程的联

系。考虑到教师自身专业知识有限，邀请生物信息学、基础物理学的两位跨专业教员分别开展公开讲座，结合具体问题示范如何运用数值计算方法进行解决，加深印象，也激发热情。

三次上机实践按照知识点进行组织，一类算法的授课结束后立即进行编程实践。第一次实践内容为插值和拟合，程序编制相对较为简单，同时也考查学生编程能力的个体差异，及时分析情况，集中组织一次课外答疑，不是简单地准备好例程演示给大家而已，而是与学员一起现场编制程序，依据融会式教学理念，让大家看到如何结合具体求解问题从无到有地编制程序的全过程，加深大家对算法从流程到代码的演化过程，减轻大家对编程实践的畏惧心理，提高动手实践能力。第二次为数值积分的Romberg算法，为大家编制统一的接口函数，将数据结构定义、数据读入、结果显示等公共环节提取出来统一处理，引导学生把精力投入到算法思想的理解和算法流程的实现。第三次为微分方程数值解Runge-Kutta算法，采用限时提交的方式，要求大家按照考核的标准完成二阶、三阶、四阶算法的编程和精度比较。课程实践环节逐次提高要求，让学生在掌握数值计算方法相关算法的同时，也进一步提高编程能力，增强自信心，为后续课程学习奠定基础。

课程考核既测验学员对基本概念、基本原理的掌握程度，也测验学员对课程整体的把握能力以及学以致用的实践能力。考试之后，及时阅卷，并再次深入学员群体之中，进行逐一当面点评，分为未能掌握、粗心大意、时间不够等类型剖析丢分的原因，既是及时巩固课程学习成果，也是锻炼学生素质、提高学习成绩的重要途径。

与传统模式相比，融会式教学理念注重从实际工程应用提炼科学问题，充分激发学生的学习兴趣；强调课程的承上启下的地位，让学生既见树木，也见森林，知晓专业培养的目标与定位；注重数值计算方法的启发和实践并重，通过具体问题的编程实验，既加深理解，也敢于实践。在授课、答疑、批改作业、实验、考试等诸多环节，学生们都充分认可融会式教学理念。综合这次融会式教学实践的实际成效来看，学员们较好地掌握了插值、拟合、数值微积分、线性方程组求解、常微分方程数值解等数值计算方法的思想精髓，并能够活学活用，解决实际问题。特别是，三次上机实践，学员热情逐次提高，主动寻找课外时间开展编程实践，多次改进程序，修订实验报告，达到了非常好的算法实践效果。

在本次融会式教学实践中，学生都能够带着兴趣与热情投入到课程的学习中去，课堂积极思考、踊跃发言，敢于发表自己的见解；课后主动复习、认真完成作业，特别是布置的几次讨论性质的题目(如谈谈对课程的印象、谈谈对迭代法的理解等)锻炼了学员的独立思考能力和语言表达能力；上机实践中能够针对底子薄、能力差、锻炼少的现状，积极主动地进行反复练习，并相互请教，力争得到最大程度的提升。其中，极个别学员存在基础薄弱、前缘课程差、出现多门挂科等问题，自信心不强，甚至出现自暴自弃的现象，经过多次引导与鼓励，也能够积极融入集体，认真对待每次作业和实验，得到了较好的平时成绩，考试也能够积极面对，最终也取得了令自己满意的成绩。

总体而言，《数值计算方法》课程采用融会式教学理念，取得了良好的教学效果，既提高了学生对数值计算方法思想精髓的理解水平和应用能力，也培养了学生的主动学习、独立思考等综合素质，为后续的学习深造打下基础。

4　结束语