计算生物学类通识课程探析

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【摘要】在当前高校的通识教育中，已形成共识的是，生命科学类通识课程是培养学生综合素质的一个必要环节。随着大数据时代的到来，计算机信息技术与生命科学的相互结合为传统生命科学的发展起了巨大的推动作用，学科交叉带来的融合创新已充分说明了学科交叉的必要性及优势。在本科生通识课程设置中，引入计算生物学类的通识课程，培养学生利用大数据的思维创新解决生物学问题，对培养大学生综合素质具有重要作用。计算生物学类通识课程的设置应侧重计算方法的具体应用，采用多种灵活的授课方式，介绍计算方法与生物知识的有机结合，引导学生培养学科交叉思维。

【关键词】生命科学；计算科学；通识课程

通识教育最早是由帕卡德教授提出的一种综合的教育，是同学们进行专业学习之前的准备[1]，通识教育不应以职业和实用为目的，更应侧重课程学习和实践，目的在于培养学生的全面素质[2]。设置通识课程，是当前我国高校通识教育的重要方式之一。在科学综合素养类学科中，生命科学是与人类生活息息相关的一门科学，也是21世纪以来最具发展潜力的学科之一。生命科学的通识教育，是当今高校综合素养类课程教育的一个必备环节。近年来随着生物大数据的积累，传统的以实验为主体的生命科学思路与认识在与高通量计算的结合中碰撞出了新的火花，形成了独具特色的计算生物学及生物信息学相关交叉学科。在信息数据爆炸的当今时代，设置计算生物学类的通识课程，是当前生命科学通识教育的重要补充。

1设置计算生物学类通识课程的必要性

计算生物学是后基因组时代的产物之一[3]，随着人类基因组计划的不断深入，以碱基序列为基础的生物类数据开启了急速地积累。同时，生物数据的积累不仅包括了数据量的增长，也包括了不同类型及维度的生物数据的爆发。对巨大而复杂的生物学数据进行解析，挖掘其背后的生物学意义，应用于指导人们的认知或应用于日常生活，是当今时代下生物学发展所不可避免的挑战。计算科学与生物学之间的交叉，相互渗透，促进了创新，计算科学为研究生物问题提供了新的思路与方法，而生命科学为计算科学提供了目标问题。随着测序成本的降低以及大数据时代的到来，计算生物学早已不只停留在专业领域的基础研究，计算生物类的产品已逐步走入人们的日常生活中，比如利用生物信息学手段快速了解病毒的生物特征进行病毒检测，利用二代测序技术分析预测疾病类型指导用药，通过基因芯片预测疾病易感风险（包括糖尿病发病风险，酒精代谢能力预测）等，传统的以疾病为导向的计算分析，已越来越多地融入疾病之前的大健康数据分析之中。对于大数据时代下的大学生，学会以大数据的思维来了解生物医学的具体范畴与应用，学会利用学科交叉的思路来解决日常生活中的生物医学问题，在通识课程的学习中培养与时俱进的素质，具有非常重要的现实意义。

2计算生物学类通识课程设计

计算生物学类通识课程的设计应与生物信息学专业课程有所侧重与区分，对于此类通识课程，应在介绍基础生命科学知识的同时，结合计算手段在对应生物学内容部分的具体应用。在内容设计上的总原则为侧重讲述计算方法与生物知识的结合，激发学生从数据分析的角度解析生物问题的兴趣，培养学生敬畏生命的价值观。在具体授课过程中应以实例应用为主，侧重了解计算工具的输入与输出，以及对应计算工具或算法的适用范围，弱化对计算原理的推导及算法设计方面的讲解。

2.1课程内容

课程内容的设置应紧密围绕计算科学与生命科学的结合部分重点展开，核心的四大课程模块包括：遗传、发育、进化、免疫与疾病。针对各个核心模块，均分为两个部分：基础生命科学知识介绍和相应计算方法的应用。（1）遗传。该模块首先重点介绍生命的化学组成，包括组成细胞的重要糖类、脂类、蛋白质及核酸的基本结构与功能。其次对基因的遗传定律进行介绍，使学生了解分子遗传的基本规律。在该模块对应的计算部分，介绍二代测序技术的发展与应用，并对人类基因组计划的历史进行讲述。本模块通过针对我国科学家参加人类基因组计划的经过及成果进行介绍，来培养学生的爱国情怀。引入大分子蛋白质空间结构模拟的计算工具，并通过对国际蛋白结构计算模拟比赛的介绍，使学生了解最新的蛋白结构预测进展。（2）发育。该模块的内容按照从微观到宏观，从分子到动物的顺序安排教学内容。依次介绍细胞分化与胚胎发育的方向与过程，干细胞的特征及临床应用，动物克隆的关键技术节点。相对应的，本模块介绍的对应计算内容包括，生物信息工具预测发育相关的目标基因，如何利用计算方法对信号转导通路进行富集分析从而得到关键通路。对于干细胞相关信息技术的成果，重点介绍我国的国家干细胞资源转化库及干细胞信息平台，引导学生如何将其中包含的信息进行归纳分析。（3）进化。该模块的教学内容依次包括达尔文与进化论、人类的起源与进化、病毒的进化。对应的计算科学内容包括利用生物信息学工具（如MEGA、PHYLIP等）构建系统进化树，通过进化树预测不同分支上的分子或生物之间的遗传相似性。进化分析包括人与黑猩猩、大猩猩、长臂猿等哺乳动物之间的进化树构建，以及微生物尤其是病毒之间进化关系的预测，让学生认识到进化的过程，以及如何利用基因相似性确定进化关系。（4）免疫与疾病。本部分内容包括人体免疫系统（细胞免疫与体液免疫）的介绍、常见病原微生物介绍及免疫信息学的应用。介绍我国科学家与临床医生利用免疫信息学手段进行疾病治疗的先进方法与成功案例，包括肿瘤免疫治疗及疫苗设计。同时，介绍转录组学、表观遗传学相关高通量检测产品在疾病的诊断及预后分析上的应用。

2.2课程形式

通识课程与专业课程的区别在于所选修的学生来自理工类及文科类各专业，因此在授课内容及课程形式上应注意各专业同学的接受度与结合点。同时，在课程形式上应更加注意结合“互联网+”时代背景下的各种与时俱进的案例，将知识内容融入案例分析之中[4]。2.2.1案例分析。本课程从始至终贯穿着案例分析，以案例的方式提出每节课程的科学问题，通过生物学知识的介绍，确定需要解决问题的环节，再引入计算的方法和手段有针对性地解决本节课程中提出的科学问题。以遗传模块为例，将中国科学家利用DNA检测技术判断曹操墓的真假，以及确定曹操家族DNA的案例。利用家喻户晓的历史人物及历史争议引起学生的兴趣，提出一系列的科学问题，比如，为了研究一个家族的起源及其后代分支，应当从哪些基因入手？解析出的DNA序列包含了何种信息？如何利用计算方法定量计算两条DNA序列之间的相似性高低？通过这些问题的引入，层层深入，依次介绍孟德尔遗传规律、DNA测序技术以及目前开发的序列比对的计算方法。最终通过DNA序列实例，使学生切身体会到如何利用计算手段解决序列相似性评估问题。至此，从问题引入，生物知识讲解，计算工具介绍，完成了该节内容的讲授。2．2．2社会热点问题讨论会。当今时代是一个信息爆炸的时代，关于社会热点问题不能刻意避之不谈，需要在讨论中引导学生树立正确的保护生命、敬畏生命的价值观和道德观，应当让学生参与到课程中，设立专题讨论会，每次针对一个大家感兴趣的时事生命科学问题，各专业同学可从多角度进行分析与讨论。例如，如何看待基因编辑婴儿的事件？在大数据时代下，如何保证每个人的生物医学信息与数据安全，维护个人隐私？微生物与人和谐共生，如何利用计算方法监测微生物的突变与进化？为什么需要每年都注射流感疫苗，可否通过计算模型监测流感疫苗的有效性？通过设立类似的问题，引导学生进行科学的自主探究与摸索[5]。2．2．3辩论赛。如果说上述讨论会能够鼓励学生主动发表自己的观点，那么设置辩论赛的形式则更能激发学生的思辨热情。对于既有有利方面又有明显弊端的技术与方法，应当鼓励学生自主分析两种对立观点之间的利害关系。这个环节的设置是为了避免课堂上完全由教师列出利弊对比，而学生缺乏自主地探索。设计辩论赛，需设置正反双方，可设计的题目包括，克隆技术的利与弊；你是否愿意数字化自己的记忆、你是否愿意与私人定制的人工智能做朋友。通过此类问题的设置，鼓励学生结合所学的知识，集合大数据时代下能获取的各种数据资源，发散思维，多角度衡量计算技术与生物技术结合所带来的影响。

2.3课程考核方式

如上所述，在课程形式方面，本课程所设置的互动环节较为丰富，因此，相对应的课程考核方式也应该有别于传统的考试形式。在教学管理方面充分利用信息化教学管理平台[6]，如超星平台、雨课堂等，实现学生与教师线上线下的混合式教学模式，开拓多种线上线下沟通渠道。本课程注重过程化考核，分为个人得分及小组团队得分，考核分值包括案例分析得分（20%）、讨论会个人评分（20%）、辩论赛团队得分（30%）以及期末综述总结（30%）。在70%的过程化考核中，每一个部分的得分均由教师打分（50%）及学生互评得分（50%）组成，使课程不再拘泥于教师的单项考核，更多地让学生成为课堂的主体，变课堂为思维碰撞的平台。

3结语

本文围绕计算生物学类通识课程提出课程设计，在大数据时代下，将信息与计算技术与生物学知识进行交叉结合，是现代生物学发展的必然趋势，了解计算生物学的实际应用，是当代大学生在通识教育中不可或缺的一个环节。通过计算生物学类通识课程的设置，侧重学生自主探究，培养学生的思辨能力，引导学生建立学科交叉创新的思维，能够对本科通识教育起到推动作用。

作者:邱景璇 裘天颐 单位:上海理工大学医疗器械与食品学院 上海市公共卫生临床中心