前言：本站為你精心整理了計算生物學(xué)類通識課程探析范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

【摘要】在當(dāng)前高校的通識教育中，已形成共識的是，生命科學(xué)類通識課程是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的一個必要環(huán)節(jié)。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，計算機信息技術(shù)與生命科學(xué)的相互結(jié)合為傳統(tǒng)生命科學(xué)的發(fā)展起了巨大的推動作用，學(xué)科交叉帶來的融合創(chuàng)新已充分說明了學(xué)科交叉的必要性及優(yōu)勢。在本科生通識課程設(shè)置中，引入計算生物學(xué)類的通識課程，培養(yǎng)學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維創(chuàng)新解決生物學(xué)問題，對培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要作用。計算生物學(xué)類通識課程的設(shè)置應(yīng)側(cè)重計算方法的具體應(yīng)用，采用多種靈活的授課方式，介紹計算方法與生物知識的有機結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)學(xué)科交叉思維。

【關(guān)鍵詞】生命科學(xué)；計算科學(xué)；通識課程

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(xué)們進行專業(yè)學(xué)習(xí)之前的準(zhǔn)備[1]，通識教育不應(yīng)以職業(yè)和實用為目的，更應(yīng)側(cè)重課程學(xué)習(xí)和實踐，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)[2]。設(shè)置通識課程，是當(dāng)前我國高校通識教育的重要方式之一。在科學(xué)綜合素養(yǎng)類學(xué)科中，生命科學(xué)是與人類生活息息相關(guān)的一門科學(xué)，也是21世紀以來最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科之一。生命科學(xué)的通識教育，是當(dāng)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(xué)思路與認識在與高通量計算的結(jié)合中碰撞出了新的火花，形成了獨具特色的計算生物學(xué)及生物信息學(xué)相關(guān)交叉學(xué)科。在信息數(shù)據(jù)爆炸的當(dāng)今時代，設(shè)置計算生物學(xué)類的通識課程，是當(dāng)前生命科學(xué)通識教育的重要補充。

1設(shè)置計算生物學(xué)類通識課程的必要性

計算生物學(xué)是后基因組時代的產(chǎn)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(chǔ)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(fù)雜的生物學(xué)數(shù)據(jù)進行解析，挖掘其背后的生物學(xué)意義，應(yīng)用于指導(dǎo)人們的認知或應(yīng)用于日常生活，是當(dāng)今時代下生物學(xué)發(fā)展所不可避免的挑戰(zhàn)。計算科學(xué)與生物學(xué)之間的交叉，相互滲透，促進了創(chuàng)新，計算科學(xué)為研究生物問題提供了新的思路與方法，而生命科學(xué)為計算科學(xué)提供了目標(biāo)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(xué)早已不只停留在專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，計算生物類的產(chǎn)品已逐步走入人們的日常生活中，比如利用生物信息學(xué)手段快速了解病毒的生物特征進行病毒檢測，利用二代測序技術(shù)分析預(yù)測疾病類型指導(dǎo)用藥，通過基因芯片預(yù)測疾病易感風(fēng)險（包括糖尿病發(fā)病風(fēng)險，酒精代謝能力預(yù)測）等，傳統(tǒng)的以疾病為導(dǎo)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(xué)生，學(xué)會以大數(shù)據(jù)的思維來了解生物醫(yī)學(xué)的具體范疇與應(yīng)用，學(xué)會利用學(xué)科交叉的思路來解決日常生活中的生物醫(yī)學(xué)問題，在通識課程的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)與時俱進的素質(zhì)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2計算生物學(xué)類通識課程設(shè)計

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

2.1課程內(nèi)容

課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)緊密圍繞計算科學(xué)與生命科學(xué)的結(jié)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(chǔ)生命科學(xué)知識介紹和相應(yīng)計算方法的應(yīng)用。（1）遺傳。該模塊首先重點介紹生命的化學(xué)組成，包括組成細胞的重要糖類、脂類、蛋白質(zhì)及核酸的基本結(jié)構(gòu)與功能。其次對基因的遺傳定律進行介紹，使學(xué)生了解分子遺傳的基本規(guī)律。在該模塊對應(yīng)的計算部分，介紹二代測序技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(xué)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(xué)生的愛國情懷。引入大分子蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬的計算工具，并通過對國際蛋白結(jié)構(gòu)計算模擬比賽的介紹，使學(xué)生了解最新的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測進展。（2）發(fā)育。該模塊的內(nèi)容按照從微觀到宏觀，從分子到動物的順序安排教學(xué)內(nèi)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(yīng)用，動物克隆的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點。相對應(yīng)的，本模塊介紹的對應(yīng)計算內(nèi)容包括，生物信息工具預(yù)測發(fā)育相關(guān)的目標(biāo)基因，如何利用計算方法對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路進行富集分析從而得到關(guān)鍵通路。對于干細胞相關(guān)信息技術(shù)的成果，重點介紹我國的國家干細胞資源轉(zhuǎn)化庫及干細胞信息平臺，引導(dǎo)學(xué)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(xué)內(nèi)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(yīng)的計算科學(xué)內(nèi)容包括利用生物信息學(xué)工具（如MEGA、PHYLIP等）構(gòu)建系統(tǒng)進化樹，通過進化樹預(yù)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(gòu)建，以及微生物尤其是病毒之間進化關(guān)系的預(yù)測，讓學(xué)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(guān)系。（4）免疫與疾病。本部分內(nèi)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(xué)的應(yīng)用。介紹我國科學(xué)家與臨床醫(yī)生利用免疫信息學(xué)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(shè)計。同時，介紹轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳學(xué)相關(guān)高通量檢測產(chǎn)品在疾病的診斷及預(yù)后分析上的應(yīng)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(xué)生來自理工類及文科類各專業(yè)，因此在授課內(nèi)容及課程形式上應(yīng)注意各專業(yè)同學(xué)的接受度與結(jié)合點。同時，在課程形式上應(yīng)更加注意結(jié)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(nèi)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(xué)問題，通過生物學(xué)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(xué)問題。以遺傳模塊為例，將中國科學(xué)家利用DNA檢測技術(shù)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(xué)生的興趣，提出一系列的科學(xué)問題，比如，為了研究一個家族的起源及其后代分支，應(yīng)當(dāng)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(shù)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(xué)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(nèi)容的講授。2．2．2社會熱點問題討論會。當(dāng)今時代是一個信息爆炸的時代，關(guān)于社會熱點問題不能刻意避之不談，需要在討論中引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的保護生命、敬畏生命的價值觀和道德觀，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生參與到課程中，設(shè)立專題討論會，每次針對一個大家感興趣的時事生命科學(xué)問題，各專業(yè)同學(xué)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(xué)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(shè)立類似的問題，引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)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(xué)生主動發(fā)表自己的觀點，那么設(shè)置辯論賽的形式則更能激發(fā)學(xué)生的思辨熱情。對于既有有利方面又有明顯弊端的技術(shù)與方法，應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生自主分析兩種對立觀點之間的利害關(guān)系。這個環(huán)節(jié)的設(shè)置是為了避免課堂上完全由教師列出利弊對比，而學(xué)生缺乏自主地探索。設(shè)計辯論賽，需設(shè)置正反雙方，可設(shè)計的題目包括，克隆技術(shù)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(shè)置，鼓勵學(xué)生結(jié)合所學(xué)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(shù)與生物技術(shù)結(jié)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(shè)置的互動環(huán)節(jié)較為豐富，因此，相對應(yīng)的課程考核方式也應(yīng)該有別于傳統(tǒng)的考試形式。在教學(xué)管理方面充分利用信息化教學(xué)管理平臺[6]，如超星平臺、雨課堂等，實現(xiàn)學(xué)生與教師線上線下的混合式教學(xué)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(jié)（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(xué)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(xué)生成為課堂的主體，變課堂為思維碰撞的平臺。

3結(jié)語

本文圍繞計算生物學(xué)類通識課程提出課程設(shè)計，在大數(shù)據(jù)時代下，將信息與計算技術(shù)與生物學(xué)知識進行交叉結(jié)合，是現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展的必然趨勢，了解計算生物學(xué)的實際應(yīng)用，是當(dāng)代大學(xué)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(xué)類通識課程的設(shè)置，側(cè)重學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力，引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)科交叉創(chuàng)新的思維，能夠?qū)Ρ究仆ㄗR教育起到推動作用。

作者:邱景璇 裘天頤 單位:上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 上海市公共衛(wèi)生臨床中心