常 珊， 曾 玲， 萬 華

(1.江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，生物信息與醫(yī)藥工程研究所，江蘇 常州 213001；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

生物信息學(xué)高性能教學(xué)平臺的建立與實(shí)踐

常 珊1,2， 曾 玲2， 萬 華2

(1.江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，生物信息與醫(yī)藥工程研究所，江蘇 常州 213001；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642)

隨著生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速積累和增長，生物信息學(xué)成為生命科學(xué)研究型人才必須掌握的重要技能。從高性能計(jì)算和生物信息學(xué)的關(guān)系入手，簡述了生物信息學(xué)教學(xué)中采用高性能計(jì)算設(shè)備的必要性。根據(jù)農(nóng)業(yè)院校的具體情況，在生物信息學(xué)教學(xué)中建立了高性能計(jì)算平臺，幫助學(xué)生熟悉相關(guān)并行計(jì)算環(huán)境，更好地理解生物信息學(xué)重要的理論和算法。在課程安排上，理論課、實(shí)驗(yàn)課以及課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容圍繞生物信息學(xué)案例展開。基于Moodle教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行在線課程管理，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，提高了學(xué)生運(yùn)用高性能計(jì)算解決實(shí)際生物信息學(xué)問題的能力。

高性能計(jì)算； 案例教學(xué)； 生物信息

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，生物學(xué)研究的重點(diǎn)和潛在的研究熱點(diǎn)已經(jīng)由20世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)積累，轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)分析及其指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上來。隨著生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速積累和增長，生命科學(xué)的研究步入了大數(shù)據(jù)時代，計(jì)算分析方法以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為生命科學(xué)研究人員必備的工具，由此產(chǎn)生的生物信息學(xué)技術(shù)正推動著生命科學(xué)的迅猛發(fā)展。生物信息學(xué)所提供的研究工具對生物學(xué)發(fā)展至關(guān)重要，因此成為生命科學(xué)研究型人才必須掌握的重要技能[1]。

隨著生物學(xué)數(shù)據(jù)和計(jì)算復(fù)雜度的增加，生物信息學(xué)中越來越多的研究和問題需要用到高性能計(jì)算設(shè)備[2]。近年來，高性能計(jì)算技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國家命脈、百姓民生等方方面面，2013 年6月，國防科技大學(xué)等單位研制的“天河二號”問鼎全球最快超級計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著中國在超級計(jì)算機(jī)研制的自主可控方面又邁出了重要的一步。目前國內(nèi)多所高校和科研院所也紛紛開始采購大型的高性能計(jì)算集群。通過高性能計(jì)算集群，為校內(nèi)的教師、學(xué)生以及校外的科研工作者提供高質(zhì)量的計(jì)算服務(wù)，對學(xué)校科研和教學(xué)的發(fā)展都具有積極的作用[3-4]。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)屬于農(nóng)業(yè)院校，農(nóng)業(yè)院校有很多生命科學(xué)相關(guān)的專業(yè)。在農(nóng)業(yè)院校中開設(shè)生物信息學(xué)課程，將有助于培養(yǎng)生物學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，推進(jìn)生物信息學(xué)在農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在生物信息學(xué)教學(xué)特別是研究生的教學(xué)中嘗試進(jìn)行案例驅(qū)動教學(xué)，采用Moodle學(xué)習(xí)管理平臺進(jìn)行在線課程管理，讓不同專業(yè)的學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作解決問題，有利于學(xué)科交叉和協(xié)同創(chuàng)新。通過建立信息學(xué)院的高性能計(jì)算平臺，幫助學(xué)生熟悉相關(guān)計(jì)算環(huán)境，有針對性的培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)際問題的能力，同時通過并行計(jì)算的訓(xùn)練，也可以更好的了解生物信息學(xué)的一些理論和算法。

1 生物信息學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

生物信息學(xué)是生物學(xué)、物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息科學(xué)等多個學(xué)科交叉的課程，因此對師資的要求比較高。目前在農(nóng)業(yè)院校中開設(shè)生物信息學(xué)課程的教師，有些是從計(jì)算機(jī)或數(shù)學(xué)物理專業(yè)畢業(yè)，他們?nèi)狈ι飳W(xué)學(xué)習(xí)的經(jīng)歷；有些則是從生物學(xué)專業(yè)畢業(yè)，他們往往缺乏數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科的背景，需要補(bǔ)充一些理論方面的知識[5]。筆者曾在美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校(University of Missouri-Columbia)進(jìn)行了為期1年的學(xué)習(xí)訪問，發(fā)現(xiàn)國外的生物信息學(xué)課程的設(shè)置方式也有很多種類。有些學(xué)校由單一系科派生出生物信息學(xué)專業(yè)，這些系包括計(jì)算機(jī)系、生物系、物理系、統(tǒng)計(jì)系等。而以密蘇里大學(xué)為例，該校成立了跨系的研究中心或?qū)W院，其中的師資由各系的教授來兼任，教學(xué)非常注重學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同解決具體的生物信息學(xué)問題[1]。

近年來，國內(nèi)生物信息學(xué)研究也有了很大的進(jìn)步[6]，但多數(shù)高校尚未形成成熟的課程體系。很多學(xué)校雖然采用了多媒體教學(xué)，但仍然是“以課堂為中心，以教材為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生缺乏實(shí)際操作和科研能力的培養(yǎng)。隨著生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加，越來越多的生物信息學(xué)計(jì)算分析軟件都基于高性能平臺進(jìn)行了并行版本的開發(fā)，在實(shí)際研究工作中往往需要通過并行來提升計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算時間，因此，傳統(tǒng)的教學(xué)模式需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改革。為了提升教學(xué)效果，結(jié)合多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，對生物信息學(xué)的課程教學(xué)進(jìn)行了改良和實(shí)踐。

2 基于高性能計(jì)算平臺的教學(xué)實(shí)施

2.1 高性能計(jì)算平臺架構(gòu)方案

進(jìn)行生物信息學(xué)軟件的并行計(jì)算，首先需要搭建高性能計(jì)算平臺。對于不同的高校，可以根據(jù)學(xué)校具體情況，采用不同的策略，既可以購置專用的高性能設(shè)備，也可以將多臺普通電腦連接來組建并行計(jì)算平臺。在教學(xué)中采用專用的高性能服務(wù)器進(jìn)行平臺搭建，硬件方面，一臺I620服務(wù)器作為管理服務(wù)器，計(jì)算服務(wù)器則采用了2.6 GHz intel計(jì)算核心，共計(jì)6個CB60-G15刀片節(jié)點(diǎn)(2CPU-8 kernel)，計(jì)算核數(shù)達(dá)到96核，系統(tǒng)基于線速千兆以太網(wǎng)互聯(lián)，計(jì)算全部采用Infiniband高性能網(wǎng)絡(luò)。

圖1 高性能計(jì)算平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

軟件方面，選擇使用Rocks集群管理系統(tǒng)[7]。Rocks管理系統(tǒng)基于RedHat Linux，是開放源代碼的軟件包，而且該軟件包可以高效率地創(chuàng)建和維護(hù)高性能集群。同時為方便生物學(xué)研究和學(xué)習(xí)使用，系統(tǒng)也集成了大量的生物信息學(xué)相關(guān)軟件。見圖1，搭建好的高性能計(jì)算平臺由計(jì)算服務(wù)器和管理服務(wù)器兩個部分構(gòu)成。管理服務(wù)器和計(jì)算服務(wù)器通過交換機(jī)連接在一起。采用OpenSSH構(gòu)建SSH服務(wù)器，學(xué)生可以通過SSH客戶端軟件登錄到系統(tǒng)。

2.2 基于案例的教學(xué)課程設(shè)計(jì)

生物信息學(xué)課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，如果只采用理論講授的方法進(jìn)行教學(xué)，很容易使學(xué)習(xí)者陷入學(xué)不會，或者學(xué)了理論卻不知道有什么用的尷尬境地。針對這些情況，需要使用更貼近于實(shí)際的教學(xué)方式。生物專業(yè)的學(xué)生計(jì)算機(jī)能力普遍不高，組織起來在課堂上從頭開始學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)與并行算法顯然不合適，因此采用案例教學(xué)的方式，使學(xué)生能夠快速運(yùn)用知識來解決問題。案例教學(xué)法也叫案例研究教學(xué)法，是一種教師和學(xué)生共同參與，就某一具體案例進(jìn)行分析、探討、解決具體問題的教學(xué)方法。該方法注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對于實(shí)際問題的解決，將知識應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)創(chuàng)新思維以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。案例教學(xué)法已經(jīng)注意到學(xué)生對于知識獲取的主動性，生成性、創(chuàng)造性的作用，有著傳統(tǒng)教學(xué)方法所不具備的特殊功能[8]。在美國密蘇里大學(xué)進(jìn)行為期1年的學(xué)習(xí)訪問過程中，發(fā)現(xiàn)國外的生物信息學(xué)課程非常注重團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同解決具體問題，因此也有針對性地對生物信息學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改良。

在教學(xué)內(nèi)容安排上，生物信息學(xué)課程既有理論課又有實(shí)驗(yàn)課，理論課和實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容也圍繞案例展開。設(shè)置理論課32學(xué)時、實(shí)驗(yàn)課16學(xué)時，課程設(shè)計(jì)在課外完成實(shí)際案例，不占學(xué)時數(shù)。具體教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。理論課程注重講解案例涉及的算法原理，如序列比對算法，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測算法等。有了這些知識的積累后，學(xué)生對生物信息學(xué)理論有了一定的認(rèn)識。通過實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練，使學(xué)生熟悉Linux環(huán)境下的基本操作以及高性能計(jì)算任務(wù)提交等基本步驟和過程。在課程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了不同的案例，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和今后的研究方向，自由組織團(tuán)隊(duì)，選擇適合的案例進(jìn)行研究。如序列分析方面重點(diǎn)了解 Blast 科學(xué)計(jì)算軟件[9]，進(jìn)行基因的多序列比對和序列進(jìn)化分析；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方面重點(diǎn)了解蛋白質(zhì)折疊軟件Rossetta程序包[10]，通過一級序列預(yù)測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)；藥物設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)了解分子對接和虛擬藥物篩選，練習(xí)使用Autodock軟件[11]；多尺度分子模擬方面重點(diǎn)了解分子動力學(xué)模擬軟件NAMD[12]。這種理論與實(shí)踐相結(jié)合、將案例教學(xué)貫穿整門課程、以實(shí)踐和案例強(qiáng)化理論教學(xué)的模式取得了很好的教學(xué)效果。

表1 教學(xué)內(nèi)容安排

2.3 基于Moodle的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)踐

在教學(xué)實(shí)施過程中，采用了Moodle教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)課程管理。Moodle系統(tǒng)是教育技術(shù)領(lǐng)域的一個基于建構(gòu)主義的，自由開源課程管理系統(tǒng)，其界面簡單，易于使用，目前在我國各類學(xué)校被廣泛采用[13]。根據(jù)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在Moodle教學(xué)系統(tǒng)上創(chuàng)建了不同的學(xué)習(xí)案例。

為了更好地進(jìn)行案例教學(xué)，采用Moodle教學(xué)系統(tǒng)中的WebQuest模塊對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)學(xué)習(xí)。WebQuest是1995年由美國圣地亞哥州立大學(xué)教授伯尼·道奇博士和湯姆馬奇所創(chuàng)立的一種基于網(wǎng)絡(luò)資源的新型教學(xué)手段[14]，它更強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位。WebQuest的核心是采用案例驅(qū)動，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入一個富有趣味性的學(xué)習(xí)情景，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，完成自主探究式學(xué)習(xí)。以生物信息學(xué)課程中的藥物設(shè)計(jì)和篩選為例，在WebQuest模塊下要求學(xué)生對Autodock軟件進(jìn)行代碼分析，根據(jù)軟件的算法特點(diǎn)建議了3種并行任務(wù)的提交：包括方案一并行分子構(gòu)象局部搜索，方案二并行了傳統(tǒng)遺傳算法即全局搜索，方案三并行對接次數(shù)上。見圖2。

通過WebQuest模塊，引導(dǎo)學(xué)生從并行進(jìn)程數(shù)量的影響，不同輸入?yún)?shù)負(fù)載特征等多個角度對程序進(jìn)行了分析和比較[15]。見圖3。學(xué)生通過案例學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算方案一中，由于涉及并行的部分僅為分子構(gòu)象的局部搜索，程序的并行效率受局部搜索頻率的限制，因此，隨著計(jì)算進(jìn)程數(shù)的增加程序很快達(dá)到了并行性能的極限，繼續(xù)增加進(jìn)程，通信量增加明顯，而總時間沒有顯著的降低。方案二與方案一類似，由于僅并行了遺傳算法的能量計(jì)算，程序的并行效率受到種群數(shù)量的限制，因此，隨著進(jìn)程數(shù)的增加程序也很快達(dá)到了并行性能的極限，而且由于遺傳算法在計(jì)算中所占的比重不大，因此并行的效率表現(xiàn)得比方案二更低。方案三由于并行的是整體對接過程，進(jìn)程間通信量較少，因此當(dāng)進(jìn)程數(shù)少于對接次數(shù)時，能明顯的減少運(yùn)行時間，但當(dāng)進(jìn)程數(shù)量增加到超過對接次數(shù)時，運(yùn)行時間也不再減少。通過測試和分析，學(xué)生不僅學(xué)會了高性能環(huán)境下并行任務(wù)的提交，而且可以更好地理解計(jì)算機(jī)輔助藥物篩選軟件Autodock的算法原理。

圖2 采用WebQuest進(jìn)行任務(wù)設(shè)定

圖3 不同方案的加速比和并行效率

2.4 課外拓展

為了讓學(xué)生更好地體會高性能計(jì)算給生物信息學(xué)研究的幫助，還積極聯(lián)系相關(guān)的校外單位，包括廣州超算中心和深圳超算中心。廣州超算中心的“天河二號”是目前世界上最快的高性能計(jì)算系統(tǒng)，“天河二號”擁有16 000個運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，共312萬個計(jì)算核心。因?yàn)閺V州超算中心距離華南農(nóng)業(yè)大學(xué)比較近，且和課題組建立了較好的合作關(guān)系，課后可以帶學(xué)生參觀廣州超級計(jì)算中心?！疤旌佣枴毕到y(tǒng)要獲得良好的應(yīng)用，還需要大量專業(yè)人才，特別是既有專業(yè)知識又懂高性能計(jì)算的跨學(xué)科人才，因此可以通過參觀提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為學(xué)生后續(xù)的就業(yè)選擇做好準(zhǔn)備。

3 教學(xué)效果分析

針對高性能計(jì)算平臺，改進(jìn)了教學(xué)模式和教學(xué)方法，也取得了較好的教學(xué)效果。

(1) 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升。高性能平臺對很多學(xué)生而言是新鮮事物，而且通過多核并行計(jì)算可以大幅提升程序的運(yùn)行速度。通過學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)的調(diào)查反饋發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，對生物信息學(xué)研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，并愿意更多的在高性能計(jì)算平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。

(2) 提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識。采用高性能計(jì)算平臺提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但實(shí)驗(yàn)的學(xué)時相對較少，為了能夠在計(jì)劃時間內(nèi)完成項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生在課余時間也通過校園網(wǎng)登陸訪問高性能計(jì)算平臺進(jìn)行計(jì)算任務(wù)提交。因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)都是有一定難度的綜合性課題，在完成的過程中，書本上找不到現(xiàn)成的答案，在碰到難題時學(xué)生會主動的通過網(wǎng)絡(luò)上的技術(shù)論壇和其它各種途徑去尋找解決方法。很多生物信息軟件是國外課題組開發(fā)的，使用說明也是英文的，學(xué)生會逐步培養(yǎng)英文閱讀能力，并練習(xí)寫英文郵件進(jìn)行問題咨詢。因此通過訓(xùn)練，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識都得到了較大的提高，一些研究生還發(fā)表了相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文[16]。

(3) 團(tuán)隊(duì)協(xié)作和就業(yè)方向的指導(dǎo)。在完成課程設(shè)計(jì)的過程中，不同專業(yè)的學(xué)生組成一個小組，共同完成選擇的項(xiàng)目。在共同完成項(xiàng)目的過程中，學(xué)生之間不僅在專業(yè)上能夠互補(bǔ)，而且當(dāng)一個小組遇到難題時，其他小組的成員都會積極的給予幫助，團(tuán)隊(duì)意識和協(xié)作精神得到鍛煉。同時因?yàn)榻徊鎸W(xué)科的協(xié)作，小組的成員都會學(xué)習(xí)到對方專業(yè)的一些知識，綜合能力也得到了提升。既有專業(yè)知識又懂高性能計(jì)算的學(xué)生將會是今后非常搶手的綜合性人才，因此這些訓(xùn)練也為學(xué)生的就業(yè)提供了一些幫助。

4 結(jié) 語

生物信息學(xué)是一門綜合型學(xué)科，隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增長，越來越多的問題需要運(yùn)用高性能計(jì)算工具進(jìn)行解決，因此在生物信息學(xué)教學(xué)中需要針對高性能計(jì)算進(jìn)行訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作和科研能力。介紹了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院高性能計(jì)算平臺的構(gòu)建，并基于該平臺對生物信息學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐研究。在教學(xué)過程中，采用案例驅(qū)動教學(xué)法，理論課講解案例中的生物信息算法基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)課熟悉案例中軟件提交所需要的高性能計(jì)算環(huán)境。通過Moodle學(xué)習(xí)管理平臺進(jìn)行課程管理和案例驅(qū)動的課程設(shè)計(jì)，讓各專業(yè)的學(xué)生混合組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同完成各種實(shí)際生物信息學(xué)問題。經(jīng)過上述教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對生物信息學(xué)課程提高了興趣，培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，為后續(xù)科研工作的開展以及就業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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Construction and Practice of Teaching Platform of Bioinformatics High Performance

CHANGShan1,2,ZENGLing2,WANHua2

(1. Institute of Bioinformatics and Medical Engineering, School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China;2. College of Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

With the rapid increasing of the biologic experiment data, the bioinformatics becomes an important technology for the research personnel in the life science. This article elaborated on the relationship between the high performance computing and bioinformatics, and introduced the necessary of the high performance computing facilities in the teaching of bioinformatics. Based on the situation of agricultural university, the high performance computing platform was built in the teaching of bioinformatics. This platform can help the students to be familiar with the corresponding environment and understand the important theories and algorithms. In the course plans, the theory course, the experiment course and the curriculum design were implemented round the bioinformatics cases. On the basis of the Moodle teaching system, the online course was managed. These teaching practices developed the autonomic learning ability and team cooperation of students, and enhanced the abilities of students to resolve an actual bioinformatics problem by using the high performance computation.

high performance computation; case teaching; bioinformatics

2014-10-13

國家自然科學(xué)基金(31200990)；全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2012年度專項(xiàng)課題(126230657)；廣東省優(yōu)秀青年教師培育計(jì)劃項(xiàng)目(Yq2013027)；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(INFJG1009)

常 珊(1982-)，男，湖南岳陽人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镄畔W(xué)和高性能計(jì)算。

Tel.：13585336450，E-mail：schang@jsut.edu.cn

G 434；Q-331

A

1006-7167(2015)10-0152-05