馬文濤

摘要：生物信息學(xué)的產(chǎn)生標(biāo)志著生物學(xué)研究模式的變革，其本科課程的建設(shè)倍受關(guān)注。目前，生物信息學(xué)課程建設(shè)的主流思想是注重實(shí)踐，引入諸如案例式教學(xué)、問題式教學(xué)或任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)等新型教學(xué)模式。然而，生物信息學(xué)作為一個(gè)學(xué)科本身，具有強(qiáng)烈的理論內(nèi)涵和普遍規(guī)律。本文強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)課堂在傳授這些知識(shí)方面的不可替代作用，并舉例說(shuō)明了其中應(yīng)講授的基本思想和基礎(chǔ)概念。最后，這里提出，注重理論和簡(jiǎn)單實(shí)踐的導(dǎo)論性課程和注重實(shí)踐的新型課程應(yīng)分開建設(shè)，并同樣重視。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)授課方式；理論聯(lián)系實(shí)踐；大學(xué)教學(xué)；跨學(xué)科課程

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）40-0122-03

一、生物信息學(xué)：從科學(xué)到教學(xué)

生物信息學(xué)是一個(gè)生物學(xué)和數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉而形成的新興學(xué)科。現(xiàn)在人們一般認(rèn)為其英文說(shuō)法“bioinformatics”是由時(shí)任弗羅里達(dá)州立大學(xué)超算中心基因與生物物理組主任的林華安（H.A.Lim）博士在1987年首創(chuàng)，從此標(biāo)志該學(xué)科的誕生；不過(guò)，也有人指出，早在1968年，已經(jīng)有教材采用相關(guān)概念[1]。無(wú)論如何，生物信息學(xué)仍是一個(gè)比較新的學(xué)科，它隨人類及其他生物基因組計(jì)劃的進(jìn)行而蓬勃發(fā)展，研究范圍逐漸擴(kuò)展到整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域?，F(xiàn)在，生物信息學(xué)是生物學(xué)研究模式革命的標(biāo)志，正如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者吉爾伯特（W.Gilbert）所言：“基于全部基因都將知曉并以電子技術(shù)可操作的方式駐留在數(shù)據(jù)庫(kù)中，新的生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是理論的。科學(xué)家將從理論推測(cè)出發(fā)，再返回到實(shí)驗(yàn)中去，追蹤或驗(yàn)證這些理論假設(shè)。……生物學(xué)家不僅必須成為計(jì)算機(jī)學(xué)者，而且也要改變他們研究生命現(xiàn)象的途徑”[2]。順應(yīng)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，生物信息學(xué)的大學(xué)教育也迅速開展。在美國(guó)，最早于1990s中期即開始培養(yǎng)相關(guān)的博士和碩士。目前幾乎每所美國(guó)和歐洲綜合性大學(xué)均開設(shè)生物信息學(xué)課程?，F(xiàn)在，我國(guó)各高等院校也逐漸和國(guó)際接軌——一般來(lái)說(shuō)，有著生物學(xué)或生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)校都在努力建設(shè)生物信息學(xué)課程。然而，生物信息學(xué)非常特殊，其課程建設(shè)并不容易。首先，它是一門跨專業(yè)學(xué)科，僅有生物學(xué)背景遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)方面的背景；但傳統(tǒng)上，生物專業(yè)的學(xué)生在這方面的基礎(chǔ)課程力度不夠。其次，由于涉及到生命科學(xué)領(lǐng)域的方方面面，它的內(nèi)容跨度很大，比如，從“序列比對(duì)分析”到“分子進(jìn)化分析”，再到“分子結(jié)構(gòu)分析”，其中涉及到的生物學(xué)知識(shí)和算法知識(shí)都很不相同；其結(jié)果是，計(jì)劃的課時(shí)往往難以覆蓋。然后，它的理論和實(shí)踐內(nèi)容都很重要，但側(cè)重點(diǎn)上卻有很大的不同，難以緊密結(jié)合。

目前，解決這些矛盾的一個(gè)普遍采用的辦法就是“放棄”理論，專注于實(shí)踐。的確，不少關(guān)于生物信息學(xué)的教學(xué)改革的思路就是如此，即所謂“案例式教學(xué)（Case-based Learning）”、“問題式教學(xué)（Problem-based Learning）”和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)（Task-based learning）”等等[3-5]。如此，理論和實(shí)踐相結(jié)合的問題當(dāng)然沒有了；計(jì)劃的課時(shí)也因?yàn)閷?duì)理論方面的放棄而足夠了；甚至，計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)方面的基礎(chǔ)似乎也不那么重要了——只要會(huì)查數(shù)據(jù)庫(kù)以及會(huì)用軟件來(lái)“解決”實(shí)際問題就行了，最多用數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的腳本語(yǔ)言（如Perl或Python等）寫寫小程序就已經(jīng)是“小專家”了。然而，這樣培養(yǎng)出來(lái)的“人才”能配得上生物信息學(xué)這個(gè)改變生物學(xué)面貌的革命性學(xué)科嗎？顯然不是，這個(gè)問題需要引起足夠重視。我們?cè)诟叩冉逃恼n程建設(shè)上仍然需要注重學(xué)科的基本理論思想和基礎(chǔ)概念的傳授，才不至于流于“實(shí)用主義”，才能為我國(guó)培養(yǎng)具有“學(xué)科高度”的相關(guān)人才。下面，筆者結(jié)合本校生物信息學(xué)本科教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)來(lái)談生物信息學(xué)理論教學(xué)需要注重的三個(gè)方面的內(nèi)容，而這些方面顯然是傳統(tǒng)課堂形式中的傳授內(nèi)容，將使生物信息學(xué)的魅力展現(xiàn)無(wú)疑。

二、生物信息學(xué)的內(nèi)容特色：生命的信息內(nèi)涵

正因?yàn)槭切屡d學(xué)科，生物信息學(xué)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，幾乎每一本相關(guān)教材中都有自己的定義。根據(jù)一個(gè)較權(quán)威的來(lái)源——人類基因組計(jì)劃第一個(gè)五年總結(jié)報(bào)告（1995，美國(guó)）中的提法：生物信息學(xué)是利用信息技術(shù)對(duì)生物信息進(jìn)行獲取、儲(chǔ)存、分發(fā)（查詢）和分析，以解釋這些信息數(shù)據(jù)所蘊(yùn)涵的生物學(xué)意義的學(xué)科。從這個(gè)定義中，我們可以看出兩個(gè)和信息有關(guān)的關(guān)鍵詞：“信息技術(shù)”和“生物信息”。其中，第一個(gè)代表本學(xué)科用到的方法，在一般的教材和課堂教學(xué)中都會(huì)充分強(qiáng)調(diào)。然而，對(duì)于第二個(gè)，“生物信息”，也即本學(xué)科研究的內(nèi)容（對(duì)象），我們往往在講解中不夠重視——似乎大家都清楚：想想那些基因序列和蛋白質(zhì)序列就知道了。不過(guò)，大家真的清楚嗎？這些信息是怎么來(lái)的？為什么信息對(duì)于生命這么重要？為什么“生物信息學(xué)”現(xiàn)在這么熱門，卻沒有相應(yīng)的“物理信息學(xué)”和“化學(xué)信息學(xué)”等等？這些正是涉及到“生物信息學(xué)”作為一個(gè)學(xué)科的基本問題。大家都知道，化學(xué)對(duì)于生物學(xué)十分重要，生物專業(yè)的學(xué)生要學(xué)習(xí)很多化學(xué)方面的課程。如果有人說(shuō)：“化學(xué)對(duì)于生物學(xué)不僅僅是一種方法，生命現(xiàn)象植根于化學(xué)的規(guī)律之上”，我們都不會(huì)有太多異議。然而，如果說(shuō)：“信息學(xué)對(duì)于生物學(xué)不僅僅是一種方法，生命現(xiàn)象植根于信息學(xué)的規(guī)律之上”，很多人就會(huì)疑惑了。但這個(gè)卻是事實(shí)，生命世界里的各種現(xiàn)象和信息緊密相關(guān)。比如，遺傳是信息的代代相傳，而進(jìn)化是信息的演化。信息論的鼻祖申農(nóng)（C.E.Shannon）指出，信息的產(chǎn)生來(lái)源于選擇（“不確定性的消除”）；而顯然，進(jìn)化中產(chǎn)生的基因組信息就源于“自然選擇”[6]。一個(gè)更加顯見的例子是，分子生物學(xué)中的中心法則就是一個(gè)信息傳遞和轉(zhuǎn)化的流程，昭示著“生命的核心機(jī)制就建立在信息的流轉(zhuǎn)之上”。那么，如果說(shuō)化學(xué)代表著生物學(xué)的一面，則信息學(xué)就代表著它的另一面。所以，我們?cè)谡n堂上講清楚“生命的信息內(nèi)涵”十分重要，將使學(xué)生理解到生物信息學(xué)的根本意義。

三、生物信息學(xué)的研究方式：算法思想的意義

算法，通俗來(lái)說(shuō)就是計(jì)算的方法。計(jì)算機(jī)的基本工作原理就是基于計(jì)算的，因此，如何進(jìn)行計(jì)算對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)就至關(guān)重要，關(guān)系到它能否完成我們希望它完成的任務(wù)。對(duì)于生物信息學(xué)來(lái)說(shuō)，算法其實(shí)就是其分析問題的方式和解決問題的途徑。顯然，這又是一個(gè)生物信息學(xué)理論課堂必須強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。在課堂上，首先，我們要講解算法相關(guān)的基本概念，強(qiáng)調(diào)其嚴(yán)格的“步驟性”和面向“任務(wù)”的特性。其次，需要講解算法的最重要特性：正確性、時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度、并行可能性及其可實(shí)現(xiàn)性（變成代碼的難度）等等。然后，可以介紹一些經(jīng)典的算法思想，如貪婪算法、窮舉算法等等。當(dāng)然，這些基本知識(shí)的傳授對(duì)學(xué)生理解生物信息學(xué)的工作方式是很有意義的。比如，經(jīng)典序列比對(duì)搜索工具Blast，對(duì)時(shí)效要求非常高，一方面是因?yàn)槠渌阉鞯臄?shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模巨大，另一方面是因?yàn)閬?lái)自全世界的網(wǎng)上訪問。所以，在講Blast算法的時(shí)候，我們要讓學(xué)生理解它是如何實(shí)現(xiàn)它的高效率的，其中就涉及到其對(duì)時(shí)間復(fù)雜度的降低以及貪婪算法思想的應(yīng)用等。再如，在講分子進(jìn)化分析時(shí)，如果介紹“最大似然法”的算法，我們就可以向?qū)W生講解其窮舉算法的思想。生物信息學(xué)課講算法，決不僅僅是傳授不同問題的具體解決方法，更重要地是讓學(xué)生體會(huì)生物信息學(xué)的工作方式。生物專業(yè)的學(xué)生通過(guò)這些內(nèi)容可以知道：“原來(lái)，生物學(xué)研究還可以這樣進(jìn)行”；而數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生會(huì)很興奮地發(fā)現(xiàn)，原來(lái)他們所學(xué)到的知識(shí)和技能可以如此地應(yīng)用于解決生物學(xué)問題。這些內(nèi)容極可能觸發(fā)這些學(xué)生的興趣，讓他們進(jìn)入生物信息學(xué)的殿堂，成為具有“學(xué)科”高度和眼界的相關(guān)人才。這樣才能使我國(guó)在生物信息學(xué)領(lǐng)域也可能有思想和理論的原創(chuàng)性，而不只是世界先進(jìn)思想的跟隨者或?qū)嵺`者。

四、生物信息學(xué)應(yīng)用軟件的利用：研究結(jié)果的評(píng)估

當(dāng)然，很多生物背景的學(xué)生并不會(huì)真正進(jìn)入生物信息學(xué)領(lǐng)域。他們關(guān)心的只是怎么樣利用生物數(shù)據(jù)庫(kù)，以及怎樣運(yùn)用別人開發(fā)好的軟件工具進(jìn)行自己的研究。那么，傳統(tǒng)課堂的理論講授能不能在這方面也起到作用呢？

答案是肯定的。也許數(shù)據(jù)庫(kù)查詢方面的結(jié)果差異并不會(huì)很多，然而，用不同的軟件，即使針對(duì)同樣的問題并利用同樣的數(shù)據(jù)，也往往得到不同的結(jié)果。有的時(shí)候，這些結(jié)果的區(qū)別還很大。那么，如何評(píng)估這些結(jié)果對(duì)于我們得出有效結(jié)論就至關(guān)重要。比如，在構(gòu)建進(jìn)化樹的時(shí)候，各種構(gòu)樹方法可能得到不同的結(jié)果，我們要說(shuō)明：各種方法的假設(shè)，它們對(duì)其假設(shè)的敏感性（即如違背假設(shè)，結(jié)果會(huì)不會(huì)錯(cuò)得離譜），它們的統(tǒng)計(jì)特性（如估計(jì)一致性：樣本數(shù)據(jù)增加時(shí)，是否能傾向正確的樹），以及實(shí)踐過(guò)程中它們的一般表現(xiàn)如何（即符合實(shí)際情況程度的評(píng)價(jià)）等等?？偟膩?lái)說(shuō)，我們的策略應(yīng)該是，各種方法都用——如果結(jié)果很相似，則此結(jié)果的可信度很高；如果結(jié)果明顯不同，就需要考慮上述有關(guān)假設(shè)、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及符合程度等方面的評(píng)價(jià)。再如，在講解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的內(nèi)容，我們可以介紹兩年一屆的世界范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)競(jìng)賽：“CASP（Critical Assessment of Structure Prediction）”。各個(gè)參賽軟件的結(jié)果都不同，甚至可能相差甚遠(yuǎn)；從而讓學(xué)生深刻地體會(huì)到，不同工具分析得到的結(jié)果不同是生物信息學(xué)研究領(lǐng)域的常態(tài)。的確，站在科學(xué)的高度，從研究方法上去評(píng)價(jià)生物信息學(xué)分析的結(jié)果，并基于生物學(xué)的背景知識(shí)去探討這些結(jié)果的意義十分重要——絕對(duì)不是會(huì)用某個(gè)或某些個(gè)軟件，就是生物信息學(xué)的專家了。

五、完備的生物信息學(xué)課程體系：兼得理論和實(shí)踐之妙

生物信息學(xué)的發(fā)展日新月異，方法和內(nèi)容上的更新都非常迅速。我們的理論課堂上需要傳授的內(nèi)容一定要站在相當(dāng)?shù)母叨龋枰焉镄畔W(xué)中不變的東西提煉出來(lái)，讓學(xué)生去體會(huì)。上述三個(gè)方面，從生命的信息內(nèi)涵，到生物信息學(xué)的研究方式，再到生物信息學(xué)軟件工具的利用方式，無(wú)一不是經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的。當(dāng)然，這里強(qiáng)調(diào)生物信息學(xué)基本理論思想和基礎(chǔ)概念的重要性，并不是否定實(shí)踐對(duì)這門學(xué)科的重要性。相反，我們要告訴學(xué)生，生物信息學(xué)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，緊密聯(lián)系實(shí)踐，才能更深刻地體會(huì)和掌握它，才能在嶄新模式下的生物學(xué)研究中游刃有余。因此，一個(gè)好的方式是將生物信息學(xué)開成兩個(gè)課堂：傳統(tǒng)的講授課堂和新興的注重實(shí)踐的課堂。在傳統(tǒng)的講授課堂中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)上述的基本理論思想和基礎(chǔ)概念，講解基本的數(shù)據(jù)庫(kù)和通用的應(yīng)用軟件工具的運(yùn)用；而在注重實(shí)踐的新型課堂下，我們可以采用案例式教學(xué)、問題式教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)等方式。鑒于信息對(duì)生命科學(xué)的核心意義，建議前者開成必修課（可稱“生物信息學(xué)導(dǎo)論”，考慮到知識(shí)背景，應(yīng)開于分子生物學(xué)之后）。而實(shí)踐課應(yīng)該延后一學(xué)期，開成專業(yè)選修課（可稱為“生物信息學(xué)實(shí)踐”）。另外，由于一般來(lái)說(shuō)，高校的研究生生源有很大差異，而生物信息學(xué)對(duì)現(xiàn)代生物學(xué)研究至關(guān)重要，所以這兩門本科課應(yīng)該通開于研究生，記選修學(xué)分。總的來(lái)說(shuō)，這樣就“兼得理論和實(shí)踐之妙”——我們可以期待，采取這種模式的生物信息學(xué)大學(xué)教育將為我國(guó)培養(yǎng)既有科學(xué)眼界、又有實(shí)踐能力的生物信息學(xué)人才。

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