李彭平　胡杰　呂颯麗　汪強(qiáng)虎

摘要：生物信息學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，生物醫(yī)學(xué)與數(shù)理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而形成的新興前沿交叉學(xué)科。運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)中有著廣泛應(yīng)用，可為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究提供指導(dǎo)。文章結(jié)合生物信息學(xué)專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)于如何提高運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的生物信息學(xué)人才，探討了運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)中的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法和手段。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);運(yùn)籌學(xué);教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0250-02

一、前言

生物信息學(xué)是隨著人類基因組計(jì)劃的完成而興起的一門(mén)前沿交叉學(xué)科，在采集、處理、分析各種生物學(xué)數(shù)據(jù)如蛋白質(zhì)組、代謝組、基因組、轉(zhuǎn)錄組所包含的重大生物學(xué)意義方面起著重要作用。運(yùn)籌學(xué)是一門(mén)廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、工程技術(shù)生產(chǎn)實(shí)踐、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及現(xiàn)代化管理的學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。運(yùn)籌學(xué)中很多方法已被廣泛地運(yùn)用到生物信息學(xué)中，比如基于凸規(guī)劃問(wèn)題的支持向量機(jī)用于疾病診斷和分類;基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的局部比對(duì)和全局比對(duì)算法被廣泛應(yīng)用于DNA和蛋白質(zhì)序列的比對(duì);基于圖的最短路徑算法則可被用于對(duì)生物網(wǎng)絡(luò)的分析研究等。因此，運(yùn)籌學(xué)被列為生物信息學(xué)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。然而目前相關(guān)教材大多是為經(jīng)濟(jì)管理學(xué)編寫(xiě)，很少有專門(mén)從生物信息學(xué)角度出發(fā)編寫(xiě)的運(yùn)籌學(xué)教材，這樣書(shū)中的例題也都是以管理和經(jīng)濟(jì)類為基礎(chǔ)。因此，本文針對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)的特色，探討了運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核形式，這將有助于提高運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)質(zhì)量，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新和實(shí)踐能力的生物信息學(xué)人才。

二、根據(jù)專業(yè)的需要確定教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容

生物信息學(xué)是在現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，生物醫(yī)學(xué)與數(shù)理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而形成的新興前沿交叉學(xué)科，主要研究如何對(duì)海量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、加工、存儲(chǔ)和分析，進(jìn)而理解和闡明海量數(shù)據(jù)中所包含的重大生物學(xué)意義和醫(yī)學(xué)價(jià)值。生物信息學(xué)在現(xiàn)代生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中發(fā)揮著日益關(guān)鍵的作用，已成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科發(fā)展的重要支撐學(xué)科。生物信息學(xué)旨在培養(yǎng)具有良好職業(yè)素質(zhì)，掌握生物信息學(xué)的基礎(chǔ)理論和科學(xué)方法，富有創(chuàng)新精神，能夠從事生物信息學(xué)教學(xué)、科研、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及科技開(kāi)發(fā)等相關(guān)工作的專門(mén)人才。

運(yùn)籌學(xué)通過(guò)提出問(wèn)題、建立模型、理解算法、對(duì)模型進(jìn)行求解、對(duì)解進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，最終得到解決問(wèn)題的最優(yōu)化決策方案，這種最優(yōu)化思想和工作策略越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于生物信息學(xué)領(lǐng)域。因此該課程的目的是要在生物信息學(xué)和運(yùn)籌學(xué)之間架起一座橋梁，針對(duì)生命科學(xué)研究中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解決，從而為培養(yǎng)具備一定創(chuàng)新和科研潛力，具有綜合分析和解決問(wèn)題能力的生物信息學(xué)人才夯實(shí)基礎(chǔ)。

運(yùn)籌學(xué)分支很多，且各個(gè)分支自成體系，考慮到課時(shí)限制，必須對(duì)講解的內(nèi)容有所側(cè)重，因此結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，主要介紹線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和圖與網(wǎng)絡(luò)分析等基本內(nèi)容。在講解這些分支的基本概念、模型、建模和求解后，引入生物信息學(xué)相關(guān)實(shí)例，講解這些知識(shí)點(diǎn)在生物信息學(xué)專業(yè)中的具體應(yīng)用。

將運(yùn)籌學(xué)理論知識(shí)和生物信息學(xué)實(shí)例結(jié)合講解，并輔以實(shí)驗(yàn)課實(shí)現(xiàn)相關(guān)案例，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升教學(xué)質(zhì)量。

三、結(jié)合課程和專業(yè)特點(diǎn)確定教學(xué)方法和手段

在教學(xué)方法上，目前采用多媒體授課方式為主，實(shí)驗(yàn)課為輔的教學(xué)方式。在理論課講解中，授課前會(huì)簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)上一節(jié)課的內(nèi)容;在講解過(guò)程中，教師適當(dāng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，與學(xué)生互動(dòng)，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度，并據(jù)以調(diào)整講課節(jié)奏;課后布置適當(dāng)練習(xí)，進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，主要是設(shè)計(jì)專業(yè)相關(guān)的案例，讓學(xué)生用生物信息領(lǐng)域必須掌握的R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型的建立和求解，這樣既能鞏固理論課知識(shí)點(diǎn)，又能實(shí)踐運(yùn)籌學(xué)在信息科學(xué)和生命科學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用。在教學(xué)的具體實(shí)施中，我們采取以下教學(xué)方法。

1.交叉知識(shí)點(diǎn)自學(xué)。由于運(yùn)籌學(xué)具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，依賴于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的線性代數(shù)課程，和學(xué)生必須知道而在之前的學(xué)習(xí)中未接觸的知識(shí)點(diǎn)。因此，在授課之前，教師可這些知識(shí)點(diǎn)列成清單，讓學(xué)生去復(fù)習(xí)線性代數(shù)相關(guān)知識(shí)，并自學(xué)之前未接觸到的知識(shí)點(diǎn)。從前三屆學(xué)生的教學(xué)反饋來(lái)看，大部分學(xué)生都能通過(guò)自學(xué)理解這些基礎(chǔ)知識(shí)。

2.基于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題的能力。在生物信息學(xué)教學(xué)中，計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)是必不可少的環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，用生物信息領(lǐng)域必須掌握的R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型的建立和求解等計(jì)算分析過(guò)程，進(jìn)一步提高了學(xué)生對(duì)理論課內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。

3.學(xué)生分組討論。為了充分發(fā)揮學(xué)生的主體性、積極性和參與性，在授課過(guò)程中，教師將針對(duì)運(yùn)籌學(xué)的每一個(gè)分支，提出一個(gè)與專業(yè)相關(guān)的案例，將學(xué)生分組，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成案例。通過(guò)查閱資料、整理數(shù)據(jù)、制作PPT、再上臺(tái)講解案例，并由其他同學(xué)質(zhì)疑和點(diǎn)評(píng)的方式，提高每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。分組討論的模式，可以充分開(kāi)拓學(xué)生思維，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)的生物信息學(xué)人才打好基礎(chǔ)。

四、利用網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)闊學(xué)生視野

同時(shí)，生物信息學(xué)具有前瞻性的特點(diǎn)，這就要求授課教師在明確專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，探討如何將現(xiàn)有的相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)內(nèi)容，并逐步形成科學(xué)的專業(yè)教材體系。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)搜索運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)中的高質(zhì)量研究論文，把論文內(nèi)容作為專業(yè)課內(nèi)容的擴(kuò)展及應(yīng)用部分，這樣集理論和應(yīng)用于一體的教學(xué)內(nèi)容，既可以適當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，從而提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。這也是教學(xué)科研一體化思想的具體體現(xiàn)，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)的生物信息學(xué)人才。

五、多種平臺(tái)聽(tīng)取學(xué)生反饋

為了及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，我們會(huì)通過(guò)課后作業(yè)、學(xué)校教學(xué)門(mén)戶網(wǎng)站、微信和郵件等多種渠道與學(xué)生溝通。隨時(shí)了解學(xué)生的思想動(dòng)態(tài)和學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并根據(jù)這些反饋信息，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方案和進(jìn)度，使教學(xué)目的得到真正的實(shí)現(xiàn)，并為后期運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

六、多種考核方式并存

考核方面，不再僅僅依照傳統(tǒng)的試卷考試形式，還將引入其他評(píng)價(jià)方式，如課堂討論、案例匯報(bào)、平時(shí)作業(yè)和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)。其中卷面內(nèi)容反映學(xué)生對(duì)課程基本理論、重點(diǎn)、難點(diǎn)的掌握情況;課堂討論考察學(xué)生的積極性;案例匯報(bào)重點(diǎn)考察學(xué)生的探索能力、創(chuàng)新能力和表述能力;計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生運(yùn)用R語(yǔ)言解決實(shí)際問(wèn)題的能力。多種考核方式并存，有利于全面衡量學(xué)生對(duì)運(yùn)籌學(xué)課程知識(shí)的掌握和綜合實(shí)踐能力。

七、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)籌學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)，不斷探索適合生物信息學(xué)專業(yè)的教學(xué)方法，提高學(xué)生分析和處理實(shí)際問(wèn)題的能力，以培養(yǎng)適應(yīng)信息技術(shù)、生物醫(yī)藥科技發(fā)展與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，熟練應(yīng)用信息技術(shù)解決生物醫(yī)藥問(wèn)題的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勇.運(yùn)籌學(xué)課程的實(shí)踐式教學(xué)探索研究[J].課程教育研究.2016（36）.

[2]陸家發(fā)，張國(guó)明，陳安琪.基于深度學(xué)習(xí)的疾病診斷[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志，2017，4：39-43.

[3]史歡歡.復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)最短路徑計(jì)算問(wèn)題[D].蘭州大學(xué)，2016.

Exploration of Operations Research Teaching in Bioinformatics

LI Peng-ping，HU Jie，LV Sa-li，WANG Qiang-hu

（School of Biomedical Engineering and Informatics，Nanjing Medical University，Nanjing Medical University，Nanjing，Jiangsu 211166，China）

Abstract：Bioinformatics combines biology，computer science，information engineering，mathematics and statistics to analyze and interpret biological data.Operations research is widely used in bioinformatics，providing theoretical knowledge and methods for students to major courses learning in the future.Considering of the characteristics of bioinformatics，the paper discusses the teaching purpose，contents and methods of operations research teaching in bioinformatics to improve the quality of teaching and cultivate innovative bioinformatics talents.

Key words：bioinformatics;Operations Research;teaching method

收稿日期：2019-05-17

基金項(xiàng)目：中華醫(yī)學(xué)會(huì)“現(xiàn)代生物信息學(xué)教學(xué)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐”項(xiàng)目（2016B-FF057）;南京醫(yī)科大學(xué)“十三五”教育研究課題“生物信息學(xué)專業(yè)程序設(shè)計(jì)類課程建設(shè)的研究”項(xiàng)目（YB2017024）;江蘇省研究生教學(xué)改革課題“面向醫(yī)學(xué)專業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐”（JGZZ19_052）;南京醫(yī)科大學(xué)教學(xué)研究課題“面向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)的生物信息學(xué)復(fù)合型人才培養(yǎng)體系研究與應(yīng)用”

作者簡(jiǎn)介：李彭平（1985-），女，安徽安慶人，博士，南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院講師，研究方向?yàn)槟[瘤免疫微環(huán)境。