陳前軍 劉杰 胡昀

[摘 要] 該文基于某省部共建的大學(xué)本科生物信息學(xué)的實驗教學(xué)建設(shè)與改革實踐，從實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、實驗教學(xué)平臺搭建、教學(xué)模式改革等方面進(jìn)行了研究與探索，并就一些難點問題提出思考和解決方案，以期為相關(guān)類似專業(yè)課程的實驗教學(xué)平臺建設(shè)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 云環(huán)境;實驗教學(xué);教學(xué)改革;生物信息學(xué);虛擬化

[基金項目] 云環(huán)境下高校計算機(jī)虛擬實驗的建設(shè)與實踐省級教學(xué)改革項目

[作者簡介] 陳前軍（1980—），男，博士，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生物催化與酶工程國家重點實驗室高級實驗師，主要從事生物信息學(xué)研

究;劉 杰（1981—），男，博士，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生物催化與酶工程國家重點實驗室教授，博士生導(dǎo)師，主要從事蜘蛛分類學(xué)研究;胡 昀（1983—），女，博士，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生物催化與酶工程國家重點實驗室實驗師，主要從事實驗管理研究。

[中圖分類號] G647? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0005-03? ? [收稿日期] 2019-12-24

生物信息學(xué)作為一門信息科學(xué)，是研究生物信息的采集、處理、存儲、傳播、分析和解釋等各方面的學(xué)科。該學(xué)科集生物科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)之大成，是當(dāng)下最為火熱專業(yè)之一，也注定是未來熱門、高產(chǎn)出的學(xué)科之一，是一個交叉性極強(qiáng)的學(xué)科。然而，生物信息學(xué)所需處理的數(shù)據(jù)具備明顯的大數(shù)據(jù)特征，其對數(shù)據(jù)存儲容量、計算能力和實驗環(huán)境要求極高，這給大學(xué)生物信息學(xué)實驗教學(xué)帶來了諸多挑戰(zhàn)。本文以生物信息學(xué)實驗教學(xué)在云環(huán)境下實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和平臺建設(shè)等相關(guān)問題為主題進(jìn)行探索與研究[1-2]。

一、生物信息學(xué)實驗教學(xué)課程特點分析

生物信息學(xué)是建立在基因/蛋白質(zhì)（本文以基因為例）序列文本研究基礎(chǔ)上，綜合利用多種數(shù)據(jù)分析方法挖掘海量數(shù)據(jù)中暗藏的生物學(xué)問題或規(guī)律的一門學(xué)科，歸納起來可將實驗過程劃分為樣本文庫建立、上機(jī)測序和數(shù)據(jù)處理分析三個階段。形象描述為生物組織是原料、序列是半成品、算法是工具、“知識”是預(yù)測結(jié)論，從這個“生產(chǎn)線”可知，生物與計算機(jī)實驗貫穿整個生產(chǎn)線全過程、全要素。

樣本文庫建立，通?？砂储傺芯磕繕?biāo)組織的制樣，通過特異的探針庫提取目標(biāo)DNA或RNA，②純化目標(biāo)DNA或RNA，③采用EmPCR或橋式PCR擴(kuò)增之后建立待測文庫。樣本庫建立過程是傳統(tǒng)的生化過程，一般生物學(xué)實驗室便可完成，但整個過程成本較高，如外顯子測序、RNA-Seq測序、ChIP-Seq測序都需要相應(yīng)的探針試劑來對細(xì)胞核中的DNA、RNA等目標(biāo)進(jìn)行篩選，這些試劑盒成本和操作的精準(zhǔn)性要求高、流程性強(qiáng)，且有些理論不夠直觀、晦澀難以理解[3]。

上機(jī)測序目的是獲取DNA或RNA的序列數(shù)據(jù)，測序儀器屬于高科技產(chǎn)品，目前市場價格比較昂貴。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)基本交由測序公司完成，如華大基因等科技公司，也就是說國內(nèi)高?；静痪邆溥@樣的實驗設(shè)備和條件。關(guān)于生物信息學(xué)中的測序技術(shù)只能講授理論部分，對學(xué)生來說是一個“黑盒子”過程。上機(jī)測序最終產(chǎn)生大量的測序數(shù)據(jù)，尤其NGS（Next Generation Sequencing），一次測序都能產(chǎn)生10GB、上百GB甚至達(dá)到TB級別的數(shù)據(jù)，這對數(shù)據(jù)的存儲、計算帶來了不小的挑戰(zhàn)，如Illumina的HighSeq2000一次測序便可產(chǎn)生200GB的有效數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)增長明顯加速，其增長規(guī)律已經(jīng)不符合摩爾定律。另外一方面上機(jī)測序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)明顯符合大數(shù)據(jù)的4V特征，如何借助新的技術(shù)和新的思想處理這些新的問題，成了比較現(xiàn)實的問題[4-6]。

數(shù)據(jù)分析作為生物信息學(xué)非常重要的組成部分，在生物信息學(xué)整個生態(tài)中占據(jù)著非常重要的位置。根據(jù)目前調(diào)研看，生物信息學(xué)相關(guān)軟件不下1000個，大部分運(yùn)行在Linux環(huán)境下，且對計算資源、內(nèi)存資源要求極高。對組裝40GB的序列數(shù)據(jù)，建議內(nèi)存不小于64GB，如序列合并組裝步驟，大部分都采用命令行來操作，甚至有些工具和數(shù)據(jù)必須采用在線模式，實驗過程需要訪問國際互聯(lián)網(wǎng)，也就是說即便一些實驗步驟都熟悉的情況下，如果網(wǎng)絡(luò)速度很慢或者國際互聯(lián)網(wǎng)不通，也能導(dǎo)致分析實驗失敗。這使得學(xué)生在驗證知識的正確性可能無法在實驗教學(xué)過程中完成，而對于更高層次的知識靈活應(yīng)用和創(chuàng)新就顯得不具現(xiàn)實性[7]。因而需要采用新的模式建立實驗平臺，滿足日益增長的本科生理論學(xué)習(xí)、實驗教學(xué)要求。

二、變換思路構(gòu)建新一代實驗室

（一）生物信息學(xué)實驗平臺構(gòu)建的困境

根據(jù)生物信息學(xué)實驗教學(xué)的目標(biāo)，以及前文分析的學(xué)科特征，在現(xiàn)有的軟、硬件條件下，很難再按照傳統(tǒng)的模式來設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容、搭建實驗教學(xué)平臺。

傳統(tǒng)實驗平臺建設(shè)，對于生物信息學(xué)實驗室建設(shè)必定圍繞三個方面展開，即建立傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗室，以完成樣品的制備過程;建立測序平臺，以完成上機(jī)測序動作;構(gòu)建大規(guī)模超算中心，以完成數(shù)據(jù)處理分析。作為本科教學(xué)，這些投入和產(chǎn)出比顯然難以接受、不切實際。

（二）學(xué)習(xí)模式革新

另一方面，學(xué)生學(xué)習(xí)的方式、知識獲取途徑發(fā)生著深刻的變化，互聯(lián)網(wǎng)思維日益廣泛地被學(xué)生所接受。學(xué)生更傾向于通過手機(jī)等移動產(chǎn)品通過類似于游戲的方式快速、隨時隨地獲取知識;以導(dǎo)航式、身臨其境的方式參與學(xué)習(xí)過程;并希望能夠根據(jù)自身特征接受個性教學(xué)，接受個性化定制教育[8]。

（三）虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》一文中，提出“雙萬工程”，加強(qiáng)一流本科建設(shè)，明確提出構(gòu)建“實驗金課”要求。實施意見中，指出通過虛擬仿真技術(shù)，搭建實驗教學(xué)平臺，通過線上、線下或混合模式的方式來完成實驗教學(xué)目標(biāo)[9]。

生物信息學(xué)課程實驗教學(xué)中，在樣品制備、上機(jī)測序等步驟完全符合虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用場景，具備構(gòu)建線上虛擬仿真實驗室的先天優(yōu)勢，如實驗耗材損耗大、過程重復(fù)率高、實驗流程性強(qiáng)、選項多等特征。這兩部分通過虛擬仿真技術(shù)，借助HTML5（Flash在2020年后將不被Chrome等瀏覽器所支持）、B/S、數(shù)據(jù)庫等一系列信息技術(shù)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)場景重現(xiàn)、流程定制、短視頻教學(xué)、智能問答、在線評測教學(xué)功能，必將成為一個順應(yīng)時代潮流、符合學(xué)科特征的較優(yōu)的實驗教學(xué)解決方案。

（四）云環(huán)境虛擬化實驗教學(xué)平臺應(yīng)用

生物信息學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理分析方面，也是本專業(yè)教學(xué)的落腳點，其教學(xué)的成功影響專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)前文分析，生物信息數(shù)據(jù)處理信息量大、計算要求高且繁雜，但作為本科實驗教學(xué)，不需做到面面俱到，因而在實驗內(nèi)容設(shè)計、軟件工具的選取、實驗平臺搭建方面存在一定獨(dú)特性。

1.實驗內(nèi)容設(shè)計。實驗內(nèi)容設(shè)計對于實驗教學(xué)也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，實驗內(nèi)容設(shè)計需綜合考慮所講授的課程對象、學(xué)科特征和實驗環(huán)境。目前生物信息學(xué)關(guān)于測序，研究的模式生物比較多，如人類基因組，而人類全基因組含有30億個堿基，也就是3Gb數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)規(guī)模對于本科實驗教學(xué)并不合適;另外一個模式生物，如大腸桿菌，它只有470萬個堿基，也就是4.7Mb，這個基因數(shù)量只是人類基因的1/638，在NCBI上有大量的SRA短片測序數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析來看，大腸桿菌對于數(shù)據(jù)模擬、分析，耗費(fèi)的計算和存儲資源比人類基因小，因而作為本科教學(xué)是合適的實驗對象，適合在虛擬環(huán)境下完成的計算任務(wù)。

2.工具集的集成是實驗流程梳理。目前生物信息學(xué)軟件不下1000種，而且有很多軟件功能類似，這要求實驗設(shè)計和系統(tǒng)集成密切配合，負(fù)責(zé)教學(xué)的教師積極參與實驗設(shè)計，過濾、歸納實驗教學(xué)中用到的軟件，并研究設(shè)計實驗完整流程和步驟。如RNA-seq數(shù)據(jù)分析，需考慮是否需要進(jìn)行序列組裝，是有指導(dǎo)組裝還是獨(dú)立組裝等問題;如何進(jìn)行序列比對，比對結(jié)果數(shù)據(jù)如何閱讀、如何分析;甚至是否需要引進(jìn)AI技術(shù)等等。表1所示，列舉部分常用軟件：

3.虛擬化實驗室的發(fā)布。生物信息學(xué)虛擬化在線實驗平臺最后一個問題就是實驗環(huán)境發(fā)布問題。通過分析，不管采用何種技術(shù)，目前最終給學(xué)生看到的人機(jī)界面可歸納為三個層次，即應(yīng)用級別的虛擬化、容器級別虛擬化和操作系統(tǒng)級別虛擬化。應(yīng)用級別虛擬化如虛擬仿真，即為一個軟件模擬實驗環(huán)境，但實際并沒有調(diào)用相關(guān)的軟件進(jìn)行實際計算、分析;容器級別虛擬化，如Docker，即在Docker模式下運(yùn)行生物信息學(xué)軟件，可以形象認(rèn)為是瘦虛擬化。操作系統(tǒng)級別虛擬化，即基于VMware等虛擬化平臺搭建的虛擬化，可直接提供Linux等實驗環(huán)境，并在此實驗環(huán)境下搭建生物信息學(xué)真實的計算平臺，以滿足教學(xué)要求，可以形象地認(rèn)為是胖虛擬化。生物信息學(xué)很多實驗、實驗數(shù)據(jù)存在上下文關(guān)系，采用Docker對于學(xué)生綜合分析能力的培養(yǎng)不是最優(yōu)解決方案，采用直接VMware級別的虛擬化能夠讓學(xué)生直接接觸真實生產(chǎn)環(huán)境，且可以通過擴(kuò)展虛擬化資源無縫將教學(xué)實驗環(huán)境遷移到科研實驗環(huán)境，但缺點明顯，如在性能、資源難以支撐科研實驗。如圖1、圖2所示，胖虛擬化實驗環(huán)境下實驗平臺軟件運(yùn)行情況：

采用胖虛擬化模式，需要優(yōu)化虛擬化實驗室對學(xué)生提供服務(wù)的途徑和方式。當(dāng)下主流是基于Web的虛擬化管理模式，也是容易被學(xué)生接受的模式。經(jīng)過調(diào)查和研究，采用B/S的模式，按照學(xué)生需求預(yù)設(shè)多套虛擬化實驗室虛擬機(jī)模板。根據(jù)課程設(shè)計和教學(xué)方案，可以提供學(xué)生申請資源、下載虛擬化鏡像、管理虛擬化主機(jī)需求，并且可以錯峰提供虛擬化計算服務(wù)[ 10 ]。

三、總結(jié)和展望

生物信息學(xué)是一個新型的信息學(xué)科，截至到2018年全國開設(shè)該專業(yè)的學(xué)校只有24所，開設(shè)該專業(yè)的學(xué)校分布在理、農(nóng)、林、牧、醫(yī)等類型學(xué)校。從現(xiàn)狀看，課程建設(shè)還處在建設(shè)起步和上升期。筆者所在的學(xué)校開設(shè)該專業(yè)三年，但根據(jù)課程合理性需求，期間已修改過一次培養(yǎng)方案，實驗教學(xué)中還存在諸多不確定因素，也無可參照的成熟模式。本文通過生物信息課程特征分析入手，剖析傳統(tǒng)實驗教學(xué)所存在的問題，提出借助虛擬化技術(shù)的解決思路，重點研究胖環(huán)境下的實驗虛擬化思路，并得到初步的驗證。也以此拋磚引玉，供大家探討，未來我們也將進(jìn)一步拓展相關(guān)的改革思路、解決實驗教學(xué)中存在的問題。

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[10]Serdar Yegulalp，Serdar Yegulalp.VMware dresses up Docker for the enterprise[J].InfoWorld.com，2016.

Exploration and Practice of the Course Reform of Experimental Teaching of Bioinformatics in Cloud Environment

CHEN Qian-Jun，LIU Jie，HU Yun

（State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering，School of life Sciences，Hubei University，Wuhan，Hubei 430062，China）

Abstract：The paper is based on the construction and reform of the experimental teaching of Bioinformatics for undergraduate students in a university co-sponsored by Hubei Province and the Ministry of Education.It makes a study on the content design，platform construction，and teaching model reform of this course.Meanwhile，it points out some problems which may happen during the teaching process and provides corresponding solutions as a reference to the experimental teaching of similar professional courses.

Key words：Cloud environment;experimental teaching;teaching reform;Bioinformatics;virtualization