基于云计算的计算机辅助药物设计学课程改革

欧阳勤，王懿，刘天渝

第三军医大学药学院 (重庆 400038)

随着计算机技术以及药物化学、分子生物学和计算化学的发展，计算机辅助药物设计(Computer Aided Drug Design，CADD)成为一个快速发展的新兴研究领域，并且已经发展成为一门完善的综合性药学学科，它大大促进了药物设计和新药开发的效率，并成为合理药物设计中不可或缺的环节［1］。计算机辅助药物设计课程的特点是专业性强，所涉及的内容、方法及软件更新很快，对基础理论知识体系和实践操作能力均有较高要求［2-4］。该课程理论知识与实践运用容易脱节，如何将理论知识生动、形象地呈现给学生，并将理论与实践相结合是教师教学过程中需要解决的问题。笔者在CADD课程教学过程中引入基于云计算的教学模式，不断推进CADD课程教学革新。

云计算是2007年第三季度才兴起的新名词。美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的云计算的初步定义是:云计算是一种服务模式，在这种模式下，用户能够方便地按需访问网络共享池中的可配置资源(如网络、服务器、存储、应用程序和服务)［5］。我国云计算技术尚处于起步阶段，众多云计算、云服务的理念在教育领域的应用模式和手段有待进一步探索和加强［6-7］。

笔者在计算机辅助药物设计课程教学中搭建云计算服务器，对利用云计算技术手段进行课程改革的经验进行介绍，并对在CADD教学过程中推行改革的几点体会进行总结。

1 基于云计算服务的计算机辅助药物设计教学构架

计算机辅助药物设计课程教学主要的内容包括结构生物学、化学信息学、生物信息学等同信息科学相关的学科，具有科学知识更新较快、应用软件发展较快、硬件平台要求较高等特点，也具有药物设计软件投入大，教学硬件平台建设费用较高等问题［8］。因此，综合利用云计算技术的优势，整合利用计算资源，搭建计算机辅助药物设计课程云计算软件、硬件平台，能够有效降低学校基础资源建设中巨大的软、硬件成本。利用云计算教学平台，只需要配置低能耗的网络笔记本，就可以满足信息化教学活动，适应当今社会对低碳教育的要求。同时，云计算教学平台能够加速药物设计相关知识更新速度，追踪科学前沿，满足个性化教学的实际需求，将理论知识和科研实践有机地结合起来，能极大地提高学习效率［9］。

云计算在教育教学中的应用，在某种程度上为我国教育领域注入了新鲜的血液，促进了教育信息化的发展［10］。与信息化息息相关的计算机辅助药物设计课程中的实践，是这一教学方法、教学模式的试点，进而促进云计算教学的进一步推广和实践。结合计算机辅助药物设计课程的教学特点以及云计算辅助教学平台的具体要求，笔者按照以下方式初步搭建了云计算机网络教学平台。

云计算平台主要包括网络服务器、计算服务器和文件存储服务器。网络服务器是基于云计算的计算机辅助药物设计教学的核心内容，是体现以学习者为中心核心原则的重要部分，主要涉及作业的提交和个性化教学模块的实现。计算服务器是计算机辅助药物设计的关键，笔者搭建了多节点的服务器集群，集成了大型的药物设计软件平台，为多个学员同时提供计算服务，主要包括同源比对、同源建模、分子对接等计算模块。文件存储服务器主要是保证学生能够有效地访问计算机辅助药物设计各种相关资源。笔者将一些经典的案例分析、课件、课后练习作业、各软件的自学资料以及拓展学习资料储存在文件存储服务器上，并通过FTP的方式对学校内网开放，使学员能够通过校园网络访问各种教学资源。

在具体的教学实践中，教师主要是考虑实践操作和理论知识的有机结合。其一，学员能够通过网络服务器向计算服务器提交计算任务，进行上机实践操作，在理论学习的同时进行实践学习，进而达到理论和实践学习相结合的目的。其二，搭建个性化辅助教学网站，学生可以同时登录网络服务器网站，分别独立完成相关的练习、作业，并通过网络脚本的方式提交到计算服务器。网站也将记录学生登录、作业等情况，教师可以通过网站了解学生的学习、练习情况。目前，教研室已经完成部分网站的建设，部分功能已经通过学校内网在教学中发挥作用。其三，学生可以通过网络服务器或者FTP的方式访问文件存储服务器上的各种教学资源。在上机实践过程中遇到问题时，能够通过资料查找复习理论知识、解决实践问题。学员不仅能够在计算机机房进行课程学习及上机操作，课后也能够通过个人电脑、笔记本、手机等终端通过校园网访问云计算平台，进行个性化自主学习。同时，研究生也可根据个人研究方向调整学习重点，开展实际课题研究工作。

除了云计算平台之外，云服务辅助教学平台对于信息化教学尤为重要。在课程具体实践中，一方面通过网络服务器的网站提供云服务，主要是在网站中增加了留言、提问等模块;另一方面，充分利用互联网上已经建立的云服务平台，通过QQ、微信等社会化应用软件搭建云服务辅助教学平台，加深师生之间的交流，及时解决计算机辅助药物设计教学面临的教学、科研问题。

2 云计算对计算机辅助药物设计课程改革的实践

笔者自2013年以来为药学专业硕士研究生开设了计算机辅助药物设计课程，整体课程为36学时，其中理论学时24学时，上机课程12学时，主要涉及药物设计的概念、意义、任务及应用;药物设计的基本原理;分子力学和分子动力学;蛋白结构及预测;计算机辅助药物分子设计的方法;生物信息学数据库;药物ADMET预测等多个方面的内容。2014年开始，笔者利用搭建的计算机辅助药物设计云计算平台进行课程改革和创新，尝试了系列课程改革。

2.1 改革上机、理论课时顺序

按照先理论后实践的传统课程模式，深奥的理论知识与实际上机运用容易脱节，在教学方法改革中，笔者尝试通过改变课程顺序，将理论课程与实践课程交互进行来提高学生学习的效率，现已经取得了一定的效果。云计算平台的构架使得在进行理论课学习的同时通过网络服务器穿插演示上机操作界面成为现实，而上机实践课学生也能够通过存储服务器下载复习相关理论知识。按照研究生课程安排，笔者每周课程有2课时，笔者将理论和实践结合要求比较高的部分内容，采取了理论和上机交互的授课方式，1课时理论，1课时上机实践课程。如分子对接部分，每周在1个课时理论课程之后，学生在机房通过云计算服务器中基于Xshell的sybyl的远程窗口服务提交任务进行1课时的上机操作，不仅提高对理论知识的学习效率，也理解了实际上机操作过程中的每个步骤的理论意义。

2.2 改革课程教学模式

云计算平台的搭建，让学生可以在校园网内随时通过网络服务器向计算服务器提交任务，使得教学模式的多样性成为可能。因此，即采取了讲授课程与项目讨论课程并重的方式，笔者在《计算机辅助药物设计》课程中安排了3次项目讨论课程。第一次是分子对接项目讨论课程，主要训练学生对分子对接基础和实践的了解。学生可自主在互联网上选择感兴趣的蛋白单晶结构，通过云计算服务器，进行蛋白-小分子的对接操作，并将对接的结果用pymol或sybyl作图，最后集中汇报和讨论研究结果。第二次是案例讨论课程，教师和学生分别就经典药物设计案例进行讲解、讨论，教师对学生在理论、上机课程中遇到的问题，以及学生在实际科研训练中的问题进行集中解答。第三次是独立药物设计项目讨论，全体学生以两人为一组，选择合适的未报道单晶结的蛋白，进行蛋白三维结构的同源建模，再对100个小分子化合物进行虚拟筛选，最后研究、讨论对接方式、关键氨基酸残基等，并将系列结果、操作、心得体会与全班学生进行分享，在分享过程中，教师就其项目中涉及的理论开展深入探讨。同时，笔者还邀请了两位相关领域的专家对学生的项目汇报进行指导。通过交互式的、项目式的学习方法，加深了学生对理论的理解和实践操作能力。

2.3 基于个性化教育的课程改革

根据研究生具体的研究方向有针对性的布置作业，进行项目研讨，充分发挥学员自主学习的主观能动性。药学是一个宽泛且具综合性的大学科，在药学这个大科目下，细分出多个专业的小领域的方向，如药物化学、药理学、药剂学等等，目前研究生的培育模式是以研究生导师指导学生进行项目研究进而完成研究生阶段的学习科研工作，不同导师的药学研究领域方向差别较大，如何广泛地吸引在药学这个大学科下不同领域学科专业学生的兴趣，是药学硕士研究生教育中广泛存在的问题。云计算平台使得个性化教育成为现实。在讨论项目选择阶段，充分考虑学生偏好的研究方法，为其提供自主选题的空间，学生也可以通过现代化网络随时向教师询问自己科研领域相关的靶蛋白情况。在项目实施阶段，云计算服务发挥了重要作用，学生可以通过网络服务器提交计算任务，掌握计算机药物设计的方法。

2.4 改革课后辅导方式

云计算平台使得课后辅导工具变得多样化，通过时下流行的交流工具如QQ、微信，不但可以保证教师和学生之间的畅通交流，也可以促使学生间的交流。教师可以通过截图、群发辅助学习资料等方式，共享学习材料和经验，提高学生学习效率。同时，教师也可以通过学员的QQ、微信发言提问情况，云计算服务器作业提交情况等各方面全方位掌握学生的学习状况。此外，笔者也将药物设计相关的最新文献通过群共享的方式分享给学生，同时也加上自己对文章的创新点的点评意见，培养学生追踪科学前沿的习惯和科研创新能力。

3 计算机辅助药物设计课程改革的体会

云计算辅助教学是利用现代化计算机技术进行教学改革、人性化教育的科学实践。云计算辅助教学将促进教育信息化的发展和教育观念的变化。在“大数据”，“云计算”，“云服务”快速发展的今天，掌握云计算辅助教学的理念和方法，了解“云时代”学生的学习特点，根据学生的不同学习风格和水平提供个性化学习支持服务，利用云计算技术支持学生的学习和创新，构建合适的协作平台，促进学生高级思维能力和群体智慧发展，将研究式学习融入教学中。

基于云计算的计算机辅助药物设计课程能够将理论知识学习与上机实践有机结合。计算机辅助药物设计课程的主要内容包括结构生物学、化学信息学、生物信息学等与信息科学相关的学科，是一门与学科前沿息息相关、知识更新速度快、实践操作要求高的学科。通过建设该云计算教学平台，学生能够在进行理论知识学习的同时向服务器提交计算任务，在进行上机操作的同时，通过云计算服务器查看相关的理论基础，从而得到更好的教学效果。

基于云计算计算机辅助药物设计课程建设能够将教学和科研更加紧密地结合。计算机辅助药物设计课程中涉及的很多软件、方法能够直接运用到科研中去。云计算服务平台缩短了教学和科研之间的差距，不但可以为教学平台提供良好的辅助平台，也是药物设计科研中必不可少的工具。学生能够将学到的知识、技术直接用于科学研究，将科学研究的问题带到课堂中，进行交流讨论，将教学科研有机地结合起来。在2014年春季学期教学期间，1名研究生在上课的同时完成了系列抗菌化合物的对接实验，并协同生物实验结果整理成研究论文。

基于云计算、云服务平台的现代化教学手段的应用，教师和学生交流尤为重要。当今正处于一个知识和信息爆炸的时代，要跟随时代脚步，唯一途径就是学习，而云计算平台给新兴学科的教学方式带来了新的突破，通过这些现代化教学手段，加强了教师和学生的交流，一方面可以加深对上课内容的理解和掌握，对计算机辅助药物设计的理论、技术、方法进行深入探讨;另一方面能够有效地培养学生科研创新能力。通过与学生进行相关研究方向的讨论，师生共同通过学习、研究最新的科学前沿问题，讨论具体解决实际科研问题的方法，是对课程学习的内容的巩固和升华。

总之，云计算是“大数据”时代的新兴产物，笔者基于云计算的现代教学课程改革还在探索阶段。本文提出了基于云计算的计算机辅助药物设计课程教学信息化平台的架构及其运作的模式，利用这个平台的统一性、开放性和灵活性助于解决计算机辅助药物设计课程中的理论和实践脱节、学科前沿发展较快、人性化教育等实际问题，从而培养学生的理论基础、实践能力和科研创新能力。

［1］罗小民，蒋华良，陈凯先，等．药物分子设计研究进展［J］．中国科学院院刊，2003，4:255-259.

［2］仇缀百，叶德泳，蒋荣海．药物设计课程内容的探讨［J］．药学教育，1997，13(1):19-20.

［3］李炜，叶德泳，仇缀百，等．基于创新型人才培养的药物设计学课程建设［J］，药学教育，2011，27(1):24-27.

［4］蔡琳，张翼，叶发青，等．构建“大药学院”药学实践教学体系［J］．药学教育，2012，28(3):54-57

［5］Sims K．IBM introduces ready-to-use cloud computing collaboration services get clients started with cloud computing［EB/OL］．［2014-11-25］．http://www-03．ibm．com/press/us/en/pressrelease/22613．wss.

［6］袁磊，程美，刘丹，等．我国云计算教育应用的现状与发展趋势［J］．现代远程教育研究，2011，6:42-46.

［7］张怀南，杨成．我国云计算教育应用的研究综述［J］．中国远程教育，2013，1:20-26.

［8］魏静，许珊，王伟玲．浅谈新兴交叉学科教学改革的探讨——以计算机辅助药物设计课程为例［J］．中国科教创新导刊，2011，7:21.

［9］徐妲，钟绍春，马相春，等．基于云计算的基础教育资源个性化服务平台的设计与实现［J］．图书馆学研究，2013，19:14-19.

［10］牛彦，雷小平，徐萍．将现代教育技术应用于计算机辅助药物设计教学［J］．药学教育，2010，26(6):54-57.