程序设计语言在生物信息学专业中的教学探索

王鹏　郭秋艳

摘 要：该研究通过对生物信息学专业程序设计语言课程的教学现状进行分析，发现程序设计语言课程在教学中存在的问题，探索适合于生物信息学专业特点的本科生程序设计语言课程的教学方法。

关键词：生物信息学 程序设计 算法实现 课程凝练

中图分类号：Q811.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（b）-0126-02

随着基因组学研究的不断深入，生物医学研究领域迎来了一个崭新的“大数据”时代。新一代测序、高通量的基因芯片等生物检测技术产生了大量的生物数据。计算机程序设计语言成为了生物信息学领域处理海量生物医学数据关键技术[1]。例如：使用JAVA语言建立网络平台进行数据发布；利用Perl语言识别数据中关键信息；利用R语言统计分析方法提取差异表达基因等。在近年来具有高应用价值的药物信息组研究中，也采用计算机编程手段预测新的药物靶点、药物重置及药物副作用和药物毒性。因此，程序设计语言理论和实践课程的学习对生物信息学专业学生有着重要的应用价值[2]。程序设计语言课程通常在生物信息学专业的本科阶段开设，对该课程的掌握有助于学生的本科毕业设计的开展、工作所需实用知识的积累。然而，目前生物信息学专业程序设计语言课程的教材和教学方法也存在不足之处。生物信息学的学科交叉性，使该课程的教学应根据生物信息学专业的特点，采用适合于专业自身特点的教学方法和更实用的教学内容。通过程序设计语言课程的教学实践和总结，对生物信息学专业程序设计语言课程的教学现状和存在问题进行仔细分析，并提出具有针对性的解决方案，这将为该课程教学的探索提供帮助。

1 程序设计语言课程教学存在的问题

1.1 程序设计语言课程难度高

程序设计语言涉及到多门计算机课程，并且在程序设计语言实验课教学中实现的多种数据分析方法来自于不同课程的数据分析理论。例如：数据库技术、统计学的抽样、多线程计算、信息论、优化方法、模式识别、数据挖掘、人工智能等。这些技术每一个都形成了一门学科，可单独作为一门课程讲授。程序设计语言课程所需的多门基础课程在很大程度上增加了教学难度。以该校为例，生物信息学专业本科生需要大量精力学习生物学基础课程，没有充足的时间来系统地学习程序设计语言所需的各种知识。学生们即使学习了这些课程，也很难将这些内容融会贯通，导致在基础知识向计算机编程的生物学应用转化过程中出现困难。

1.2 课程教材内容滞后

生物信息学研究领域，仍然处于快速发展和不断完善的过程，也不断有新的重要应用价值的数据分析方法和理论加入到该领域的研究中。由于生物信息学领域的快速发展和内容更新快，程序设计语言的课程内容，尤其是算法设计方面，往往出现滞后严重现象。例如：虽然在大部分教材中都包含了聚类分析方法。但许多方法在生物学研究领域已很少使用。而在生物学数据分析中重要的蛋白質网络聚类方法却很少在程序设计语言教材中发现。此外，在多年授课过程中缺乏专为生物信息学专业编写的教材，这导致授课过程中计算机语言应用方面的生物学案例非常少。例如：大部分教材没有关联分析算法在生物学中的应用案例。即使在生物信息学研究中常用的组合分类器方法，也很少有教材有生物学案例。另外，生物信息学领域的高速发展给生物信息学程序设计语言课程的内容设置带来巨大挑战。怎样将计算机编程思想、算法设计等知识在生物中应用的重要方法传授给学生，成为教学中需要迫切解决的关键问题。

2 教学思考与探索

2.1 通过与该专业相关应用相结合精简授课内容

程序设计语言课程的内容过多是造成该课程教学困难的一大原因。应适当缩减课程的内容，在有限的学时内提高程序设计语言课程教学质量。在多年的教学和科研实践中逐渐掌握了生物信息学专业必备的程序设计语言相关内容。通过与该专业的教授、授课教师及科研一线的博士生、硕士生进行深入研究，评估课程中各个部分对于学生的理论价值、应用价值，去除教材中与该专业应用相关度不大、陈旧的且非课程核心的内容。去除简化数学证明、统计和计算机硬件理论等内容过重而在实际应用较少的内容。例如：在聚类分析算法实现部分，结合实际适当地去除生物数据分析中很少使用的方法。通过如上的内容简化处理，课程内容过多、理论知识过难的问题在很大程度上得到了改善。对于课程基础所需的基础内容以及具有应用价值的重点内容，应适当的增加学时数，并增加与该专业应用直接相关的案例，采用案例式的教学方式进行重点讲解。例如：决策森林算法实现的教学内容对于该专业非常重要。首先收集各种应用案例和调查该专业科研人员应用该方法的情况；其次结合学生的背景知识、学习能力设计应用案例。授课时讲授基本的原理、方法后，利用案例来深入讲解该方法并分析这些方法的性能和使用途径。对于十分重要的方法，用多个案例来反复加深理解，整个授课过程中注重内容的深入浅出、避繁就简。

2.2 结合生物医学研究案例培养学生学习的积极性

通过对该学院生物技术、生物信息学专业学生的调查，总结了学生的兴趣和爱好。发现大部分学生对程序设计语言课程的实用性具有足够的认识，但大部分学生反应程序设计语言课程的应用案例过少，部分案例也过于陈旧。生物信息学专业学生更感兴趣生物信息学有关的最新研究及该领域最新进展，这也符合生物信息学前沿性特点。生物信息学发展速度快，领域知识更新也快，学生在基础课阶段时已感觉到了这一领域的特点。而现有的国内教材几乎没有适合于生物信息学专业的程序设计语言类教材。为此，试着设计方案，把与程序设计语言知识在生物信息学中的应用及最新案例逐步引入到教学当中。根据从教授、科研人员和教师那里收集来的最新研究进展，获得程序设计语言在生物信息学的最新应用和未来需求。例如：通过结直肠癌基因表达谱训练最近邻分类器预测结直肠癌患病倾向；对蛋白质网络进行网络聚类，挖掘前列腺癌转移相关功能模块。此外，还进一步开发实际的案例程序，并编写与之配套的理论知识电子版讲义。将最新的案例和教师整理的讲义发送给学生。这样，学生带着兴趣学习知识，他们的学习积极性必然得到提高。在这一过程中，注重选择内容新颖性强且方法简单、需要较少背景知识的案例。例如：基于网络Hub节点的蛋白质功能模块挖掘方法，仅仅需要几个步骤的实现就能够获得功能模块的结果。该方法具有生物学应用广泛性、生物学含义直接性和算法容易实现性等特点。对案例方法的教学使用讲、学、练密切结合的教学模式，渐进式地培养学生的学习兴趣。在课堂上进行方法讲解时，使用计算机编程手段实现数据挖掘程序，演示数据挖掘算法的运行过程。例如：在蛋白质网络聚类方法的程序演示，利用聚类方法发现和预测蛋白质功能模块。这样的例子使学生对聚类方法的应用有了直观的认识，明显增加他们的学习兴趣。这几年的教学实践显示，这种方法非常有助于提升学生的学习兴趣。学生在课堂上对理论知识的熟悉程度较好，加之实际算法实现和应用的演示，能够进一步增强了学生的知识掌握程度和兴趣。

3 结语

自从该教学方法实施以来，从学生的教学反馈中显示出的教学方法大大改进了学生学习的效果。在生物信息学专业的程序设计语言课程的教授过程中，结合生物信息学专业的应用案例和编程实例，精简课程内容，明显提高了学生的学习积极性。这也进一步增强了对教学改革的兴趣和信心。将不断地总结教学经验，摸索新的教学方法、不断创新思维，以促进该课程教学水平的提高。

参考文献

[1] Hogeweg P. The roots of bioinformatics in theoretical bioloby[J].PLoS Comput Biol， 2011，7（3）：1002021.

[2] 刘燕，邹赛德.对医学生计算机教育的思考[J].中国高等医学教育，2006（4）：5-6.