數(shù)字化生物信息實踐教學平臺的構建和實踐

劉 艷， 朱瑞新， 錢 潔， 曹志偉

（同濟大學生命科學與技術學院，上海 200092）

數(shù)字化生物信息實踐教學平臺的構建和實踐

劉 艷， 朱瑞新， 錢 潔， 曹志偉

（同濟大學生命科學與技術學院，上海 200092）

生物信息學是一門知識量大、涉及學科廣的交叉學科，由于該學科迅猛發(fā)展導致高校的生物信息課程教學處于探索階段，還未形成一個完整的課程建設體系。為了能夠讓學生掌握好生物信息學相關知識，我院構建數(shù)字化生物信息學實驗教學平臺，整合以高速的網(wǎng)絡、多媒體機房、網(wǎng)絡服務器、高性能計算集群、專業(yè)教學軟件為基礎平臺架構，開展生物信息學專業(yè)實踐教學，構建穩(wěn)定的數(shù)字化開放平臺實驗教學系統(tǒng)。通過數(shù)字化實踐教學平臺可以實現(xiàn)現(xiàn)代化生物信息教學管理模式，教師可以針對不同的學生個性特點因材施教，有利于建立良好的師生關系，有利于發(fā)揮學生學習自主性和能動性。因此構建數(shù)字化生物信息學實驗教學平臺對提高生物信息學實驗教學質量和水平起到至關重要的作用。

生物信息;數(shù)字化;實踐教學平臺

0 引言

生物信息學是生命科學領域一門新興并具有活力的交叉前沿學科，它以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，蛋白質和核酸數(shù)據(jù)庫為載體，綜合利用高等數(shù)學、生物統(tǒng)計學相關知識，建立各種計算分子生物模型，以計算機為工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學意義，進行生物信息的獲取、處理、儲存、分發(fā)、分析和解釋等在內的所有方面［1］。它涵蓋了生物化學、分子生物學、表觀遺傳學、生物統(tǒng)計學、生物物理學、微生物學、信息技術與計算機科學等多種學科知識，是將不同領域高度集中的一門學科。自2002年起，我國一些高等院校先后設立生物信息學專業(yè)，全國已經(jīng)擁有生物信息學碩士、博士學位授予點達到18個，這也說明了我國生物信息學學科正在蓬勃發(fā)展中［2］。正是由于生物信息學的迅猛發(fā)展和該學科的綜合性導致高校的生物信息課程教學處于探索階段，還未形成一個完整的課程建設體系。生物信息教學主要包含理論教學和實踐教學。實踐教學也是本科教學的重要組成部分之一，包含了實驗、實習、課程設計、畢業(yè)設計等多個方面，對培養(yǎng)學生構建扎實全面的知識基礎、解決生物信息學分析問題的技能以及自主學習、獨立思考、綜合分析的能力和全面提高學生的綜合素質具有重要意義，同時也是反映高校教學、科學研究和管理水平的重要標志。

作為一門知識量大、涉及學科廣的交叉學科，生物信息學教學對不同的學科理論知識的學習提出了不同的要求。為了能夠讓學生更好的掌握生物信息學專業(yè)知識，各大高校在生物信息學教學方面進行了大量的理論研究和實踐［3-11］。同濟大學生命科學與技術學院在2009年設立生物信息學特色專業(yè)，并逐步在2008～2013年期間完成和升級生物信息學教學機房的建設和基于集群網(wǎng)格計算的大型儀器共享平臺。結合我院在生物信息實踐教學的經(jīng)驗基礎上，對生物信息專業(yè)課程做了深入分析后，我們探索以整合信息技術與生物信息專業(yè)課程教學為基礎創(chuàng)建數(shù)字化開放平臺系統(tǒng)，不僅可以充分發(fā)揮學生學習自主性和能動性，加強師生間的互動交流，而且對提高生物信息學實驗教學質量和水平起到至關重要的作用。因此構建數(shù)字化生物信息學實踐教學平臺是培養(yǎng)理論知識系統(tǒng)、具有更高實踐能力的生物信息學人才的關鍵。

圖1 數(shù)字化生物信息實踐教學平臺基礎架構示意圖

1 數(shù)字化實踐教學平臺的構建

生物信息實踐教學要求高速穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)、高性能的計算機硬件以及功能強大的專業(yè)軟件作為必備條件。因此在數(shù)字化生物信息學實踐教學平臺的基礎架構上(見圖1)，我們院在校園網(wǎng)絡的基礎上構建了以50個學生機實驗平臺和1套教師機的多媒體教學機房，1臺FTP網(wǎng)絡服務器和1套16個計算節(jié)點的高性能計算集群，將多媒體教學機房和FTP網(wǎng)絡服務器和高性能計算集群通過校園網(wǎng)實現(xiàn)教學資源共享平臺，教師或學生可在任何地點安全訪問教學資源。

1.1 高速穩(wěn)定的校園網(wǎng)

目前國內高校都已建立校園網(wǎng)，其中大部分為千兆主干帶寬。我校校園網(wǎng)主干由5臺華為8016組成，每幢大樓使用華為3526實現(xiàn)匯聚，由華為3026或2403接入用戶。校區(qū)之間千兆互聯(lián)，千兆電信公網(wǎng)出口，300MB教科網(wǎng)出口。根據(jù)網(wǎng)絡發(fā)展趨勢校園網(wǎng)絡也將逐步升級到萬兆網(wǎng)絡，這些都為生物信息教學在高校開設提供了良好的網(wǎng)絡基礎。

1.2 多媒體教學機房

多媒體教學機房的教師機和學生機通過以太網(wǎng)通道互聯(lián)，每臺計算機獨享百兆帶寬。為充分發(fā)揮數(shù)字化生物信息實驗教學的教育潛能，培養(yǎng)學生的動手操作和獨立解決問題的能力，我院建立一套以Lan Star多媒體網(wǎng)絡教學軟件、網(wǎng)絡控制軟件和實時監(jiān)控系統(tǒng)為管理基礎的教學環(huán)境，這對建立師生互動的教學課堂對提高學生的實驗興趣、啟發(fā)學生的科學思維、培養(yǎng)學生的動手能力起著重要的引導作用。

(1)Lan Star多媒體網(wǎng)絡教學軟件。教師機安裝主控制端，學生機安裝被控制端。教師機通過網(wǎng)絡發(fā)送指令給學生機，學生機的被控制端通過網(wǎng)絡把信息傳遞給教師機，通過這種方式來實現(xiàn)數(shù)字化實驗教學課堂管理。

(2)網(wǎng)絡控制軟件和實時監(jiān)控系統(tǒng)。教師機安裝有聚生網(wǎng)管控制軟件，實現(xiàn)對學生機的精確顯示實時控制帶寬和流量，可以通過設置禁用非教學相關的程序控制學生機電腦，比如禁用網(wǎng)絡游戲、聊天工具等。多媒體教學機房安裝實時攝影監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控室通過網(wǎng)絡獲取實時影像，一方面可以實時監(jiān)控多媒體教學機房的安全情況，另一方面可以監(jiān)控學生的操作電腦內容，協(xié)助教師管理課堂紀律，及時糾正學生的學習態(tài)度。

(3)計算機雙操作系統(tǒng)。根據(jù)生物信息學專業(yè)課程教學的不同需求，計算機需要安裝Windows和Linux兩套操作系統(tǒng)。由于生物信息學實驗課經(jīng)常用計算機跑運算程序或搜索大量的數(shù)據(jù)庫而Windows 7操作系統(tǒng)本身的CPU資源消耗比較大［12］，我們統(tǒng)一安裝為Windows XP系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)采用開源免費的桌面環(huán)境優(yōu)越的Ubuntu系統(tǒng)［13］，計算機系統(tǒng)應用程序采用硬盤保護卡保護，也便于一旦計算機系統(tǒng)崩潰時利用網(wǎng)絡克隆技術進行還原系統(tǒng)。

1.3 FTP網(wǎng)絡服務器

生物信息教學FTP網(wǎng)絡服務器采用性能穩(wěn)定的IBM X3630機架式服務器，安裝穩(wěn)定的Redhat Linux 6.0操作系統(tǒng)，為生物信息專業(yè)課程配置了8TB硬盤容量，根據(jù)需要目前劃定5TB容量作為開放的教育共享資源，師生可以在一定的權限下下載公共教學資源。FTP網(wǎng)絡服務器針對教師提供后臺管理帳戶和密碼，教師可以在后臺進入相應課程目錄進行信息管理工作，如教師上傳電子講義、電子書、多媒體和混合式的資料視頻等優(yōu)秀的學習資料共享給學生。另外，服務器提供教學互動討論區(qū)，學生不但可下載各種專業(yè)課程的電子教案、課件等，還可上傳電子作業(yè)、實驗報告、知識疑問和創(chuàng)新實驗設計方案等，便于學生通過網(wǎng)絡預習和復習實驗，為師生提供一個統(tǒng)一的教學資源獲取、管理和服務平臺。為了幫助學生提供一個安全、基于角色的訪問渠道，F(xiàn)TP網(wǎng)絡服務器為不同班級開設獨立的學生賬號，讓學生安全使用教學資源。

1.4 高性能計算集群

高性能計算集群為學生在課堂外本科生開展創(chuàng)新實驗和參與科研提供的實踐平臺。該套集群(見表1)理論浮點計算每秒達到1.9萬億次，包含1個管理和登錄節(jié)點，16個計算節(jié)點，2個IO節(jié)點，2臺48T存儲，共提供184個核和600G內存的運算能力。

表1 高性能計算集群組成和功能

為保障本科生開展創(chuàng)新實驗和參與科研的計算資源，在實際操作中應合理安排學生課內、外的學習與科研活動的時間，建立了本科生教學科研互動發(fā)展的模式。高性能多節(jié)點計算集群共享平臺體現(xiàn)尊重學生的學習興趣和科研創(chuàng)新意識，充分展示了以學生為主體，提高師生的科學素質，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。

1.5 功能強大的專業(yè)軟件

為了讓數(shù)字化實踐教學平臺發(fā)揮最大作用，必須正確選擇實用的系統(tǒng)軟件降低系統(tǒng)資源耗費，然后根據(jù)課程需要選擇生物信息學專業(yè)應用軟件。

(1)系統(tǒng)安全軟件和辦公軟件。多媒體教學機房的計算機安裝了數(shù)據(jù)和系統(tǒng)保護功能軟件如殺毒軟件卡巴斯基。為快速、有效地獲得所需要的生物信息學信息，為進一步的學習與研究奠定基礎的常用辦公學習工具如微軟的Office 2007系統(tǒng)、Adobe閱讀軟件等。

(2)數(shù)據(jù)傳輸軟件。通過高性能計算集群計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)下載分析離不開傳輸軟件。FTP和SSH是常用的文件傳輸協(xié)議，我們安裝了常見的SSH客戶端、FlashfXP、CuteFTP等。另外必須安裝配置好Window和Linux擴展平臺操作分析工具Crywin，利用Cygwin對常用的生物信息學數(shù)據(jù)分析軟件如Sim4、Phred、EMBOSS、和 ClustalW 等進行重新編譯計算［14］。

(3)圖形處理軟件。Windows下安裝常用的Photoshop、Origin、分子畫圖軟件 ChemOffice等，在Linux下常用的分子構造軟件Gaussian View、蛋白質三維結構瀏覽軟件VMD用來顯示生物分子的微觀立體結構，還可做出動畫效果［15］.

(4)生物信息學專業(yè)分析軟件。為滿足生物信息學教學和本科生參與科研的需要，我們安裝了60多個生物信息學軟件，大部分為開源免費軟件如Python、Tophat、R等，還有一部分商業(yè)軟件如藥物設計軟件MOE、分子動力學模擬軟件Amber和中藥化學數(shù)據(jù)庫TCMdb等，以及本校生物信息學科研課題組自主研發(fā)的軟件，如 MACS［16］。

2 數(shù)字化實踐教學平臺的實踐

2.1 建立數(shù)字化實踐教學平臺課程體系

目前我院在數(shù)字化實踐教學平臺上開設了19門生物信息學本科生專業(yè)課程，其中實驗課主要包含生物信息學實驗、機器學習理論與方法實驗、計算基因組學實驗等10門獨立設課實驗課，以及生物信息學算法與實踐、分子進化等5門非獨立設課實驗，另外還有生物信息學、計算機藥物與蛋白質輔助設計等理論專業(yè)課和系統(tǒng)生物學上機課。

2.2 開展數(shù)字化實踐教學平臺教學

開課前任課教師將實驗課的所需的實驗資料上傳到生物信息學教學FTP網(wǎng)絡服務器，學生可以通過學生專用的賬號和密碼在FTP網(wǎng)絡服務器下載本節(jié)課所需的資料。為避免學生受到外界的干擾，教師利用Lan Star多媒體網(wǎng)絡教學軟件、網(wǎng)絡控制軟件和實時監(jiān)控系統(tǒng)的教學環(huán)境控制學生上機行為，教師還可以利用Lan Star多媒體網(wǎng)絡教學軟件進行電子點名，學生的姓名顯示在教師機，教師可以清楚了解學生上課的出勤率。

首先教師開啟多媒體網(wǎng)絡教學廣播教學功能，為學生詳細講解本次實驗的目的、要求、內容以及實驗中需要注意的事項等內容，并幫助學生解答對實驗提出的疑問。當學生了解實驗目的和原理后，就可以讓學生在計算機上利用互聯(lián)網(wǎng)資源和已安裝的生物信息學軟件獨立開展實驗，并通過操作實驗及時與教師就實驗中的疑問等進行互動探討和交流。教師在學生實驗過程中，總結學生對實驗進程的反饋，對實驗過程中學生出現(xiàn)共性問題，可以利用廣播教學或多媒體演示等形式及時解決學生實驗出現(xiàn)的疑問。

最后教師留出一定的時間作為集體討論和交流的時間，教師根據(jù)授課內容提出更深入的問題，學生通過互動交流、借助網(wǎng)絡和圖書館電子資料等工具查閱資料來完善自己的解決方案。實驗結束后學生遞交實驗報告上傳FTP網(wǎng)絡服務器，實驗報告的完成要求學生要根據(jù)實驗課的內容來查閱更多的文獻資料回答教師提出的思考題，實驗報告的書寫要求學生梳理解決問題的思路，總結掌握的相關知識，鍛煉學生的語言文字表達能力，提高學生的寫作水平。同時學生還可以將課下的思考問題以及自己的創(chuàng)新實驗設計上傳至FTP網(wǎng)絡服務器，方便與老師、同學互動交流探討

對基礎好的學生，允許在完成基本實驗內容的基礎上增加自選實驗，如設計性、開放性實驗、科研訓練等，除了開展創(chuàng)新實驗。本科生可以申請科研項目，或者參與生物信息課題組的科研項目來進一步的鞏固學到的生物信息實驗知識，對于課外實踐和參與科研的本科生，可以申請高性能計算集群學生賬號來開展實驗和參與科研。目前高年級本科生大部分同學已擁有自己的賬號在解決學習和科研遇到的問題。

2.3 數(shù)字化實踐教學平臺教學的特點

通過數(shù)字化實踐教學平臺教師可以針對不同的學生個性特點因材施教，實現(xiàn)個性化教學。比如教師在授課過程中，可以利用多媒體的網(wǎng)絡教學軟件的屏幕錄制、回放等功能將機屏幕變化錄制下來，同時可以記錄教師機的聲音制作成文件，可以反復播放給被選擇的學生機，方便不能及時掌握的學生學習。但對于基礎好的同學可以提出更深入的問題思考或者增加自選實驗來深入學習。

通過數(shù)字化實踐教學平臺可以實現(xiàn)現(xiàn)代化生物信息教學管理模式，為學生營造一個絕佳的實驗學習環(huán)境，也更有利于建立良好的師生關系。比如在學生實驗過程中，教師可以隨時掌握學生的實驗情況，教師通過多媒體的網(wǎng)絡教學軟件的屏幕監(jiān)看功能了解學生當前的實驗狀況，監(jiān)督學生，并通過遠程管理接管學生機，通過短消息單獨文字交互，針對性地單獨進行管理，不影響其他學生的正常實驗狀態(tài)。

這種開放性的、數(shù)字化的學習環(huán)境，使學生具有了與他人、與環(huán)境相互適應、交往和互動的機會，讓數(shù)字化的教學環(huán)境可以進一步鞏固和加深理解理論課學習的知識，還可以激發(fā)學生創(chuàng)新實驗并將實驗過程和其他同學、老師探討，提高了學生學習的興趣和人際交流的互動性。

3 結語

數(shù)字化生物信息學實踐教學是生命科學教學的全新內容，是生物信息學教學不可缺少的組成部分之一。對生物信息學專業(yè)的學生來說，通過數(shù)字化實踐教學平臺，不僅可以學習基礎的生物信息學數(shù)據(jù)分析方法，還可以將復雜的生物信息計算與數(shù)據(jù)處理提交到高性能計算集群上進行運算、處理;不但可以充分利用服務器資源，讓學生學習高性能計算集群的系統(tǒng)結構與工作原理，開闊學生的視野，培養(yǎng)他們學習的興趣和愛好，還能讓學生參與一些科研項目，培養(yǎng)他們一定的獨立發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。在今后的教學實踐中，隨著數(shù)字化技術日新月異的發(fā)展和教師能力的提升，數(shù)字化生物信息學實踐教學平臺將不斷地完善和發(fā)展，對培養(yǎng)多學科領域的人才起到不可替代的作用。

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Construction and Practice of a Digital Bioinformatics Practical Teaching Platform

LIU Yan，ZHU Rui-xin，QIAN Jie，CAO Zhi-wei
(School of Life Science and Technology，Toingji University，Shanghai 20092，China)

Bioinformatics is a field with a plenty of knowledge and strong interdiscipline with other fields.Because of fast development its courses have not formed an integrated system in teaching practice.In order to help students to master bioinformatics，our school constructs the Digital Bioinformatics Practical Teaching Platform which integrates highspeed internet，multimedia room，computer server，high performance computing cluster，and special teaching software into a digital opening teaching system.We find the platform makes the modern bioinformatics teaching mode come true.It plays a critical and promising role in individuation of teaching，forms good relationship between teacher and student，and develops self-initiative and self-dependent learning ability of the students.Therefore，constructing the Digital Bioinformatics Practical Teaching Platform has improved the level and quality of bioinformatics teaching practice.

bioinformatics;digital;practical teaching platform

Q-337

A

1006－7167(2014)05－0209－04

2013－07－11

同濟大學2013－2014年(兩年)教學改革研究與建設項目(2000104047)

劉 艷(1983－)，女，山東棗莊人，碩士，實驗員，主要從事生物信息學相關的教學和科研工作

Tel.:021-65980769;E-mail:yanliu@#edu.cn

曹志偉(1973－)，女，江蘇徐州人，博士，教授，生命科學與技術學院教學院長。

Tel.:021-65980296;E-mail:zwcao@#edu.cn