基于Python程序設(shè)計(jì)的生物信息學(xué)人才培養(yǎng)模式探析

張帆　鄒顯春

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ);計(jì)算思維;生物信息學(xué);Python

中圖法分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)今，生物技術(shù)是關(guān)鍵的前沿技術(shù)之一。隨著基因測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展和測(cè)序數(shù)據(jù)的大量獲取，生物技術(shù)科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。面對(duì)海量的生物數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析數(shù)據(jù)和找出基因、蛋白質(zhì)編碼信息等問題的生物信息學(xué)（Bioinformatics）應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，這也對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能提出了更高的要求，特別是要求其具有一定的編程基礎(chǔ)和編程能力，能根據(jù)自己的需要使用程序表達(dá)式在生物數(shù)據(jù)庫(kù)中查找和定位基因信息、改寫或?qū)懗鲞m合自己需要的數(shù)據(jù)處理程序。

大學(xué)新生入學(xué)后必修的一門計(jì)算機(jī)課程就是“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”，其作為大學(xué)新生的計(jì)算機(jī)入門課程，不僅要普及計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，最終達(dá)到讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)來解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力。在生物專業(yè)新生的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中引入Python程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和技巧，可以在一定程度上滿足該專業(yè)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的需求，為他們將來在生物信息學(xué)方向的發(fā)展打下初步的和編程基礎(chǔ)。本文針對(duì)生物專業(yè)的大學(xué)新生，通過在“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中引入Python編程，希望借此實(shí)現(xiàn)對(duì)生物信息學(xué)人才的培養(yǎng)。

1計(jì)算思維與Python程序設(shè)計(jì)

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”（Fundamentals of Computers）是根據(jù)教育部計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的要求開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程，是大學(xué)各專業(yè)新生的第一門計(jì)算機(jī)課程，也是本科各專業(yè)學(xué)生必修的公共基礎(chǔ)課程?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的發(fā)展經(jīng)歷了“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”到計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課建設(shè)的熱點(diǎn)———隨著“計(jì)算思維”的演變，教學(xué)內(nèi)容從最初的計(jì)算機(jī)操作，發(fā)展到計(jì)算機(jī)原理、解決問題和編程學(xué)習(xí)。早期的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程主要講授一些和計(jì)算機(jī)相關(guān)的軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)，以基本應(yīng)用為主，并沒有過多涉及程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容。但在2010年九校聯(lián)盟（C9）發(fā)布“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”之后，為了能在課程中向?qū)W生傳遞計(jì)算思維的理念，在“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課堂上適當(dāng)增加基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)內(nèi)容已經(jīng)是各大高校的共識(shí)，借此培養(yǎng)學(xué)生使用簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)語言來描述問題、解決問題等計(jì)算思維理念?！坝?jì)算思維”的概念是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真（JeannetteM.Wing）教授提出并加以解釋的。當(dāng)前，把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力作為目標(biāo)，已經(jīng)成為大學(xué)計(jì)算機(jī)教育工作者的共識(shí)，而培養(yǎng)計(jì)算思維的最好方式就是學(xué)習(xí)編程。

《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》（2016版）指出：計(jì)算思維的核心概念是經(jīng)過高度概括和理論總結(jié)的思維，其培養(yǎng)要滲透在傳授學(xué)科知識(shí)、訓(xùn)練應(yīng)用能力的過程中。長(zhǎng)期以來，高校對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的程序設(shè)計(jì)課程普遍是C語言，教學(xué)內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)類型、函數(shù)、指針和控制結(jié)構(gòu)等知識(shí)。由于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生不具備計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，C語言課程在教學(xué)中會(huì)出現(xiàn)一些問題，也給學(xué)生帶來一定的學(xué)習(xí)難度———學(xué)習(xí)的入門周期相對(duì)長(zhǎng)、門檻相對(duì)高，無法短期滿足非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在后續(xù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中繼續(xù)使用C語言來方便、快速地解決問題。所以，對(duì)于低年級(jí)大學(xué)生，尤其非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，選擇一門入門難度低、學(xué)習(xí)難度曲線適中、功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣的程序設(shè)計(jì)語言非常重要。

Python程序設(shè)計(jì)由于語法簡(jiǎn)潔、清晰、易讀，具有豐富的類庫(kù)，是一種非常適合低年級(jí)及非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)、培養(yǎng)其計(jì)算思維能力的編程語言。目前，Python程序設(shè)計(jì)擁有超過十萬個(gè)類庫(kù)，涵蓋各專業(yè)，應(yīng)用非常廣泛。這些豐富的類庫(kù)使Python程序設(shè)計(jì)在教學(xué)中適用于各專業(yè)、各層次的學(xué)生，可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的難度，提高學(xué)習(xí)興趣，所以用Python程序設(shè)計(jì)替代非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)C語言是程序設(shè)計(jì)課程發(fā)展的必然趨勢(shì)。另外，Python程序設(shè)計(jì)是一種解釋性編程語言，其特點(diǎn)是輕語法、重解決問題。運(yùn)用Python程序設(shè)計(jì)，可以讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生利用各種類庫(kù)提供的工具模塊快速編寫程序，確保其將更多的精力放在要解決的問題上，而不是將大量的時(shí)間耗費(fèi)在學(xué)習(xí)編程的語法知識(shí)及編寫不必要的代碼上，這更利于解決實(shí)際問題，也能更好地服務(wù)于專業(yè)。

根據(jù)教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出的“‘大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求”，以Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)，在面向生物專業(yè)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中，增加Python程序設(shè)計(jì)內(nèi)容，確定“以思維培養(yǎng)為主體，以培養(yǎng)解決問題能力為核心，以服務(wù)專業(yè)為目標(biāo)”的課程教學(xué)定位，突出生物專業(yè)的自身特點(diǎn)與需求，學(xué)會(huì)用Python程序設(shè)計(jì)來模擬和解決生物學(xué)中的一些問題，讓學(xué)生能將所學(xué)編程知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的能力，讓學(xué)生真正掌握利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)問題的通用方法。

2Python程序設(shè)計(jì)在生物信息學(xué)人才培養(yǎng)中的建構(gòu)與實(shí)踐

2.1教學(xué)建構(gòu)路徑

以西南大學(xué)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程為例，總課時(shí)分為：理論40課時(shí)、實(shí)驗(yàn)36課時(shí)。根據(jù)課程定位與目標(biāo)，我們對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)分配做了部分調(diào)整，將其分為“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”和“Python程序設(shè)計(jì)入門”兩部分。其中，“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”的課時(shí)占比為3/5，“Python程序設(shè)計(jì)入門”的課時(shí)占比為2/5。

面對(duì)學(xué)生入校時(shí)計(jì)算機(jī)水平不同的問題，“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”部分的教學(xué)內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、辦公數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等。這部分可以根據(jù)內(nèi)容的不同，對(duì)學(xué)生加以區(qū)分和采取不同策略。從教學(xué)要求出發(fā)，課程內(nèi)容可分為需了解的與需掌握的內(nèi)容;從學(xué)習(xí)內(nèi)容難易出發(fā)，課程內(nèi)容可分為可自學(xué)的內(nèi)容、需講解的內(nèi)容;在課程內(nèi)容組織的過程中，對(duì)于了解性的、可自學(xué)的、概念型、資源豐富的內(nèi)容，簡(jiǎn)化課堂內(nèi)容，以課外自學(xué)為主;對(duì)于需講解和總結(jié)的內(nèi)容，以課堂重點(diǎn)講解相關(guān)知識(shí)為主，課外學(xué)習(xí)和擴(kuò)展為輔，這樣就能高效、充分利用課時(shí)完成“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”部分的內(nèi)容學(xué)習(xí)。余下的課時(shí)，則分配到“Python程序設(shè)計(jì)入門”部分。

Python程序設(shè)計(jì)作為“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的一部分，進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)不同于單獨(dú)的程序設(shè)計(jì)課程，其學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容涉及Python的安裝、基礎(chǔ)語法、程序控制結(jié)構(gòu)、基本算法、組合數(shù)據(jù)類型及文件讀寫等;根據(jù)生物專業(yè)的特點(diǎn)，講解和編寫生物信息方面的實(shí)例和程序，讓學(xué)生結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)綜合地開展Python程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。這樣不僅有利于編程在生物專業(yè)中的教學(xué)，還有利于學(xué)生理解Python程序設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)，以及在本專業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到學(xué)以致用的目的;遵循循序漸進(jìn)的原則，讓學(xué)生逐步提高編寫Python程序的能力、提高使用計(jì)算機(jī)解決問題的能力。

2.2教學(xué)內(nèi)容實(shí)例化

程序設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，整個(gè)教學(xué)過程需要充分體現(xiàn)理論教學(xué)融于實(shí)例、實(shí)例貫穿教學(xué)等理念。在學(xué)習(xí)理論知識(shí)后，學(xué)生需要在課后和實(shí)驗(yàn)課中上機(jī)實(shí)踐，以練習(xí)來鞏固對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。這樣能夠及時(shí)解答學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的疑問，使教師更容易開展Python程序設(shè)計(jì)的互動(dòng)教學(xué)活動(dòng)，也使學(xué)生在學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)兩方面都受益。教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生將所學(xué)的編程知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，真正掌握利用計(jì)算機(jī)解決問題的通用方法。

在教學(xué)的過程中，要圍繞以培養(yǎng)生物信息學(xué)專業(yè)人才為目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和生物學(xué)的特點(diǎn)精心選取并設(shè)計(jì)教學(xué)案例，以實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地逐步解決問題;充分利用Python程序設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生感受到Python程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單和易懂，培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣，提升學(xué)生解決問題的能力;以解決專業(yè)問題的教學(xué)實(shí)例來講解Python程序設(shè)計(jì)的語句、控制結(jié)構(gòu)等，更能激發(fā)學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)課程的興趣。

例如，利用Python程序設(shè)計(jì)的字符串切片功能String[：：[k]]，可以編寫出切取DNA序列中的一個(gè)片段或者對(duì)DNA序列進(jìn)行逆序排列，這正好反應(yīng)出生物專業(yè)上對(duì)DNA序列鏈進(jìn)行局部切取或得到DNA的反鏈：

DNA轉(zhuǎn)錄是遺傳學(xué)中的一個(gè)重要過程，這是信息從DNA流向RNA的過程。當(dāng)DNA轉(zhuǎn)錄為RNA時(shí)，就是把DNA中核苷酸的T（胸腺嘧啶）替換為U（尿嘧啶），轉(zhuǎn)錄功能很容易使用Python字符串的replace（old，new）方法來實(shí)現(xiàn)：

生物學(xué)上需要對(duì)一條DNA鏈做某些統(tǒng)計(jì)分析，比如需要記錄核苷酸中A（腺嘌呤），G（鳥嘌呤），C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）堿基的個(gè)數(shù)，可以采用for?in循環(huán)來統(tǒng)計(jì)出一條DNA鏈中核苷酸的個(gè)數(shù)：

以上都是通過生物信息學(xué)知識(shí)來講解Python程序設(shè)計(jì)的實(shí)例，可以看出Python語句簡(jiǎn)單易懂，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來說難度較小。這些程序?qū)嵗粌H結(jié)合了專業(yè)知識(shí)，而且由淺入深地使用了Python程序設(shè)計(jì)語言的基本語句和語法結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握程序設(shè)計(jì)在生物信息領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步培養(yǎng)通過編程來解決問題的理念和能力。

3教學(xué)效果分析

將Python程序設(shè)計(jì)引入“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中，特別是以圍繞解決生物信息學(xué)的專業(yè)問題來設(shè)計(jì)的Python程序設(shè)計(jì)實(shí)例，提高了非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，增加了教與學(xué)雙方的互動(dòng)。通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查———共發(fā)放和收集了108份問卷，問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，88%的學(xué)生之前沒學(xué)過任何程序設(shè)計(jì)語言;3.7%的學(xué)生以前接觸過Python程序設(shè)計(jì);78.7%的學(xué)生認(rèn)為能在學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)的編程中幫助自身增加和鞏固生物信息學(xué)中的一些專業(yè)知識(shí);69.4%的學(xué)生對(duì)用Python程序設(shè)計(jì)來解決生物信息學(xué)中的問題（如DNA鏈互補(bǔ)、核苷酸計(jì)數(shù)等）感興趣;88%的學(xué)生覺得有必要在“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中引入Python程序設(shè)計(jì)知識(shí)為將來的生物信息類專課程學(xué)習(xí)或更進(jìn)一步學(xué)習(xí)編程做鋪墊。

用專業(yè)問題進(jìn)行實(shí)例化來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)，從基本語句開始、到逐步深入的程序結(jié)構(gòu)和控制以及問題的解決，對(duì)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)有很大的幫助。這種圍繞專業(yè)知識(shí)問題來學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，能有效提升學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和問題求解能力，也更能體現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科和生物學(xué)科之間的學(xué)科交叉和相互貫通。

4結(jié)束語

因程序設(shè)計(jì)自身具有邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合作為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)思維能力的課程，適合學(xué)生依托程序設(shè)計(jì)來解決專業(yè)問題，培養(yǎng)和提高自身的創(chuàng)新能力。在生物專業(yè)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中加入程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，并以Python程序設(shè)計(jì)圍繞專業(yè)知識(shí)進(jìn)行實(shí)例化編程的教學(xué)更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，能更好地理解程序設(shè)計(jì)如何具體解決本專業(yè)的問題，能培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)來解決問題和處理問題的理念和能力。但是由于課時(shí)限制，也有少數(shù)學(xué)生反應(yīng)學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)有困難，這個(gè)問題可以在以后的教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度中加以調(diào)整來解決，或在后期通過單獨(dú)的Python程序設(shè)計(jì)選修課來解決。雖然本文是通過Python程序設(shè)計(jì)為生物信息學(xué)人才培養(yǎng)進(jìn)行的探索和實(shí)踐，但也希望可作為“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程在其他專業(yè)人才培養(yǎng)中的一個(gè)參考與借鑒。

作者簡(jiǎn)介：

張帆，男，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)教育、教育技術(shù)。