刘 艳， 朱瑞新， 钱 洁， 曹志伟

（同济大学生命科学与技术学院，上海 200092）

数字化生物信息实践教学平台的构建和实践

刘 艳， 朱瑞新， 钱 洁， 曹志伟

（同济大学生命科学与技术学院，上海 200092）

生物信息学是一门知识量大、涉及学科广的交叉学科，由于该学科迅猛发展导致高校的生物信息课程教学处于探索阶段，还未形成一个完整的课程建设体系。为了能够让学生掌握好生物信息学相关知识，我院构建数字化生物信息学实验教学平台，整合以高速的网络、多媒体机房、网络服务器、高性能计算集群、专业教学软件为基础平台架构，开展生物信息学专业实践教学，构建稳定的数字化开放平台实验教学系统。通过数字化实践教学平台可以实现现代化生物信息教学管理模式，教师可以针对不同的学生个性特点因材施教，有利于建立良好的师生关系，有利于发挥学生学习自主性和能动性。因此构建数字化生物信息学实验教学平台对提高生物信息学实验教学质量和水平起到至关重要的作用。

生物信息;数字化;实践教学平台

0 引言

生物信息学是生命科学领域一门新兴并具有活力的交叉前沿学科，它以互联网为媒介，蛋白质和核酸数据库为载体，综合利用高等数学、生物统计学相关知识，建立各种计算分子生物模型，以计算机为工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义，进行生物信息的获取、处理、储存、分发、分析和解释等在内的所有方面［1］。它涵盖了生物化学、分子生物学、表观遗传学、生物统计学、生物物理学、微生物学、信息技术与计算机科学等多种学科知识，是将不同领域高度集中的一门学科。自2002年起，我国一些高等院校先后设立生物信息学专业，全国已经拥有生物信息学硕士、博士学位授予点达到18个，这也说明了我国生物信息学学科正在蓬勃发展中［2］。正是由于生物信息学的迅猛发展和该学科的综合性导致高校的生物信息课程教学处于探索阶段，还未形成一个完整的课程建设体系。生物信息教学主要包含理论教学和实践教学。实践教学也是本科教学的重要组成部分之一，包含了实验、实习、课程设计、毕业设计等多个方面，对培养学生构建扎实全面的知识基础、解决生物信息学分析问题的技能以及自主学习、独立思考、综合分析的能力和全面提高学生的综合素质具有重要意义，同时也是反映高校教学、科学研究和管理水平的重要标志。

作为一门知识量大、涉及学科广的交叉学科，生物信息学教学对不同的学科理论知识的学习提出了不同的要求。为了能够让学生更好的掌握生物信息学专业知识，各大高校在生物信息学教学方面进行了大量的理论研究和实践［3-11］。同济大学生命科学与技术学院在2009年设立生物信息学特色专业，并逐步在2008～2013年期间完成和升级生物信息学教学机房的建设和基于集群网格计算的大型仪器共享平台。结合我院在生物信息实践教学的经验基础上，对生物信息专业课程做了深入分析后，我们探索以整合信息技术与生物信息专业课程教学为基础创建数字化开放平台系统，不仅可以充分发挥学生学习自主性和能动性，加强师生间的互动交流，而且对提高生物信息学实验教学质量和水平起到至关重要的作用。因此构建数字化生物信息学实践教学平台是培养理论知识系统、具有更高实践能力的生物信息学人才的关键。

图1 数字化生物信息实践教学平台基础架构示意图

1 数字化实践教学平台的构建

生物信息实践教学要求高速稳定的互联网、高性能的计算机硬件以及功能强大的专业软件作为必备条件。因此在数字化生物信息学实践教学平台的基础架构上(见图1)，我们院在校园网络的基础上构建了以50个学生机实验平台和1套教师机的多媒体教学机房，1台FTP网络服务器和1套16个计算节点的高性能计算集群，将多媒体教学机房和FTP网络服务器和高性能计算集群通过校园网实现教学资源共享平台，教师或学生可在任何地点安全访问教学资源。

1.1 高速稳定的校园网

目前国内高校都已建立校园网，其中大部分为千兆主干带宽。我校校园网主干由5台华为8016组成，每幢大楼使用华为3526实现汇聚，由华为3026或2403接入用户。校区之间千兆互联，千兆电信公网出口，300MB教科网出口。根据网络发展趋势校园网络也将逐步升级到万兆网络，这些都为生物信息教学在高校开设提供了良好的网络基础。

1.2 多媒体教学机房

多媒体教学机房的教师机和学生机通过以太网通道互联，每台计算机独享百兆带宽。为充分发挥数字化生物信息实验教学的教育潜能，培养学生的动手操作和独立解决问题的能力，我院建立一套以Lan Star多媒体网络教学软件、网络控制软件和实时监控系统为管理基础的教学环境，这对建立师生互动的教学课堂对提高学生的实验兴趣、启发学生的科学思维、培养学生的动手能力起着重要的引导作用。

(1)Lan Star多媒体网络教学软件。教师机安装主控制端，学生机安装被控制端。教师机通过网络发送指令给学生机，学生机的被控制端通过网络把信息传递给教师机，通过这种方式来实现数字化实验教学课堂管理。

(2)网络控制软件和实时监控系统。教师机安装有聚生网管控制软件，实现对学生机的精确显示实时控制带宽和流量，可以通过设置禁用非教学相关的程序控制学生机电脑，比如禁用网络游戏、聊天工具等。多媒体教学机房安装实时摄影监控系统，远程监控室通过网络获取实时影像，一方面可以实时监控多媒体教学机房的安全情况，另一方面可以监控学生的操作电脑内容，协助教师管理课堂纪律，及时纠正学生的学习态度。

(3)计算机双操作系统。根据生物信息学专业课程教学的不同需求，计算机需要安装Windows和Linux两套操作系统。由于生物信息学实验课经常用计算机跑运算程序或搜索大量的数据库而Windows 7操作系统本身的CPU资源消耗比较大［12］，我们统一安装为Windows XP系统，Linux系统采用开源免费的桌面环境优越的Ubuntu系统［13］，计算机系统应用程序采用硬盘保护卡保护，也便于一旦计算机系统崩溃时利用网络克隆技术进行还原系统。

1.3 FTP网络服务器

生物信息教学FTP网络服务器采用性能稳定的IBM X3630机架式服务器，安装稳定的Redhat Linux 6.0操作系统，为生物信息专业课程配置了8TB硬盘容量，根据需要目前划定5TB容量作为开放的教育共享资源，师生可以在一定的权限下下载公共教学资源。FTP网络服务器针对教师提供后台管理帐户和密码，教师可以在后台进入相应课程目录进行信息管理工作，如教师上传电子讲义、电子书、多媒体和混合式的资料视频等优秀的学习资料共享给学生。另外，服务器提供教学互动讨论区，学生不但可下载各种专业课程的电子教案、课件等，还可上传电子作业、实验报告、知识疑问和创新实验设计方案等，便于学生通过网络预习和复习实验，为师生提供一个统一的教学资源获取、管理和服务平台。为了帮助学生提供一个安全、基于角色的访问渠道，FTP网络服务器为不同班级开设独立的学生账号，让学生安全使用教学资源。

1.4 高性能计算集群

高性能计算集群为学生在课堂外本科生开展创新实验和参与科研提供的实践平台。该套集群(见表1)理论浮点计算每秒达到1.9万亿次，包含1个管理和登录节点，16个计算节点，2个IO节点，2台48T存储，共提供184个核和600G内存的运算能力。

表1 高性能计算集群组成和功能

为保障本科生开展创新实验和参与科研的计算资源，在实际操作中应合理安排学生课内、外的学习与科研活动的时间，建立了本科生教学科研互动发展的模式。高性能多节点计算集群共享平台体现尊重学生的学习兴趣和科研创新意识，充分展示了以学生为主体，提高师生的科学素质，培养学生的科研创新能力。

1.5 功能强大的专业软件

为了让数字化实践教学平台发挥最大作用，必须正确选择实用的系统软件降低系统资源耗费，然后根据课程需要选择生物信息学专业应用软件。

(1)系统安全软件和办公软件。多媒体教学机房的计算机安装了数据和系统保护功能软件如杀毒软件卡巴斯基。为快速、有效地获得所需要的生物信息学信息，为进一步的学习与研究奠定基础的常用办公学习工具如微软的Office 2007系统、Adobe阅读软件等。

(2)数据传输软件。通过高性能计算集群计算产生的数据下载分析离不开传输软件。FTP和SSH是常用的文件传输协议，我们安装了常见的SSH客户端、FlashfXP、CuteFTP等。另外必须安装配置好Window和Linux扩展平台操作分析工具Crywin，利用Cygwin对常用的生物信息学数据分析软件如Sim4、Phred、EMBOSS、和 ClustalW 等进行重新编译计算［14］。

(3)图形处理软件。Windows下安装常用的Photoshop、Origin、分子画图软件 ChemOffice等，在Linux下常用的分子构造软件Gaussian View、蛋白质三维结构浏览软件VMD用来显示生物分子的微观立体结构，还可做出动画效果［15］.

(4)生物信息学专业分析软件。为满足生物信息学教学和本科生参与科研的需要，我们安装了60多个生物信息学软件，大部分为开源免费软件如Python、Tophat、R等，还有一部分商业软件如药物设计软件MOE、分子动力学模拟软件Amber和中药化学数据库TCMdb等，以及本校生物信息学科研课题组自主研发的软件，如 MACS［16］。

2 数字化实践教学平台的实践

2.1 建立数字化实践教学平台课程体系

目前我院在数字化实践教学平台上开设了19门生物信息学本科生专业课程，其中实验课主要包含生物信息学实验、机器学习理论与方法实验、计算基因组学实验等10门独立设课实验课，以及生物信息学算法与实践、分子进化等5门非独立设课实验，另外还有生物信息学、计算机药物与蛋白质辅助设计等理论专业课和系统生物学上机课。

2.2 开展数字化实践教学平台教学

开课前任课教师将实验课的所需的实验资料上传到生物信息学教学FTP网络服务器，学生可以通过学生专用的账号和密码在FTP网络服务器下载本节课所需的资料。为避免学生受到外界的干扰，教师利用Lan Star多媒体网络教学软件、网络控制软件和实时监控系统的教学环境控制学生上机行为，教师还可以利用Lan Star多媒体网络教学软件进行电子点名，学生的姓名显示在教师机，教师可以清楚了解学生上课的出勤率。

首先教师开启多媒体网络教学广播教学功能，为学生详细讲解本次实验的目的、要求、内容以及实验中需要注意的事项等内容，并帮助学生解答对实验提出的疑问。当学生了解实验目的和原理后，就可以让学生在计算机上利用互联网资源和已安装的生物信息学软件独立开展实验，并通过操作实验及时与教师就实验中的疑问等进行互动探讨和交流。教师在学生实验过程中，总结学生对实验进程的反馈，对实验过程中学生出现共性问题，可以利用广播教学或多媒体演示等形式及时解决学生实验出现的疑问。

最后教师留出一定的时间作为集体讨论和交流的时间，教师根据授课内容提出更深入的问题，学生通过互动交流、借助网络和图书馆电子资料等工具查阅资料来完善自己的解决方案。实验结束后学生递交实验报告上传FTP网络服务器，实验报告的完成要求学生要根据实验课的内容来查阅更多的文献资料回答教师提出的思考题，实验报告的书写要求学生梳理解决问题的思路，总结掌握的相关知识，锻炼学生的语言文字表达能力，提高学生的写作水平。同时学生还可以将课下的思考问题以及自己的创新实验设计上传至FTP网络服务器，方便与老师、同学互动交流探讨

对基础好的学生，允许在完成基本实验内容的基础上增加自选实验，如设计性、开放性实验、科研训练等，除了开展创新实验。本科生可以申请科研项目，或者参与生物信息课题组的科研项目来进一步的巩固学到的生物信息实验知识，对于课外实践和参与科研的本科生，可以申请高性能计算集群学生账号来开展实验和参与科研。目前高年级本科生大部分同学已拥有自己的账号在解决学习和科研遇到的问题。

2.3 数字化实践教学平台教学的特点

通过数字化实践教学平台教师可以针对不同的学生个性特点因材施教，实现个性化教学。比如教师在授课过程中，可以利用多媒体的网络教学软件的屏幕录制、回放等功能将机屏幕变化录制下来，同时可以记录教师机的声音制作成文件，可以反复播放给被选择的学生机，方便不能及时掌握的学生学习。但对于基础好的同学可以提出更深入的问题思考或者增加自选实验来深入学习。

通过数字化实践教学平台可以实现现代化生物信息教学管理模式，为学生营造一个绝佳的实验学习环境，也更有利于建立良好的师生关系。比如在学生实验过程中，教师可以随时掌握学生的实验情况，教师通过多媒体的网络教学软件的屏幕监看功能了解学生当前的实验状况，监督学生，并通过远程管理接管学生机，通过短消息单独文字交互，针对性地单独进行管理，不影响其他学生的正常实验状态。

这种开放性的、数字化的学习环境，使学生具有了与他人、与环境相互适应、交往和互动的机会，让数字化的教学环境可以进一步巩固和加深理解理论课学习的知识，还可以激发学生创新实验并将实验过程和其他同学、老师探讨，提高了学生学习的兴趣和人际交流的互动性。

3 结语

数字化生物信息学实践教学是生命科学教学的全新内容，是生物信息学教学不可缺少的组成部分之一。对生物信息学专业的学生来说，通过数字化实践教学平台，不仅可以学习基础的生物信息学数据分析方法，还可以将复杂的生物信息计算与数据处理提交到高性能计算集群上进行运算、处理;不但可以充分利用服务器资源，让学生学习高性能计算集群的系统结构与工作原理，开阔学生的视野，培养他们学习的兴趣和爱好，还能让学生参与一些科研项目，培养他们一定的独立发现和解决问题的能力。在今后的教学实践中，随着数字化技术日新月异的发展和教师能力的提升，数字化生物信息学实践教学平台将不断地完善和发展，对培养多学科领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

同济大学2013－2014年(两年)教学改革研究与建设项目(2000104047)

刘 艳(1983－)，女，山东枣庄人，硕士，实验员，主要从事生物信息学相关的教学和科研工作

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

曹志伟(1973－)，女，江苏徐州人，博士，教授，生命科学与技术学院教学院长。

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