深度 | 当新兴数据科学遇上传统生物学 ——生物信息学了解一下
深 度 专 题
关键词：生物信息学
随着数据获取手段和数据处理技术的不断改进，日益庞大的数据成为人们开发利用的新资源。而随着数据价值的凸显，数据科学在图像、音频、自然语言处理等方面的卓越应用成果不断涌现，越来越多的科学家开始认识到大数据的独特价值，并尝试对所研究领域的海量数据进行系统的汇总与挖掘。这其中又有一些教师充满热忱，希望让学生能与数据科学亲密接触、并在日后的工作学习中灵活运用。（北京大学）生命科学学院的高歌老师就是这样的一位老师，他与生命科学学院的魏丽萍老师联合教授的《生物信息学方法》，结合了线上慕课（MOOC）与翻转课堂，为来自全球各地的同学开启了崭新的领域。
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什么是生物信息学
谈到这个自己所研究探索的领域时，高歌老师提到：生物信息学就是一门利用信息技术等科学解决生物问题的学科。它的前期发展离不开一种新技术的开发，即一种能够高效存储、检索、分析海量生物医学大数据的新技术；但从长远来看，它最终追求的应是一种新方法、新思路，即基于数据整合的结果，自上而下产生新假说，发现新规律、新功能，并建立新的模型进行合理的预测。例如，新一代测序技术的广泛应用导致了组学测序数据爆炸性地增长，这就需要生物信息学开发相应的算法和软件对其进行有效的管控和分析；同时，这些数据的大量积累，也让生物信息学的挖掘算法能够拨云见日，有效地挖掘出其中的生物学规律，为后续的生物学研究提供有力的线索。
图为：生命科学领域庞大的数据量。
图源：高歌老师《生物信息学方法》课件
生物信息学目前还很年轻，其具体的研究流程也是众说不一。在高歌老师看来，生物信息学的研究可分为三个步骤：第一是建模，将生物学问题转化为计算机可以理解的问题；第二是计算，设定针对该问题的算法并进行计算；第三步是解释和分析结果，并进一步将结果拓展应用到实际问题上。
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从线下课程到线上慕课
2006年是《生物信息学方法》在北大开设的第一年，吸引了一百多位同学前来听讲。这其中除北大本校的学生之外，还有不少附近高校的学生。然而，选课系统规定的招收人数并不充裕，旁听的席位也因教室容量不足而捉襟见肘；于是，高歌老师开始思考，如何才能惠及更多想要了解生物信息学的人。一开始，老师尝试将课程资源上传到教学网，供大家免费使用。后来在2012年，时任北大校长的周其凤老师提出“加大力度建设网络公开课程”，鼓励教师开设慕课；同时，对海外慕课有充分了解的信息科学技术学院计算机科学技术系的李晓明老师，也建议高老师尝试线上慕课，让生物信息学能够接触到更多对其感兴趣的人。最终，经过一段时间的准备，2013年，线上慕课《生物信息学：导论与方法》（Bioinformatics: Introduction and Methods）正式在著名慕课平台Coursera上线，华文慕课平台也上线了相应课程。
图为：慕课平台Coursera及华文慕课平台上《生物信息学：导论与方法》课程的简介信息
虽然已经有线下教学的经历，但毕竟生物信息学对很多人来说都太过全新、以至于有些陌生，因此高歌老师曾担心慕课上线后是否会因此而无人问津。接受我们的采访时他笑言，当时自己曾与魏丽萍老师开玩笑说，“希望听课人数能从100人增加到150人。这样虽然绝对值增加不大，但相对值增加了50%，看起来也是成效显著了”。
然而最终的结果出乎两位老师的意料：课程上线后一周，听课人数已增至上千人，学期结束时更是达到了一万八千人之多；而且，由于课程采用中文讲授、英文课件的双语教学模式，其受众全球通吃——在Coursera平台上此课程的讨论区中，使用频率最高的三门语言依次为英语、汉语和葡萄牙语，课程学员的来源之广可见一斑。更让人感到惊喜的是，来听课的不只是在校学生，还有很多教师甚至资深的前辈也在平台上收听了该课程，来自国外的生物信息学领域的知名教授也来到此平台，与自己的同行交流互鉴。一时间，《生物信息学：导论与方法》成为独占鳌头的慕课热点课程，慕课形式取得了极大的成功，自2013年秋季首次上线以来，已获来自 145个国家/地区的十万三千余名学员选修，入选国家首批精品在线课程，相关成果获北京市高等教育教学成果一等奖暨北京大学教学成果一等奖。
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以线上慕课翻转线下课堂
在课程介绍及采访中，高老师均多次提到了“翻转课堂”这一概念，这是老师一直在筹备、并希望能付诸实施的一种教学方式，也是他改革《生物信息学方法》的重要动力。它是一种全新的教学形式——教师不再用课堂时间讲授书本知识，而是把课堂时间交给学生，让他们基于选定的项目或课题共同研究、从而在研究中学习知识；而需要教师传授的信息，则由学生在课外，利用自己的课余时间从慕课等资源自行获取。换言之，“翻转课堂”是一个个学习小组根据自己感兴趣的问题自行学习，形成组内课程，整个学习过程由研究驱动。在慕课《生物信息学：方法与导论》上线后，校内开设的《生物信息学方法》就有了翻转课堂的依托。高老师认为，课堂的宝贵时间不能浪费在传输没有太多建设性的知识上；如果能利用线上时间学习知识，线下课堂就能够更加从容地针对研究性思维、交流合作技巧等“软实力”进行训练，这些“软实力”不仅对于课程本身必需，更是作为高素质科研工作者的必要技能贯穿整个生物学科。
图为：在线下课程《生物信息学方法》上，同学们踊跃发言
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因材施教，精益求精
笔者在采访前，曾访问过Coursera平台，了解到《生物信息学：导论与方法》有很高的评分。但当笔者在采访中提及这一“好评”时，却被高歌老师很认真地纠正了——评分是所有评价的平均状态，因此，不代表所有的评价都是好评。
事实上，对于在校内开设的《生物信息学方法》而言，这门课程的评分就一直处在两极分化的状态。高老师认为，这种评分的缘由可能是因为这门课所注重的问题导向、研究驱动的学习方式并不适合每一位同学：对于喜爱独立思考研究的同学来说，这样的学习方式能够锻炼思维、提升能力，但对于另一些同学而言，这门课就会变成负担与ddl的 “不可承受之重”。不过，这两种学习方式没有高低之分，只是由于兴趣与天赋不同所致，所以我们也需要了解适合自己的学习方式后，再做出选择。同时，从任务量和完成难度来看，《生物信息学：导论与方法》绝不是水课，因此高老师也友情提醒，生物信息学不适合混学分哦！
（画外音：我们没有想混过去我们都是爱学习的好孩子啊——然后默默关掉了选课界面）
是否选课，是我们学生自己决定的事情，但是对于决定上这门课的学生，高歌老师都会尽量给予重视。《生物信息学方法》这门课看重学生的反馈，会通过问卷征集同学们的意见，并进行适当的调整。例如，曾经有同学反映，小组组员过多，大家的能力得不到充分展示；于是，高老师就增加组队量，减少组队人数。再如，某些同学反馈“课堂上教师点评时间太少”；于是，高歌老师就增加了讲授的时间，并且增加了对高难度部分的线下讲解和实践。这些改动让课程与同学们的需求结合更加紧密，从而收获了更好的评价。
图为：线下课程课后高歌老师为学生讲授相关问题
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再度出发
针对现在的慕课环境，高歌老师认为，不同的课程适合的授课风格不一定相同。《生物信息学：导论与方法》大受欢迎固然可喜，但不希望大家局限于既定框架之内，否则就违背了慕课本身选择多元化、风格多样化的本质。同时，对于课程以后的规划，高歌老师表示，现在的课程全名为《生物信息学：导论与方法》，讲授更多的仍是研究方法和知识；因此，将来会再推出“生物信息学2”。此课程已在筹备之中，且相比于目前的“生物信息学1”，它会更加专业、深入地探究该领域的相关问题。期待各位同学在课程上线时的热情参与！
编辑 | 冯思媛
撰稿、采访 | 武征宇、刘玉昕
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