计算机科学与生物学精选(五篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的5篇计算机科学与生物学，期待它们能激发您的灵感。

篇1

关键词:生物信息学;计算机科学;教学模式

生物信息学是生物学、数学和计算机科学交叉所形成的一门新兴学科,它主要运用信息科学和计算机手段,通过数据分析和处理,揭示海量数据间的内在联系和生物学含义,进而提炼有用的生物学知识。当前,生物信息学教学还没有完善的教学模式,如何在高校进行生物信息学教学亟需探索。

进入21世纪,生物学的重点和潜在的突破点已经由20世纪的试验分析和数据积累,转移到数据分析及其指导下的试验验证上来。生物信息学作为一门学科被广泛研究的根本原因,在于它所提供的研究工具对生物学发展至关重要,因此成为生命科学研究型人才必须掌握的现代知识。今天的实验生物学家,只有利用计算生物学的成果,才能跳出实验技师的框架,做出真正创新的研究。现在基因组信息学和后基因组信息学资源已经成了地球上全人类的共同财富。如何获取和利用基因组和后基因组学提供的大量信息,如何具备享用全人类共有资源的能力,成了当今世纪生命科学学生必须掌握的基本技术和知识以及必须具有的初步能力。在信息学院中开设生物信息学应该有别于生物专业和物理、化学专业的学生,侧重于与计算机科学关系紧密的内容进行讲解。本文主要讨论在信息学专业中开设生物信息学的内容、教学方法[1]。

1国内生物信息学研究与教学现状

作为计算机科学和数学应用于分子生物学而形成的交叉学科,生物信息学已经成为基因组研究中强有力的必不可少的研究手段。在我国,生物信息学随着人类基因组研究的展开才刚刚起步,但已显露出蓬勃发展的势头。许多科研单位已经开始或准备开始从事这方面的研究工作。北京大学研究建立起一个EMBL的镜像数据库,并提供数据检索服务[2-3]。

在复旦大学遗传学研究所,为克隆新基因而建立的一整套生物信息系统也已初具规模。中科院上海生化所、生物物理等在结构生物学和基因预测研究方面也有相当的基础,中科院计算所作为我国计算机科学的顶尖机构,利用自身优势,也开始在生物信息方面投入大量的人力物力,从事相关的研究。另外清华大学生物学院与信息学院、中国科技大学生物学院、浙江大学也有相应的研究小组。有许多学校还增设了生物信息学的本科专业与二级学科的硕士、博士点。

在当前生物学信息呈爆炸性增长的背景下,急需要对这些数据进行分析、归类与重组,发现新线索、新现象和新规律,用以指导实验工作的设计。生物信息学的建设显得尤为紧迫,关键在于:1)加强相关学科之间的协作;2)加速培养一批在数学、物理、信息科学、计算机科学以及分子生物学方面均有造诣的跨学科青年人才。这样的人才在当前全世界都十分缺乏。我们如能充分发挥现有人才和单位的潜力,优势互补,相互协作,边做课题边培养研究生,进而在某些有条件的大学里设置生物信息学专业,就能迎接21世纪的挑战。

2生物信息学教学模式初探

2.1在计算机专业中开设生物信息学课程的几个问题

缺乏合格的生物信息学师资,教师队伍的整体数量和质量与我国生物信息学教育快速发展的规模极不相称。

对生物信息学专业人才培养的认识各异,造成课程设置不合理。事实上,国外在生物信息学专业的课程设置方面也缺乏成功的经验,围绕“哪些是生物信息学专业的必修课程”和“生物信息学专业的研究生需要哪些背景”之类的问题争议颇多。

生物信息学教育与其他专业的合作还有待加强。尽管生物信息学是一门新兴学科,但与其他专业之间存在许多联系。如生物信息学与统计学的关系极为密切,如能整合统计学教学资源,势必提升生物信息学教育水平。

在教学方法上,生物信息学仍沿用“以教师为中心,以课堂为中心,以教材为中心”的传统教学模式。重视系统知识的传授和授课计划的完成,忽视学生能力和素质的培养。理论教学与实验教学缺乏有机整合,实验教学只是以验证理论为目的,内容单一,无创新点,忽视了学生实际操作能力和创新能力的培养。

教学中还缺乏适合的理论和实验教材。近来,尽管生物信息学书籍呈快速增长的趋势,已不下百种,其中授权影印国外原版教科书和翻译书籍仍占主导地位。

2.2生物信息学教学模式的改进方法

借鉴其他学科成功的教学模式,结合生物信息学课程特点,采用新的教学模式势在必行。

2.2.1知识定位为中心,引入探究式教学方法

生物信息学既有较深的理论性知识,又有较强的实验技能,它涉及生物学、计算机技术、数学等方面的知识。因此,学校需针对培养目标与要求,制订具有专业特色的教学大纲,在教学内容上作合理的调整与优化。其教学过程大致分为三个步骤:(1)确立教学目标。目标可以由教师设定,可以是学生感兴趣的内容。(2)进行分组。对一个崭新事物的认识单靠个人的力量往往难以全面兼顾,需要集体的智慧,由小组成员围绕指定的问题进行讨论,最后由指导教师进行总结,对同学的讨论情况做出点评,并提出改进意见。

2.2.2整合理论教学与实验教学,提高学生综合素质

通过生物数据库的使用,提高学生处理生物信息的能力。由于大型服务器和计算机的参与,分子生物学对生物分子(主要是核酸和蛋白质)研究工作的效率大大提高。到目前为止,生物学数据库总数已达500个以上,在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等;在蛋白质一级结构方面有SWISS-PROT、PIR和MIPS等;在蛋白质和其他生物大分子的结构方面有PDB等;在蛋白质结构分类方面有SCOP和CATH等,各数据库均通过Internet提供多种形式的数据检索服务。

2.2.3充分利用现代化教育技术,采用启发式教学

目前,高等院校在教室内配备的多媒体投影播放系统促进了多媒体教学的广泛应用。生物信息学采用多媒体教学是与学科特点相适应,有利于提高教学效果。作为生物信息学教学的基本模式,多媒体教学使讲解的内容更加直观形象,尤其是对于具体数据库的介绍以及数据库检索、数据库相似性搜索、序列分析和蛋白质结构预测等内容涉及的具体方法和工具的讲解,可以激发学生的学习兴趣,加深学生对知识的理解和掌握,提高学生实践能力。同时,由于生物信息学依赖于网络资源和互联网上的分析工具和软件,教室内的多媒体计算机连接到互联网,可以极大地提高教学效果。但在实际教学中发现,多媒体教室也有局限性,学生主要以听为主,不能及时实践,教师讲解与学生实践相脱节,如果将生物信息学课程安排在计算机房内进行,并采用多媒体电子教室的教学方式,就可以解决上述问题。在教学中采用启发式教学,可为学生建立教学情景,学生通过与教师、同学的协商讨论、参与操作,能够发现知识、理解知识并掌握知识[4-5]。

3结语

现代生物技术将在21世纪迅速发展,为了跟上科学技术发展的步伐,在计算机专业中开设生物信息学课程是非常有必要的,也是有远见的。

随着生物信息学的快速发展,各种生物学数据信息,呈爆炸性增长,而计算机是有史以来最好的数据处理平台。因此,在计算机专业中开设生物信息学课程是非常迫切的。通过生物信息学课程的学习,使学生提高了生物信息处理的基本能力,对培养复合型、交叉型人才,提高毕业生综合素质进而提高就业竞争力具有积极意义。

参考文献:

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Establishment and Practice of Setting up Bioinformatics Curriculum in Computer Specialty

YU Xiao, SUN Hong-min

(Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

篇2

【摘要】 【目的】 原核克隆及表达华支睾吸虫乳酸脱氢酶(CsLDH)两个表位aa10-20(E10-20)及aa94-102(E94-102)，初步研究两表位与CsLDH免疫学及酶学相互关系。【方法】 将E10-20及E94-102克隆至pGEX-4T-1载体，表达纯化重组蛋白，用Western Blotting和间接ELISA法检测CsLDH免疫血清对表位重组蛋白的识别，同时检测两表位重组蛋白的免疫血清对CsLDH蛋白的识别;利用CsLDH标准酶活性反应体系，比较两表位免疫血清与CsLDH免疫血清对CsLDH催化丙酮酸还原成乳酸反应的影响。【结果】 成功构建pGEX-4T-1-E10?鄄20及pGEX-4T-1-E94-102重组质粒，SDS-PAGE鉴定表达的重组蛋白，菌体裂解液经亲和层析纯化，获得与GST融合表达的蛋白E10-20及E94-102。两表位重组蛋白均可被CsLDH免疫血清识别，而对E94-102更易于识别;重组CsLDH也能被E10-20及E94-102免疫血清识别，而不能被对照血清识别。E94-102免疫血清能抑制CsLDH催化丙酮酸还原成乳酸的反应。【结论】 表位结构和功能研究深化了对CsLDH结构的理解，并为开辟CsLDH疫苗研究新路径奠定基础。

【关键词】 华支睾吸虫; 乳酸脱氢酶; 表位

Abastract： 【Objective】 To clone and prokaryotically express the two epitopes aa10-20(E10-20) and aa94-102(E94-102) of CsLDH from Clonorchis sinensis， then to study the relationship between the two epitopes and CsLDH basically. 【Methods】 E10-20 and E94-102 were cloned to pGEX-4T-1 vector， then the recombinant protein were expressed and purified. CsLDH immunized sera was used as the first antibody， two epitopes were identified by Western blotting and IgG-ELISA analysis. E10-20 and E94-102 immunized sera was used as the first antibody， CsLDH was identified by the same methods above. Enzyme activity of recombinant CsLDH was assayed in the standard reaction system by adding different dilution sera. 【Results】 The recombinant plasmids pGEX-4T-1-E10-20 and pGEX-4T-1-E94-102 were constructed successfully. The expression products and purified ones were identified by SDS-PAGE. Western blotting and ELISA both showed that the CsLDH immunized sera could identify the two epitopes and E94-102 more easily. Epitopes immunized sera both could identify CsLDH by Western blotting and ELISA analysis. E94-102 immunized sera could inhibit the CsLDH enzyme activity as the CsLDH immunized sera could do. 【Conclusion】 Construction and function of the two epitopes helps to understand the construction of CsLDH and supply new methods to the vaccine study of the CsLDH.

华支睾吸虫病是由华支睾吸虫囊蚴感染宿主所引起的一种人兽共患寄生虫病。本实验室近年来开展对于华支睾吸虫功能基因组研究，表膜蛋白在疫苗研究中的价值初显[1-3]。我们对华支睾乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase from Clonorchis sinensis，CsLDH)的研究中，发现此酶能表达在华支睾吸虫表膜上，且该酶分子为厌氧代谢的关键酶分子，因而其结构与功能特点使其很有可能成为一个有价值的疫苗候选分子[4-5]。表位是蛋白质抗原性的基础，深入研究蛋白质的表位对蛋白质的结构和新型疫苗分子的设计具有重要价值[6-8]。我们运用Pcgene软件分析获得CsLDH的3个重要的表位：aa10-18，aa12-20和aa94-102。aa10-18和aa12-20为连续的亲水线性表位，遂命名为E10-20;aa94-102则命名为E94-102;理论预测E94-102位于膜外区，三维空间上构成一个抗原结合环，Arg102为CsLDH催化中心中3个必须氨基酸之一。我们推测针对该表位的抗体可能对CsLDH的结构与功能产生影响[4]。作者经人工合成E10-20及E94-102基因序列，将其克隆至pGEX-4T-1载体，使短肽表达在GST蛋白末端，与原核表达的CsLDH进行对比研究，探讨CsLDH结构特征及线性表位对于CsLDH功能的影响。

1 材料和方法

1.1 材 料

大肠杆菌DH5α/DE3、BL21/DE3由本室保存;原核表达载体pGEX-4T-1购自Pharmasis公司，由本实验室常规保存。清洁级雄性SD大鼠由中山大学实验动物中心提供。

1.2 试 剂

BamHⅠ、XhoⅠ和T4DNA连接酶购自Promega公司;质粒提取和凝胶回收试剂盒为北京赛百盛公司产品;弗氏完全佐剂、弗氏不完全佐剂、丙酮酸(pyruvate)、和还原型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)均为Sigma公司产品;PVDF膜为Millipore公司产品;HRP标记的山羊抗大鼠IgG(H + L)、DAB显色试剂盒为武汉博士德生物工程有限公司产品。

1.3 方 法

1.3.1 目的基因获取

根据表位DNA序列及克隆载体pGEX-4T-1多克隆酶切位点设计目的基因。E10-20，P：5′-gatccCCAGCTGATGCTAGATCTCGC CCGAGGACGAAGTAAc-3′;N：5′-tcgagTTACTTCG TCCTCGGGCGAGATCTAGCATCAGCTGGg-3′;E94-102，P： 5′-gatccGCTCGTCAGAATGAAGGAGAATCCAG GTAAc-3′;N：5′-tcgagTTACCTGGATTCTCCTTCAT TCTGACGAGCg-3′;其中，P：5′端下划线所示序列为BamHⅠ限制性核酸内切酶所识别序列(gatccg)经该酶酶切后序列，P：3′端下划线所示序列为XhoⅠ限制性核酸内切酶所识别序列(gtcgag)经该酶酶切后序列;N：5′及N：3′为P：3′及P：5′序列的互补序列。以上基因序列均由上海英骏生物技术有限公司合成。将合成的各单链稀释成1 nmol/mL，相应的正反两链等体积混合，室温放置2 h后，4 ℃放置30 min，自然退火。

1.3.2 pGEX-4T-1-E10-20及pGEX-4T-1-E94-102重组的构建及鉴定

将pGEX-4T-1质粒用BamHⅠ和XhoⅠ限制性核酸内切酶酶切回收，经T4DNA连接酶与目的基因连接，转化DH5α/DE3感受态细胞，氨苄青霉素初筛克隆，挑克隆提取质粒DNA，送上海英骏生物技术有限公司测序。

1.3.3 E10-20及E94-102 原核小量表达

将测序阳性质粒转化BL21/DE3感受态细胞，氨苄青霉素筛选克隆，挑取单菌LB培养基中增菌，37 ℃，250 r/min(r = 12 cm)，培养18 h。取50 ?滋L增菌液接种至5 mL LB培养基中，当吸光度在0.5时，加入IPTG至终浓度为1 mmol/mL，37 ℃，250 r/min，诱导表达5 h，15% SDS-PAGE分析表达蛋白。

1.3.4 E10-20及E94-102 原核大量表达与纯化

依小量表达条件进行大量表达，离心收集菌液，加入裂解缓冲液适量，超声破菌，离心取上清液，0.45 μL滤膜过滤，将样品加入平衡好的GST结合树脂中，亲和层析法纯化蛋白，收集洗脱液，用4 × SDS-PAGE上样缓冲液处理样品，行15%SDS-PAGE分析纯化蛋白。

1.3.5 免疫血清的获取

依文献所述方法[9]纯化CsLDH蛋白，用Bradford[10]测定E10-20、E94-102和CsLDH蛋白浓度，免疫SD大鼠，皮下注射，0.2 mg 第1周，初次免疫;0.1 mg 第2周和第3周，加强免疫，制备抗血清，对各抗体进行初步纯化，间接ELISA法测定各自抗体滴度。

1.3.6 CsLDH抗血清对E10-20及E94-102的识别;E10-20及E94-102抗血清对CsLDH的识别

均采用Western blotting法和间接ELISA测定，一抗为各抗血清(Western blotting和间接ELISA浓度为别为：1：100和1：50)，二抗为HRP标记的抗大鼠抗体(两方法所用浓度分别为：1：2 000和1：20 000)。

1.3.7 CsLDH、E10-20及E94-102免疫血清对重组CsLDH催化丙酮酸还原成乳酸酶活性的影响

重组蛋白酶活性测定参照文献方法[11]。CsLDH催化丙酮酸还原为乳酸的标准反应体系为：10 mmol/L丙酮酸、0.5 mmol/L NADH和100 mmol/L Tris-HCl缓冲液(pH 7.0)。将免疫血清CsLDH、E10-20、E94-102、GST免疫鼠血清以及阴性大鼠血清与CsLDH分别以4：1、2：1、1：1、1：2、1：4、1：8、1：16比例混合，37 ℃水浴中孵育1 h，冰浴终止反应。分光光度法测定340 nm处吸光度的变化，实验至少重复3次，统计学软件分析试验结果。

2 结 果

2.1 重组质粒的鉴定和纯化

挑取阳性菌，提取质粒，送测序，证实重组质粒克隆成功。将重组质粒转染BL21/DE3感受态细胞，诱导表达SDS-PAGE分析显示在分子质量25.0 ～ 35.0 ku处均出现一条明显条带。pGEX-4T-1本身表达GST为26.0 ku，BamHⅠ与XhoⅠ之间的氨基酸的大小与接入的E10-20和E94-102的分子质量大小均约为2.0 ku，而GST末端被E10-20和E94-102片段所替代，而替代的片段分子质量预测为3.24 ku，所以融合后表达的蛋白比GST本身的分子质量略小，纯化蛋白如第6、10泳道所示(图1)。

2.2 Western blotting反应性鉴定

Western blotting鉴定结果显示，CsLDH抗血清既能识别E10-20蛋白，也能识别E94-102蛋白，而GST蛋白不能被识别。第5泳道和第6泳道显示CsLDH免疫血清与E94-102蛋白反应更为明显(图2)。表位抗血清对CsLDH蛋白的识别结果显示，E10-20及E94-102抗血清均能识别CsLDH蛋白，而E10-20抗血清更易识别该蛋白(图3)。

2.3 ELISA免疫反应性鉴定

ELISA结果显示，CsLDH免疫血清能特异性识别E10-20和E94-102中的表位序列，且CsLDH免疫血清对E94-102中表位的识别能力要强于对E10-20中表位的识别。同样，E10-20与E94-102血清中的表位抗体能识别CsLDH蛋白(图4、5)。

2.4 CsLDH、E10-20和E94-102免疫血清对重组CsLDH催化丙酮酸还原成乳酸的作用

经初步纯化的CsLDH大鼠免疫血清以PBS倍比稀释，在稀释度为1：2 560～1：2时对CsLDH催化的丙酮酸还原成乳酸酶活性的抑制率保持在80% ～ 60%范围当内;在增加血清的体积时，其酶的活性直线下降，至2倍体积时，酶活性抑制基本达100%;阴性对照组，对酶活性基本无明显抑制作用(图6)。

经初步纯化的E10-20、E94-102免疫鼠血清，与CsLDH大鼠免疫血清作相同比例稀释，结果显示E94-102免疫鼠血清在1：16 ～ 4：1之间酶活性成梯度下降，在4倍体积于CsLDH时，酶活性抑制达到80%，再增加血清量，抑制率不再增加，E10-20免疫鼠血清则对CsLDH酶活性没有明显的抑制作用(图7)。

3 讨 论

E10-20和E94-102两个表位氨基酸序列长分别为11 aa和9 aa，在三维空间中均表现为CsLDH分子表面的线性结构[4]。pGEX-4T-1载体表达的GST其末端为游离线性末端。本实验研究将E10-20和E94-102克隆入pGEX-4T-1载体，在目的基因序列后加入TAA终止密码子，连接在GST下游末端，实现各表位与GST的融合表达。

CsLDH抗血清对E10-20及E94-102的识别，E10-20及E94-102抗血清对CsLDH的识别，Western blotting和ELISA实验结果的一致性表明此两种表位均为CsLDH线性结构。纯化的CsLDH抗血清当中存在针对这两个表位的特异性抗体成分，而针对E10-20表位所产生的特异性抗体对CsLDH有更强识别能力。E10-20及E94-102免疫大鼠血清中所产生的针对E10-20的特异性抗体和E94-102特异性抗体均能识别CsLDH，且E10-20的特异性抗体更易于识别CsLDH。分析其原因主要是E10-20中实际是含有两个强亲水性表位，两个线性表位与CsLDH本体反应比单一线性表位与本体反应要强。CsLDH的免疫血清中的特异性抗体通过与CsLDH表面的线性表位结合，影响CsLDH的催化功能。以来自于CsLDH的特异性表位E94-102的免疫血清进一步证实了上述结果的推测。Arg102 是酶活性中心的关键氨基酸，特异性抗体与酶活性中心的位点结合，Arg102不能正常行使在酶促反应中的功能，从而影响了整个酶的活性，在宏观上表现为酶促反应受到明显的抑制作用。CsLDH的表位抗体能识别天然的CsLDH，血清活性抑制实验结果均提示我们对于94 ～ 102 aa序列的研究有利于疫苗和新药的设计和研究。

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关键词： 离散数学 计算机科学 数据结构

离散数学是计算机应用必不可少的工具，例如数理逻辑在数据模型、计算机语义、人工智能等方面的应用，集合论在数据库技术中的应用，代数系统在信息安全中的密码学方面的应用，图论在信息检索、网络布线、指令系统优化等方面的应用。

1.离散数学与其他课程的关系

1.1离散数学与数据结构的关系

离散数学与数据结构的关系非常紧密，数据结构课程描述的对象有四种，分别是线形结构、集合、树形结构和图结构，这些对象都是离散数学研究的内容。线形结构中的线形表、栈、队列等都是根据数据元素之间关系的不同而建立的对象，离散数学中的关系这一章就是研究有关元素之间的不同关系的内容；数据结构中的集合对象及集合的各种运算都是离散数学中集合论研究的内容；离散数学中的树和图论的内容为数据结构中的树形结构对象和图结构对象的研究提供很好的知识基础。

1.2离散数学与数据库原理的关系

目前数据库原理主要研究的数据库类型是关系数据库。关系数据库中的关系演算和关系模型需要用到离散数学中的谓词逻辑的知识；关系数据库的逻辑结构是由行和列构成的二维表，表之间的连接操作需要用到离散数学中的笛卡儿积的知识，表数据的查询、插入、删除和修改等操作都需要用到离散数学中的关系代数理论和数理逻辑中的知识。

1.3离散数学与数字逻辑的关系

数字逻辑为计算机硬件中的电路设计提供了重要理论，而离散数学中的数理逻辑部分为数字逻辑提供了重要的数学基础。在离散数学中命题逻辑中的连结词运算可以解决电路设计中的由高低电平表示的各信号之间的运算以及二进制数的位运算等问题。

1.4离散数学与编译原理的关系

编译原理和技术是软件工程技术人员很重要的基础知识，编译程序是非常复杂的系统程序，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成、依赖机器的代码优化7个阶段。离散数学中的计算模型[2]这一章的语言和文法、有限状态机、语言的识别和图灵机等知识点为编译程序中的词法分析和语法分析提供了基础。

2.离散数学在计算机学科中的应用

2.1数理逻辑在人工智能中的应用

人工智能是计算机学科中一个非常重要的方向，离散数学在人工智能中的应用主要是数理逻辑部分在人工智能中的应用。人类的自然语言可以用符号进行表示。语言的符号化就是数理逻辑研究的基本内容，计算机智能化的前提就是将人类的语言符号化成机器可以识别的符号，这样计算机才能进行推理，才能具有智能。由此可见数理逻辑中重要的思想、方法及内容已贯穿人工智能的整个学科。

2.2图论在数据结构中的应用

离散数学在数据结构中的应用主要是图论部分在数据结构中的应用，树在图论中具有重要的地位。树是一种非线性数据结构，在现实生活中可以用树表示某一家族的家谱或某公司的组织结构，也可以用它来表示计算机中文件的组织结构，树中二叉树在计算机科学中有着重要的应用。二叉树共有三种遍历方法：前序遍历法、中序遍历法和后序遍历法。

通过访问不同的遍历序列，可以得到不同的节点序列，通常在计算机中利用不同的遍历方法读出代数表达式，以便在计算机中对代数表达式进行操作。

2.3集合论在数据库系统理论中的应用

集合论是离散数学中极其重要的一部分，它在数据库中有广泛的应用。我们可以利用关系理论使数据库从网络型、层次型转变成关系型，这样使数据库中的数据容易表示，并且易于存储和处理，使逻辑结构简单、数据独立性强、数据共享、数据冗余可控和操作简单。当数据库中记录较多时，集合中的笛卡儿积方便了记录的查询、插入、删除和修改。

2.4代数系统在通信方面的应用

代数系统在计算机中的应用广泛，例如有限机，开关线路的计数等方面。但最常用的是在纠错码方面的应用。在计算机和数据通信中，经常需要将二进制数字信号进行传递，这种传递常常距离很远，所以难免出现错误。通常采用纠错码避免这种错误的发生，而设计的这种纠错码的数学基础就是代数系统。

2.5离散数学在生物信息学中的应用

生物信息学是现代计算机科学中一个崭新的分支，它是计算机科学与生物学相结合的产物。由于DNA是离散数学中的序列结构，美国科学院院士，近代离散数学的奠基人Rota教授预言，生物学中的组合问题将成为离散数学的一个前沿领域。DNA计算机的基本思想是：以DNA碱基序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物学技术，在试管内控制酶作用下的DNA序列反应，作为实现运算的过程；这样，以反应前DNA序列作为输入的数据，反应后的DNA序列作为运算的结果，DNA计算机几乎能够解决所有的NP完全问题。

3.结语

现在我国每一所大学的计算机专业都开设离散数学课程，正因为离散数学在计算机科学中的重要性，可以说没有离散数学就没有计算机理论，也就没有计算机科学。所以，应努力学习离散数学，推动离散数学的研究，使它在计算机中有更广泛的应用。

参考文献：

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一、基本数据

本研究的数据来源于2010年6月至12月间“教育部学位与研究生教育评估工作平台”②所公示的申报计算机科学与技术硕士学位授权一级学科的农林高校申报书中的信息。申报书有严格的格式要求，本文以第一部分中的基本情况、第二部分中的学术队伍和第三部分中申报单位一级学科点的学科方向为研究样本数据。需要说明，2011年4月国务院学位委员会和教育部批准印发的学位办［2011］25号文中，根据《学位授予和人才培养学科目录（2011年）》，已将原计算机科学与技术学科目录中的“软件工程”新增为一级学科，在本文的分析中未考虑此变化。

二、学位点科研基地分析

在申报书的第一部分基本情况中，要求各申报高校列出学位授权点对应的国家（部、省）重点实验室（专业实验室、工程技术研究中心、工程研究中心、人文社会科学重点研究基地）。表1为参与申报的部分农林高校计算机科学与技术学科研究基地汇总，各农林高校所依托的实验室集中在农业信息学、农业信息化工程、数字农业工程领域，反映出了农林高校计算机科学与技术学位点资源设置的农林行业特色明显。

三、学术队伍设置分析

根据各高校申报书中现有在编人员信息，从年龄结构看，36岁~45岁占到63.5%，46岁~55岁占到23.5%，55岁以上所占比例比较小，这表明，中、青年科技人员是农林高校计算机科学与技术学科的主力军。从队伍建设的梯队上看,“老”、“中”“、青”结合的梯队合理。从学历结构看，农林高校“计算机科学与技术”学科学术队伍中具有博士学位的人员比例仍然偏小（图1），迫切需要年轻同志继续攻读博士学位。

四、学科研究方向设置分析

根据申报要求，各申报高校一级学科点的学科方向填写不少于4个，不超过6个。14所农林高校所设置的一级学科点的学科方向主要集中如下9个方向（图2）。

（一）计算机软件与理论主要致力于农业领域的软件理论和软件开发技术研究，着重面向农业领域计算机软件的设计、开发、维护，运用构件化的软件技术和智能决策技术，研究农业信息的智能化处理、分析、传输、管理和利用，以及智能决策软件的构造技术。

（二）计算机控制技术及应用以计算机检测与控制技术研究为核心，以农业应用为特点，致力于农业装备的检测控制、田间信息采集传输的研究。在面向现代农业信息监控方向，围绕传感网络的体系结构，信息采集，监控信息分析与处理，展开相应的理论与应用研究。

（三）计算机网络主要针对计算机网络应用于农业的特点，开展计算机网络相关支撑技术、计算机网络体系结构、网络协议实现、分布式计算的应用研究。主要包括：网络化的嵌入式系统，网络性能评估与优化计算，传感器网络，下一代网络中的分布对象计算模型，网络安全，网络建模与模拟，普适环境中的Web服务和上下文感知服务等有关理论和方法的研究。

（四）信息安全研究信息安全的基础理论方法和技术体系，主要包括：数字签名与身份认证，密钥管理，生物数据安全，安全协议与多方计算等。（五）智能信息处理着重于智能算法的理论、算法模型及其应用，在Web信息处理、模式识别、数据挖掘等方面结合农业与生命科学等学科的优势，开展智能技术在农林业上的应用研究。

（六）图形图像处理研究图形图像处理，信息可视化和人机交互技术，计算机视觉以及相关技术在农业信息化和自动化中的应用。主要包括：农作物与植物分类，农作物生长仿真，农产品的检测与分级，新型农业机械作业仿真等相关需求。

（七）农业信息化农业信息化研究方向是在农业科学研究信息化和辅助决策智能化过程中，为解决农业规划、决策、评价等研究工作对计算机软件提出的需求所形成的研究方向。

（八）数据库与数据挖掘结合农业生产、农村信息化等事业发展的需要，重点研究数据库实现新技术，嵌入式数据库与移动数据库，数据仓库与数据挖掘，信息检索与数据库等。数据挖掘研究方向主要研究数据挖掘的相关理论与技术，以及集成信息检索、模式识别、图形图像分析、空间数据分析、生物信息等方面的技术。

（九）嵌入式软件与系统结合农业院校的特点，培养以计算机技术为核心的嵌入式技术与应用人才，主要针对嵌入式技术在农业领域的应用展开研究，为区域经济和农业信息化服务。研究嵌入式系统软件开发平台，实现嵌入式系统的应用开发，利用嵌入式技术实现工业过程的控制以及基于嵌入式技术开发相关的产品。其他研究方向有：高性能计算与系统结构、光电信息与机器视觉、精准农业、多Agent系统、计算机算法研究、软件测试与智能系统、科学计算及算法设计、分布式系统理论，物联网技术及应用等。

五、学位点科研项目资助情况分析

科研项目数量和质量对于学位点科研水平意义重大。表2给出了农林高校计算机科学与技术学位点项目资助情况，分为5个标准：国家863/948计划项目，国家科技支撑计划项目，农业部星火计划/教育部项目，国家自然科学基金，省级自然科学基金/省教育厅项目。由表2可见，国家863/948计划项目有33项，占总资助项目的8.4%；国家科技支撑计划项目有26项，占总资助项目的6.6%；农业部星火计划/教育部项目有27项，占总资助项目的6.9%；国家自然科学基金有53项，占总资助项目的13.5%；省自然科学基金/省教育厅项目有252项，占总资助项目的64.5%。从立项项目主持单位来看,分布不均衡，14所农林高校存在一定的差别。从立项项目类型来看,国家级的重大项目、重点项目（国家863/948计划项目、国家科技支撑计划项目、农业部星火计划因其要求高、标准严,立项数量较低，省级自然科学基金/省教育厅项目数量较多。14所农林高校共承担了国家自然科学基金53项，通过科学基金网络信息系统ISIS③查询，14所农林高校所承担的国家自然科学基金资助项目的学科分布主要集中在计算机系统设计理论与技术（F020301）、计算机系统模拟与建模（F020102）和计算机软件（F0202）三个领域。从立项项目年度统计分析看，2004年承担8项,2005年承担6项,2006年承担7项,2007年承担7项,2008年承担5项，2009年承担15项；从立项项目总数来看,2009年后总体呈增长趋势,这与国家高度重视科技投入有关。

六、学科交叉融合情况分析

作为农林高校计算机科学与技术学科，在研究方向设置上，除了注重计算机科学与技术学科主体地位外，也力求体现与农业技术和生物技术高度融合的学科特色。福建农林大学2007年在生物学一级博士点下设立了生物信息科学与技术博士点和硕士点。应用计算智能理论，处理有关序列分析，蛋白质结构分析和预测，蛋白质功能预测，蛋白质相互作用和进化模型等问题，并构建相关软件分析平台。南京林业大学的林木生物信息学，依托林木遗传与生物技术省部共建重点实验室，完成了针对重要木本植物杨树的全基因组测定工作，其先进的海量数据处理设备为生物信息学研究提供了基础保障。湖南农业大学设置了生物信息处理研究方向，依托“湖南省植物激素与生长发育重点实验室”，重点研究生物计算科学及生物信息的获取、加工与分析。利用计算机、数学模型等方法分析和处理生物学数据，开发数据处理的算法和工具，对于理解复杂生命现象、新物种分类、药物靶点设计等领域具有重要的理论和实践意义。南京农业大学利用计算机科学与技术学科的数据库、数据挖掘、知识发现等的算法与技术，解决生物数据处理中产生的各种问题。华南农业大学开展了生物信息和生物计算研究，包括蛋白质分子对接，动物疫苗与兽药的计算机辅助设计等。山东农业大学的生物信息智能处理研究，重点在于DNA序列分析及其基因表达信号处理。其他农林高校在许多研究方向上也都涉及生物信息技术。

七、学科发展方向的建议

通过分析14所农林高校计算机科学与技术学位点的资源配置,从中可以看出,经过十余年的发展,我国农林高校计算机科学与技术学科有了长足的发展，新的学科增长点建议考虑如下方面：

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生物信息学；网络资源；计算机教学；改革；自主学习

【基金项目】国家自然科学基金资助项目(30860278，81160025)；

云南省中青年学术技术带头人后备人才资助项目(2011CI057)；

云南省教育厅重大专项(ZD2010007)；

昆明医学院教研教改项目（2011JY38）。

【作者简介】谢月辉，女，汉族，昆明医学院基础医学院计算机教研室讲师。

【通讯作者】孟照辉，教授，昆明医学院第一附属医院分子心血管研究室主任。

1.生物信息学及教学现状

生物信息学(Bioinformatics)是生命科学中一门新兴的前沿学科，是生物学、数学和计算机科学等学科交叉所形成的一门新兴学科。生物信息学综合利用计算机科学和信息技术，通过对海量生物学数据的处理和分析，揭示其中蕴藏的内在联系和生物学含义，进而提炼有用的生物学知识。生物信息学的一个重要内容是收集和整理生物学数据，开发生物学数据库，并提供相应的数据查询、处理和分析等服务。随着互联网的普及，这些数据库大多可以通过网络访问并下载。

伴随着上世纪九十年代计算机技术的迅猛发展，生物信息学已渗透到生物科学的每一个角落，成为生命科学和医学研究中的必然选择；因此，生物信息学的教学也日益重要。生物信息学实验教学以互联网为媒介，以计算机为工具，全部在计算机网络机房内完成。由于现阶段不同专业学科的教师之间缺乏交流与合作，很难满足生物信息学教学的需求，特别是在医学院校，生物信息学教学仍处于欠缺状态。

A.生物信息网络资源在计算机教学中应用的意义

是医学院校计算机教学进一步深化改革，适应新型医学人才培养的需要，在多年来医学院校计算机基础教育改革的探索与实践的基础上，我们对现今的医学院校计算机基础教育体系提出了新的想法和思路。随着计算机技术和互联网络应用的发展，能否培养出能够进行自我知识更新、具有强烈的现代信息意识并能够利用信息技术解决实际问题的新型医学人才，是摆在我们面前的一项重大研究课题。生物学数据量增长极为迅速，但生物数据资源的利用率却很不理想。在高校教学中，生物信息学尚未有完善的教学模式，在医学院校的教学中甚至处于欠缺的状态。将生物信息网络资源引入计算机教学当中，可充实计算机基础教育内容，培养学生自学和文献检索能力，提高学生的学习和研究兴趣及解决学习中碰到的实际问题，使学生在了解和掌握大学计算机基础的同时认识到计算机教学的目的性和实用性，以适应当前新型医学人才培养的需要。将生物信息网络资源的应用与计算机教学相结合是医学院校计算机教学中的重要课题，也是对计算机教学的一个挑战。

B.适应医学教育现代化的要求，推动医学教育的发展

近二十年来，生物学数据如潮水般涌现，并正以指数方式增长，但我们对相关数据的理解却十分有限。生物信息学是生物学和计算机科学交叉结合形成的新学科，它综合运用数学、计算机科学和信息技术等手段，通过生物信息的获取、处理、存储、分发、分析等来理解和阐明大量数据所包含的生物学意义。生物信息学的发展已经使生物学研究从传统的试验分析和数据积累转移到数据分析及其指导下的试验验证上来，因此，生物信息学将对医学教育、生命科学研究及医疗卫生事业的繁荣与发展产生重大影响。为赶上现代医学发展步伐，将计算机技术有效地应用到医学教育及科研领域中去已成为我国医学教育的一项战略任务。

目前，生物信息学教学条件尚不成熟，缺乏完善的教学模式；因此，如何在高校进行生物信息学教学亟需探索。在此，我们希望探讨在计算机教学中如何与生物信息学有机结合，更好地适应医学教育现代化的要求,推动医学教育的发展。

2.医学院校计算机教学中引入生物信息网络资源的具体实施方法

目前，医学院校计算机教学集中在大学一、二年级的一个学年，有些是在一个学期内完成，其教学内容主要由理论教学、实验教学和自主学习三部分组成，这三部分交替进行。值得注意的是，PBL(Problem-based Learming，也称作问题式学习)的教学方法在医学院校受到了推崇；它采用“以问题为导向的教学方法”和设计真实性任务相结合的教学模式，把学习设置于复杂的、有意义的现实问题中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力，真正达到医学计算机教学的目的。生物信息网络资源的应用教学正是基于这种方法完成，主要分为三步进行：

A.在教学的初期，首先提出生物信息学的学习计划

教师在计算机理论教学时向学生简要说明进行生物信息网络资源应用的学习计划：通过网络，自主学习了解生物信息学（教学初期开始，中期前完成）；由教师在机房讲解并做示范，然后由学生自行操作完成生物信息网络资源的应用（教学中期开始，可持续几周时间，在本科目考试前两周完成，提交报告）；教师评价学生的报告并给出成绩，此成绩占计算机学科成绩的一定比例。

在教学初期，指导学生通过网络自主学习并初步了解生物信息学的概念、发展等基本知识。在此过程中，可让学生以小班为单位通过电子邮件的形式把学习的进展情况反馈给老师，以检查和督促学生的学习。

B.在教学中后期进行具体的指导学习

教学内容包括问题设置以及具体操作流程；教学模式将结合分子生物学和基因工程等相关学科，建立以教学内容为核心的科研实验和学生标准化实验。主要由以下步骤组成——设置主题：给出一个待查询基因或蛋白质的英文全名或者代码；给出常用网址：包括常用数据库、文献和应用软件等；查询结果：指导学生如何从中获取所需信息数据；提交报告：内容包括使用的网站名，数据库版本及所获得的基因序列、氨基酸序列及编码等；教师作出评价。

C.让学生熟悉相关数据库及能从中找到并分析特定的数据是生物信息学教学的核心内容

随着大量生物学实验的数据积累，目前已有数以百计的生物信息数据库，如日本的DDBJ、欧洲的EMBL、SWISS-PROT和美国的GenBank、PDB均是国际上著名的一级核酸或蛋白质数据库，如何让学生了解一级数据库、掌握常用的二级数据库使用方法，针对医学生的特点一般而言，采用问题设置以及操作演示的教学方法让学生在较短时间内掌握最常用数据库的使用方法。具体方法如下：