歐陽勤，王懿，劉天渝

第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院 (重慶 400038)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及藥物化學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算化學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(Computer Aided Drug Design，CADD)成為一個(gè)快速發(fā)展的新興研究領(lǐng)域，并且已經(jīng)發(fā)展成為一門完善的綜合性藥學(xué)學(xué)科，它大大促進(jìn)了藥物設(shè)計(jì)和新藥開發(fā)的效率，并成為合理藥物設(shè)計(jì)中不可或缺的環(huán)節(jié)［1］。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)是專業(yè)性強(qiáng)，所涉及的內(nèi)容、方法及軟件更新很快，對基礎(chǔ)理論知識體系和實(shí)踐操作能力均有較高要求［2-4］。該課程理論知識與實(shí)踐運(yùn)用容易脫節(jié)，如何將理論知識生動(dòng)、形象地呈現(xiàn)給學(xué)生，并將理論與實(shí)踐相結(jié)合是教師教學(xué)過程中需要解決的問題。筆者在CADD課程教學(xué)過程中引入基于云計(jì)算的教學(xué)模式，不斷推進(jìn)CADD課程教學(xué)革新。

云計(jì)算是2007年第三季度才興起的新名詞。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)發(fā)布的云計(jì)算的初步定義是:云計(jì)算是一種服務(wù)模式，在這種模式下，用戶能夠方便地按需訪問網(wǎng)絡(luò)共享池中的可配置資源(如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用程序和服務(wù))［5］。我國云計(jì)算技術(shù)尚處于起步階段，眾多云計(jì)算、云服務(wù)的理念在教育領(lǐng)域的應(yīng)用模式和手段有待進(jìn)一步探索和加強(qiáng)［6-7］。

筆者在計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程教學(xué)中搭建云計(jì)算服務(wù)器，對利用云計(jì)算技術(shù)手段進(jìn)行課程改革的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹，并對在CADD教學(xué)過程中推行改革的幾點(diǎn)體會進(jìn)行總結(jié)。

1 基于云計(jì)算服務(wù)的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)教學(xué)構(gòu)架

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程教學(xué)主要的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)生物學(xué)、化學(xué)信息學(xué)、生物信息學(xué)等同信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)科，具有科學(xué)知識更新較快、應(yīng)用軟件發(fā)展較快、硬件平臺要求較高等特點(diǎn)，也具有藥物設(shè)計(jì)軟件投入大，教學(xué)硬件平臺建設(shè)費(fèi)用較高等問題［8］。因此，綜合利用云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢，整合利用計(jì)算資源，搭建計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程云計(jì)算軟件、硬件平臺，能夠有效降低學(xué)校基礎(chǔ)資源建設(shè)中巨大的軟、硬件成本。利用云計(jì)算教學(xué)平臺，只需要配置低能耗的網(wǎng)絡(luò)筆記本，就可以滿足信息化教學(xué)活動(dòng)，適應(yīng)當(dāng)今社會對低碳教育的要求。同時(shí)，云計(jì)算教學(xué)平臺能夠加速藥物設(shè)計(jì)相關(guān)知識更新速度，追蹤科學(xué)前沿，滿足個(gè)性化教學(xué)的實(shí)際需求，將理論知識和科研實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，能極大地提高學(xué)習(xí)效率［9］。

云計(jì)算在教育教學(xué)中的應(yīng)用，在某種程度上為我國教育領(lǐng)域注入了新鮮的血液，促進(jìn)了教育信息化的發(fā)展［10］。與信息化息息相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程中的實(shí)踐，是這一教學(xué)方法、教學(xué)模式的試點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)云計(jì)算教學(xué)的進(jìn)一步推廣和實(shí)踐。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程的教學(xué)特點(diǎn)以及云計(jì)算輔助教學(xué)平臺的具體要求，筆者按照以下方式初步搭建了云計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。

云計(jì)算平臺主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器和文件存儲服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)教學(xué)的核心內(nèi)容，是體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心核心原則的重要部分，主要涉及作業(yè)的提交和個(gè)性化教學(xué)模塊的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算服務(wù)器是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，筆者搭建了多節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器集群，集成了大型的藥物設(shè)計(jì)軟件平臺，為多個(gè)學(xué)員同時(shí)提供計(jì)算服務(wù)，主要包括同源比對、同源建模、分子對接等計(jì)算模塊。文件存儲服務(wù)器主要是保證學(xué)生能夠有效地訪問計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)各種相關(guān)資源。筆者將一些經(jīng)典的案例分析、課件、課后練習(xí)作業(yè)、各軟件的自學(xué)資料以及拓展學(xué)習(xí)資料儲存在文件存儲服務(wù)器上，并通過FTP的方式對學(xué)校內(nèi)網(wǎng)開放，使學(xué)員能夠通過校園網(wǎng)絡(luò)訪問各種教學(xué)資源。

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，教師主要是考慮實(shí)踐操作和理論知識的有機(jī)結(jié)合。其一，學(xué)員能夠通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向計(jì)算服務(wù)器提交計(jì)算任務(wù)，進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐操作，在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，進(jìn)而達(dá)到理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)相結(jié)合的目的。其二，搭建個(gè)性化輔助教學(xué)網(wǎng)站，學(xué)生可以同時(shí)登錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器網(wǎng)站，分別獨(dú)立完成相關(guān)的練習(xí)、作業(yè)，并通過網(wǎng)絡(luò)腳本的方式提交到計(jì)算服務(wù)器。網(wǎng)站也將記錄學(xué)生登錄、作業(yè)等情況，教師可以通過網(wǎng)站了解學(xué)生的學(xué)習(xí)、練習(xí)情況。目前，教研室已經(jīng)完成部分網(wǎng)站的建設(shè)，部分功能已經(jīng)通過學(xué)校內(nèi)網(wǎng)在教學(xué)中發(fā)揮作用。其三，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者FTP的方式訪問文件存儲服務(wù)器上的各種教學(xué)資源。在上機(jī)實(shí)踐過程中遇到問題時(shí)，能夠通過資料查找復(fù)習(xí)理論知識、解決實(shí)踐問題。學(xué)員不僅能夠在計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行課程學(xué)習(xí)及上機(jī)操作，課后也能夠通過個(gè)人電腦、筆記本、手機(jī)等終端通過校園網(wǎng)訪問云計(jì)算平臺，進(jìn)行個(gè)性化自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，研究生也可根據(jù)個(gè)人研究方向調(diào)整學(xué)習(xí)重點(diǎn)，開展實(shí)際課題研究工作。

除了云計(jì)算平臺之外，云服務(wù)輔助教學(xué)平臺對于信息化教學(xué)尤為重要。在課程具體實(shí)踐中，一方面通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)站提供云服務(wù)，主要是在網(wǎng)站中增加了留言、提問等模塊;另一方面，充分利用互聯(lián)網(wǎng)上已經(jīng)建立的云服務(wù)平臺，通過QQ、微信等社會化應(yīng)用軟件搭建云服務(wù)輔助教學(xué)平臺，加深師生之間的交流，及時(shí)解決計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的教學(xué)、科研問題。

2 云計(jì)算對計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程改革的實(shí)踐

筆者自2013年以來為藥學(xué)專業(yè)碩士研究生開設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程，整體課程為36學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)，上機(jī)課程12學(xué)時(shí)，主要涉及藥物設(shè)計(jì)的概念、意義、任務(wù)及應(yīng)用;藥物設(shè)計(jì)的基本原理;分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué);蛋白結(jié)構(gòu)及預(yù)測;計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)的方法;生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫;藥物ADMET預(yù)測等多個(gè)方面的內(nèi)容。2014年開始，筆者利用搭建的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)云計(jì)算平臺進(jìn)行課程改革和創(chuàng)新，嘗試了系列課程改革。

2.1 改革上機(jī)、理論課時(shí)順序

按照先理論后實(shí)踐的傳統(tǒng)課程模式，深?yuàn)W的理論知識與實(shí)際上機(jī)運(yùn)用容易脫節(jié)，在教學(xué)方法改革中，筆者嘗試通過改變課程順序，將理論課程與實(shí)踐課程交互進(jìn)行來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，現(xiàn)已經(jīng)取得了一定的效果。云計(jì)算平臺的構(gòu)架使得在進(jìn)行理論課學(xué)習(xí)的同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器穿插演示上機(jī)操作界面成為現(xiàn)實(shí)，而上機(jī)實(shí)踐課學(xué)生也能夠通過存儲服務(wù)器下載復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識。按照研究生課程安排，筆者每周課程有2課時(shí)，筆者將理論和實(shí)踐結(jié)合要求比較高的部分內(nèi)容，采取了理論和上機(jī)交互的授課方式，1課時(shí)理論，1課時(shí)上機(jī)實(shí)踐課程。如分子對接部分，每周在1個(gè)課時(shí)理論課程之后，學(xué)生在機(jī)房通過云計(jì)算服務(wù)器中基于Xshell的sybyl的遠(yuǎn)程窗口服務(wù)提交任務(wù)進(jìn)行1課時(shí)的上機(jī)操作，不僅提高對理論知識的學(xué)習(xí)效率，也理解了實(shí)際上機(jī)操作過程中的每個(gè)步驟的理論意義。

2.2 改革課程教學(xué)模式

云計(jì)算平臺的搭建，讓學(xué)生可以在校園網(wǎng)內(nèi)隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向計(jì)算服務(wù)器提交任務(wù)，使得教學(xué)模式的多樣性成為可能。因此，即采取了講授課程與項(xiàng)目討論課程并重的方式，筆者在《計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)》課程中安排了3次項(xiàng)目討論課程。第一次是分子對接項(xiàng)目討論課程，主要訓(xùn)練學(xué)生對分子對接基礎(chǔ)和實(shí)踐的了解。學(xué)生可自主在互聯(lián)網(wǎng)上選擇感興趣的蛋白單晶結(jié)構(gòu)，通過云計(jì)算服務(wù)器，進(jìn)行蛋白-小分子的對接操作，并將對接的結(jié)果用pymol或sybyl作圖，最后集中匯報(bào)和討論研究結(jié)果。第二次是案例討論課程，教師和學(xué)生分別就經(jīng)典藥物設(shè)計(jì)案例進(jìn)行講解、討論，教師對學(xué)生在理論、上機(jī)課程中遇到的問題，以及學(xué)生在實(shí)際科研訓(xùn)練中的問題進(jìn)行集中解答。第三次是獨(dú)立藥物設(shè)計(jì)項(xiàng)目討論，全體學(xué)生以兩人為一組，選擇合適的未報(bào)道單晶結(jié)的蛋白，進(jìn)行蛋白三維結(jié)構(gòu)的同源建模，再對100個(gè)小分子化合物進(jìn)行虛擬篩選，最后研究、討論對接方式、關(guān)鍵氨基酸殘基等，并將系列結(jié)果、操作、心得體會與全班學(xué)生進(jìn)行分享，在分享過程中，教師就其項(xiàng)目中涉及的理論開展深入探討。同時(shí)，筆者還邀請了兩位相關(guān)領(lǐng)域的專家對學(xué)生的項(xiàng)目匯報(bào)進(jìn)行指導(dǎo)。通過交互式的、項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方法，加深了學(xué)生對理論的理解和實(shí)踐操作能力。

2.3 基于個(gè)性化教育的課程改革

根據(jù)研究生具體的研究方向有針對性的布置作業(yè)，進(jìn)行項(xiàng)目研討，充分發(fā)揮學(xué)員自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。藥學(xué)是一個(gè)寬泛且具綜合性的大學(xué)科，在藥學(xué)這個(gè)大科目下，細(xì)分出多個(gè)專業(yè)的小領(lǐng)域的方向，如藥物化學(xué)、藥理學(xué)、藥劑學(xué)等等，目前研究生的培育模式是以研究生導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目研究進(jìn)而完成研究生階段的學(xué)習(xí)科研工作，不同導(dǎo)師的藥學(xué)研究領(lǐng)域方向差別較大，如何廣泛地吸引在藥學(xué)這個(gè)大學(xué)科下不同領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)學(xué)生的興趣，是藥學(xué)碩士研究生教育中廣泛存在的問題。云計(jì)算平臺使得個(gè)性化教育成為現(xiàn)實(shí)。在討論項(xiàng)目選擇階段，充分考慮學(xué)生偏好的研究方法，為其提供自主選題的空間，學(xué)生也可以通過現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)向教師詢問自己科研領(lǐng)域相關(guān)的靶蛋白情況。在項(xiàng)目實(shí)施階段，云計(jì)算服務(wù)發(fā)揮了重要作用，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提交計(jì)算任務(wù)，掌握計(jì)算機(jī)藥物設(shè)計(jì)的方法。

2.4 改革課后輔導(dǎo)方式

云計(jì)算平臺使得課后輔導(dǎo)工具變得多樣化，通過時(shí)下流行的交流工具如QQ、微信，不但可以保證教師和學(xué)生之間的暢通交流，也可以促使學(xué)生間的交流。教師可以通過截圖、群發(fā)輔助學(xué)習(xí)資料等方式，共享學(xué)習(xí)材料和經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，教師也可以通過學(xué)員的QQ、微信發(fā)言提問情況，云計(jì)算服務(wù)器作業(yè)提交情況等各方面全方位掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。此外，筆者也將藥物設(shè)計(jì)相關(guān)的最新文獻(xiàn)通過群共享的方式分享給學(xué)生，同時(shí)也加上自己對文章的創(chuàng)新點(diǎn)的點(diǎn)評意見，培養(yǎng)學(xué)生追蹤科學(xué)前沿的習(xí)慣和科研創(chuàng)新能力。

3 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程改革的體會

云計(jì)算輔助教學(xué)是利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革、人性化教育的科學(xué)實(shí)踐。云計(jì)算輔助教學(xué)將促進(jìn)教育信息化的發(fā)展和教育觀念的變化。在“大數(shù)據(jù)”，“云計(jì)算”，“云服務(wù)”快速發(fā)展的今天，掌握云計(jì)算輔助教學(xué)的理念和方法，了解“云時(shí)代”學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)風(fēng)格和水平提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)，利用云計(jì)算技術(shù)支持學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，構(gòu)建合適的協(xié)作平臺，促進(jìn)學(xué)生高級思維能力和群體智慧發(fā)展，將研究式學(xué)習(xí)融入教學(xué)中。

基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程能夠?qū)⒗碚撝R學(xué)習(xí)與上機(jī)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)生物學(xué)、化學(xué)信息學(xué)、生物信息學(xué)等與信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)科，是一門與學(xué)科前沿息息相關(guān)、知識更新速度快、實(shí)踐操作要求高的學(xué)科。通過建設(shè)該云計(jì)算教學(xué)平臺，學(xué)生能夠在進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)的同時(shí)向服務(wù)器提交計(jì)算任務(wù)，在進(jìn)行上機(jī)操作的同時(shí)，通過云計(jì)算服務(wù)器查看相關(guān)的理論基礎(chǔ)，從而得到更好的教學(xué)效果。

基于云計(jì)算計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程建設(shè)能夠?qū)⒔虒W(xué)和科研更加緊密地結(jié)合。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程中涉及的很多軟件、方法能夠直接運(yùn)用到科研中去。云計(jì)算服務(wù)平臺縮短了教學(xué)和科研之間的差距，不但可以為教學(xué)平臺提供良好的輔助平臺，也是藥物設(shè)計(jì)科研中必不可少的工具。學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識、技術(shù)直接用于科學(xué)研究，將科學(xué)研究的問題帶到課堂中，進(jìn)行交流討論，將教學(xué)科研有機(jī)地結(jié)合起來。在2014年春季學(xué)期教學(xué)期間，1名研究生在上課的同時(shí)完成了系列抗菌化合物的對接實(shí)驗(yàn)，并協(xié)同生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成研究論文。

基于云計(jì)算、云服務(wù)平臺的現(xiàn)代化教學(xué)手段的應(yīng)用，教師和學(xué)生交流尤為重要。當(dāng)今正處于一個(gè)知識和信息爆炸的時(shí)代，要跟隨時(shí)代腳步，唯一途徑就是學(xué)習(xí)，而云計(jì)算平臺給新興學(xué)科的教學(xué)方式帶來了新的突破，通過這些現(xiàn)代化教學(xué)手段，加強(qiáng)了教師和學(xué)生的交流，一方面可以加深對上課內(nèi)容的理解和掌握，對計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的理論、技術(shù)、方法進(jìn)行深入探討;另一方面能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力。通過與學(xué)生進(jìn)行相關(guān)研究方向的討論，師生共同通過學(xué)習(xí)、研究最新的科學(xué)前沿問題，討論具體解決實(shí)際科研問題的方法，是對課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容的鞏固和升華。

總之，云計(jì)算是“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的新興產(chǎn)物，筆者基于云計(jì)算的現(xiàn)代教學(xué)課程改革還在探索階段。本文提出了基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程教學(xué)信息化平臺的架構(gòu)及其運(yùn)作的模式，利用這個(gè)平臺的統(tǒng)一性、開放性和靈活性助于解決計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程中的理論和實(shí)踐脫節(jié)、學(xué)科前沿發(fā)展較快、人性化教育等實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的理論基礎(chǔ)、實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

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