Những đổi mới cần thiết trong đào tạo ngành sinh học trong thời đại tin sinh học

  • Chi tiết bài viết
  • Bài viết liên quan
5/5 - (1 bình chọn)

Bài viết của Pavel Pevzner và Ron Shamir được đăng trên chuyên mục Giáo Dục của tạp chí Science có nhiều giá trị tham khảo cho độc giả. IBSG xin chuyển ngữ để truyền tải đến độc giả một góc nhìn đa dạng và gợi mở những ý kiến mới về chủ đề này.

Cuộc cách mạng tin sinh học trong thời gian qua đem lại những thành tựu to lớn thuộc lĩnh vực sinh học, ví dụ như giải mã bộ gen người. Tin sinh học cũng sẽ tiếp tục đóng góp cho việc nghiên cứu, phát triển và các ứng dụng trong lĩnh vực sinh học, công nghệ sinh học và y sinh.

Bởi thế, nội dung đào tạo tin sinh học cần được chú ý tốt hơn để các nhà sinh học tương lai có đủ năng lực nhận thấy và nắm bắt những lợi ích này.

Những tiến bộ vượt bậc của tin học trong các thập kỷ qua đã kéo theo sự tiến bộ cũng như thay đổi phương thức trong nghiên cứu của nhiều ngành, đặc biệt là sinh học. Thật khó tưởng tượng sinh học phân tử hiện đại như thế nào nếu không có sự hỗ trợ của tin sinh học. Ví dụ như, từ hàng triệu mảnh vụn DNA, nhờ các thuật toán đã có thể lắp ráp thành công trình tự bộ gen người.

Thế nhưng, trong năm mươi năm qua, nội dung giảng dạy về tin sinh học trong các khối ngành liên quan sinh học gần như không thay đổi. Hầu hết các nhà sinh học ngày nay, cũng như những nhà kinh tế học của bốn mươi năm trước, khá là mù mờ về những nội dung tính toán, như không biết về quy hoạch động (dynamic programming). Trong khi đó, những chương trình đào tạo các ngành khác, ví dụ như kinh tế, đã có những nội dung về tin học rất chất lượng. Có thể bao gồm cả quy hoạch tuyến tính và số nguyên, thuật toán tổ hợp, quy hoạch động, lý thuyết trò chơi, v.v. – những thứ mà bốn mươi năm trước còn rất sơ khai trong chương trình học, nhưng hiện đã được giảng dạy phổ biến để đáp ứng được cuộc cách mạng tính toán trong khối ngành kinh tế học. Một nghịch lý là sinh viên đại học kinh tế đã được đào tạo để có thể hiểu được cách thức hoạt động của các thuật toán giải quyết vấn đề về sắp xếp trình tự DNA hay dự đoán cấu trúc gene (dựa trên quy hoạch động) tốt hơn sinh viên ngành sinh học.

Một ví dụ cho thấy tầm quan trọng của việc thấu hiểu các thuật toán tin học trong nghiên cứu sinh học là việc sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính (principle component analysis – PCA), một phương pháp được dùng phổ biến trong trong phân tích dữ liệu biển hiện. Trong nội dung học các môn liên quan tính toán thuộc chương trình giáo dục đại học của ngành sinh học, PCA thường không được đề cập, bởi thế mà khá nhiều người dùng PCA mà không hiểu ý nghĩa và từng bước trong PCA là gì. Một nhà sinh học “mù mờ” kiến thức về PCA có thể sử dụng mà áp dụng sai phương pháp, bỏ lỡ các quan sát quan trọng, hiểu sai kết quả và đưa ra các kết luận sai lầm. Với các công cụ tin sinh học khác cũng vậy.

Thiết nghĩ, chương trình đào tạo các ngành liên quan sinh học cần lưu ý tới các môn tin học để các nhà sinh học tương lai có được tư duy về toán tốt hơn thì sẽ đem lại nhiều lợi ích hơn trong công việc cũng như những đóng góp cho xã hội. Để việc đào tạo này được tối ưu hơn, cần sự chung tay của cộng đồng các nhà sinh học và tin sinh học.

Vậy đâu là phương pháp hữu hiệu để cải thiện sinh học tính toán trong khối ngành sinh học?

Trong Hội Thảo Giáo Dục Tin Sinh Học RECOMB, các nhà sinh học và tin sinh học đã thảo luận một số cách dạy tin sinh học hiệu quả cho sinh viên sinh học ở bậc đại học.

Những người tham dự là các nhà chuyên môn về sinh học, khoa học máy tính, toán học, từ nhiều nhánh của tin sinh học, đã cùng thống nhất rằng, đến lúc chúng ta phải thay đổi trong nội dung giảng dạy các khối ngành liên quan sinh học, để có thể bổ sung những môn học tính toán thực tế và hữu ích cho các nhà sinh học hơn. Điều này thực ra không mới, trong BIO2010, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các góp ý về các thay đổi nên áp dụng vào chương trình giảng dạy toán học cho sinh viên đại học khối ngành sinh học theo định hướng nghiên cứu. Các nhà khoa học cũng thừa nhận vấn đề và vạch ra một số giải pháp để giải quyết vấn đề trong việc đào tạo sinh học tính toán trong nhà trường.

Làm thế nào để tư duy tính toán của các nhà sinh học được tốt hơn là một câu hỏi đáng bàn luận.

Những chương trình dạy tin sinh học trong trường đại học dường như không phù hợp để thu hút người học cũng như để người học đạt chất lượng chuẩn về tin sinh học nhằm đáp ứng hay hỗ trợ tối ưu cho công việc sau này của họ. Điều này thực sự là một thách thức đối với việc đào tạo tin sinh học trong nhà trường và chưa được giải quyết thấu đáo. Làm thế nào để cộng đồng nghiên cứu và giáo dục thiết kế được khóa tin sinh học phù hợp cho những đối tượng ít có nề tảng về tin học, có thể không có kiến thức về lập trình, đặc biệt là có thể khơi nguồn ý tưởng tính toán và cho họ thấy được những ứng dụng hữu ích trong tương lai?

Bởi vì tin sinh học là một ngành khoa học tính toán, nên các khóa học cần làm sao để người học thấy được những ý tưởng dẫn đến sự phát triển thuật toán và hiểu được ý nghĩa của phương pháp thống kê, thay vì chỉ đơn thuần là học vẹt thuật toán và kỹ thuật thống kê. Điều quan trọng là môn học cần làm sao để giải thích được các ý tưởng tính toán và chỉ ra những điều liên quan đến các vấn đề thuộc sinh học chứ không chỉ là một danh sách các công thức khô khan vô nghĩa.Việc học môn này không chỉ đơn giản là “hướng dẫn sử dụng các công cụ tin sinh học”, mà phải giúp cho các nhà sinh học hiểu được ý nghĩa của các thuật toán và sự liên quan với sinh học như thế nào. Vì nếu các nhà sinh học không hiểu mà dùng các phần mềm tin sinh, thì cũng không khác gì việc các nhà toán học không biết gì về sinh học nhưng có thể sử dụng được bộ kit PCR theo protocol hướng dẫn. Bởi vậy, các chương trình giảng dạy ở bậc đại học nên có khóa học bổ sung về thuật toán, toán học, thống kê trong sinh học từ mức độ cơ bản để có thể dẫn dắt sự hiểu biết từng bước và giúp cho những người được đào tạo trong lĩnh vực sinh học nắm được nguyên lý hay các ý tưởng để hình thành các phép tính toán.

Điều này không có nghĩa là nhất thiết phải cần đến các nội dung sâu sắc về đại số tuyến tính để nói tới các giá trị riêng, những cái cơ bản của PCA, mà cần làm sao để có thể giải thích được bằng hình ảnh đơn giản, dễ hiểu và trực quan về các giá trị để thấy được các hàng tương tự liền nhau trong ma trận, một vấn đề quan trọng trong phân tích biểu hiện gen.

Một số mô hình đào tạo tin sinh học tiến bộ trên thế giới

Một số nơi đào tạo ngành sinh học cũng đã giới thiệu được các khóa học tiến bộ. Họ đề ra những câu hỏi thú vị trong lĩnh vực sinh học, như: Tổ tiên của chúng ta có lai tạo với người Neanderthal không? Hoặc làm thế nào để chúng ta phân biệt giữa các dạng ung thư vú khác nhau và chọn phương pháp hóa trị thích hợp?. Hoặc có thể đưa ra vấn đề lựa chọn các biomarkers nào sẽ được sử dụng để dự đoán kết quả lâm sàng của bệnh nhân ung thư vú trẻ tuổi (7). Các ý tưởng tính toán (phân nhóm phân cấp, phân loại mẫu và lựa chọn tính năng) được đưa vào như một phần của “câu chuyện” nhằm giúp cho người học dễ hiểu. Những ví dụ như vậy cũng có thể truyền đạt cho người học hiểu hơn về giá trị thực tế của các phương pháp tính toán.

Các khóa học chất lượng như thế cần được thiết kế bởi nhóm giảng viên từ nhiều khoa khác nhau, có cả sinh học, khoa học máy tính và toán học. Ví dụ, một khóa học tại Princeton bao gồm quy hoạch động, thuật toán phân cụm, phân tích Bayes và các ý tưởng tính toán khác có liên quan tới các bài báo tiên phong trong lĩnh vực sinh học. Câu hỏi liệu các khóa học đổi mới tương tự có thể được thực hiện ở cấp độ đại học tại nhiều trường đại học hay không vẫn còn là vấn đề tranh luận (8, 9). Tuy nhiên, những khóa học như vậy là những bước đi mở đầu trong việc phát triển một chương trình giảng dạy sinh học tính toán mới.

Những thảo luận trên không nhằm phản bác các nội dung đào tạo tin học hiện có trong giáo trình của các trường đào tạo ngành sinh học mà hướng tới việc có thể sửa đổi hay mở rộng nội dung để phù hợp hơn vào thời điểm hiện tại. Trong tương lai, chắc rằng cách dạy và học bộ môn tin sinh học này sẽ trở nên thú vị và thu hút hơn nhiều để khiến cho sinh viên hứng thú với những ý tưởng tính toán quan trọng nếu có một số yếu tố tiên quyết.

Cách tốt nhất để thu hút sinh viên sinh học trong việc học tin sinh học đó là làm thế nào để thu hút được trực giác, nhận thức của họ về giá trị của toán học để giải quyết các vấn đề trong sinh học; và tránh đi cách dạy học kiểu công thức khô khan càng nhiều càng tốt. Và các đề xuất này, có thể là những bước đầu tiên trong việc hướng tới việc xây dựng nội dung giảng dạy sinh học tính toán một cách chất lượng hơn.

Chuyển ngữ: Võ Hoàng Anh (Tuệ An)

Hiệu đính: Trần Quốc Duy

Bài báo gốc:

Pevzner and Shamir. Science. Computing Has Changed Biology—Biology Education Must Catch Up. 2009.

Nguồn hình: FreePik.

Ý Kiến Độc Giả:

Nhóm nghiên cứu: