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构建医院信息系统

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摘要

本文旨在提供一套适用于中小型医院的现代化信息系统解决方案,阐述其架构设计、功能模块、技术选型以及实施要点,以期为医院信息化建设提供参考。

一、概述

1. 医院信息系统的必要性

医院信息系统(HIS)是现代医院管理的重要组成部分,它将先进的管理理念、丰富的业务经验与现代信息技术深度融合,优化医院运营流程,提高管理效率,最大限度地利用人力、物力资源,提升医疗服务质量。HIS能够全面记录和管理医院的各项数据,为临床循证决策、科研分析和绩效评估提供有力的数据支撑。

对管理者而言,HIS提供实时、准确的医院运营数据,辅助管理者快速掌握医院运行状况,及时发现并解决管理漏洞,从而进行科学决策和合理规划,提升医院的整体管理水平。

2. 系统组成

本文介绍的通用信息系统面向中小型医院,覆盖了医院的主要管理职能和患者就诊的核心环节。系统主要功能模块包括:

  • 门诊管理: 挂号、收费、医生工作站、药房管理、门诊病历管理等;
  • 住院管理: 住院登记、病房管理、医嘱管理、护理管理、药房管理、费用结算、出院管理等;
  • 医技科室管理: 放射科、检验科、功能科等医技科室的工作站管理、报告管理、设备管理等;
  • 药库管理: 药品采购、入库、出库、盘点、库存管理、财务管理等;
  • 物资管理: 医疗器械、耗材等物资的采购、入库、出库、盘点、维护等;
  • 固定资产管理: 固定资产的登记、折旧、维护、报废等;
  • 人力资源管理: 人事档案管理、薪酬管理、考勤管理、绩效考核等;
  • 财务管理: 会计核算、成本核算、预算管理、财务报表等;
  • 病案管理: 病案的收集、存储、借阅、归档、统计分析等;
  • 患者服务: 预约挂号、报告查询、费用查询、健康档案管理等;
  • 系统管理: 用户权限管理、系统日志管理、数据备份与恢复、系统监控等。

3. 系统设计原则

一个完善的HIS应遵循以下原则:

  • 功能全面性: 满足医院管理人员、医务人员、系统管理人员以及患者等多类用户的需求。
  • 实用性: 符合中国医院的实际业务流程和操作习惯,提供友好、直观的用户界面,易学易用。
  • 技术先进性: 采用成熟、稳定的技术架构,保证系统的高效运行和持续服务能力。
  • 安全可靠性: 建立完善的安全机制,保障数据的安全性、完整性和保密性,有效抵御病毒和网络攻击。
  • 模块化设计: 采用模块化设计,方便系统的扩展、升级和维护,降低维护成本。
  • 信息共享性: 实现院内各部门之间的信息共享和协同工作,提高工作效率。
  • 强大的查询和统计功能: 提供灵活、强大的数据查询和统计分析功能,支持多条件组合查询和报表生成,为管理决策提供数据支持。
  • 良好的可维护性: 系统结构清晰、代码规范,方便系统的维护和升级。

二、硬件体系结构

1. 总体结构

系统采用以太网技术构建覆盖全院的局域网,实现各部门之间的互联互通。网络拓扑结构采用经典的三层网络模型(核心层、汇聚层、接入层)或更现代的脊叶式架构,以提高网络的性能和可靠性。

  • 核心层: 采用高性能、高可靠性的冗余交换机或路由器,作为网络的核心枢纽,负责高速数据交换和路由。
  • 汇聚层: 连接核心层和接入层,负责数据汇聚、流量控制和策略实施。
  • 接入层: 连接终端设备(如医生工作站、护士站、收费处等),提供用户接入网络的接口。

医院内部主干网络应采用千兆或万兆光纤连接,部门内部采用千兆或百兆以太网连接,以满足不同部门的带宽需求。

2. 硬件配置建议

考虑到硬件技术的快速发展,本文不再提供具体的硬件配置最低要求,而是给出配置建议,医院应根据自身规模、业务量和预算选择合适的硬件设备。

  • 服务器:
    • 数据库服务器: 建议采用多核CPU、大内存、高速固态硬盘(SSD)和RAID磁盘阵列,以保证数据库的高性能和高可用性。可考虑采用虚拟化技术,提高服务器资源的利用率。
    • 应用服务器: 用于部署应用程序和提供Web服务,配置可根据访问量进行调整。
    • 备份服务器: 用于数据备份和灾难恢复,配置可适当降低。
    • 影像存储服务器(PACS服务器): 用于存储和管理医学影像数据,需要大容量存储空间和高速数据传输能力。
  • 客户端: 采用性能稳定的商用计算机或瘦客户机,配置应满足日常办公和应用软件运行的需求。
  • 网络设备: 包括核心交换机、汇聚交换机、接入交换机、路由器、防火墙等,应根据网络拓扑和带宽需求进行选择。
  • 其他设备: 包括打印机、扫描仪、条码扫描器、UPS电源等。

三、软件体系结构

1. 总体结构

系统采用经典的三层或多层架构,将应用划分为:

  • 表现层(Presentation Layer): 负责用户交互,提供用户界面。采用Web浏览器、移动App或客户端应用程序等形式。
  • 业务逻辑层(Business Logic Layer): 处理业务规则和逻辑,是连接表现层和数据访问层的桥梁。
  • 数据访问层(Data Access Layer): 负责与数据库进行交互,执行数据的增删改查操作。
  • 数据层(Data Layer): 存储医院的各种数据,包括患者信息、病历信息、药品信息、财务信息等。

采用多层架构的优点是:

  • 高内聚、低耦合: 各层之间职责清晰,降低了系统开发的复杂性,提高了代码的可维护性和可重用性。
  • 易于扩展和升级: 各层可以独立进行修改和升级,不会影响其他层的功能。
  • 良好的可移植性: 可以方便地将系统移植到不同的平台和环境中。

2. 技术选型建议

  • 操作系统: 服务器端可选择Windows Server或Linux等操作系统,客户端可选择Windows、macOS或Linux等操作系统。
  • 数据库: 可选择Microsoft SQL Server、Oracle、MySQL、PostgreSQL等关系型数据库管理系统。
  • 开发语言和框架: 可选择Java、.NET、Python等开发语言和相应的Web框架(如Spring、ASP.NET Core、Django等)。
  • 中间件: 可根据需要选择消息队列、缓存服务器等中间件,提高系统的性能和可靠性。

3. 系统安全

系统安全性至关重要,应采取以下措施:

  • 访问控制: 实施严格的用户权限管理,控制用户对系统资源的访问权限。
  • 数据加密: 对敏感数据进行加密存储和传输,防止数据泄露。
  • 防火墙和入侵检测系统: 部署防火墙和入侵检测系统,监控网络流量,阻止恶意攻击。
  • 数据备份和恢复: 定期进行数据备份,并建立完善的灾难恢复计划。
  • 安全审计: 记录系统操作日志,进行安全审计,及时发现和处理安全事件。

四、软件开发

软件开发应采用规范的软件工程方法,包括需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试、部署和维护等阶段。

1. 开发工具

根据选择的开发语言和框架选择相应的开发工具,例如Visual Studio、Eclipse、IntelliJ IDEA等。

2. 门诊挂号模块示例

门诊挂号是HIS的重要组成部分,其功能包括:

  • 号源管理: 管理医生出诊信息、号源数量等。
  • 预约挂号: 支持患者通过多种渠道(如窗口、电话、网络、App等)进行预约挂号。
  • 现场挂号: 支持患者在医院窗口进行现场挂号。
  • 退号和改号: 支持患者进行退号和改号操作。
  • 费用结算: 完成挂号费用的收取和结算。
  • 统计报表: 提供挂号量、科室分布、医生工作量等统计报表。

3. 用户界面设计

用户界面设计应遵循以下原则:

  • 简洁直观: 界面布局清晰,操作流程简单,减少用户的学习成本。
  • 一致性: 保持界面风格和操作方式的一致性,提高用户体验。
  • 易用性: 考虑不同用户的操作习惯和技术水平,提供人性化的交互设计。
  • 可访问性: 考虑残障人士的使用需求,提供相应的辅助功能。

以下是一个简化的挂号流程示例:

  1. 患者选择挂号科室和医生。
  2. 系统显示医生出诊时间和号源信息。
  3. 患者选择就诊时间并确认挂号。
  4. 系统生成挂号单和排队号码。
  5. 患者支付挂号费用。

五、费用估算

费用估算应根据医院的实际情况进行详细评估,以下是一个大致的估算,仅供参考:

  • 硬件设备: 包括服务器、客户端、网络设备等,费用取决于设备的性能和数量,难以给出具体数值。建议根据实际需求进行询价。
  • 软件许可: 包括操作系统、数据库、开发工具等,费用取决于软件的版本和授权方式。
  • 软件开发: 费用取决于开发团队的规模、开发周期和功能复杂度。
  • 实施和培训: 包括系统安装、配置、数据迁移、用户培训等,费用取决于实施的范围和难度。
  • 维护和支持: 包括系统维护、技术支持、升级更新等,费用通常按年收取。

参考价格: - 服务器15台 + 系统软件:¥1,000,000 - 路由器交换机等:¥100,000 - 客户机500台+ 系统软件:¥3,000,000 - 网络布线:¥200,000 - 软件开发:10人,六个月,¥1,000,000 - 合计约:¥6,000,000

建议医院在进行HIS建设前进行详细的预算规划,并选择合适的供应商进行合作。

六、实施要点

HIS的实施是一个复杂的系统工程,需要周密的计划和组织。以下是一些重要的实施要点:

  • 需求分析: 充分了解医院的业务流程和需求,制定详细的需求规格说明书。
  • 项目管理: 成立项目组,明确各方职责,制定项目计划和时间表,进行有效的项目管理。
  • 数据迁移: 将原有系统的数据迁移到新的HIS系统中,确保数据的完整性和准确性。
  • 用户培训: 对医院员工进行系统操作培训,确保他们能够熟练使用新的系统。
  • 系统测试: 进行全面的系统测试,包括功能测试、性能测试、安全测试等,确保系统的稳定性和可靠性。
  • 上线和运行维护: 制定详细的上线计划,并提供持续的运行维护和技术支持。

七、未来展望

随着信息技术的不断发展,HIS也在不断演进。未来的HIS将更加注重:

  • 互联互通: 实现医院之间、医院与区域医疗平台之间的信息共享和协同。
  • 智能化: 引入人工智能、大数据分析等技术,提供更智能化的医疗服务和管理决策支持。
  • 移动化: 提供移动应用,方便医护人员和患者随时随地使用系统。
  • 以患者为中心: 更加关注患者的需求,提供个性化的医疗服务和健康管理。

通过不断的技术创新和应用拓展,HIS将为医疗卫生事业的发展做出更大的贡献。

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生物信息学的发展、现状与展望

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摘要

生物信息学(Bioinformatics)是生物学、计算机科学、应用数学等多学科交叉融合形成的新兴学科,是计算机技术在生命科学领域应用的杰出典范。本文旨在阐述如何运用计算机科学的方法对生物学数据进行高效的收集、筛选、编辑、整合、管理和可视化呈现,从而深入探索生物学规律,揭示生命奥秘。

一. 生命科学简介

生命科学是当今世界科学发展的重要前沿领域,被誉为“21世纪的科学”。人类对生命奥秘的探索源远流长。19世纪细胞学说的创立,将生命研究推进到细胞层面。更高层次地理解生命奥秘、掌握生命本质、乃至最终实现对生老病死的有效干预,是人类孜孜以求的永恒目标。

2000年人类基因组计划的初步完成,以及水稻、牛、羊等其他生物基因组计划的相继实施,标志着人类对生命的认知跃升至分子水平,推动生命科学从定性描述性研究向定量精确性研究迈出了坚实的一步。现代生命科学研究范式与传统生物学研究模式迥然不同,亟需借助新兴技术手段探索分子层面的生命现象。信息技术与生命科学的深度融合,在基因组学、蛋白质组学、药物研发、临床医疗等领域取得了举世瞩目的成就,充分彰显了计算机科学与生命科学之间密不可分的联系。

生物信息学应运而生,它通过对生物学实验数据的获取、处理、存储、检索和深入分析,旨在揭示数据背后蕴藏的生物学意义。分子生物学的迅猛发展是推动生物信息学发展的主要动力。因此,生物信息学的研究主要集中于核苷酸和氨基酸序列的存储、分类、检索和分析等方面。狭义而言,生物信息学可定义为:将计算机科学和数学应用于生物大分子信息的获取、处理、存储、分类、检索和分析,从而理解这些生物大分子信息的生物学意义的交叉学科。广义而言,生物信息学最终将发展成为一门研究生物系统中信息现象的学科,但目前仍以分子生物学与信息技术(尤其是互联网技术)的结合为主。生物信息学的研究对象是各种生物学数据,研究工具是计算机和网络资源,研究方法包括生物学数据的搜索(收集和筛选)、处理(编辑、整理、管理和显示)以及利用(计算、模拟)。

生物信息学不仅是一门独立的科学学科,更是一种重要的研发工具。从科学角度而言,它是一门研究生物及生物相关系统中信息内容和信息流动的综合系统科学。唯有借助生物信息学的计算处理,我们才能从海量分散的生物学观测数据中获得对生命运行机制的系统性理解。从工具角度而言,它是未来生物医药研发不可或缺的驱动力。只有基于生物信息学对大量已有数据资料的分析处理所提供的理论指导,我们才能选择正确的研发方向;同样,只有选择恰当的生物信息学分析方法和手段,才能准确处理和评估新的观测数据并得出可靠的结论。

由此可见,生物信息学在未来的生物医药科研和开发中具有广泛而关键的应用价值。同时,由于生物信息学是生物科学与计算科学、物理学、化学、网络技术等密切结合的交叉学科,具有极强的专业性,使得专业的生物医药科研或开发机构难以独立承担其所需的生物信息学业务。激烈的市场竞争以及由此带来的高度专业化分工趋势,使得生物医药开发机构难以在内部解决对生物信息学服务的迫切需求,学术界内的生物科研机构亦是如此。而这种需求,仅靠分散的生物信息学科研机构是远远无法满足的。因此,在生命科学的新纪元,提供综合性的生物信息学服务将是一个至关重要且极具挑战性的领域。

二. 生物信息学诞生的历史必然性

生物信息学的萌芽可以追溯到计算机发展初期。早在 1956 年,美国田纳西州的 Gatlinburg 就召开了首次“生物学中的信息理论讨论会”。然而,生物信息学的真正发展却相对滞后,直到 20 世纪八九十年代,伴随着计算机技术的飞速发展,才迎来了其蓬勃发展的时期。无论从理论还是实践层面来看,生物信息学的本质都是利用计算机科学和网络技术来解决生物学问题。它的诞生和发展顺应时代需求,是历史的必然,已悄然渗透到生物科学的各个领域,成为不可或缺的重要组成部分。

20世纪特别是末期,生物科学技术迅猛发展,极大地丰富了生物科学的数据资源。海量数据的涌现,迫切需要一种强大的工具进行组织和管理,以便存储已知生物学知识并进行后续的加工和利用。大量多样化的生物学数据资源中必然蕴含着重要的生物学规律,这些规律是破解诸多生命奥秘的关键所在。然而,继续沿用传统的人工分析方法来处理如此庞杂的数据已然力不从心。我们需要一种强大的工具来辅助人类完成这些分析工作。可以说,随着 21 世纪的到来,生物科学的重点和潜在突破点已经从 20 世纪的实验分析和数据积累转移到数据分析及其指导下的实验验证上来。生物科学也正在经历着从分析还原思维向系统整合思维的转变。

因此,我们所寻求的那种强大的数据处理和分析工具成为未来生物科学发展的关键。恰逢其时,以数据处理和分析为核心的计算机科学技术和网络技术也取得了突飞猛进的进展,自然而然地成为生物学家的必然选择。计算机科学技术和网络技术日益渗透到生物科学的各个方面,一门崭新的、蓬勃发展且拥有巨大潜力的生物信息学也随之应运而生并不断发展成熟。历史的必然性选择了生物信息学——生物科学与计算科学的融合体——作为下一代生物科学研究的重要工具。

三. 生物信息学的研究内容

目前,生物信息学界的研究主要集中在基因组学、蛋白质组学、蛋白质结构以及相关的药物设计等方面,其研究内容大致包括以下几个方面:

1.. 生物信息的收集、存储、管理与提供。包括建立国际生物信息数据库和生物信息传输的网络系统;建立生物信息数据质量的评估与检测系统;提供生物信息在线服务;实现生物信息可视化和构建专家系统。

1.1 生物信息数据库。数据库建设是生物信息学的重要组成部分。目前,互联网上存在着涵盖生命科学各个领域的数据库,例如,核酸序列数据库有GenBank、EMBL、DDBJ等,蛋白质序列数据库有SWISS-PROT、PIR、OWL、NRL3D、TrEMBL等,三维结构数据库有PDB、NDB、BioMagResBank、CCSD等,与蛋白质结构相关的数据库还有SCOP、CATH、FSSP、3D-ALI、DSSP等,与基因组相关的数据库有ESTdb、OMIM、GDB、GSDB等,文献数据库有Medline、Uncover等,以及其他数百种数据库。一些公司还开发了商业数据库,如MDL等。

1.2 生物信息数据库发展现状。数据库内容的爆炸性增长是生物信息学数据库的重要特征,这主要得益于基因组计划的实施。除了数量上的增长,数据库的复杂程度也在不断提高,包含大量的注释、参考文献及软件,并通过链接将相关内容与其他数据库连接起来。数据库结构层次的加深客观上要求管理的进步,面向对象数据库管理方法正逐步取代传统的模式。在基因组相关数据库的发展中,以下几个方面尤为重要:建立基因组信息的评估与检测系统;实现数据标准化;进行基因组信息的可视化和专家系统研究;发展次级和专业数据库。用户与数据库之间快速有效地传递信息是基因组信息的收集、管理与使用的关键要素。目前,与基因组信息相关的数据库都拥有自己的互联网地址和主页,互联网上也涌现出许多相关的在线服务器。

1.3 生物信息学网络上的数据库服务进展。生物信息学各个领域的软件数量庞大,并行算法、遗传算法、面向对象算法、并行虚拟机技术等已被应用于最新的程序中。生物信息学数据库覆盖面广、分布分散且格式不统一。因此,一些生物计算中心将多个数据库整合在一起提供综合服务,构建数据库的一体化和集成环境。生物信息网格中的数据库服务广泛采用服务器-客户端模式。这些服务器包括大量的数据库搜索和序列比对服务器以及各专业领域的服务器,甚至有服务器将各种搜索算法硬件化,实行并行计算和先进的内存管理,从而大幅提高搜索速度。我国在基因组信息的收集与提供方面也取得了一定的进展:北京大学物理化学研究所建立了PDB数据库中国节点;北京大学生命科学院建立了EMBL数据库的中国节点;中国科学院生物物理所与日本JIPID合作,收集中国科学家测定的DNA和蛋白质序列,并与国际相应数据库进行交流;中国医学科学院肿瘤研究所建立了NEE-HOW服务器等。相信这一领域在我国将迅速发展。

2.. 基因组序列信息的提取和分析。包括基因的发现与鉴定,如利用国际EST(Expressed Sequence Tags)数据库(dbEST)和各自实验室测定的相应数据,经过大规模并行计算发现新基因和新SNPs以及各种功能分析;基因组中非编码区的信息结构分析,提出理论模型,阐明该区域的重要生物学功能;进行模式生物完整基因组的信息结构分析和比较研究;利用生物信息研究遗传密码起源、基因组结构的演化、基因组空间结构与DNA折叠的关系以及基因组信息与生物进化关系等生物学的重大问题。

2.1 新基因的发现。包括通过计算分析从EST序列库中拼接出完整的新基因编码区,即“电子克隆”;通过计算分析从基因组DNA序列中确定新基因编码区。经过多年的积累,已形成许多分析方法,如根据编码区特有的序列特征、根据编码区与非编码区在碱基组成上的差异、根据高维分布的统计方法、根据神经网络方法、根据分形方法和根据密码学方法等。

2.2 非蛋白编码区生物学意义的分析。非蛋白编码区约占人类基因组的95%,其生物学意义尚未完全阐明。但从进化角度来看,其中必然蕴含着重要的生物学功能。由于它们不编码蛋白,一般认为其生物学功能可能体现在对基因表达的时空调控上。对非蛋白编码区进行生物学意义分析的策略有两种:一是基于已实验证实的功能已知的DNA元件的序列特征,预测非蛋白编码区中可能含有的功能已知的DNA元件,从而预测其可能的生物学功能,并通过实验进行验证;二是直接通过数理理论探索非蛋白编码区新的未知序列特征,并从理论上预测其可能的信息含义,最后同样通过实验验证。

3.. 功能基因组相关信息分析。包括与大规模基因表达谱分析相关的算法、软件研究,基因表达调控网络的研究;与基因组信息相关的核酸、蛋白质空间结构的预测和模拟,以及蛋白质功能预测的研究。

3.1 基因组整体功能及其调节网络的系统把握。仅掌握基因组中部分基因的表达调控远不足以把握生命的本质,因为生命现象是基因组中所有功能单元相互作用的共同结果。基因芯片技术可以监测基因组在不同时间节点的整体转录表达状况,因此成为该领域一项非常重要和关键的实验技术。对该技术产生的大量实验数据进行高效分析,从中获得基因组运转以及调控的整体系统机制或网络机制,是生物信息学在该领域中首先要解决的问题。

3.2 基因组演化与物种演化。仅依靠某些基因或分子的演化现象来阐明物种整体的演化历史并不完全可靠。例如,人与黑猩猩之间有98%-99%的结构基因和蛋白质是相同的,但表型上却存在巨大差异。这提示我们基因组整体组织方式而非个别基因在研究物种演化历史中起着重要作用。由于基因组是物种所有遗传信息的储存库,从根本上决定着物种个体的发育和生理,因此,从基因组整体结构组织和整体功能调节网络方面,结合相应的生理表征现象,进行基因组整体的演化研究,将是揭示物种真实演化历史的最佳途径。

4.. 蛋白质组学研究。基因组对生命体的整体控制必须通过其表达的全部蛋白质来执行。由于基因芯片技术只能反映从基因组到RNA的转录水平上的表达情况,且从RNA到蛋白质还有许多中间环节的影响,因此仅凭基因芯片技术还不能最终掌握生物功能具体执行者——蛋白质的整体表达状况。因此,近年来在发展基因芯片的同时,人们也发展了一套研究基因组所有蛋白质产物表达情况的蛋白质组学技术,从技术上来讲包括二维凝胶电泳技术和质谱测序技术。通过二维凝胶电泳技术可以获得某一时间截面上蛋白质组的表达情况,通过质谱测序技术就可以得到所有这些蛋白质的序列组成。关键在于如何运用生物信息学理论方法去分析所得到的巨量数据,从中还原出生命运转和调控的整体系统分子机制。

5.. 蛋白质结构和功能的预测。结构基因组和蛋白质组研究的迅猛发展,涌现出许多新的蛋白序列。然而,仅有氨基酸序列远不足以了解它们的功能,因为蛋白质的功能是通过其三维结构来实现的,且蛋白质三维结构并非静态的,在行使功能的过程中其结构也会相应改变。因此,获得这些新蛋白的完整、精确和动态的三维结构成为一项紧迫的任务。目前,除了通过X射线衍射晶体结构分析、多维核磁共振(NMR)波谱分析和电子显微镜二维晶体三维重构(电子晶体学,EC)等物理方法得到蛋白质三维结构之外,另一种广泛使用的方法是通过计算机辅助预测。目前,一般认为蛋白质的折叠类型只有数百到数千种,远小于蛋白质所具有的自由度数目,且蛋白质的折叠类型与其氨基酸序列具有相关性,因此有可能直接从蛋白质的氨基酸序列通过计算机辅助方法预测出蛋白质的三维结构。

6.. 生物大分子结构模拟和药物设计。包括RNA的结构模拟和反义RNA的分子设计;蛋白质空间结构模拟和分子设计;具有不同功能域的复合蛋白质以及连接肽的设计;生物活性分子的电子结构计算和设计;纳米生物材料的模拟与设计;基于酶和功能蛋白质结构、细胞表面受体结构的药物设计;基于DNA结构的药物设计等。近年来,随着结构生物学的发展,相当数量的蛋白质以及一些核酸、多糖的三维结构获得精确测定,基于生物大分子结构知识的药物设计成为当前的热点。生物信息学的研究不仅可提供生物大分子空间结构的信息,还能提供电子结构的信息,如能级、表面电荷分布、分子轨道相互作用等以及动力学行为的信息,如生物化学反应中的能量变化、电荷转移、构象变化等。理论模拟还可研究包括生物分子及其周围环境的复杂体系和生物分子的量子效应。

7.. 生物信息分析的技术与方法研究。包括发展有效的能支持大规模作图与测序需要的软件、数据库以及数据库工具,诸如电子网络等远程通讯工具;改进现有的理论分析方法,如统计方法、模式识别方法、隐马尔科夫过程方法、分维方法、神经网络方法、复杂性分析方法、密码学方法、多序列比较方法等;创建一切适用于基因组信息分析的新方法、新技术,包括引入复杂系统分析技术、信息系统分析技术等;建立严格的多序列比较方法;发展与应用密码学方法以及其他算法和分析技术,用于解释基因组的信息,探索DNA序列及其空间结构信息的新表征;发展研究基因组完整信息结构和信息网络的研究方法等;发展生物大分子空间结构模拟、电子结构模拟和药物设计的新方法与新技术。

8.. 应用与发展研究。汇集与疾病相关的人类基因信息,发展患者样品序列信息检测技术和基于序列信息选择表达载体、引物的技术,建立与动植物良种繁育相关的数据库以及与大分子设计和药物设计相关的数据库。

生物信息学的任务远不止于此。在以上工作的基础上,最重要的是如何运用数理理论成果对生物体进行完整系统的数理模型描述,使人类能够从更明确的角度和更易于操作的途径来认识和控制自身以及其他生命体。

四. 生物信息学发展的现状

随着基因组计划的不断推进,我们拥有的海量数据必须通过生物信息学的手段进行收集、分析和整理,才能转化为有用的信息和知识。只有经过生物信息学手段的分析处理,我们才能获得对基因组的正确理解。因此,可以说人类基因组计划为生物信息学提供了兴盛的契机,创造了巨大的发展空间。生物信息学已深入到生命科学的方方面面。

国外一直非常重视生物信息学的发展,各种专业研究机构和公司蓬勃发展,生物科技公司和制药工业内部的生物信息学部门也日益增多。但由于对生物信息学的需求非常迅猛,即使是像美国这样的发达国家也面临着供不应求、人才匮乏的局面。近年来,英国鉴于国内对生物信息学专业人才日益迫切的需求,所有主要的研究资助机构:医学研究委员会(MRC)、生物技术和生物科学研究委员会、工程学和物理科学研究委员会(EPSRC)、粒子物理和天文学研究委员会(PPARC)和Wellcome Trust不仅达成共识,认为应该高度优先地满足对生物信息学技术的需求,而且已经实现了对生物信息学人才培养的大力资助。

事实上,欧美等发达国家在生物信息方面已有较长时间的积累。从数据库的角度来讲,早在60年代,美国就建立了手工搜集数据的蛋白质数据库。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室1979年就已建立起GenBank数据库,欧洲分子生物学实验室1982年就已提供核酸序列数据库EMBL的服务,日本也于1984年着手建立国家级的核酸序列数据库DDBJ并于1987年开始提供服务。从专业机构的角度来讲,美国于1988年在国会的支持下成立了国家生物技术信息中心(NCBI),其目的是进行计算分子生物学的基础研究,构建和发布分子生物学数据库;欧洲于1993年3月着手建立欧洲生物信息学研究所(EBI),日本也于1995年4月组建了自己的信息生物学中心(CIB)。从数据分析技术的角度来讲,早在1962年,Zuckerkandl和Pauling就将序列变异分析与其演化关系联系起来,从而开辟了分子演化的崭新研究领域;1964年,Davies开创了蛋白质结构预测的研究;1970年,Needleman和Wunsch发表了广受重视的两序列比较算法;1974年,Ratner首次运用理论方法对分子遗传调控系统进行处理分析;1975年,Pipas和McMahon首次提出运用计算机技术预测RNA二级结构;随着1976年之后大量生物学数据分析技术的涌现,《科学》杂志于1980年第209卷就发表了关于计算分子生物学的综述;正如我们现在所看到的,在八九十年代,生物学数据分析技术在国外更是获得了突飞猛进的发展。从专业出版业来看,由于起初没有专门的期刊,专业文献都散落在其他领域的期刊中;到了1970年,出现了《生物医学中的计算机方法和程序》这本相关期刊;到1985年4月,就有了第一种生物信息学专业期刊——《生物科学中的计算机应用》;现在,我们可以看到的专业期刊已经很多了,包括纸质期刊和网络期刊两种,如《生物信息学》(原《生物科学中的计算机应用》)、《生物理论》、《生物信息技术与系统》、《生物信息通讯》、《生物信息学简报》以及《计算生物学杂志》等。从网络资源来看,国外互联网上的生物信息学网点非常繁多,大到代表国家级研究机构的,小到代表专业实验室的都有。大型机构的网点一般提供相关新闻、数据库服务和软件在线服务,小型科研机构一般是介绍自己的研究成果,有的还提供自己设计的算法的在线服务。总体而言,基本都是面向生物信息学专业人士,各种分析方法虽然很全面,但却分散在不同的网点,分析结果也需专业人士来解读。  

目前,绝大部分的核酸和蛋白质数据库由美国、欧洲和日本的三家数据库系统产生;它们共同组成了DDBJ/EMBL/GenBank国际核酸序列数据库,每天交换数据,同步更新。其他一些国家,如德国、法国、意大利、瑞士、澳大利亚、丹麦和以色列等,在分享网络共享资源的同时,也分别建有自己的生物信息学机构、二级或更高级的具有各自特色的专业数据库以及自己的分析技术,服务于本国生物医学研究和开发,有些服务也开放于全世界。  

国内对生物信息学领域也越来越重视,自北京大学物理化学研究所于1996年建立了国内第一家生物信息学网络服务器以来,我国生物信息学也蓬勃发展了起来。国内近年来开展生物信息学研究的单位主要有:北京大学、清华大学、中国科学院生物物理所、军事医学科学院、上海生命科学研究院、中国科学院微生物所、中国科学院遗传所人类基因组中心、中国医学科学院、天津大学、复旦大学、南开大学、中国科技大学、东南大学、内蒙古大学等。北京大学于1997年3月成立了生物信息学中心,中科院上海生命科学研究院也于2000年3月成立了生物信息学中心,分别维护着国内两个专业水平相对较高的生物信息学网站,但从全国总体上来看与国际水平差距很大。一方面,国内生物(医药)科学研究与开发对生物信息学研究和服务的需求市场非常广阔,另一方面,真正开展生物信息学具体研究和服务的机构或公司却相对较少,仅有的几家科研机构主要开展生物信息学理论研究,声称提供生物信息学服务的公司所提供的服务也仅局限于简单的计算机辅助分子生物学实验设计,而且服务体系并不完善;目前国内互联网上已经有了几家生物信息学网站,但大部分偏于所有生物(医)学领域的新闻报道,生物信息学专业技术服务的含量太少,研究力量薄弱,这就与国外有了较大差距。

五. 生物信息学的发展展望

生物信息学是为适应人类基因组信息分析的需求而出现的一门与信息科学、数学、计算机科学等交叉的新兴学科。生物信息学已经成为基因组研究中强有力的、不可或缺的研究手段,被广泛用于加速新基因的发现过程,以达到抢先注册“有用”新基因专利的目的。在这场世界范围内的竞争中,中国科学家以及科研资金投向的决策部门如何结合我国科研水平的现状、优势领域等客观情况,将有限的投资投入以求获得最大可能的科学研究以及商业回报,是一个无法回避的新课题。面对挑战,生物信息学在21世纪的发展进程中,应该考虑到它的历史使命。在今后的工作中,应该做好以下几个方面的工作:

理论研究。任何学科的发展都离不开基础理论的研究,生物信息学也不例外。它对许多学科都提出了巨大的挑战。今后科学家在理论研究方面要做好几个主要工作:人类基因组信息结构复杂性研究;序列(特别是非编码区)信息分析;基因组结构与遗传语言;语法和词法分析;大规模基因表达谱分析,相关算法、软件研究;基因表达调控网络研究;基因组信息相关的蛋白质功能分析。

软件开发。现在虽然已经开发出大量的软件工具,但是大多数软件缺乏技术细节的描述,使得新软件编制时不能很好地利用已有的软件资源,造成各种软件都有自己的输入输出格式,相互之间互不通用。同时,大量软件的出现带来一个新问题,即生物学家面对数量众多的软件无从选择。这两个问题的解决需要对各种软件的功能特性和技术细节进行详尽的介绍,并进行比较。

集成数据库。公共数据库与互联网相连,为世界各地的科学家提供快速高效的服务,因而成为获取生物学数据的最佳媒介。目前,国际上著名的公共数据库有Genbank、EMBL、DDBJ、Swiss-Prot、PIR、PDB等。

生物数据的质量监控。监控已有的生物数据究竟具有多大的可信度,对于物理图谱的构建工作有十分重大的意义。

学科交叉。长期以来,生物学家、计算机科学家、数学家这三类科学家都是埋头于各自的研究领域,而不关心其他学科的发展和要求。这种状况在我国尤为突出。生物信息学的发展要求三者之间加强沟通,其意义不仅在于推动生物信息学自身的发展,而且将成为促进整个生物学发展的强大动力。

生物信息学是一门对已有数据进行研究和理解的学科。根据统计学原理,在一定程度上,统计结果的显著性与数据量的对数成正比。因此,随着数据库中数据量的飞速增长,基于数据库的研究工作必将有所突破。可以相信,随着人类基因组计划的完成以及蛋白质组研究的逐步开展,生物信息学在揭示生命的奥秘中会更加成熟和完善,生物信息学科也将随之得到巨大发展。相信在人类基因组计划和即将开始的中国人基因组研究计划中,生物信息学将发挥越来越大的作用,并推动生物学进入一个全新的境界。

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医用软件概述

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摘要

科技进步将人类带入了信息时代,计算机已成为各行各业业务处理与管理工作中不可或缺的工具,并对各行业的发展起到了日益重要的推动作用。计算机信息管理技术的应用,不仅能在很大程度上代替人工操作、减少人员工作量、减轻工作负担、降低工作失误,更重要的是能够建立准确、高效、便捷的信息流通渠道,为工作提供所需精准、及时的信息,辅助决策者做出正确而及时的决策,从而为应用该技术的单位带来显著的效益。

为充分利用计算机信息技术,促进我国医疗卫生事业的快速发展,国家早在1996年就启动了金卫工程,旨在构建全国医疗卫生系统的信息高速公路,实现各卫生机构信息传递的网络化、信息化。伴随我国医疗卫生信息网络的建设,医院也将建设自身的信息系统列入了重要议程。实践证明,建设一套适合自身需求的、实用的医院信息系统,对提升医院的经济效益、社会效益、管理水平及医疗质量都大有裨益。

一、医院信息系统 (HIS)

医院信息系统(Hospital Information System, HIS)在国际学术界已被公认为新兴的医学信息学(Medical Informatics)的重要分支。美国该领域的著名教授Morris Collen于1988年曾著文为HIS下了如下定义:利用电子计算机和通讯设备,为医院各部门提供病人诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换能力,并满足所有授权用户的功能需求。

一个完整的医院信息系统(Integrated Hospital Information System, IHIS)应包含医院管理信息系统(Hospital Management Information System, HMIS)与临床信息系统(Clinical Information System, CIS)。

  • 医院管理信息系统(HMIS) 的主要目标是支持医院的行政管理与事务处理业务,减轻事务处理人员的劳动强度,辅助医院管理,辅助高层领导决策,提高医院的工作效率,从而使医院能够以较少的投入获得更好的社会效益与经济效益。财务系统、人事系统、住院病人管理系统、药品库存管理系统等属于HMIS的范畴。

  • 临床信息系统(CIS) 的主要目标是支持医院医护人员的临床活动,收集和处理病人的临床医疗信息,丰富和积累临床医学知识,并提供临床咨询、辅助诊疗、辅助临床决策,提高医护人员的工作效率,为病人提供更优质、更高效的服务。医嘱处理系统、病人床边系统、医生工作站系统、实验室信息系统(LIS)、放射科信息系统(RIS)等属于CIS的范畴。

相较而言,HMIS所需资源较少,在磁盘容量、工作站数量、网络传输能力、显示器质量等方面的要求均低于CIS。支持HMIS的计算机技术相对成熟和简单。由于HMIS以处理文字和数字类数据为主,较少涉及声音、图像、多媒体数据的动态传递等复杂需求,因此实现起来相对容易。CIS在数据处理的实时性、响应速度、安全保密性等方面通常比HMIS有更严格的要求。从投入与产出角度考虑,许多医院管理者认为HMIS相较于CIS,能够使医院更直接、更明显、更迅速地获得回报,即以较少的投入获得较大的收益。当然,HMIS和CIS也不是截然分开的,HMIS中常常会涉及一些病人的临床信息,特别是其收集的病人主索引、病案首页等信息往往是CIS以病人为中心的临床医疗信息的基础。而CIS一旦建立,也往往会使HMIS工作更加准确和高效。

二、医院信息系统子系统的划分

医院信息系统包含的内容繁多复杂,根据其在医院的实施顺序,大致可以分为以下几个阶段:

  1. 管理信息系统(HMIS): 通常包括:门急诊挂号子系统、门急诊病人管理及计价收费子系统、住院病人管理子系统、药库/药房管理子系统、病案管理子系统、医疗统计子系统、人事/工资管理子系统、财务管理与医院经济核算子系统、医院后勤物资供应子系统、固定资产/医疗设备管理子系统、院长办公综合查询与辅助决策支持系统等。

  2. 临床信息系统(CIS): 可能包含的内容非常广泛,甚至可能是专科、专病、专课题的信息处理系统,例如:住院病人医嘱处理子系统、护理信息系统、医生工作站系统、临床实验室信息系统(LIS)、医学影像诊断报告处理系统、放射科信息系统(RIS)、手术室管理子系统、病理科信息系统、血库管理子系统、营养与膳食计划管理子系统、临床用药咨询与控制子系统等。

  3. 医院信息系统的高级应用: 这一阶段主要包括医学图像的存储与传输系统(PACS)、病人床边信息系统、计算机化病人病案系统(CPR/EMR,电子病历)、科研支持系统、教学支持系统、互联网医学信息系统、远程医疗与教学等。

三、开发医院信息系统的意义

过去,我国医院的信息处理主要依赖手工方式,劳动强度大、工作效率低,医护人员和管理人员的大量时间都消耗在事务性工作上,导致“人不能尽其才”;病人排队等候时间长,就诊流程繁琐,影响了医院的秩序和患者体验;病案、临床检验、病理检查等宝贵的数据资料检索困难,甚至难以实现;手工方式也无法对这些资料进行深入的统计分析,无法充分应用于医学科研;在经济管理上也容易出现漏、跑、错、费等现象;医院物资管理由于信息不准确,容易造成积压和浪费,导致“物不能尽其用”。开发HIS是解决上述问题的有效途径。HIS的有效运行将提高医院各项工作的效率和质量,促进医学科研和教学;减轻各类事务性工作的劳动强度,使医护人员能够投入更多的时间和精力服务于病人;改善经营管理,堵塞管理漏洞,保障病人和医院的经济利益,为医院创造经济效益。

完整的HIS实现了信息的全过程追踪和动态管理,从而简化患者的诊疗过程,优化就诊环境,改变目前排队多、等候时间长、秩序混乱的局面。例如,目前多数医院就诊必须经过挂号、等候病历、划价、收费、取药或治疗等一系列过程,一个患者至少需要排几次队,耗费大量时间。实施HIS后,每个病人用于诊疗中间环节的时间会大幅度减少,从而显著提升患者就医体验。HIS的实施也强化了医院内部管理,降低了医护人员的工作强度,减少了人为误差和漏洞,加速了资金周转,减少了药品、器械等物资积压。HIS的效益不仅体现在医院内部,更重要的是其对医院管理、医疗质量和医学研究的长期效应带来的综合效益。完整的病人医学记录是医学研究的重要信息资源,这类资源在手工作业环境下大部分被浪费了,而HIS则可以有效地保存和利用这些宝贵的数据。

四、医院信息系统的特点

医院信息系统是迄今为止世界上现存的企业级信息系统中最复杂的一类。这由医院本身的目标、任务和性质决定。它不仅要像其他所有管理信息系统(MIS)一样追踪管理伴随人流、财流、物流所产生的管理信息,从而提高整个医院的运作效率,而且还应支持以病人医疗信息记录为中心的整个医疗、科研活动。

广义地说,医院管理信息系统是MIS在医院环境的具体应用。它具有以下一些特性:

  1. 强大的数据管理能力: 具有大规模、高效率的数据库管理系统,支持医院快速、动态增长的信息量。

  2. 强大的联机事务处理能力(OLTP): 能够高效处理大量的并发事务请求,保证数据的实时性和一致性。

  3. 高可用性和可靠性: 典型的7天/24小时不间断运行系统,具有高安全性和高可靠性,保障医疗服务的连续性。

  4. 用户友好性: 易学易用的用户界面,降低用户的使用门槛。

  5. 可定制性和可扩展性: 能够根据不同医院的需求进行定制和扩展,适应医院的发展规划。

  6. 模块化和集成化: 采用模块化结构,方便系统的扩展和集成,实现不同系统之间的数据共享和协同工作。

  7. 符合行业标准和规范: 符合国家和行业的医疗信息标准和规范,例如电子病历基本规范、医院信息系统基本功能规范等。

  8. 良好的开放性和可移植性: 适应不同的硬件和软件平台,支持多种关系型数据库和操作系统。

  9. 先进的技术架构: 采用先进的硬件和软件技术,保证系统的性能和安全性。

五、医院信息系统的发展历史与现状

发达国家医院信息系统的开发和应用已有数十年的历史,取得了长足的进步,涌现出许多公认的成功案例。

纵观国外HIS的发展历史,大致可分为几个阶段:早期主要集中在开发医院行政管理功能,如财务收费管理、住院病人和门诊病人管理等。随后,开发的重点转向医疗信息的处理领域,如病人医疗处理系统、实验室信息系统等。随后,研究者将重点放在了病人床边系统(Bedside Information System)、医学影像的存储与传输系统(Picture Archiving and Communication System, PACS)、计算机化病人病案(Computer-Based Patient Record, CPR/EMR,即电子病历)、统一的医学语言系统(Unified Medical Language System, UMLS)等方面。医院信息系统正朝着小型化(Downsizing)、智能化(Intelligence)和集成化(Integration)的方向发展。

我国医院信息系统的研发工作始于20世纪80年代初期,至今已有数十年历史,经历了单机单任务阶段、多机多任务阶段以及微机网络一体化阶段,取得了显著进步。HIS的应用已涉及诸多方面,一些子系统的功能(例如财务账目管理、药品库存管理、住院病人管理等)也日趋完善。然而,我国在大型综合性医院中真正实现完整HIS的案例仍然相对较少。医院对信息的需求始终是HIS发展的原动力。进入20世纪90年代以来,一些在计算机技术应用方面积累了经验、或成功运行了某些部门级信息系统的医院,迫切希望从国内外市场上寻求一套较为完整、适合中国国情的HIS产品。专家们也呼吁国家卫生部门及有关部门集中优势力量,投入资金、人力和物力,开发一套适合中国市场的、具有中国特色的HIS,以满足医院的迫切需求,并进而推动整个中国医药卫生信息产业的形成。

在中国医院信息系统(CHISC/SV1.0)正是在这种形势下诞生的。CHIS的开发成功及在试点医院的成功运行,使其成为我国HIS研究、开发和应用的新里程碑,标志着我国医院计算机应用进入了一个新阶段——完整HIS的应用与推广阶段。CHIS的研制成功和实际应用与推广,使我国医院计算机应用水平与国际先进水平的差距至少缩短了数年。

六、医院管理软件与数字医院

医院管理系统的广泛应用已为人们所熟知,但随着信息技术的迅猛发展,其系统的局限性和不足也逐渐显现。数字技术的进步和发展,为数字医院和数字医疗的建立和发展奠定了基础。

  1. 概念: 数字医院(Digital Hospital)是由数字医院管理(Digital Hospital Management)和数字医疗(Digital Healthcare/Digital Medicine)构成和建立的现代医院经营和管理模式。它包括现实世界的实体医院和网络虚拟医院,从应用角度看是基于现代数字技术和计算机信息处理技术产生的网络集成管理系统。数字医院和数字医疗是现代医院管理的重要发展方向。相较于侧重管理的数字医院管理,数字医疗更加关注临床诊疗的数字化,其重要性日益凸显。目前,许多医院仍处于HIS的发展阶段,需要更加重视数字医疗的发展。

  2. 架构: 数字医院的主体框架由数字医院管理和数字医疗构成。与传统的HIS相比,数字医院由于增加了控制和数字医疗信息,因此两者之间存在显著差异。数字医疗涵盖的范围更广,包括远程医疗、移动医疗、人工智能辅助诊断、基因组医学等新兴领域。

  3. 意义和作用: 数字医院和数字医疗系统的建立对医院的管理和运作产生了革命性的影响:

    • 管理模式的变革: 医院可以实现更加智能化的管理和运营,例如通过数据分析优化资源配置、预测疾病趋势等。
    • 融入信息社会: 为社会提供全方位、高效、优质的医疗服务,提升医疗服务的可及性和便捷性。
    • 打破地域限制: 将医疗服务扩展到全球任何一个地方,实现远程会诊、远程监护等,解决医疗资源分布不均的问题。
    • 高效利用医疗信息: 提高医疗技术和质量,减少医疗差错,例如通过临床决策支持系统辅助医生进行诊断和治疗。
    • 极大地方便了病人: 改善患者就医体验,例如提供在线预约、移动支付、电子病历查询等服务。
    • 推动医疗技术的进步和发展: 利用“数字病人”(Digital Patient)技术,进行医学模拟、手术规划、药物研发等,加速医疗技术的创新和发展。
  4. 实践和应用: 医院计算机辅助数字医疗系统(Hospital Computer Aided Digital treatment, HCADT)是基于数字医院和数字医疗理论的一项实践应用。它根据目前医院的临床实际情况,采用数字电子病历和计算机辅助治疗(Computer-Aided Care, CAC)等数字医疗技术,弥补了传统HIS的不足,推动医院管理迈上新的台阶。

    • HCADT系统在数字医疗核心上采用CAC技术,并提供开放的数字医疗接口,可以充分发挥计算机辅助诊断(Computer-Aided Diagnosis, CAD)和专家系统的作用,并为数字病人技术的应用提供支撑环境。
    • HCADT系统采用数字电子病历(Digital Electronic Health Record, EHR/EMR),可以方便地进行数据流控制,从而实现医疗管理的自动化过程和自动化控制。
    • 病人挂号、收费、计价划价、取药、诊疗过程的计算机自动化处理,极大地提高了医院临床一线的工作效率,方便了患者。
    • HCADT系统的数字电子病历档案,对于医院的科研、临床和教学具有无可估量的价值。
    • HCADT系统为远程医疗、社区医疗、网络门诊、虚拟社区医院和网络医疗会诊等医疗服务提供了便捷的实现途径,从而提高医院的竞争能力。
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面试官的面经

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如今的毕业生在参加用人单位面试之前,往往会在网上搜索往届学生或先行者留下的面经,汲取经验。我常在想,面试官们是否也会悄悄上网查找“专供面试官使用的面经”,以便更好地进行选拔?

今年的招聘季刚刚落下帷幕,我想借此机会分享一下自己作为面试官的心得与经历,供其他面试官参考,也希望能对准备面试的学生有所启发。

一、首次被面试经历

不妨从我自己的首次面试经历谈起。那是七年前,我还是一名大四学生,正处于求职预备阶段,甚至连简历都还没有完全整理好。一天,系里的老师告诉我们,有一家美国公司将来校招聘,而且岗位与我的专业十分契合。我一向对国企氛围有所忌惮,希望进入外企发展。于是,匆忙将尚未完善的简历打印了一份,递交了过去。

我的大学成绩还算不错,而且曾在另一家美国公司实习过几个月,这在当时的本科生中算是较为少见的经历。凭借这些条件,我的简历顺利通过筛选,获得了参加笔试的机会。那次笔试共有20余人参与,内容是用 C 语言编写一段程序。这恰好是我的强项,于是笔试顺利过关,接着进入面试环节。具体有多少人晋级面试,我已记不清了。

首轮面试由两位面试官分别进行,他们后来都成了我的上司。其中一位全程用英语与我交流。几天后,公司中国区总经理给我打来电话,又进行了一轮全英文电话面试。这对我来说是一个不小的挑战。坦白说,当时我的英语水平很一般,甚至连对方的问题都未必完全听懂。然而,这次面试是我首次求职尝试,并未抱有太大的期待,因此心态颇为放松。尽管口语错误百出,我还是厚着脸皮用英语“对付”了过去。

运气眷顾了我,我得到了去上海参加终面机会(我的学校在南京)。当时,这家公司的规模非常小,小到一个下午的时间,公司里的每位员工轮番面试了我一遍。有些员工刚加入公司不久,并非正式面试,只是随意地与我闲聊;而另一些人则认真提问,颇为专业。总的来说,我给大家留下了不错的印象,最终成功拿到了公司的 offer。

当公司通知我录取时,我的简历才算真正完善,但那时已没有用武之地了。好在我仅复印了三份,挑了一份质量最佳的留作纪念。回头来看,我能进入这家公司,虽然自身条件还过得去,运气成分也不可忽视。这段经历堪称我人生中一次难得的机遇。后来,随着公司要求的提高和学生水平的提升,以我当年的水平,现在恐怕连简历筛选都过不了。

如今,我算是公司资历较深的员工了,因此也参与了历年所有的招聘活动,面试过数不清的学生。接下来,我想分享几件让我印象深刻的事情。

二、初为面试官

初入职场时,总会遇到一些让人难堪的尴尬瞬间,而这些经历往往也成为成长路上的难忘记忆。在刚工作的头两年,我就经历了不少这样的场面。不过,随着经验的累积,脸皮也渐渐厚了,后来便鲜有类似的尴尬时刻了。

我本科毕业是在 7 月份,当年的 10 月就被派回学校参加招聘工作了。当时,公司并没有针对招聘流程或面试技巧提供任何培训,几乎全靠自己摸索。那一年,在南大举行的公司宣讲会由我主讲,而且是全英文。虽然事先做了不少准备,但由于对自己的英语水平并不自信,在随后的面试中,我忍不住问学生:“你们听懂我在宣讲会上讲的内容了吗?”结果有位学生挠了挠头,说:“屋子太大,我站在最后,没听清。”当时我颇为尴尬,心想自己的口语可能确实不够好,宣讲会的努力几乎白费了。从那以后,除非是老板(英语是他的母语)亲自主讲,我们都改用中文进行公司介绍。

更让我不知所措的是,我一个刚毕业的本科生,被安排去面试博士生。我已记不清当时如何完成了面试,只记得自己毫无自信,面试时一定非常拘谨,恐怕给对方的印象也不佳。后来我逐渐明白,作为面试官,自信心是非常重要的。实际上,面试官在心理上天然占有优势,被面试者通常会认为面试官的技术水平和阅历比自己更高。只要把握住这一点,就不必对自己的能力产生太多怀疑。如今,即便是博士生导师站在我面前,我也能坦然应对。

我本科刚毕业,就要去面试博士生了。我已经记不清是如何面试他们的了,只知道当时一点自信心也没有,面试的时候一定显得十分拘谨,恐怕留给他们的印象也不甚好。 面试官的自信是非常重要的。其实,你根本不用考虑被面试者的水平是否比你高,面试官天然地就占有心理优势。被面试者除非是不想要这份工作了,否则必然会显得毕恭毕敬。他们通常会本能地以为面试官一定比他们技术更好,阅历更丰富。面试得多了,随着经验越来越丰富,我也越来越自信了。现在,即使是博士生的导师来了,我也敢面。

面试官需要谨慎,尤其在面对个人隐私、政治观点和宗教信仰等敏感话题时更要小心。例如,作为男性面试官,如果在面试一位女生时问她“有没有男朋友”,对方很可能会误以为我心怀不轨。所以,这类问题是绝对需要回避的。

然而,有时候,被面试的学生因为缺乏经验,会提一些让人措手不及的问题。有一次,我面试一位女生,临近结束时,我按惯例问她:“你还有什么问题想问我吗?”没想到她想了想,问道:“你有女朋友吗?能不能讲讲你的恋爱经历?”她的话让我不知所措,之前做准备时,并没有预料到会有这种问题,一时不知道该如何应对。更糟糕的是,我的窘态被同事看在眼里,这件事后来成了大家的笑柄。

如果这种情况发生在现在,我会非常自然地回答:“我们最好不要讨论私人的问题,你可以问一些与公司或这次招聘有关的问题。”不过,学生们现在也越来越成熟,这种会招来负面影响的提问几乎已经绝迹了。

三、教训与反思

除了自己的经历,同事们的一些不太成功的面试故事也让我印象深刻。

有一次,一位同事在面试一位女生时,随口问她的兴趣爱好。女生回答自己擅长画画。同事一时兴起,说:“那你给我画幅肖像吧!”于是,这位女生拿起纸笔,现场作画。待她画完离开,同事拿起画纸一看,愣住了 — 纸上画的竟是一只乌龟。

我想,那位女生或许并无恶意,只是开了个玩笑。但她敢这么做,显然是因为面试官的话给了她“许可”。实际上,面试官让一名应聘软件工程师的学生即兴作画,本身就显得不够专业。面试时,适当了解应聘者的课余兴趣,可以帮助判断其性格特质,但深入到如此细节甚至浪费时间显然是跑偏了。更糟糕的是,如果应聘者误解了面试官的意图,可能会觉得自己被轻慢,进而对公司形象产生负面印象。

还有一次,几位研发部的同事到某所高校招聘。研发人员平时不太注重穿着打扮,这次招聘也延续了“随性”的风格,穿着普通便服去了。然而,当他们事后在该校的 BBS 上查看学生的反馈时,发现评价只有一个字 — “土”。

这个评论刺痛了大家的神经。学生们如今的审美要求,竟比我们这些“外企白领”还要高!虽说我个人很讨厌那些“只认衣服不认人”的人,尤其当他们还是未独立经济的学生时,但为了维护公司的形象,这种意见还是不得不重视。从那以后,我即便平时穿得再随意,去学校招聘时也一定会西装革履。毕竟,衣着得体不仅是对自我的尊重,更是对公司的责任。

高校的 BBS 曾是我们获取学生反馈的重要途径。在我刚开始参与招聘的头两年,BBS 上的评论常常让我哭笑不得。有的帖子狂妄至极,将招聘公司和面试官批评得体无完肤,就像前文提到的“土”字评价。然而,随着时间推移,有些学生意识到,面试官可能会看到这些评论,甚至可以从细节判断出发帖人的身份。于是,BBS 上开始出现另一类极端帖子,例如盛赞某某面试官“风流倜傥,玉树临风”。

这类帖子虽然显得讨好,但效果适得其反。对我们这些外企面试官来说,这种溢美之词非但不会加分,反而让人觉得矫揉造作。发这种帖子的同学,或许更适合去考公务员,进体制内发展。

我想提醒应聘的学生,若不想在面试官心中留下负面印象,最好在招聘结果公布前,对面试官保持低调的态度。即便是不带感情色彩的描述,也可能因“言多必失”而被误解。若想留下好印象,表现得积极主动即可,比如适时给公司打电话,礼貌询问招聘结果。这种直接的互动,往往比任何间接的评论更能展现你的诚意和职业素养。

四、细节与流程

前面主要介绍了一些不成功的经历。经过多次实践,我总结出一个相对成功的面试流程,从仪表到问题设计,每一环节都需要用心。

仪表

无论是外出招聘还是在公司内进行面试,面试官的穿着都很重要。如果是去学校招聘,应当穿着正式,这不仅是对应聘者的尊重,也是企业文化的一部分。相反,在公司内部进行面试,适当保持日常着装,可以让应聘者更真实地感受到未来的工作氛围。

需要特别注意的是,面试官的行为举止也应得体。不要有过分的小动作,例如挖鼻孔、抓头发,更别提像我听说过的极端例子——一边面试一边抠脚丫。这样的行为会直接破坏公司在应聘者心中的形象,甚至影响到招聘结果。

面试流程

一个好的面试流程通常包括以下几个步骤:

  1. 自我介绍:简单介绍自己的身份和公司情况,帮助应聘者缓解初见的紧张感。
  2. 营造轻松的氛围:可以通过给应聘者倒杯水、寒暄几句来拉近距离,例如问问他们的通勤方式或学校情况。
  3. 提问环节:分为一般性问题和技术问题,循序渐进,避免让应聘者陷入过度紧张。
  4. 结束互动:留出时间让应聘者提问,确保双方的信息交流是双向的。

关于面试的一般问题:现在,上网查一下,早有人把面试常见的问题和答案,分门别类整理好了,聪明的应聘者是会在面试前学习准备一下的。所以面试官也一定要学习准备一下,否则,你还没有被面试者有经验,如何能准确考察应聘者的能力呢。如果在面试的时候发现某些常见问题大家的回答都是千篇一律,就没有再问的必要了。面试官一定要预先准备一些还没被网上列出来的问题才行。

面试问题

如今,网上已经有大量面试常见问题及其“标准答案”,聪明的应聘者很容易提前准备。这就要求面试官在准备时避开这些千篇一律的问题,设计一些更具针对性、发散性的问题。例如,可以围绕应聘者简历上的经历深入挖掘,探讨他们的兴趣点、志向及动机。

技术问题应围绕应聘者的专业背景展开,避免局限于面试官擅长的领域。重点是了解应聘者在自身研究方向上的深度和主动性。以下是设计技术问题的一些建议:

  • 从应聘者的经验入手:首先了解背景,询问项目的来源、行业背景、竞争者的表现,以及是否存在其他解决方案。这类问题有助于考察应聘者对项目整体的了解程度,以及是否具备主动探索的意识;进一步可以询问项目的人员配置和分工情况,了解应聘者在团队中的角色,以及如何与他人协作完成任务;此外还可以要求应聘者详细说明自己负责的部分,包括其在整体项目中的地位、具体实现过程等。这些问题既能评估应聘者的技术能力,也能考察其表达能力、逻辑性和工作热情。
  • 解决难点与创新:重点关注应聘者在项目中遇到的最大挑战或技术难点,以及其解决方案。通过此类提问,可以深入了解应聘者的学习能力和问题解决能力。当应聘者提到某种解决方案时,面试官应追问是否存在其他可行的方案。这不仅能验证应聘者是否真正参与了问题解决的全过程,还能评估其思维的广度和深度。
  • 问题难度的层次性:从简单到复杂,逐步加深问题的难度。在面试最后阶段,可以设计一个难度较大的开放性问题,这类问题通常超出应聘者的准备范围。此环节的重点不在于答案的正确性,而在于观察应聘者的思路和解决问题的策略。在应聘者陷入困境时,面试官可适当提供提示,以进一步考察其应变能力和逻辑推理能力。

英语面试

在英语面试中,面试官必须具备足够的英语能力,能够与应聘者进行流利的对话。如果面试官对自己的英语水平缺乏信心,就不适合主持英语面试。

英语面试的问题设计应尽量广泛,以自然对话的方式展开,避免让应聘者有过多针对性准备。例如,可以询问应聘者的某段经历、最近读过的书、看过的电影,或对某些热门话题的看法。通过这种轻松多元的交谈方式,可以更真实地评估应聘者的英语表达能力、逻辑思维以及临场应对能力,而不局限于特定的语言训练模式。

这种灵活的面试形式不仅能够缓解应聘者的紧张情绪,也更有助于全面考察其语言水平和综合能力。

问题难度的把控

在任何类型的面试中,问题的难度都应该遵循由浅入深的原则。当观察到应聘者在某一难度级别已显示出明显的困难,或已确定其不符合岗位要求时,面试官应适时调整,避免继续抛出更具挑战性的问题。

持续的挫败感可能让应聘者产生被刁难的误解。因此,当应聘者遇到困难时,面试官应当适时给予引导和提示,但要注意语气和方式的把控。即便在揭示答案时,也应保持专业和谦逊的态度,避免任何可能被解读为炫耀的表现。

每一位应聘者都是公司的潜在伙伴或客户。即使最终未能达成合作,也应确保他们带着对公司的良好印象离开。

应对面霸和笔霸

对于没有通过筛选却主动要求参加面试或笔试的求职者(被称为面霸或笔霸),面试官们的态度往往褒贬不一。有人欣赏他们的勇气,视之为积极进取的表现;也有人认为这种行为缺乏礼仪,甚至可能影响到其他正常程序的应聘者。

就个人而言,我倾向于欣赏这种主动争取机会的精神。勇于尝试的人往往能获得更多可能性,这本身就是一种可贵的品质。因此,我愿意为这些人提供一次额外的面试或笔试机会。

然而,需要明确的是,最终的录用决定仍将建立在公平、客观的评估基础之上。历史数据显示,通过"霸面"或"霸笔"最终被录用的比例确实极低。这并非偶然 —— 他们最初未被选入正常面试环节,往往源于某些基本条件的缺失,这类根本性的差距很难通过一次额外的面试或笔试来弥补。

不过,从概率学的角度来看,不尝试的成功概率是 0,而主动争取即便只有 1% 的成功率,相较之下也是无限倍的提升。这或许正是"面霸"的普遍心理。

五、宣讲会

时间安排

宣讲会不宜安排得太晚,因为优秀的学生往往会被更早行动的公司抢走。如果安排得太早,很多学生可能还没做好求职准备,也不够理想。最佳时间是与其他公司保持同步,一般在高校招聘高峰期的 10 月底最为合适。由于我们公司人力有限,通常会优先在上海本地高校举办宣讲会,而前往外地时已略显滞后,导致部分优秀学生可能已被其他条件优越的公司提前录用。

宣讲会内容设计

宣讲会的内容需要兼顾企业的宣传和学生的兴趣点。公司通常希望突出自身的优势和产品,而学生则更关心员工的待遇和发展前景。这两方面内容缺一不可,且需要合理安排。

传统的宣讲会流程通常包括以下环节:开场时介绍主持宣讲会的公司代表;接着介绍公司的基本情况;随后详细说明招聘部门的职责和现状;然后明确招聘职位及其具体要求;最后讲解公司的薪资待遇和员工福利。虽然这种流程中规中矩,但如果想给学生留下深刻的第一印象,可以尝试更加吸引人的开场方式。

例如,宣讲会一开始可以通过提问与学生互动:“大家希望自己的第一份工作具备哪些特点?”随后列举几个吸引人的条件,例如出国培训、快速升职加薪的机会等,并告诉学生,“这些正是我们公司所提供的职位!”再通过详细说明公司的实力和优势,增强学生的兴趣和信任感。

在介绍公司时,展示自信尤为重要。你对公司的认可和信心会直接影响学生的信任程度。此外,适度的“自我包装”或幽默的“吹牛”也可以增加宣讲的趣味性。当然,研发人员的表达风格可能不如销售人员那般专业,但宣讲的关键在于让学生感受到公司对人才的重视与真诚,这才是成功的基础。

不宜公开谈论的问题

在宣讲会上,有两个学生最关心但公司通常不愿明确回答的问题。

第一是:薪资水平。许多公司提供的薪资待遇可能很有吸引力,但通常不会在宣讲会上直接说明。这主要有以下几个原因:

  • 竞争因素:明确的薪资信息可能被竞争对手利用,以稍高的待遇来吸引人才。
  • 个性化差异:新员工的薪资往往根据个人情况而有所不同,难以统一说明。
  • 心理预期:直接公开年薪可能带来负面效果。如果数字较低,学生可能对公司失去兴趣;而数字过高,则可能让学生觉得公司在“用钱砸人”或不够务实。

对于应聘者来说,如果急于了解薪资水平,可以通过网络或校友资源查询公司以往的薪资水平,至少能获得一个大致的参考范围。薪资细节通常会在签约环节具体沟通,因此不必在宣讲会上纠结于此。

第二是:招聘人数。尤其是针对本校的招聘名额,公司通常也不会明确说明。常见的回答是“人数未定,视优秀候选人情况而定”。虽然这类回答可能让学生感到模糊或不满,但这背后有其实际原因:

  • 避免消极影响:如果招聘人数过少,例如每所学校仅招两人,直接说明可能打击学生的积极性,甚至让部分人直接放弃申请。
  • 灵活调整:招聘人数往往受业务需求和人才质量影响,固定人数可能限制企业的灵活性。

以我们公司为例,我的研发部同事基本都来自于上海交大、复旦、清华、北大、浙大、东南、中科大这几个学校。研发部门每年在全国范围内也就招聘大约二三十人,并且由于公司总部在上海,本地学校的录取比例较高,而外地学校每校招收一两人已属不易。如果在宣讲会上明确说明这些数字,几百名在场学生很可能会认为竞争过于激烈,而不愿意尝试了。

其实对于学生来说,不必过于关注招聘人数,而应专注于展现自身能力和优势。优秀的学生应当相信:“即使公司只招一个人,那个人也会是我!”

必须明确的问题

对于应聘条件的要求,企业需要在宣讲会上明确说明,例如对学校、专业、学习成绩等的具体要求,以便避免双方浪费时间。

以我们公司为例,我们对学历和成绩有较高的要求,通常倾向于招收来自知名高校、成绩在专业前 10% 的学生。这种筛选标准可能会让部分学生觉得不公平,认为学习成绩或学校背景并不能完全代表一个人的能力。我个人也认同这种观点:一些没有名校背景,甚至未上大学的人,实际能力也可以远超名校毕业生。如果能够招到这样的人才,对公司的发展无疑是巨大的帮助。问题是,这类人才在未有显著成绩之前,往往很难被识别出来。绝大多数企业并没有足够的时间和资源去发掘和判断他们的潜力。学习成绩和工作能力虽然不能完全挂钩,但在存在一定程度上的相关性。对于企业来说,在有限的招聘时间里,只能依据候选人过去的学业表现来预测其未来的工作能力。这虽然并非完美的评估方法,但目前却是最有效且可操作的方式。

六、提高效率

成本和收益

招聘活动中最大的成本来自技术人员(尤其是工程师)的时间消耗。为了评估应聘者的技术水平并介绍公司研发部门的情况,工程师的参与不可或缺。然而,这类任务通常会干扰工程师的本职工作进程,导致项目延误,从而增加额外成本。这部分成本甚至可能占到整个招聘活动成本的 80%。

此外,还有一些直接的金钱支出,如外出招聘的差旅费、食宿费、场馆租赁费等。如果邀请外地的应聘者来公司面试,还需要承担他们的食宿和交通费用。这些支出虽然看似琐碎,但累积起来也是一笔不小的成本。

招聘活动的最大收益无疑是为公司吸引并筛选到优秀的人才,同时为企业注入新鲜的文化与活力。此外,还有一个常被忽视但同样重要的收益,即通过招聘活动,对参与招聘工作的工程师进行有效培训。 招聘活动还会在一定程度上提升公司的品牌知名度,但与前两项直接收益相比,这一收益的占比相对较低。

降低成本

要想优化招聘成本,首先需要明确哪些开支不能省、哪些环节可以优化。以下是一些建议:

  • 体面但合理的支出:差旅、食宿、场馆等支出与企业形象直接相关,因此不宜过于节俭。这部分费用通常占比不高,但影响较大,应保持适度体面。
  • 技术人员时间的高效利用:技术人员的时间成本才是招聘活动中最值得节省的部分。可以让工程师只参与关键环节,如技术面试或在宣讲会上解答技术问题。其他琐碎事务,例如日程安排、通知应聘者、食宿安排等,可以交由专职人员(如人力资源部)处理。

提高收益

要提升招聘活动的整体收益,关键在于以下几方面:

  • 充足的候选人池:通过前期宣传,让更多毕业生或求职者知晓宣讲会的时间地点和公司情况。
  • 合理安排时间:选择应届生求职高峰期作为宣讲时间,避免错过优秀候选人。
  • 精准的考核内容:笔试与面试问题需合理设计,能够准确反映候选人是否符合公司的岗位需求。这需要有经验丰富的面试官参与,并在招聘活动前对相关人员进行培训。
  • 事后总结和改进:招聘活动结束后,对整个过程进行全面总结,记录成功经验和需要改进之处,为未来提供参考。

培训机会

招聘活动不仅是企业吸引人才的机会,也是参与者个人成长的重要契机。以我自身为例,招聘活动中,我需要面向几百名学生进行宣讲,虽然开始时有些紧张,但这种当众发言的经历逐渐培养了我的表达能力。现在,我即便使用英语为公司总部的工程师们回报项目,几乎不会感到任何紧张。这种自信与从容,部分得益于我在招聘会上的演讲经验。

招聘活动也为工程师提供了项目管理的实际操作机会。作为一项跨部门合作的活动,招聘需要协调多个垂直部门,具备较高的组织和沟通要求。尽管高层管理者通常会直接指挥招聘活动,但他们往往没有足够时间关注所有细节,这就可能导致某些环节无人跟进,甚至遗漏必要的流程,例如经验总结。为此,公司可以为招聘活动指定一名正式的项目经理,全面负责活动的各项流程。这不仅能显著提升招聘效率,也为企业培养和考验项目管理人才提供了良好机会。


2009年05月4日补记:

《今日电子》杂志的编辑看到了这篇文章,邀请我将其发表在他们的杂志上。于是,我将整理后的文章提交给了他们,这也成为我人生中第一次通过写作赚取稿酬的经历。

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生物进化与软件演化

· 阅读需 17 分钟

作为一名软件工程师,同时拥有生物医学的研究背景,我对计算机科学和生物学都有着浓厚的兴趣。平日里,看的最多的就是这两方面的书。虽然这两门学科看似风马牛不相及,但它们的某些思想却能够相互借鉴、启发。这篇文章将分享我对进化论、程序设计,以及在学习编程思想后对进化论的一些思考。

一、基因突变与物竞天择思想在编程算法中的应用

计算机科学中有一门学科叫做遗传算法,它系统地探讨了如何将遗传与进化的思想引入计算机科学。在正式接触这门学科之前,我曾经做过一些朴素的探索。

最初接触这个问题的契机是这样的:一个朋友刚学会了黑白棋(Othello),邀请我对战。虽然他是个新手,但我的水平更糟糕,总是输给他。于是我萌生了一个想法:既然下棋不行,那不如发挥编程的专长,写个程序来击败他。然而,问题在于我对黑白棋的规则和策略了解有限,怎么确保程序能比我更强呢?

黑白棋规则相对简单,基本算法容易实现。我最初的想法是让计算机模仿我的思路下棋,借助它的计算速度优势,理论上应该能比我强一些。但这还不够,我希望程序能通过某种方式自我学习、不断提升棋艺。这个想法受到了进化论中基因突变和物竞天择思想的启发:让不同的程序进行对战,淘汰表现差的,保留和优化表现好的,从而推动棋力的逐代提高。

我的方法是提取可能影响棋局胜负的参数,比如棋子的落点、每颗棋子周围的空格数量、己方可落子的数量、对方可落子的数量等等。虽然我对这些参数的实际作用心中无数,但参数一定要“宁多勿漏”,程序会自动筛选出那些有用的参数。这些参数可以看作程序的“基因”,不同程序的区别就在于这些参数的具体值有所不同。

接下来,我组织了几十个程序进行循环赛,并将成绩居于后半的程序淘汰;成绩靠前的程序保留它们的“基因”,还可以通过“基因重组”和“随机突变”等方式,调整参数的值,生成新的后代。如此一代代模拟进化,程序的棋力也随之逐步提高。

最终,这个程序经过一段时间的自我训练,成功战胜了我的朋友。这让我感到相当自豪!

然而,这种“进化式”程序设计也暴露了一些明显的问题,最主要的是效率低下。程序棋力的提升非常缓慢。这点其实不难理解,毕竟生物界花了数十亿年的时间才进化到今天的水平。即便我的程序效率远高于自然进化,想取得显著的进步也可能需要数百年的时间。

另外,每代程序的“种群规模”太小,仅有几十个样本。相比之下,生物界每代往往有几百万甚至几亿的个体,这样的大样本量才能提供足够的多样性。我的程序等于在“近亲繁殖”,甚至可能导致棋力一代不如一代。这两个问题的根源在于计算机的运算与存储能力有限。

遗传算法中提到的解决方案远比我的方法成熟,但也存在类似的局限性。对这一领域感兴趣的读者不妨深入研究相关书籍。

二、对进化论的反思

假如我基于基因突变和物竞天择思想设计的黑白棋程序,一直按照既定规则运行,经过几万年的演化,是否可能进化成能够下五子棋或者其他棋类的程序呢?这一问题引发了我对进化论的重新思考。

达尔文在《物种起源》中提出了两大核心假设:同源说和进化论。同源说认为地球上的所有物种都源于同一个最初的生命体,这一观点得到了较为广泛的认可,特别是在基因学和分子生物学的支持下。比如,人类与单细胞细菌之间也存在高度同源的基因,这为同源说提供了强有力的佐证。

然而,进化论,即通过基因突变和物竞天择解释物种多样性的假说,却从一开始便饱受质疑。虽然 DNA 的发现为进化论提供了一定支持,但仅凭基因突变与自然选择能否完全解释生物的演化仍存在诸多争议。

进化论主要依赖三大证据:比较解剖学、古生物学(化石记录)以及胚胎发育的重演律。然而,这些证据并非无懈可击。

  1. 比较解剖学 比较解剖学展示了人类与灵长类动物骨骼的高度相似性。虽然这一现象曾被质疑是否能直接推导出演化关系,但随着分子生物学的兴起,我们发现这种形态上的相似性在基因层面得到了精确的对应。这种从宏观解剖到微观代码的一致性,是软件工程中“接口一致性”的完美体现,也成为了支持共同祖先学说的强力证据。

  2. 古生物学(化石记录) 按照经典的渐变论观点,生物演化似乎应是匀速的。然而,化石记录向我们展示了更为复杂的图景,例如著名的“寒武纪大爆发”。虽然在寒武纪之前已发现了埃迪卡拉生物群等多细胞生物,但在寒武纪早期相对集中的几千万年里,主要动物门类呈现爆发式增长。这种现象促使现代生物学家提出了“间断平衡”(Punctuated Equilibrium)理论,即生物演化可能是在长期的停滞与短期的快速突变中交替进行的,这与软件版本迭代中的“平稳维护期”与“重大版本重构”有着异曲同工之妙。

  3. 胚胎发育的重演律 胚胎发育学为我们提供了独特的视角。虽然海克尔早期的‘重演律’过于绝对化且已被修正,但现代发育生物学证实,不同物种在胚胎发育早期共享着惊人相似的基因调控网络(Homeobox genes)。这就像不同功能的软件可能共享着同一套底层内核(Kernel)。这种发育过程中的高度相似性,恰恰暗示了物种间存在着深度的继承关系,而非简单的各自独立开发。

回到文章开头的问题:如果让我的黑白棋程序持续进行基因变化,它能否演化为下五子棋或其他棋类的程序?答案显然是否定的。

我的黑白棋程序之所以无法进化成五子棋程序,根本原因在于我在设计之初就锁定了它的“基因表达框架”:它只能调整权重参数,而无法重写自身的逻辑结构。这与自然界真实的进化截然不同。DNA 不仅是参数的集合,更是图灵完备的指令集。在自然界中,基因复制错误(Gene Duplication)可能产生冗余的基因拷贝,这些拷贝在漫长的岁月中可以自由突变,演化出全新的功能(如从感光细胞到复杂的眼睛)。软件要模拟这种真正的进化,需要具备修改自身源代码的能力(Meta-programming),这正是目前人工智能领域探索的前沿。

综合来看,进化论的三大证据在解释物种多样性时都存在局限性。尽管基因突变和自然选择无疑在演化中起到了重要作用,但将其作为唯一机制,可能无法全面揭示生物演化的真实过程。或许,探索其他未被完全理解的生物机制,才是进一步解答这些谜题的关键。

三、程序是如何“进化”的

虽然我的黑白棋程序无法自行进化成五子棋程序,但在我的干预下,这种“进化”却完全可行。

我的程序使用 C++ 编写。熟悉 C++ 的人都知道,即使是一个简单的程序,也通常会运用面向对象和泛型编程等思想,我自然也不例外。那么,如果我打算开发一个五子棋程序,应该如何着手呢?

黑白棋和五子棋有许多相似之处,比如棋盘的类型、棋子的基本属性等。如果从头重新创建一个五子棋程序,显然既费时又低效。

最直接的办法是复制原来的黑白棋代码,然后在此基础上修改。然而,这种方法存在明显的问题:代码冗余。两份程序会包含大量重复代码,不仅浪费资源,还会给后续的维护带来麻烦。比如,如果我优化了黑白棋程序的某部分代码,还需要手动将改进同步到五子棋程序中,这显然不够灵活。

得益于面向对象的编程方法,这个问题可以迎刃而解。我可以将黑白棋程序中的核心功能抽象为一个基类,并在此基础上派生出五子棋的类。五子棋中与黑白棋不同的特性和方法,可以通过覆写(override)实现。在这种设计下,基类的代码仍然存在,但被覆写的部分在五子棋类中将被替代或补充。

更有趣的是,某些基类的功能并不会因为派生类的覆写而完全消失。例如,子类的构造函数通常会先调用基类的构造函数,然后再执行自己的逻辑。这意味着,父类的一些特征和行为仍然能够保留,并在子类实例化的过程中显现出来。

这种基类与派生类的关系,很容易让人联想到胚胎发育的重演过程。在生物学中,胚胎在发育早期会呈现出某些祖先的特征,而随着发育的进行,这些特征逐渐被新的结构和功能取代。这与程序设计中基类的部分代码被派生类覆盖,却依然能够影响派生类的实例化过程有异曲同工之妙。

这种程序设计方式,不仅减少了代码的重复性,还保留了灵活扩展的可能性。就像生物演化中的“保守与创新并存”,程序设计也在继承已有功能的基础上不断发展出新的特性。

四、对生物的进化的反思

参考程序自动“进化”的规律,我们或许可以提出一种新的假设:基因突变仅能在同一物种的小范围内引起改良,而真正导致质的变化的,除了量的积累外,更多的可能是类似程序中“继承”或“重组”这样的基因操作。

现代生物学发现,基因组中大量的非编码区域并非全是无用的“垃圾”。除了部分确实是进化的遗迹(类似于注释掉的旧代码)外,更多区域实际上扮演着“调控开关”的角色,决定了基因在何时、何地被激活。这就像软件工程中的配置文件(Configuration Files)或元数据(Metadata),虽然它们本身不执行具体逻辑,但却决定了整个程序的运行行为和架构。

当新基因片段主导生物体的功能后,旧片段逐渐失去作用,成为看似“无用”的遗留。然而,这些片段并未被完全淘汰,它们的存在暗示着一种“历史记忆”,记录了生物在进化过程中经历的不同阶段。这一机制与软件开发中的代码继承有异曲同工之妙:旧的功能被保留但不再被调用,而新的功能覆盖了它们的位置。

那么新基因片段是从何而来的呢?有很多种可能性,比如:

  • 有性繁殖的重组:有性繁殖是基因多样性的重要来源。在此过程中,父母的染色体通过交叉和重组,形成了包含新组合的染色体。而在某些特殊情况下,可能会引入完全新颖的基因片段,从而为后代带来前所未有的功能。
  • 基因交换:在低等生物中,比如细菌,基因交换是一种常见现象。通过质粒转移或其他方式,细菌可以将自身的基因传递给其他个体,这种机制为基因创新提供了直接途径。
  • 病毒的作用:病毒能够将自己的基因插入宿主细胞的染色体中。在某些情况下,这些外来基因可能被宿主整合并表达,从而引入新的遗传信息。
  • 外部环境的输入:新基因片段可能通过饮食或环境途径间接进入生物体。例如,食物中的 DNA 在极特殊的情况下可能被吸收并整合进自身的基因组中。

从以上分析可以看出,生物进化并非完全依赖基因突变的随机性,而是一个更为复杂的过程。突变提供了变异的基础,但快速的进化可能更依赖于基因重组、新基因的引入,以及生物间的遗传信息共享。

这种进化机制与软件设计中的继承和扩展有相似之处:旧有的功能可以被继承和改良,新功能的引入则通过扩展实现。这种“保守与创新”的平衡,或许正是生物进化与程序设计的共同规律。

五、未来软件的发展趋势

生物用了 30 亿年的进化才发展到今天的复杂程度,而计算机软件仅仅发展了不到50年。尽管两者当前的复杂性尚无法直接比较,但在人类智慧的推动下,软件进化的速度可能远超生物进化。或许在未来百年内,我们就能看到具备自我完善能力的智能软件,其发展速度可能是生物进化的千万倍。基于这一思路,我们可以大胆预测,未来软件的发展也许会在某些方面与生物进化展现出类似的规律。

在维护大型软件时,处理遗留代码(legacy code)是一个常见的挑战。例如,我最近需要修改一段存在于公司大型软件中的老旧代码。这些代码风格极差,如变量名使用单字符表示、大量硬编码等。如果几年前的我,可能会直接选择彻底重写这段代码。然而,实践经验表明,这种做法往往得不偿失。

一个大型软件经过几十年的发展,可能有数百甚至上千人参与过开发,其代码之间交织着复杂的引用关系。贸然重写某段代码,极可能在功能上无法完全覆盖原有逻辑,进而引入更多的隐性bug。而这正如生物学中所谓的“无用基因片段”:它们表面上似乎没有功能,但实际上可能隐藏着潜在的价值或作用。

现在生物学上,研究基因片段功能的方法主要是,先把一段基因敲掉,然后看看他对生物体带来了什么影响。然而大多数基因被敲掉以后,却看不出生物体受到了明显的影响,这就是那些“无用”基因片断。这一是因为上面提到的基因有备份,备用基因会及时发挥作用,弥补缺失的基因的功能。还有就是很多基因的功能是和其他很多基因共同作用才能显现出来的,或者是在某些特殊情况下才会被显现出来的。这些基因的功能不是那么容易被观察到的,他们缺失了,或者被添加到一个本来不具备这种基因的生物体上,它们的潜在的影响或许要过很多年才能被发现。现在大家对转基因作物的戒心,这也是原因之一。

这让我们联想到软件工程中的“依赖注入”或第三方库的引入。如果外部引入的代码片段(基因)与原有系统不兼容,确实可能导致系统崩溃。但在生物学层面,对外源基因的摄入(如进食)有着严格的消化屏障保护,这与软件系统中的沙箱机制(Sandbox)颇为相似,防止了外部数据的直接侵入。

对遗留代码的最佳处理方式,通常不是直接改写,而是通过添加包装层的方式进行优化。例如:

  • 如果原代码是一个简单的除法运算,没有处理除数为零的情况,最佳做法不是直接修改源代码,而是在其外部包裹一层新函数。新函数负责检查除数是否为零,若是,则进行错误处理;否则调用原代码执行除法。这种方法避免了对原代码行为的直接改动,同时确保新的功能可控且安全。
  • 如果需要改动的是一个类,则可以通过继承原有类,创建一个派生类。在新类中覆盖或添加所需的功能,而原有类保持不变。这样,旧代码的稳定性得以保留,而新功能通过扩展实现。

这一策略的缺点在于:会导致程序体积迅速膨胀。然而,随着存储成本的下降和计算机硬件能力的提升,程序体积不再是首要问题。维护效率和功能安全性将成为更重要的考量。

随着软件系统的规模日益庞大,完全消除bug几乎是不可能的。尤其在关键场景中,系统的任何故障都会带来不可接受的损失。在这种情况下,备份机制成为保障系统稳定性的最佳手段。硬件系统已经普遍采用备份策略,未来的软件系统也会逐步引入这一思路。例如,对于某些核心功能,软件可以采用双实现策略:由不同的开发团队设计两套独立的实现代码。在正常情况下使用其中一套,当出现异常时自动切换到备份代码。这一方法与生物基因的双拷贝特性非常相似。生物体内的基因通常成对存在,不仅是为了繁衍后代,更是为了在突变或损伤时提供冗余保障。例如,当一条基因出现缺陷时,另一条可以迅速接替其功能,确保生物体正常运作。

随着技术的持续发展,软件的进化将越来越表现出类似生物系统的特性:

  • 冗余与容错:通过多版本实现和模块化设计,软件将具备更高的容错能力。
  • 继承与扩展:老旧代码不会被轻易抛弃,而是在其基础上进行扩展和优化,形成可持续的演进路径。
  • 自我完善:在人工智能的帮助下,未来的软件可能具备自我优化和自我修复能力,实现从“人类驱动”到“自我驱动”的飞跃。

生物进化依赖基因的突变与重组,而软件进化则依靠人类的智慧和创新。当我们结合生物与软件的进化规律进行思考,也许会发现,两者最终的目标并不冲突:创造出更智能、更高效的系统,推动未来社会的发展。

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中西方自然观的对比及其影响

· 阅读需 11 分钟

将传统的欧洲建筑与园林,与中国的传统建筑和园林加以比较,不难发现二者各自鲜明的特点。

中国传统建筑尤为注重与周围自然环境的和谐统一。大规模的建筑群,如宫殿、陵墓等,往往因地制宜,依山而建,以山势的起伏造就建筑的高低错落之美。建筑通常不以高度取胜,而是通过高大的树木点缀其间,营造错落有致的美感。尤其是寺庙类建筑,常刻意隐于林木之中,仿佛融于自然。建筑师们不仅追求视觉上的自然和谐,还时常受风水观念的影响,这些蕴含哲学与信仰的设计思路在中国园林中更为凸显。园林中常有假山、溪流,花草树木种类繁多,宛若一片缩小的大自然。中国园林的至高境界是:置身其中,会有步入天然景观而非人造环境的错觉。

与之对应,欧洲的建筑风格则呈现截然不同的审美取向。欧洲的城堡若有山,必建于山巅,以高大雄伟为特征,周围的树木通常被清除,使其威严之姿远在数里之外便可尽收眼底。欧洲园林大多以单一的草坪占据大片面积,仅栽种有限种类的植物。树木经修剪后呈现圆锥、球形等几何形态,彰显人为改造的痕迹。欧洲建筑的美学理念在于对自然的改造与超越,突显人类的主导地位。

中西方在建筑审美上的差异,正是其各自自然观的反映。概括而言,中国人崇尚自然,强调人与自然的协调统一,视人类为自然的一部分,甚至是其附属,认为顺应自然才是美。道教思想便是这种自然观的代表之一。而欧洲人则倾向于将人与自然对立化,视自然为需要征服的对象,主张人类通过智慧和力量战胜自然。

自然观作为客观自然界在人类思维中的主观映象,其差异源于两地迥异的自然环境。大约五万年前,现代智人的祖先从非洲迁徙至亚洲和欧洲时,分别适应了截然不同的自然条件。

中国中部地区因长江、黄河两大河流灌溉,形成了肥沃的平原,气候温暖,适宜农业耕种。居住在此的人类逐渐形成农耕文化,只需顺应四季变化,按时播种收割,便能安居乐业。如此安定的自然环境使中国人对自然怀有敬畏与感恩,逐渐形成崇拜自然、臣服自然的观念。在面对天灾时,人们首先想到向神灵祈祷,而非与灾害抗争。在中国人的信念中,神灵是自然界的象征,而天灾消弭则常被认为是祈祷的回报,进一步强化了这一自然观。这种对自然的崇敬也体现在行为、艺术与建筑中,人们力求模仿自然,以表达对其的尊崇。

“相比之下,欧洲文明的发源地——地中海沿岸,虽然也有农业,但地形更为破碎,且海洋环境促使人们向外探索与贸易。多样的地理环境与并不总是风调雨顺的气候,使得西方人在面对自然时,更多地展现出一种探索、征服与改造的倾向。这种海洋与商业文化,逐渐演化出一种强调个人力量与征服自然的人文精神。自然在欧洲人心中既是强大的敌人,又是必须征服的对象。向自然祈求从未能带来回报,这种经验使得欧洲人养成了好斗、进取的性格,认为对自然的每一次改造都值得骄傲。这样的观念也深刻影响了欧洲园林的设计理念,以突出人为干预为荣。

欧洲和中国都曾建立起辉煌的古代文明。如果比较其成就,从春秋时期到明朝中叶,中华文明在人口规模、农业产量及部分工艺技术方面长期处于世界前列。据经济史学家估算,直到工业革命前夕,中国的经济总量仍在全球占有重要比重,其繁荣程度令当时的西方旅行者(如马可·波罗)叹为观止。

导致华夏文明长期领先的重要原因之一,是中欧两地不同自然观对社会发展的深远影响。在人类与自然初期的较量中,由于人类自身力量薄弱,大多处于劣势。而在中国,得天独厚的自然条件,加之人们善于顺应并利用自然资源,使得中华文明得以顺畅发展。反观欧洲,自然环境更加恶劣,人类与自然抗争时屡战屡败,生活艰难不堪,最终宗教神权趁虚而入,掌控社会,使欧洲文明的发展因此停滞了一千余年。

尽管中华文明长期领先,但其传统自然观也存在诸多不足。中国人过于推崇自然的力量,却低估了人的潜能。这种过度崇敬自然的思想催生了中国人性格上的一些缺陷:与欧洲人相比,中国人野心不足,容易满足,缺乏主动性和探索精神,抽象思维的能力也显得薄弱。这些特质成为了 500 年前中华文明开始落后于欧洲的重要原因之一。

首先来看一下中国人的自然观对中国自然科学发展的影响。古代中国在应用科学方面取得了无数卓越成就,例如四大发明。然而,如果按学科领域划分,这些成就大多集中在应用科学领域,如制造业和建筑业,而在基础理论学科方面则显得相对薄弱。以数学为例,中国古代数学在算法和计算技术上取得了辉煌成就,如《九章算术》及宋元时期的代数成就。然而,与古希腊数学建立在公理化逻辑体系(如欧几里得几何)之上不同,中国传统数学更侧重于解决实际问题的算学模型。这种重实用、轻理论抽象的倾向,使得近代科学所需的严密逻辑体系未能在中国自然生发。

数学领域的薄弱,实际上是中国传统自然观影响的结果。中国人对自然界的现状往往感到满足,因而缺乏改造自然的兴趣与动力。这种满足于表面解决的思维模式导致了对事物内在逻辑和深层规律的探究热情不足,人们习惯于停留在现象观察的层面,而不愿意进一步抽象总结,更不用说将理论用于指导实践。作为最基础、最抽象的学科之一,数学受到的影响尤为显著。

自然观对人文领域的影响同样深远。许多电视剧描绘了清朝社会与人文,给观众一种印象:清朝的皇帝似乎个个雄才大略,开明勤政。这些影视作品虽然有艺术加工,但与历史事实的差距并不大。如果将中国历代皇帝按“明君”和“昏君”的标准排序,清朝的皇帝在明君之列可占据半数,而昏君的行列却几乎没有清朝的身影。然而,正是在清朝统治期间,中国开始大幅落后于西方。为什么会出现这种矛盾呢?

单从纵向比较来看,清朝的统治并不逊色。其间,中国的国土面积扩张了三倍有余,人口增长了四倍,国民生产总值更是增加了十几倍。然而,这些成就只是从绝对意义上评价的结果。如果引入机会成本的概念,问题就显而易见:在清朝发展壮大的同时,欧洲已经完成了文艺复兴,在政治上实现了民主制度对专制制度的胜利,在科技上完成了工业革命,并且通过殖民扩张将版图和影响力扩展到全球。相比之下,尽管清朝的皇帝兢兢业业、鞠躬尽瘁,但最终在全球竞争中,清朝的“增长”却依然相对落后。

从长远来看,民主制度因其保障方向正确、调动多数人积极性的特点,效率远远超过专制制度。这也引发了一个关键问题:中国为何未能像欧洲那样自发走向民主?原因之一在于中国当时缺乏系统的民主思想。文艺复兴后的欧洲,思想领域百花齐放,诸如《社会契约论》等开创性的著作,为后来的民主实践提供了坚实的理论基础。而在中国,自先秦以后,哲学思想长期专注于伦理政治秩序的构建,缺乏对自然科学逻辑的哲学探讨,最终演变为三纲五常等以服务专制统治为主的伦理教条。在缺乏民主思想指导的情况下,民主实践自然无从谈起。

中国传统的自然观也间接助长了这种局面。过分崇尚自然的思想使中国人心甘情愿地臣服于自然,而这种带有自卑和顺从色彩的思维也延伸至社会层面。人们轻易屈服于权威,缺乏平等意识,更遑论创新或挑战既有权力结构。例如,在学术写作中,中国人往往喜欢引用古人的言行作为论据,而欧洲学者则更倾向于以“批判某某”为题展开独立的分析与讨论。

尽管这些影响已经成为历史,但我们研究自然辩证法的目的在于为当下和未来服务。认识到不同自然观在历史发展中的作用,可以帮助我们树立一种更适合现代发展的观念,激发更强的创造力与进取精神,从而在全球化竞争中争取主动权。

观察不同自然观对人类发展的影响,可以得出一个重要结论:人类的野心有多大,成就就可以有多大。典型的欧洲自然观以“人定胜天”为核心,相信人类有能力战胜自然,并以此为基础推动了欧洲文明的崛起和全球扩张。随着欧洲思想的广泛传播,中国的自然观也逐渐发生转变。诸如马克思主义和自然辩证法等西方思想被引入中国,带来了新的观念。比如在 40 年前,“人定胜天”的思想在中国深入人心,成为那个时代激发建设热情的重要口号。

这种转变无疑是中国走向富强的良好开端。尽管历史上像大跃进这样的尝试最终失败,但这并不意味着“人定胜天”的理念是错误的。关键在于,战胜自然需要正确的方法、充分的知识积累,以及持之以恒的努力。这个过程中可能需要数十年甚至更长时间才能实现,不可冒进。

当工业发展与环境保护发生冲突时,如何取舍?虽然理想状态下二者兼顾是最佳方案,但当必须做出选择时,历史为我们提供了一定的启示:优先发展工业。

首先,工业的发展提升了人类改造自然的能力,使得修复环境的技术手段不断进步。欧洲在工业化初期对环境的破坏十分严重,但经过数百年的努力,许多地区已经实现了环境的有效修复甚至改善。其次,即便有些环境破坏无法完全修复,未来随着人类科技的发展,如实现星际移民等,地球环境的状态可能不再是人类生存的唯一依托。

其次,放弃发展则可能意味着生存权的丧失。历史教训告诉我们,单纯顺应自然而缺乏科技力量的保护,往往难以抵御外部风险或自然界的剧变。美洲原住民文明的衰落虽有病菌等复杂原因,但也佐证了掌握先进生产力对于文明存续的重要性。如果没有足够的科技能力,人类在面临巨大的生存危机时将束手无策。同样,从更长远的视角看,地球面临着小行星撞击、气候极端化等风险。如果人类无法在这些灾难发生之前发展出足够的科技能力脱离地球,那么我们所保护的一切最终都将消失。

因此,积极进取的自然观是人类发展的必要条件。它鼓励我们在面对自然挑战时选择积极应对,而非消极回避。在确保合理平衡的基础上,勇敢探索、不断进步,才能为人类开创更加光明的未来。这样的自然观,不仅是我们发展的方向,也是文明延续的关键所在。

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