醫(yī)學(xué)院校計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)的探討

顧云燕

摘 要：計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是一門新興的學(xué)科，是生物信息學(xué)專業(yè)本科生的主干專業(yè)課程。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是在細(xì)胞、組織、器官和生物體整體水平上研究結(jié)構(gòu)和功能各異的生物分子及其相互作用，并通過計(jì)算生物學(xué)來定量闡明和預(yù)測(cè)生物功能、表型和行為的學(xué)科。本文就計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式等方面進(jìn)行探討，并結(jié)合醫(yī)學(xué)院校的特點(diǎn)，討論計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程的講授過程中的注意點(diǎn)，以提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論與實(shí)踐聯(lián)系的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué) 教學(xué) 醫(yī)學(xué)院校 課程

中圖分類號(hào)：R228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0252-02

生命系統(tǒng)高度復(fù)雜，成千上萬的基因相互作用，形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，繼而完成特定的生物學(xué)過程。傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)從單個(gè)基因角度出發(fā)，探索生命現(xiàn)象或者疾病致病機(jī)制，忽略了系統(tǒng)中各個(gè)層面的交互、支持、整合等作用，限制了生物學(xué)研究的發(fā)展。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，海量組學(xué)數(shù)據(jù)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、表觀組、互作組等）的涌現(xiàn)，以及生物信息整合分析技術(shù)的開發(fā)，計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1]。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是生物信息專業(yè)本科生基礎(chǔ)課程。自哈爾濱醫(yī)科大學(xué)2003年開設(shè)生物信息專業(yè)以來，計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)一直是該專業(yè)學(xué)生的主干課程，經(jīng)過多年的理論與實(shí)踐教學(xué)，筆者將探討該課程相關(guān)內(nèi)容和教學(xué)方法，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

1 計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程簡(jiǎn)介

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是一門新學(xué)科，以生物信息學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算為工具，從系統(tǒng)的角度解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)問題。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)研究流程首先是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得，其次是利用計(jì)算生物學(xué)建立生物模型?？茖W(xué)家把計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)分為“濕”的實(shí)驗(yàn)部分（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究）和“干”的實(shí)驗(yàn)部分（計(jì)算機(jī)模擬和理論分析）。“干”和“濕”實(shí)驗(yàn)的完美整合才是真正的計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)[2]。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)的核心是整合，包括三方面：將系統(tǒng)內(nèi)不同性質(zhì)的構(gòu)成要素（基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等）整合在一起進(jìn)行研究；從基因到細(xì)胞、到組織、到個(gè)體的各個(gè)層次的整合；研究思路和方法的整合（水平型和垂直型整合）。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)與其他學(xué)科密切相關(guān)，如生物信息學(xué)、分子生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)[3]。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)不僅僅滲透到醫(yī)藥領(lǐng)域，也已經(jīng)廣泛應(yīng)用到能源領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)、畜牧農(nóng)林業(yè)等等。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程總學(xué)時(shí)數(shù)目是60學(xué)時(shí)，包括42學(xué)時(shí)理論學(xué)時(shí)和18學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。一般開設(shè)在本科三年級(jí)。該課程授課教師質(zhì)量?jī)?yōu)，是從生物信息學(xué)方向畢業(yè)的博士，具有生物背景和數(shù)學(xué)背景，常年從事復(fù)雜疾病的系統(tǒng)生物學(xué)方面的研究。由于該課程在醫(yī)學(xué)院校開設(shè)，必然需要一些具備計(jì)算機(jī)和算法良好基礎(chǔ)的優(yōu)秀教師參與授課，這樣才能使得該課程具有良好的師資結(jié)構(gòu)，保證好的授課效果。目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有30余家生物信息學(xué)專業(yè)開設(shè)計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程。不同背景的院校開設(shè)該課程，側(cè)重點(diǎn)各有不同。工科院校側(cè)重算法的開發(fā)和模型的建立。醫(yī)學(xué)院校側(cè)重生物學(xué)問題和疾病機(jī)制的探索。

3 教學(xué)內(nèi)容

目前沒有規(guī)范的、成熟的中文計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程教材，均是授課教師編寫的講義。授課教師根據(jù)專業(yè)背景、專業(yè)人才培養(yǎng)定位，緊跟專業(yè)前沿研究?jī)?nèi)容，制定教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，包括理論課和實(shí)驗(yàn)課。教學(xué)大綱包括理論課每一個(gè)學(xué)時(shí)的授課內(nèi)容（掌握和熟悉的內(nèi)容）、教學(xué)基本要求、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)課需要明確實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、?shí)驗(yàn)程序、結(jié)果分析等。計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)制定以理論為基礎(chǔ)，將理論應(yīng)用于時(shí)間，旨在提高學(xué)生動(dòng)手操作能力。

4 教學(xué)模式

4.1 理論與實(shí)踐結(jié)合

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程依賴于專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容，例如：組學(xué)的知識(shí)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)知識(shí)點(diǎn)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)編程等。對(duì)于理論課，主要采用教師主導(dǎo)的傳統(tǒng)講授方法，運(yùn)用PPT等多媒體授課，以彌補(bǔ)書本教材抽象、呆板的缺點(diǎn)。在授課課件中需要利用大量圖片生動(dòng)、形象地展示當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。收集或制作動(dòng)畫、視頻教程在課堂上進(jìn)行演示。從數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)綜合、建立模型、干實(shí)驗(yàn)?zāi)M、系統(tǒng)分析模型、提煉假設(shè)和預(yù)測(cè)，到最后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這是一個(gè)經(jīng)典的計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)分析流程。在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，需要及時(shí)在實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行實(shí)踐。指導(dǎo)學(xué)生理解不同算法的基本原理，結(jié)合生物學(xué)問題，深入淺出地闡明計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)精髓。由于實(shí)驗(yàn)課課時(shí)有限，需要引導(dǎo)學(xué)生課后積極思考、探索有意思的生物問題，鼓勵(lì)學(xué)生自己實(shí)踐小課題，活學(xué)活用。鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)，拓展知識(shí)面，積極關(guān)注最新科研動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4.2 案例式授課

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程的理論知識(shí)是枯燥的，計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)，涉及的知識(shí)面廣而深。例如：計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)涉及到數(shù)學(xué)知識(shí)，如貪婪算法、圖算法、組合模式匹配、聚類和樹、隱馬氏模型、隨機(jī)化算法等[4]。又如，涉及廣泛的生物學(xué)知識(shí)點(diǎn)，必須有分子生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)會(huì)將不同的知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通的運(yùn)用起來，是一個(gè)關(guān)鍵問題。在授課過程中，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的，需要采取不同的教學(xué)方法。因此，采取案例式方法授課，可以收到很好的教學(xué)效果。例如：在腫瘤系統(tǒng)生物學(xué)這部分知識(shí)點(diǎn)授課時(shí)，以肺癌為例，整合突變、拷貝數(shù)、甲基化等多維度分子改變識(shí)別肺癌相關(guān)基因[5]。首先，學(xué)生需要了解肺癌這個(gè)疾病的背景知識(shí)，了解不同分子改變的內(nèi)涵；其次，要獲得肺癌患者的數(shù)據(jù)，需要到公共數(shù)據(jù)庫，如The Cancer Genome Atlas等，搜集不同分子改變數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；然后，根據(jù)一定的生物學(xué)假設(shè)，建立統(tǒng)計(jì)模型，應(yīng)用到肺癌數(shù)據(jù)上；最后，進(jìn)行癌基因的預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。通過案例，引導(dǎo)學(xué)生思考，將不同的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合利用，收到良好的教學(xué)效果。

4.3 科研教學(xué)一體化

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)是一門新學(xué)科，知識(shí)處于不斷更新中。教師在授課過程中需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)檢索文獻(xiàn)、閱讀前沿英文文獻(xiàn)，重視學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。我院實(shí)行學(xué)業(yè)導(dǎo)師制，學(xué)生在大三年級(jí)進(jìn)入各位老師研究的課題組。那么，在授課過程中，授課教師需要注重引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到解決科研問題上，將科學(xué)研究和教學(xué)一體化，以科研促進(jìn)教學(xué)，學(xué)以致用，讓學(xué)生感受到學(xué)到的知識(shí)的用處。這樣學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容會(huì)產(chǎn)生興趣，興趣是最好的老師，這將有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)練和科研時(shí)間能力的培養(yǎng)。

5 結(jié)語

總之，計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)目的是從大數(shù)據(jù)中挖掘有用的生物信息，并整合起來從整體上認(rèn)識(shí)生物系統(tǒng)；用數(shù)學(xué)模型為生物系統(tǒng)建模，揭示生物機(jī)制和致病機(jī)制[6]。大數(shù)據(jù)時(shí)代下，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展必然離不開計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)。通過該課程的授課，培養(yǎng)復(fù)合型的學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐操作能力和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。同時(shí)，對(duì)我們?nèi)握n教師也提出了更高的要求。授課教師需要不斷提高自身素質(zhì)，包括科研能力、教學(xué)水平等，積極和同專業(yè)的教師進(jìn)行交流，不斷地探索和完善計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)，培養(yǎng)具有跨越數(shù)理科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域的優(yōu)秀生物信息學(xué)人才。

參考文獻(xiàn)

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