醫(yī)學(xué)院校生物科學(xué)專業(yè)系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)體會(huì)

陳奇

摘 要 系統(tǒng)生物學(xué)是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，已進(jìn)入生命科學(xué)研究的主流。本文就系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題和對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行總結(jié)，以期為提高系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)質(zhì)量提供借鑒。

關(guān)鍵詞 系統(tǒng)生物學(xué) 課程 教學(xué)

Abstract System biology is a multidisciplinary comprehensive discipline， has entered the mainstream of life science research. This paper summarizes the problems found in the process of system biology teaching and the corresponding improvement measures so as to provide reference for improving the teaching quality of system biology.

Keywords system biology； course； teaching

系統(tǒng)生物學(xué)是生命科學(xué)發(fā)展的新突破，整合了各層面的生物信息數(shù)據(jù)，通過建立各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而闡明和預(yù)測(cè)生物功能、表型及行為，在系統(tǒng)水平上理解生物體，是當(dāng)今生命科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，是“21世紀(jì)的生物學(xué)”，代表著生命科學(xué)發(fā)展的總體趨勢(shì)。系統(tǒng)生物學(xué)的形成引起了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)及信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域眾多科學(xué)家的廣泛關(guān)注和參與，已成為一門多學(xué)科交叉并不斷發(fā)展的新型學(xué)科。為了緊跟國內(nèi)外生物科學(xué)發(fā)展的步伐，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高科技人才和服務(wù)社會(huì)的目的，我校對(duì)生物科學(xué)專業(yè)開設(shè)了系統(tǒng)生物學(xué)課程，目的在于了解系統(tǒng)生物學(xué)的基本概念和研究?jī)?nèi)容，掌握生物系統(tǒng)分析和建模的基本原理，拓寬視野，培養(yǎng)全局觀，形成系統(tǒng)的思維方式，從而更全面地認(rèn)識(shí)和理解生命現(xiàn)象，把握本世紀(jì)生命科學(xué)研究的大方向。本文針對(duì)在系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題和對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行總結(jié)，以期為提高系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)質(zhì)量提供借鑒。

1 生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)開設(shè)系統(tǒng)生物學(xué)課程的必要性和緊迫性

生物系統(tǒng)是指由各種分子（蛋白、基因、小分子等）組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物系統(tǒng)研究通常指對(duì)單個(gè)分子或不同分子組成的生物通路的研究。但在生物系統(tǒng)中，不同分子和不同通路是存在相互作用的，即構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。因此，可以說，決定生物系統(tǒng)特性和結(jié)果的是網(wǎng)絡(luò)，而不是單個(gè)分子或生物通路。單純用還原論來研究生物學(xué)問題，找出各個(gè)基因以及每個(gè)基因的單獨(dú)的相互關(guān)系是不可能解釋生命現(xiàn)象的。要真正解釋生命現(xiàn)象，就必須了解各個(gè)不同組成部分的相互關(guān)系以及它們的動(dòng)態(tài)關(guān)系，也就是它們之間所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)學(xué)的方法來研究生命現(xiàn)象。

系統(tǒng)生物學(xué)中系統(tǒng)的概念或整體的概念或哲學(xué)觀，最早可以追溯到公園前300多年的亞里士多德（Aristotle）。整體哲學(xué)觀是指一個(gè)整體可以人為地分為不同的組分，但是這個(gè)整體的特性并不能用這些組分中所含的知識(shí)進(jìn)行完全解釋。整體的哲學(xué)觀在中國古代的《易經(jīng)》和傳統(tǒng)的中醫(yī)學(xué)中也有詳細(xì)的記載和體現(xiàn)。系統(tǒng)生物學(xué)的第二個(gè)起源可以追溯到18世紀(jì)中晚期，“生理學(xué)之父”——Claude Bernard 提出的“體內(nèi)恒定理論”（homeostasis）。該理論是指一個(gè)生命的有機(jī)體需要很多動(dòng)態(tài)的、平衡的調(diào)節(jié)（包括正反饋和負(fù)反饋等），來維持其內(nèi)環(huán)境達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的、恒定的狀態(tài)。系統(tǒng)生物學(xué)中系統(tǒng)概念的第三個(gè)起源可以追溯到20世紀(jì)50年代，Nobert Wiener提出的“控制論”和Ludwig von Bertalanffy 提出的“一般系統(tǒng)理論”。而系統(tǒng)生物學(xué)的真正起源是在20世紀(jì)90年代后期，人類基因組的完成以及高通量技術(shù)的產(chǎn)生，如DNA芯片技術(shù)、高通量蛋白組學(xué)技術(shù)等的發(fā)展，使系統(tǒng)生物學(xué)真正實(shí)現(xiàn)發(fā)展。同時(shí)，計(jì)算科學(xué)計(jì)算能力的不斷提高，也促進(jìn)了系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展。

系統(tǒng)生物學(xué)在中國有很好的基礎(chǔ)，我們的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)就是把人體視為一個(gè)系統(tǒng)，通過測(cè)定和改變系統(tǒng)的輸入和輸出來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)。傳統(tǒng)科學(xué)的缺點(diǎn)在于，它只能進(jìn)行“黑箱操作”，不能解釋系統(tǒng)的內(nèi)部組成成分和動(dòng)力學(xué)過程。而系統(tǒng)生物學(xué)則把生物系統(tǒng)化為“白箱”，不僅要了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，而且還要揭示出系統(tǒng)內(nèi)部各組成成分的相互作用和運(yùn)行規(guī)律。系統(tǒng)生物學(xué)是從系統(tǒng)的視角對(duì)生物進(jìn)行研究，相應(yīng)的研究手段在生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)受到的關(guān)注越來越多。人類基因組計(jì)劃發(fā)起人之一，“系統(tǒng)生物學(xué)之父”諾伊胡德（Leroy Hood）認(rèn)為：“系統(tǒng)生物學(xué)將是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的核心驅(qū)動(dòng)力”?，F(xiàn)代系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展不僅將對(duì)生物學(xué)本身更深刻地解釋生命現(xiàn)象起到非常重要的作用，也將對(duì)農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、生物工程等領(lǐng)域起到革命性的推進(jìn)作用。系統(tǒng)生物學(xué)的學(xué)習(xí)能夠?yàn)樯茖W(xué)研究提供全新的思路和角度，是生物學(xué)相關(guān)科研人員、教師和學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究和學(xué)習(xí)的常備工具。系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展極大地推動(dòng)者生命科學(xué)的進(jìn)步，針對(duì)本科生開設(shè)系統(tǒng)生物學(xué)已經(jīng)非常必要和緊迫。

2 系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)師資力量薄弱

系統(tǒng)生物學(xué)是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，對(duì)教師的專業(yè)素養(yǎng)要求較高。一方面需要任課老師掌握生物學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)；另一方面還需要緊跟國內(nèi)國際最新前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，以不斷補(bǔ)充系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)科的知識(shí)更替奠定基礎(chǔ)。然而，由于國內(nèi)系統(tǒng)生物學(xué)相關(guān)教學(xué)和科研水平尚處于初級(jí)階段，培養(yǎng)出來的人才數(shù)量不多，且有限的人才涌向了國內(nèi)外名校，普通高校一時(shí)難以招錄專業(yè)對(duì)口的師資。因此，包括本校在內(nèi)的很多普通高校能夠勝任系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)的教師十分匱乏。這樣以來，勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)難度，同時(shí)還會(huì)在一定程度上也影響了學(xué)生專業(yè)知識(shí)的獲取和專業(yè)素養(yǎng)、能力的培養(yǎng)。

2.2 可供選擇的教材不多endprint

系統(tǒng)生物學(xué)涵蓋內(nèi)容龐雜，現(xiàn)有教材種類偏少，難以滿足所有高校的需求。目前，可供本校類似的普通高校選擇的教材只有浙江大學(xué)出版社林標(biāo)揚(yáng)編著的《系統(tǒng)生物學(xué)》和科學(xué)出版社張自立、王振英編著的《系統(tǒng)生物學(xué)》。前者內(nèi)容分為三篇，分別為第一篇，系統(tǒng)生物學(xué)概括，介紹系統(tǒng)生物學(xué)的基本概念和原理；第二篇，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)生物學(xué)，介紹系統(tǒng)生物學(xué)研究的高通量技術(shù)和手段，包括蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等研究手段；第三篇，計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)，介紹系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)整合分析、計(jì)算和模擬的工具。在第二篇 “濕”的實(shí)驗(yàn)室部分內(nèi)容相對(duì)于科學(xué)出版社的較為概括，但在第三篇“干”的實(shí)驗(yàn)部分又較為具體，實(shí)例也較多。而考慮到本校學(xué)生信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)較弱的實(shí)情，難以從現(xiàn)有的教材中選出適于本科生學(xué)習(xí)的范本，對(duì)任課老師是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外，隨著系統(tǒng)生物學(xué)的迅速發(fā)展，學(xué)科相應(yīng)的技術(shù)方法更新很快，教材中的分析軟件、講解實(shí)例都已不再是當(dāng)前最新最普遍的，這對(duì)教材內(nèi)容的更新和教師的講授也是很大的挑戰(zhàn)。

2.3 與其他學(xué)科的交叉偏少

系統(tǒng)生物學(xué)涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域，多學(xué)科交叉融合顯著，這也是當(dāng)今乃至將來自然科學(xué)發(fā)展的明顯趨勢(shì)?？茖W(xué)史的發(fā)展也表明，很多重大科技成果的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用離不開多學(xué)科交叉。然而在實(shí)際授課過程中，系統(tǒng)生物學(xué)很難真正實(shí)現(xiàn)學(xué)科交匯。系統(tǒng)生物學(xué)課程的開設(shè)通常是在生命科學(xué)學(xué)院，而對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等“干”的部分則在其他學(xué)院，不同學(xué)院或者不同教研室之間，教師的交流相對(duì)較少，合作碰撞的概率也隨之銳減，高校內(nèi)部的這種現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)需求。

2.4 教學(xué)模式單一

系統(tǒng)生物學(xué)是一門理論性與實(shí)踐性很強(qiáng)、且需要緊密結(jié)合的學(xué)科。針對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)，目前多數(shù)高校采用的是較為傳統(tǒng)的課堂講授為主，多媒體為輔的教學(xué)法，重點(diǎn)講解理論知識(shí)，缺乏對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。這樣使得學(xué)生掌握了大量的理論知識(shí)，卻很難應(yīng)用到實(shí)踐之中，在遇到生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題時(shí)依舊束手無策。這種單一、傳統(tǒng)的教學(xué)模式弊端暴露無遺：即理論與實(shí)踐脫節(jié)，培養(yǎng)出來的學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握并不牢固，教學(xué)效果大打折扣。

3 系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)存在問題的對(duì)策

3.1 培養(yǎng)和引進(jìn)專業(yè)人才

教師的知識(shí)水平和能力的高低直接影響著系統(tǒng)生物學(xué)的課程教學(xué)，針對(duì)師資薄弱的問題，一方面應(yīng)充分提高師資隊(duì)伍系統(tǒng)生物學(xué)的知識(shí)水平和對(duì)應(yīng)的教學(xué)能力，鼓勵(lì)并在政策和資金上給予支持，充分調(diào)動(dòng)教師到相關(guān)專業(yè)的國內(nèi)外高校訪學(xué)或進(jìn)修，學(xué)習(xí)和吸收知名高校知名教師的先進(jìn)教學(xué)理念和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；另一方面，需要學(xué)校提供具有吸引力的條件引進(jìn)國內(nèi)外系統(tǒng)生物學(xué)高層次人才，補(bǔ)充現(xiàn)有師資隊(duì)伍，增添新鮮血液。當(dāng)然，在不具備上述條件的高校，可以考慮邀請(qǐng)國內(nèi)外兄弟院校的教師定期或者不定期地開展相關(guān)的教學(xué)或科研交流會(huì)，加強(qiáng)教師之間的交流合作，從而在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有師資隊(duì)伍薄弱的短板。

3.2 促進(jìn)學(xué)科交叉融合

系統(tǒng)生物學(xué)是建立在多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)之上的“大科學(xué)”，需要生命科學(xué)、信息科學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等多種學(xué)科的共同參與。國內(nèi)外知名大學(xué)生物學(xué)的教學(xué)普遍建立了良好的多學(xué)科交叉秩序，并在積極推進(jìn)著學(xué)科之間的深層次融合與發(fā)展。在本校類似的一般高校中，可仿效國內(nèi)外高校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，整合院內(nèi)乃至校內(nèi)的優(yōu)秀師資隊(duì)伍，建立起有針對(duì)性的學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)，在教學(xué)過程中取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互學(xué)習(xí)，從而在一定程度上彌補(bǔ)專業(yè)師資隊(duì)伍的缺口，促進(jìn)學(xué)科教學(xué)的多維發(fā)展。

3.3 推進(jìn)“教、學(xué)、研”有機(jī)結(jié)合

系統(tǒng)生物學(xué)的開設(shè)一般是在大三，學(xué)生在完成普通生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)等課程的學(xué)習(xí)之后，大多對(duì)生物學(xué)知識(shí)有了自己的理解和認(rèn)識(shí)，再加上計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)知識(shí)的理解難度不大，但絕大多數(shù)學(xué)生沒有接觸過科研課題，對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)能夠解決的實(shí)際問題并不清楚，在學(xué)習(xí)之中很難將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，直接造成將來應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)知識(shí)的時(shí)候帶著很大的盲目性。因此，在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，可以考慮推進(jìn)“教、學(xué)、研”有機(jī)交融的教學(xué)模式。針對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)課程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些小的科研課題，激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的興趣，進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)省級(jí)或者國家級(jí)的科研訓(xùn)練項(xiàng)目，或是直接參與到教師的科研實(shí)踐中，以“研”帶動(dòng)學(xué)生的“學(xué)”與教師的“教”，積極推進(jìn)推進(jìn)“教、學(xué)、研”的有機(jī)結(jié)合，使三者融為一體。這種對(duì)策能夠極大地激發(fā)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)課程的興趣，有助于學(xué)生及時(shí)將理論知識(shí)應(yīng)用到解決科研具體問題的實(shí)踐之中，促使二者有機(jī)結(jié)合，學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索。學(xué)生也能夠盡早投入到生命科學(xué)研究的大環(huán)境之中，借助團(tuán)隊(duì)協(xié)作和具體的實(shí)踐訓(xùn)練，做到學(xué)以致用。

3.4 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)

系統(tǒng)生物學(xué)是理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)離不開“濕”的實(shí)驗(yàn)室和“干”的實(shí)驗(yàn)室。一方面本校類似的普通高校要積極籌建系統(tǒng)生物學(xué)的“濕”實(shí)驗(yàn)室，開展與生物化學(xué)、微生物學(xué)等課程類似的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，兼顧絕大多數(shù)學(xué)生的實(shí)踐課程學(xué)習(xí)；另一方面，針對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)中的建模、仿真等“干”實(shí)驗(yàn)室的軟件實(shí)訓(xùn)，應(yīng)仿照生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，建設(shè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房，升級(jí)計(jì)算機(jī)配置，提供上網(wǎng)功能，保障實(shí)驗(yàn)課程的順利實(shí)施。針對(duì)必需掌握的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)有針對(duì)性的軟件實(shí)訓(xùn)，結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行深入講解，并留有一定難度的實(shí)際訓(xùn)練課題給學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)課自主探索學(xué)習(xí)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決具體實(shí)例的能力。

4 小結(jié)

系統(tǒng)生物學(xué)作為生命科學(xué)研究的“新寵兒”，對(duì)教師和相應(yīng)課程建設(shè)的要求較高，有待于任課教師認(rèn)識(shí)和知識(shí)體系的不斷更新和完善。新時(shí)期系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)需要教師緊跟國內(nèi)國際最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷充實(shí)課程“教、學(xué)、研”的內(nèi)容。同時(shí)，不斷更新教學(xué)模式，充分利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠不斷汲取新的知識(shí)，鍛煉實(shí)踐能力。在本校類似的醫(yī)學(xué)院校，系統(tǒng)生物學(xué)課程經(jīng)盡快面向全校開設(shè)，以滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展需求，培養(yǎng)具有學(xué)科交叉意識(shí)強(qiáng)、知識(shí)水平高和動(dòng)手能力熟練的本科生。

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