工科院校系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)改革初探

周玉柏

摘要：系統(tǒng)生物學(xué)是以系統(tǒng)觀點研究生命現(xiàn)象的交叉學(xué)科，代表著生物學(xué)未來研究的方向。然而，系統(tǒng)生物學(xué)涉及學(xué)科多，內(nèi)容跨度大，學(xué)習(xí)曲線陡峭。針對系統(tǒng)生物學(xué)本科教學(xué)中存在的問題，本文嘗試從教材選擇、課程內(nèi)容優(yōu)化以及教學(xué)方式等不同方面探討進(jìn)行教學(xué)改革的策略，以期獲得更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)生物學(xué)；教學(xué)改革；工科院校

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）04-0110-02

自日本學(xué)者北野宏明（Hiroaki Kitano）2002年在science上撰文系統(tǒng)闡述系統(tǒng)生物學(xué)（systems biology）概念后，在短短十幾年期間，系統(tǒng)生物學(xué)取得了飛速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的基于還原論的生物學(xué)研究不同，系統(tǒng)生物學(xué)嘗試以一種更為宏觀的角度從整體上研究復(fù)雜的生命現(xiàn)象，構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)元素間相互作用的網(wǎng)絡(luò)模型，以期對各種生命現(xiàn)象的內(nèi)在機制進(jìn)行合理解釋和預(yù)測，其研究方法涉及生命科學(xué)（以各種組學(xué)研究為主）、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等多種學(xué)科。目前，系統(tǒng)生物學(xué)已滲入到生命科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，尤其是在生物醫(yī)藥研究中，系統(tǒng)生物學(xué)的方法被廣泛應(yīng)用于疾病的早期診斷、藥物新靶點的尋找以及個體化醫(yī)療等方面。目前，系統(tǒng)生物學(xué)正與大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)進(jìn)行深度融合，展現(xiàn)出越來越廣闊的應(yīng)用前景。綜合上述背景，在生物技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中開設(shè)系統(tǒng)生物學(xué)課程就顯得尤為必要了。本文針對筆者在講授系統(tǒng)生物學(xué)課程過程中遇到的問題，嘗試從多方面探討課程教學(xué)改革的方法和策略，以期降低學(xué)習(xí)難度，獲得更好的教學(xué)效果。

一、系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)中存在的問題

系統(tǒng)生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，學(xué)科發(fā)展歷史較短，筆者在教學(xué)過程中遇到了一些具有共性的問題：（1）相關(guān)教材的缺乏：與傳統(tǒng)生物學(xué)科諸如分子生物學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)相比，適合本科生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)生物學(xué)教材十分匱乏，目前已出版的中文教材，有的內(nèi)容深度不夠，有的又過于偏重數(shù)學(xué)分析，單一書籍并不能完全滿足教學(xué)的要求。（2）學(xué)科知識分散，內(nèi)容龐雜：系統(tǒng)生物學(xué)涉及多個學(xué)科的知識，內(nèi)容分散，尤其是存在大量跨專業(yè)的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大。由于學(xué)時有限，不可能把相關(guān)知識點講解透徹，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺知識比較零碎，無法對該學(xué)科形成框架性的認(rèn)識，往往是淺嘗輒止，無法形成完整的知識體系。（3）學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱：系統(tǒng)生物學(xué)是一門涉及多專業(yè)的新興交叉學(xué)科，對高等數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)以及計算機科學(xué)的相關(guān)知識有較高的要求，但生物技術(shù)專業(yè)本科生上述學(xué)科的基礎(chǔ)知識均比較薄弱，這也極大影響了課程的學(xué)習(xí)效果。（4）傳統(tǒng)的生物技術(shù)課程教學(xué)方法不適應(yīng)系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)：傳統(tǒng)的課堂講授模式并不適用于系統(tǒng)生物學(xué)課程的教學(xué)，由于課程中涉及較多數(shù)學(xué)及統(tǒng)計學(xué)運算以及計算機編程的相關(guān)知識，內(nèi)容相對抽象，單純的課堂講授較為枯燥，不易激發(fā)學(xué)生的興趣，這也影響了課程的整體教學(xué)效果。

二、系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)改革初探

針對在教學(xué)過程中遇到的問題，筆者嘗試從以下幾個方面對系統(tǒng)生物學(xué)本科教學(xué)改革的策略和方法進(jìn)行初步探討：（1）選擇合適教材：作為一門新興的學(xué)科，目前適合本科生的教材相對缺乏，國內(nèi)出版的系統(tǒng)生物學(xué)書籍要么內(nèi)容的系統(tǒng)性和深度不足，要么是針對某領(lǐng)域的研究專著，對統(tǒng)計學(xué)和數(shù)學(xué)的要求較高，并不適合作為本科生的教材。針對以上情況，我在課程中同時使用了兩本教材，將張自立，王振英編著的《系統(tǒng)生物學(xué)》作為課程前期的教材，主要用于介紹系統(tǒng)生物學(xué)的相關(guān)概念、研究內(nèi)容和研究方法，而在課程后期使用U.阿隆的《系統(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論：生物回路的設(shè)計原理》，圍繞轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入講解，將二者結(jié)合可取得較好的教學(xué)效果。（2）針對生物技術(shù)專業(yè)本科生知識結(jié)構(gòu)特點，補充相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識：針對學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的問題，在課程中適當(dāng)穿插講解統(tǒng)計、高數(shù)以及計算機的相關(guān)知識，比如在講解希爾函數(shù)推導(dǎo)的過程中，適當(dāng)復(fù)習(xí)了高數(shù)中函數(shù)求導(dǎo)、積分以及微分方程求解的相關(guān)知識，并在課堂上布置若干習(xí)題，通過強化練習(xí)以提高學(xué)生對相關(guān)數(shù)學(xué)運算的熟練程度，使其能更好地理解課程講授的相關(guān)內(nèi)容。（3）由多學(xué)科教師組成教學(xué)團(tuán)隊共同講授課程：筆者在教學(xué)過程中深深感受到自身知識體系的局限，在涉及跨專業(yè)知識的講解時感覺比較吃力，由于目前專職的系統(tǒng)生物學(xué)教師十分缺乏，筆者認(rèn)為，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，可以組建跨專業(yè)的由不同學(xué)科教師組成的教學(xué)團(tuán)隊，共同研究并制定課程的教學(xué)大綱和教案，相互取長補短將能顯著提高課程的教學(xué)質(zhì)量。（4）優(yōu)化教學(xué)方式，理論與實踐相結(jié)合：綜合運用視頻動畫及計算機仿真演示等多種手段，將課堂講授的相關(guān)理論知識以一種更為直觀的方式加以呈現(xiàn)，以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解。同時，在課堂上也設(shè)置實踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨立思考，將理論知識進(jìn)行實際的運用。比如，指導(dǎo)學(xué)生在自己的電腦上建立簡單的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型進(jìn)行仿真演示，通過改變相關(guān)參數(shù)，觀察對動力學(xué)模型的影響，使學(xué)生對枯燥的數(shù)學(xué)方程有了直觀、鮮活的認(rèn)識，在加深知識理解的同時也增加了學(xué)習(xí)的興趣。（5）明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容：系統(tǒng)生物學(xué)課程本身并非生物技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它需要在完成多門先修課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行講授，且系統(tǒng)生物學(xué)研究的范圍十分廣闊，每個領(lǐng)域都自成體系，因此，本科階段的系統(tǒng)生物學(xué)課程并非追求內(nèi)容的深入，而是讓學(xué)生對該門學(xué)科有一個整體的框架性認(rèn)識，了解系統(tǒng)生物學(xué)的研究內(nèi)容、研究方法以及未來的應(yīng)用前景，并在此基礎(chǔ)上選擇一個研究領(lǐng)域進(jìn)行深入探討，為學(xué)生日后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

三、小結(jié)

作為生物學(xué)的重要發(fā)展方向，系統(tǒng)生物學(xué)近年來受到越來越多的關(guān)注。然而，目前在生物技術(shù)專業(yè)本科階段開設(shè)該課程還存在諸多困難。為進(jìn)一步普及系統(tǒng)生物學(xué)課程，提高教學(xué)質(zhì)量，筆者認(rèn)為應(yīng)該從課程教材、師資等環(huán)節(jié)入手，逐步積累經(jīng)驗，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理論與實驗并重，逐步完善適應(yīng)生物技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)的教材體系、教學(xué)理念和教學(xué)方法，培養(yǎng)具備生物、數(shù)學(xué)以及計算機科學(xué)等相關(guān)知識的復(fù)合型人才。

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Abstract：System biology is an interdisciplinary discipline that studies life phenomena from a systems perspective and represents the future direction of biology.However，systems biology involves many disciplines，large content spans，and the learning curve is steep.This article tries to explore the strategies of teaching reform from different aspects such as the selection of teaching materials，the optimization of curriculum content and the teaching methods，in order to obtain better teaching results.

Key words：Systems Biology；teaching reform；institutes of technology