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浅谈工科院校系统生物学教学改革

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摘要:系统生物学是以系统观点研究生命现象的交叉学科,代表着生物学未来研究的方向。然而,系统生物学涉及学科多,内容跨度大,学习曲线陡峭。针对系统生物学本科教学中存在的问题,本文尝试从教材选择、课程内容优化以及教学方式等不同方面探讨进行教学改革的策略,以期获得更好的教学效果。

关键词:系统生物学;教学改革;工科院校

自日本学者北野宏明(HiroakiKitano)2002年在science上撰文系统阐述系统生物学(systemsbiology)概念后,在短短十几年期间,系统生物学取得了飞速的发展。与传统的基于还原论的生物学研究不同,系统生物学尝试以一种更为宏观的角度从整体上研究复杂的生命现象,构建复杂系统元素间相互作用的网络模型,以期对各种生命现象的内在机制进行合理解释和预测,其研究方法涉及生命科学(以各种组学研究为主)、计算机科学、数学、学等多种学科。目前,系统生物学已渗入到生命科学研究的各个领域,尤其是在生物医药研究中,系统生物学的方法被广泛应用于疾病的早期诊断、药物新靶点的寻找以及个体化医疗等方面。目前,系统生物学正与大数据及人工智能技术进行深度融合,展现出越来越广阔的应用前景。综合上述背景,在生物技术专业本科教学中开设系统生物学课程就显得尤为必要了。本文针对笔者在讲授系统生物学课程过程中遇到的问题,尝试从多方面探讨课程教学改革的方法和策略,以期降低学习难度,获得更好的教学效果。

一、系统生物学教学中存在的问题

系统生物学是一门新兴的交叉学科,学科发展历史较短,笔者在教学过程中遇到了一些具有共性的问题:(1)相关教材的缺乏:与传统生物学科诸如分子生物学,细胞生物学相比,适合本科生学习的系统生物学教材十分匮乏,目前已出版的中文教材,有的内容深度不够,有的又过于偏重数学分析,单一书籍并不能完全满足教学的要求。(2)学科知识分散,内容庞杂:系统生物学涉及多个学科的知识,内容分散,尤其是存在大量跨专业的内容,学生学习的难度较大。由于学时有限,不可能把相关知识点讲解透彻,这导致学生在学习过程中感觉知识比较零碎,无法对该学科形成框架性的认识,往往是浅尝辄止,无法形成完整的知识体系。(3)学生基础知识薄弱:系统生物学是一门涉及多专业的新兴交叉学科,对高等数学、学以及计算机科学的相关知识有较高的要求,但生物技术专业本科生上述学科的基础知识均比较薄弱,这也极大影响了课程的学习效果。(4)传统的生物技术课程教学方法不适应系统生物学的教学:传统的课堂讲授送体验机无需申请并不适用于系统生物学课程的教学,由于课程中涉及较多数学及学运算以及计算机编程的相关知识,内容相对抽象,单纯的课堂讲授较为枯燥,不易激发学生的兴趣,这也影响了课程的整体教学效果。

二、系统生物学教学改革初探

针对在教学过程中遇到的问题,笔者尝试从以下几个方面对系统生物学本科教学改革的策略和方法进行初步探讨:

(1)选择合适教材:作为一门新兴的学科,目前适合本科生的教材相对缺乏,国内出版的系统生物学书籍要么内容的系统性和深度不足,要么是针对某领域的研究专著,对学和数学的要求较高,并不适合作为本科生的教材。针对以上情况,我在课程中同时使用了两本教材,将张自立,王振英编著的《系统生物学》作为课程前期的教材,主要用于介绍系统生物学的相关概念、研究内容和研究方法,而在课程后期使用U.阿隆的《系统生物学导论:生物回路的设计原理》,围绕转录调控网络进行深入讲解,将二者结合可取得较好的教学效果。

(2)针对生物技术专业本科生知识结构特点,补充相关学科基础知识:针对学生基础薄弱的问题,在课程中适当穿插讲解、高数以及计算机的相关知识,比如在讲解希尔函数推导的过程中,适当复习了高数中函数求导、积分以及微分方程求解的相关知识,并在课堂上布置若干习题,通过强化练习以提高学生对相关数学运算的熟练程度,使其能更好地理解课程讲授的相关内容。(3)由多学科教师组成教学团队共同讲授课程:笔者在教学过程中深深感受到自身知识体系的局限,在涉及跨专业知识的讲解时感觉比较吃力,由于目前专职的系统生物学教师十分缺乏,笔者认为,为了进一步提高系统生物学的教学质量,可以组建跨专业的由不同学科教师组成的教学团队,共同研究并制定课程的教学大纲和教案,相互取长补短将能显著提高课程的教学质量。

(4)优化教学方式,理论与实践相结合:综合运用视频动画及计算机仿真演示等多种手段,将课堂讲授的相关理论知识以一种更为直观的方式加以呈现,以加深学生对所学理论知识的理解。同时,在课堂上也设置实践环节,引导学生进行独立思考,将理论知识进行实际的运用。比如,指导学生在自己的电脑上建立简单的转录调控模型进行仿真演示,通过改变相关参数,观察对动力学模型的影响,使学生对枯燥的数学方程有了直观、鲜活的认识,在加深知识理解的同时也增加了学习的兴趣。

(5)明确教学目标,优化教学内容:系统生物学课程本身并非生物技术专业的基础课程,它需要在完成多门先修课程的基础上进行讲授,且系统生物学研究的范围十分广阔,每个领域都自成体系,因此,本科阶段的系统生物学课程并非追求内容的深入,而是让学生对该门学科有一个整体的框架性认识,了解系统生物学的研究内容、研究方法以及未来的应用前景,并在此基础上选择一个研究领域进行深入探讨,为学生日后进一步学习打下基础。

三、小结

作为生物学的重要发展方向,系统生物学近年来受到越来越多的关注。然而,目前在生物技术专业本科阶段开设该课程还存在诸多困难。为进一步普及系统生物学课程,提高教学质量,笔者认为应该从课程教材、师资等环节入手,逐步积累经验,优化教学内容,理论与实验并重,逐步完善适应生物技术专业本科教学的教材体系、教学理念和教学方法,培养具备生物、数学以及计算机科学等相关知识的复合型人才。

参考文献:

[1]阿隆(UriAlon).系统生物学导论:生物回路的设计原理[M].化学工业出版社,2010.

[2]陈奇.医学院校生物科学专业系统生物学课程教学体会[J].科教导刊,2017,(32):100-102.

[3]顾云燕.医学院校计算系统生物学课程教学的探讨[J].科技创新导报,2017,(28):252-253.

[5]谢青,吴元喜,杨广笑.用研究性学习理念指导系统生物学实验教学[J].实验室研究与探索,2008,(9):105-106.

[6]张自立,王振英.系统生物学[M].科学出版社,2009.

作者:周玉柏 单位:北京工业大学生命科学与生物工程学院

高校生物学教学研究杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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