淺談工科院校系統生物學教學改革范文

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摘要：系統生物學是以系統觀點研究生命現象的交叉學科，代表著生物學未來研究的方向。然而，系統生物學涉及學科多，內容跨度大，學習曲線陡峭。針對系統生物學本科教學中存在的問題，本文嘗試從教材選擇、課程內容優化以及教學方式等不同方面探討進行教學改革的策略，以期獲得更好的教學效果。

關鍵詞：系統生物學；教學改革；工科院校

自日本學者北野宏明（HiroakiKitano）2002年在science上撰文系統闡述系統生物學（systemsbiology）概念后，在短短十幾年期間，系統生物學取得了飛速的發展。與傳統的基于還原論的生物學研究不同，系統生物學嘗試以一種更為宏觀的角度從整體上研究復雜的生命現象，構建復雜系統元素間相互作用的網絡模型，以期對各種生命現象的內在機制進行合理解釋和預測，其研究方法涉及生命科學（以各種組學研究為主）、計算機科學、數學、統計學等多種學科。目前，系統生物學已滲入到生命科學研究的各個領域，尤其是在生物醫藥研究中，系統生物學的方法被廣泛應用于疾病的早期診斷、藥物新靶點的尋找以及個體化醫療等方面。目前，系統生物學正與大數據及人工智能技術進行深度融合，展現出越來越廣闊的應用前景。綜合上述背景，在生物技術專業本科教學中開設系統生物學課程就顯得尤為必要了。本文針對筆者在講授系統生物學課程過程中遇到的問題，嘗試從多方面探討課程教學改革的方法和策略，以期降低學習難度，獲得更好的教學效果。

一、系統生物學教學中存在的問題

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

二、系統生物學教學改革初探

針對在教學過程中遇到的問題，筆者嘗試從以下幾個方面對系統生物學本科教學改革的策略和方法進行初步探討：

（1）選擇合適教材：作為一門新興的學科，目前適合本科生的教材相對缺乏，國內出版的系統生物學書籍要么內容的系統性和深度不足，要么是針對某領域的研究專著，對統計學和數學的要求較高，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《系統生物學》作為課程前期的教材，主要用于介紹系統生物學的相關概念、研究內容和研究方法，而在課程后期使用U.阿隆的《系統生物學導論：生物回路的設計原理》，圍繞轉錄調控網絡進行深入講解，將二者結合可取得較好的教學效果。

（2）針對生物技術專業本科生知識結構特點，補充相關學科基礎知識：針對學生基礎薄弱的問題，在課程中適當穿插講解統計、高數以及計算機的相關知識，比如在講解希爾函數推導的過程中，適當復習了高數中函數求導、積分以及微分方程求解的相關知識，并在課堂上布置若干習題，通過強化練習以提高學生對相關數學運算的熟練程度，使其能更好地理解課程講授的相關內容。（3）由多學科教師組成教學團隊共同講授課程：筆者在教學過程中深深感受到自身知識體系的局限，在涉及跨專業知識的講解時感覺比較吃力，由于目前專職的系統生物學教師十分缺乏，筆者認為，為了進一步提高系統生物學的教學質量，可以組建跨專業的由不同學科教師組成的教學團隊，共同研究并制定課程的教學大綱和教案，相互取長補短將能顯著提高課程的教學質量。

（4）優化教學方式，理論與實踐相結合：綜合運用視頻動畫及計算機仿真演示等多種手段，將課堂講授的相關理論知識以一種更為直觀的方式加以呈現，以加深學生對所學理論知識的理解。同時，在課堂上也設置實踐環節，引導學生進行獨立思考，將理論知識進行實際的運用。比如，指導學生在自己的電腦上建立簡單的轉錄調控模型進行仿真演示，通過改變相關參數，觀察對動力學模型的影響，使學生對枯燥的數學方程有了直觀、鮮活的認識，在加深知識理解的同時也增加了學習的興趣。

（5）明確教學目標，優化教學內容：系統生物學課程本身并非生物技術專業的基礎課程，它需要在完成多門先修課程的基礎上進行講授，且系統生物學研究的范圍十分廣闊，每個領域都自成體系，因此，本科階段的系統生物學課程并非追求內容的深入，而是讓學生對該門學科有一個整體的框架性認識，了解系統生物學的研究內容、研究方法以及未來的應用前景，并在此基礎上選擇一個研究領域進行深入探討，為學生日后進一步學習打下基礎。

三、小結

作為生物學的重要發展方向，系統生物學近年來受到越來越多的關注。然而，目前在生物技術專業本科階段開設該課程還存在諸多困難。為進一步普及系統生物學課程，提高教學質量，筆者認為應該從課程教材、師資等環節入手，逐步積累經驗，優化教學內容，理論與實驗并重，逐步完善適應生物技術專業本科教學的教材體系、教學理念和教學方法，培養具備生物、數學以及計算機科學等相關知識的復合型人才。

參考文獻：

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[6]張自立,王振英.系統生物學[M].科學出版社,2009.

作者：周玉柏 單位：北京工業大學生命科學與生物工程學院