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医学院校生物科学专业系统生物学课程教学体会

时间:2022-12-06 15:15:06 浏览量:

摘 要 系统生物学是一门多学科交叉的综合性学科,已进入生命科学研究的主流。本文就系统生物学教学过程中发现的问题和对应的改进措施进行总结,以期为提高系统生物学的教学质量提供借鉴。

关键词 系统生物学 课程 教学

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

系统生物学是生命科学发展的新突破,整合了各层面的生物信息数据,通过建立各种数学模型进行仿真实验,进而阐明和预测生物功能、表型及行为,在系统水平上理解生物体,是当今生命科学的重大前沿领域之一,是“21世纪的生物学”,代表着生命科学发展的总体趋势。系统生物学的形成引起了数学、物理、化学、生物、医学、系统科学及信息和计算机科学等学科领域众多科学家的广泛关注和参与,已成为一门多学科交叉并不断发展的新型学科。为了紧跟国内外生物科学发展的步伐,实现培养高科技人才和服务社会的目的,我校对生物科学专业开设了系统生物学课程,目的在于了解系统生物学的基本概念和研究内容,掌握生物系统分析和建模的基本原理,拓宽视野,培养全局观,形成系统的思维方式,从而更全面地认识和理解生命现象,把握本世纪生命科学研究的大方向。本文针对在系统生物学教学过程中发现的问题和对应的改进措施进行总结,以期为提高系统生物学的教学质量提供借鉴。

1 生命科学相关专业开设系统生物学课程的必要性和紧迫性

生物系统是指由各种分子(蛋白、基因、小分子等)组成的复杂网络系统。传统的生物系统研究通常指对单个分子或不同分子组成的生物通路的研究。但在生物系统中,不同分子和不同通路是存在相互作用的,即构成网络。因此,可以说,决定生物系统特性和结果的是网络,而不是单个分子或生物通路。单纯用还原论来研究生物学问题,找出各个基因以及每个基因的单独的相互关系是不可能解释生命现象的。要真正解释生命现象,就必须了解各个不同组成部分的相互关系以及它们的动态关系,也就是它们之间所形成的网络结构,即用网络系统学的方法来研究生命现象。

系统生物学中系统的概念或整体的概念或哲学观,最早可以追溯到公园前300多年的亚里士多德(Aristotle)。整体哲学观是指一个整體可以人为地分为不同的组分,但是这个整体的特性并不能用这些组分中所含的知识进行完全解释。整体的哲学观在中国古代的《易经》和传统的中医学中也有详细的记载和体现。系统生物学的第二个起源可以追溯到18世纪中晚期,“生理学之父”——Claude Bernard 提出的“体内恒定理论”(homeostasis)。该理论是指一个生命的有机体需要很多动态的、平衡的调节(包括正反馈和负反馈等),来维持其内环境达到一个稳定的、恒定的状态。系统生物学中系统概念的第三个起源可以追溯到20世纪50年代,Nobert Wiener提出的“控制论”和Ludwig von Bertalanffy 提出的“一般系统理论”。而系统生物学的真正起源是在20世纪90年代后期,人类基因组的完成以及高通量技术的产生,如DNA芯片技术、高通量蛋白组学技术等的发展,使系统生物学真正实现发展。同时,计算科学计算能力的不断提高,也促进了系统生物学的发展。

系统生物学在中国有很好的基础,我们的传统医学就是把人体视为一个系统,通过测定和改变系统的输入和输出来调节系统的状态。传统科学的缺点在于,它只能进行“黑箱操作”,不能解释系统的内部组成成分和动力学过程。而系统生物学则把生物系统化为“白箱”,不仅要了解系统的结构和功能,而且还要揭示出系统内部各组成成分的相互作用和运行规律。系统生物学是从系统的视角对生物进行研究,相应的研究手段在生命科学相关专业受到的关注越来越多。人类基因组计划发起人之一,“系统生物学之父”诺伊胡德(Leroy Hood)认为:“系统生物学将是21世纪医学和生物学的核心驱动力”。现代系统生物学的发展不仅将对生物学本身更深刻地解释生命现象起到非常重要的作用,也将对农业、医药、生物工程等领域起到革命性的推进作用。系统生物学的学习能够为生命科学研究提供全新的思路和角度,是生物学相关科研人员、教师和学生进行科学研究和学习的常备工具。系统生物学的发展极大地推动者生命科学的进步,针对本科生开设系统生物学已经非常必要和紧迫。

2 系统生物学课程教学中存在的问题

2.1 教学师资力量薄弱

系统生物学是一门多学科交叉的综合性学科,对教师的专业素养要求较高。一方面需要任课老师掌握生物学、计算机、数学等学科专业基础知识;另一方面还需要紧跟国内国际最新前沿发展动态,以不断补充系统生物学的教学内容,为学科的知识更替奠定基础。然而,由于国内系统生物学相关教学和科研水平尚处于初级阶段,培养出来的人才数量不多,且有限的人才涌向了国内外名校,普通高校一时难以招录专业对口的师资。因此,包括本校在内的很多普通高校能够胜任系统生物学教学的教师十分匮乏。这样以来,势必会增加系统生物学的教学难度,同时还会在一定程度上也影响了学生专业知识的获取和专业素养、能力的培养。

2.2 可供选择的教材不多

系统生物学涵盖内容庞杂,现有教材种类偏少,难以满足所有高校的需求。目前,可供本校类似的普通高校选择的教材只有浙江大学出版社林标扬编著的《系统生物学》和科学出版社张自立、王振英编著的《系统生物学》。前者内容分为三篇,分别为第一篇,系统生物学概括,介绍系统生物学的基本概念和原理;第二篇,实验系统生物学,介绍系统生物学研究的高通量技术和手段,包括蛋白质组学、基因组学、转录组学和代谢组学等研究手段;第三篇,计算系统生物学,介绍系统生物学数据整合分析、计算和模拟的工具。在第二篇 “湿”的实验室部分内容相对于科学出版社的较为概括,但在第三篇“干”的实验部分又较为具体,实例也较多。而考虑到本校学生信息科学和系统科学较弱的实情,难以从现有的教材中选出适于本科生学习的范本,对任课老师是个不小的挑战。此外,随着系统生物学的迅速发展,学科相应的技术方法更新很快,教材中的分析软件、讲解实例都已不再是当前最新最普遍的,这对教材内容的更新和教师的讲授也是很大的挑战。

2.3 与其他学科的交叉偏少

系统生物学涉及生物学、数学、计算机、信息科学以及系统科学等多个研究领域,多学科交叉融合显著,这也是当今乃至将来自然科学发展的明显趋势。科学史的发展也表明,很多重大科技成果的发现和应用离不开多学科交叉。然而在实际授课过程中,系统生物学很难真正实现学科交汇。系统生物学课程的开设通常是在生命科学学院,而对应的数学、计算机等“干”的部分则在其他学院,不同学院或者不同教研室之间,教师的交流相对较少,合作碰撞的概率也随之锐减,高校内部的这种现状严重制约了系统生物学的教学需求。

2.4 教学模式单一

系统生物学是一门理论性与实践性很强、且需要紧密结合的学科。针对系统生物学的教学,目前多数高校采用的是较为传统的课堂讲授为主,多媒体为辅的教学法,重点讲解理论知识,缺乏对应的实验课程教学。这样使得学生掌握了大量的理论知识,却很难应用到实践之中,在遇到生产生活中的实际问题时依旧束手无策。这种单一、传统的教学模式弊端暴露无遗:即理论与实践脱节,培养出来的学生对知识的掌握并不牢固,教学效果大打折扣。

3 系统生物学课程教学存在问题的对策

3.1 培养和引进专业人才

教师的知识水平和能力的高低直接影响着系统生物学的课程教学,针对师资薄弱的问题,一方面应充分提高师资队伍系统生物学的知识水平和对应的教学能力,鼓励并在政策和资金上给予支持,充分调动教师到相关专业的国内外高校访学或进修,学习和吸收知名高校知名教师的先进教学理念和科研实践经验;另一方面,需要学校提供具有吸引力的条件引进国内外系统生物学高层次人才,补充现有师资队伍,增添新鲜血液。当然,在不具备上述条件的高校,可以考虑邀请国内外兄弟院校的教师定期或者不定期地开展相关的教学或科研交流会,加强教师之间的交流合作,从而在一定程度上弥补现有师资队伍薄弱的短板。

3.2 促进学科交叉融合

系统生物学是建立在多学科交叉的基础之上的“大科学”,需要生命科学、信息科学以及系统科学等多种学科的共同参与。国内外知名大学生物学的教学普遍建立了良好的多学科交叉秩序,并在积极推进着学科之间的深层次融合与发展。在本校类似的一般高校中,可仿效国内外高校的先进经验,整合院内乃至校内的优秀师资队伍,建立起有针对性的学科交叉团队,在教学过程中取长补短,优势互补,相互学习,从而在一定程度上弥补专业师资队伍的缺口,促进学科教学的多維发展。

3.3 推进“教、学、研”有机结合

系统生物学的开设一般是在大三,学生在完成普通生物学、生物化学、生物信息学等课程的学习之后,大多对生物学知识有了自己的理解和认识,再加上计算机的基础知识,对系统生物学知识的理解难度不大,但绝大多数学生没有接触过科研课题,对系统生物学能够解决的实际问题并不清楚,在学习之中很难将理论与实践结合起来,直接造成将来应用系统生物学知识的时候带着很大的盲目性。因此,在实际教学活动中,可以考虑推进“教、学、研”有机交融的教学模式。针对系统生物学课程的特点,设计一些小的科研课题,激发学生对科研的兴趣,进一步鼓励学生申请省级或者国家级的科研训练项目,或是直接参与到教师的科研实践中,以“研”带动学生的“学”与教师的“教”,积极推进推进“教、学、研”的有机结合,使三者融为一体。这种对策能够极大地激发学生对系统生物学课程的兴趣,有助于学生及时将理论知识应用到解决科研具体问题的实践之中,促使二者有机结合,学生变被动学习为主动探索。学生也能够尽早投入到生命科学研究的大环境之中,借助团队协作和具体的实践训练,做到学以致用。

3.4 加强实验课程教学

系统生物学是理论与实验有机结合的实践性较强的学科,实验课程的教学离不开“湿”的实验室和“干”的实验室。一方面本校类似的普通高校要积极筹建系统生物学的“湿”实验室,开展与生物化学、微生物学等课程类似的教学演示实验,兼顾绝大多数学生的实践课程学习;另一方面,针对系统生物学中的建模、仿真等“干”实验室的软件实训,应仿照生物信息学实验课程的教学,建设实验机房,升级计算机配置,提供上网功能,保障实验课程的顺利实施。针对必需掌握的教学内容,应依据实验课程的特点,合理设计有针对性的软件实训,结合具体实例进行深入讲解,并留有一定难度的实际训练课题给学生作为实验课自主探索学习的内容,培养学生解决具体实例的能力。

4 小结

系统生物学作为生命科学研究的“新宠儿”,对教师和相应课程建设的要求较高,有待于任课教师认识和知识体系的不断更新和完善。新时期系统生物学的教学需要教师紧跟国内国际最新发展动态,不断充实课程“教、学、研”的内容。同时,不断更新教学模式,充分利用多媒体和网络平台,学生在学习的过程中能够不断汲取新的知识,锻炼实践能力。在本校类似的医学院校,系统生物学课程经尽快面向全校开设,以满足现代医学的发展需求,培养具有学科交叉意识强、知识水平高和动手能力熟练的本科生。

参考文献

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[3] 杨胜利.系统生物学研究进展[J].中国科学院院刊,2004(1):31-34.

[4] 张彦婷,关方霞.浅谈系统生物学课程教学[J].中国校外教育,2015(z1):757,772.

[5] 杨学习,徐伟文.浅谈系统生物学教学[J].中国高教探讨杂志,2010(5):20-21.

[6] 赵小蕾,修良昌,覃继恒,饶绍奇.浅谈医学院校生物信息学课程教学改革与实践[J].科技创新导报,2016(10):142-143.

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