計算系統(tǒng)生物學課程教學探討論文
摘要：計算系統(tǒng)生物學是一門新興的學科,是生物信息學專業(yè)本科生的主干專業(yè)課程。計算系統(tǒng)生物學是在細胞、組織、器官和生物體整體水平上研究結(jié)構(gòu)和功能各異的生物分子及其相互作用,并通過計算生物學來定量闡明和預測生物功能、表型和行為的學科。本文就計算系統(tǒng)生物學教學內(nèi)容、教學方法和教學模式等方面進行探討,并結(jié)合醫(yī)學院校的特點,討論計算系統(tǒng)生物學課程的講授過程中的注意點,以提高教學質(zhì)量,提高學生理論與實踐聯(lián)系的能力。
關(guān)鍵詞：有關(guān)生物學的論文
生命系統(tǒng)高度復雜,成千上萬的基因相互作用,形成復雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),繼而完成特定的生物學過程。傳統(tǒng)生物學實驗從單個基因角度出發(fā),探索生命現(xiàn)象或者疾病致病機制,忽略了系統(tǒng)中各個層面的交互、支持、整合等作用,限制了生物學研究的發(fā)展。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展,海量組學數(shù)據(jù)(基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、表觀組、互作組等)的涌現(xiàn),以及生物信息整合分析技術(shù)的開發(fā),計算系統(tǒng)生物學應運而生[1]。計算系統(tǒng)生物學是生物信息專業(yè)本科生基礎(chǔ)課程。自哈爾濱醫(yī)科大學2003年開設(shè)生物信息專業(yè)以來,計算系統(tǒng)生物學一直是該專業(yè)學生的主干課程,經(jīng)過多年的理論與實踐教學,筆者將探討該課程相關(guān)內(nèi)容和教學方法,以期提高教學質(zhì)量。
1計算系統(tǒng)生物學課程簡介
計算系統(tǒng)生物學是一門新學科,以生物信息學為基礎(chǔ),以計算為工具,從系統(tǒng)的角度解決生物學和醫(yī)學問題。計算系統(tǒng)生物學研究流程首先是實驗數(shù)據(jù)的獲得,其次是利用計算生物學建立生物模型�？茖W家把計算系統(tǒng)生物學分為“濕”的實驗部分(實驗室內(nèi)的研究)和“干”的實驗部分(計算機模擬和理論分析)。“干”和“濕”實驗的完美整合才是真正的計算系統(tǒng)生物學[2]。計算系統(tǒng)生物學的核心是整合,包括三方面：將系統(tǒng)內(nèi)不同性質(zhì)的構(gòu)成要素(基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等)整合在一起進行研究;從基因到細胞、到組織、到個體的各個層次的整合;研究思路和方法的整合(水平型和垂直型整合)。計算系統(tǒng)生物學與其他學科密切相關(guān),如生物信息學、分子生物學、數(shù)學、計算機[3]。計算系統(tǒng)生物學不僅僅滲透到醫(yī)藥領(lǐng)域,也已經(jīng)廣泛應用到能源領(lǐng)域,工業(yè)生產(chǎn)、畜牧農(nóng)林業(yè)等等。
2教學現(xiàn)狀
計算系統(tǒng)生物學課程總學時數(shù)目是60學時,包括42學時理論學時和18學時實驗學時。一般開設(shè)在本科三年級。該課程授課教師質(zhì)量優(yōu),是從生物信息學方向畢業(yè)的博士,具有生物背景和數(shù)學背景,常年從事復雜疾病的系統(tǒng)生物學方面的研究。由于該課程在醫(yī)學院校開設(shè),必然需要一些具備計算機和算法良好基礎(chǔ)的優(yōu)秀教師參與授課,這樣才能使得該課程具有良好的師資結(jié)構(gòu),保證好的授課效果。目前,據(jù)不完全統(tǒng)計,全國有30余家生物信息學專業(yè)開設(shè)計算系統(tǒng)生物學課程。不同背景的院校開設(shè)該課程,側(cè)重點各有不同。工科院校側(cè)重算法的開發(fā)和模型的建立。醫(yī)學院校側(cè)重生物學問題和疾病機制的探索。
3教學內(nèi)容
目前沒有規(guī)范的、成熟的中文計算系統(tǒng)生物學課程教材,均是授課教師編寫的講義。授課教師根據(jù)專業(yè)背景、專業(yè)人才培養(yǎng)定位,緊跟專業(yè)前沿研究內(nèi)容,制定教學大綱和教學計劃,包括理論課和實驗課。教學大綱包括理論課每一個學時的授課內(nèi)容(掌握和熟悉的內(nèi)容)、教學基本要求、教學重點和難點。實驗課需要明確實驗名稱、實驗內(nèi)容、實驗目的'和要求、實驗程序、結(jié)果分析等。計算系統(tǒng)生物學的實驗制定以理論為基礎(chǔ),將理論應用于時間,旨在提高學生動手操作能力。
4教學模式
4.1理論與實踐結(jié)合
計算系統(tǒng)生物學課程依賴于專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容,例如:組學的知識點、網(wǎng)絡(luò)知識點、概率論、數(shù)理統(tǒng)計、計算機編程等。對于理論課,主要采用教師主導的傳統(tǒng)講授方法,運用PPT等多媒體授課,以彌補書本教材抽象、呆板的缺點。在授課課件中需要利用大量圖片生動、形象地展示當前計算系統(tǒng)生物學研究領(lǐng)域的最新進展。收集或制作動畫、視頻教程在課堂上進行演示。從數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)綜合、建立模型、干實驗模擬、系統(tǒng)分析模型、提煉假設(shè)和預測,到最后的實驗驗證。這是一個經(jīng)典的計算系統(tǒng)生物學分析流程。在理論知識的基礎(chǔ)上,需要及時在實驗課堂上進行實踐。指導學生理解不同算法的基本原理,結(jié)合生物學問題,深入淺出地闡明計算系統(tǒng)生物學精髓。由于實驗課課時有限,需要引導學生課后積極思考、探索有意思的生物問題,鼓勵學生自己實踐小課題,活學活用。鼓勵學生自學,拓展知識面,積極關(guān)注最新科研動態(tài),培養(yǎng)學生學習興趣。
4.2案例式授課
計算系統(tǒng)生物學課程的理論知識是枯燥的,計算系統(tǒng)生物學是一門多學科交叉的科學,涉及的知識面廣而深。例如:計算系統(tǒng)生物學涉及到數(shù)學知識,如貪婪算法、圖算法、組合模式匹配、聚類和樹、隱馬氏模型、隨機化算法等[4]。又如,涉及廣泛的生物學知識點,必須有分子生物學、生物化學、細胞生物學知識儲備。如何提高學生學習的積極性,學會將不同的知識點融會貫通的運用起來,是一個關(guān)鍵問題。在授課過程中,針對不同的教學內(nèi)容和教學目的,需要采取不同的教學方法。因此,采取案例式方法授課,可以收到很好的教學效果。例如:在腫瘤系統(tǒng)生物學這部分知識點授課時,以肺癌為例,整合突變、拷貝數(shù)、甲基化等多維度分子改變識別肺癌相關(guān)基因[5]。首先,學生需要了解肺癌這個疾病的背景知識,了解不同分子改變的內(nèi)涵;其次,要獲得肺癌患者的數(shù)據(jù),需要到公共數(shù)據(jù)庫,如TheCancerGenomeAtlas等,搜集不同分子改變數(shù)據(jù)并進行處理;然后,根據(jù)一定的生物學假設(shè),建立統(tǒng)計模型,應用到肺癌數(shù)據(jù)上;最后,進行癌基因的預測和驗證。通過案例,引導學生思考,將不同的知識點進行融合利用,收到良好的教學效果。
4.3科研教學一體化
計算系統(tǒng)生物學是一門新學科,知識處于不斷更新中。教師在授課過程中需要引導學生學會檢索文獻、閱讀前沿英文文獻,重視學生的創(chuàng)新思維,提高學生學習的積極性。我院實行學業(yè)導師制,學生在大三年級進入各位老師研究的課題組。那么,在授課過程中,授課教師需要注重引導學生將理論知識應用到解決科研問題上,將科學研究和教學一體化,以科研促進教學,學以致用,讓學生感受到學到的知識的用處。這樣學生對課程內(nèi)容會產(chǎn)生興趣,興趣是最好的老師,這將有助于學生創(chuàng)新思維的訓練和科研時間能力的培養(yǎng)。
5結(jié)語
總之,計算系統(tǒng)生物學教學目的是從大數(shù)據(jù)中挖掘有用的生物信息,并整合起來從整體上認識生物系統(tǒng);用數(shù)學模型為生物系統(tǒng)建模,揭示生物機制和致病機制[6]。大數(shù)據(jù)時代下,精準醫(yī)學的發(fā)展必然離不開計算系統(tǒng)生物學。通過該課程的授課,培養(yǎng)復合型的學生,提高學生的學習積極性、實踐操作能力和解決實際問題的創(chuàng)新能力。同時,對我們?nèi)握n教師也提出了更高的要求。授課教師需要不斷提高自身素質(zhì),包括科研能力、教學水平等,積極和同專業(yè)的教師進行交流,不斷地探索和完善計算系統(tǒng)生物學課程教學,培養(yǎng)具有跨越數(shù)理科學、生命科學、信息科學、醫(yī)學等不同領(lǐng)域的優(yōu)秀生物信息學人才。
參考文獻
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