生物工程专业系统生物学课程教学研究论文

［摘要］系统生物学是本科生物工程专业的专业选修课，是一门新兴的交叉学科，代表了生物学的未来。系统生物学的教学目标是使学生学习和了解学科交叉和多领域融合的研究思路，培养学生的系统思维能力。笔者在教学活动中，通过进行换位思考，重新组织教学内容，重构教学价值，合理运用案例分析，串联系统生物学的原理和方法，从听众（生物工程专业本科生）的角度出发完成教学，调动了学生的学习主动性，培养了学生分析、解决问题的能力及创新意识。

［关键词］生物工程；系统生物学；案例教学；教学价值；换位思考

系统生物学是生物科学、生物技术和生物工程专业的前沿专业选修课，是生命科学的新研究领域，其目的是在系统水平上理解生物体。区别于传统意义上以生物分类为研究内容的“老”系统生物学，“新”系统生物学的研究属于后基因组时代，以坚实的分子生物学知识为基础，是对“还原论”和分析方法的反思与超越，侧重于“整体论”和综合方法。它是建立在分子及其相互作用基础上的生理学，被誉为“２１世纪的生物学”［１］，因在诸多医学前沿领域研究中成为重要研究方法而被广泛应用［２］。通过学习，学生应了解系统生物学课程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，形成全局观和系统的思维方式，从而全面地认识和理解生命现象，把握２１世纪生命科学研究的总体方向，为研究生阶段的深造打下基础。系统生物学以系统论、实验和计算方法整合研究为特征，研究生物系统的组成及其相互关系和系统功能的涌现［３］。系统生物学的基本工作流程包括四步。第一步是对选定的某一生物系统的所有组分进行了解和确定，描绘出该系统的结构，包括基因相互作用网络和代谢途径，以及细胞内和细胞间的作用机理，以此构造出一个初步的系统模型。第二步是系统地改变被研究对象的内部组成成分（如基因突变）或外部生长条件，然后观测在这些情况下系统组分或结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白质表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关信息进行整合。第三步是把通过实验得到的数据与根据模型预测的情况进行比较，并对初始模型进行修订。第四步是根据修订后的模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态的实验，重复第二步和第三步，不断通过实验数据对模型进行修订和精练［３］。由此可见，系统生物学课程内容多，关联的知识面广，理论性强，知识更新速度快，最好配备实验等辅助环节和充足的实验资金。这些要求在高校的课程安排中是不可能实现的。如我校生物工程专业开设的系统生物学课程学时数偏少，且缺少实验等辅助环节。因此，我们需要针对系统生物学的教学内容和教学实践进行改革与创新，在合理的课程知识结构框架下，吸收前人和自身授课过程中总结的经验［４］，通过灵活应用“换位思考”“注重教学价值”和“案例导向的课题式教学”，探索“关注人才培养”的教学方案，以期激发学生的学习兴趣，提高授课实效。希望本文的教学方案可以在其他相关课程教学中推广实验。

一、进行换位思考

有学者曾建议在教学中换位［５］，主要是角色换位，即老师和学生的角色互换。老师给定一个科学问题，利用一两节课的时间，让学生上讲台，以教师身份引领大家去分析、解决这些问题，而老师则以一名学生的角色去聆听并参与讨论。角色换位的目的是锻炼学生主动创新的思维和能力，提高他们的学习热情。“角色互换式教学”效果显著，但也存在不足，如由于时间和效率的关系（只能拿出少量的课时进行互换式教学，否则教学计划无法完成），教师无法让每位学生都进行角色互换（尤其是公共课，绝对没有时间让每位学生都上台讲），也不能每节课都由学生来讲授。因此，“角色互换式教学”只能作为辅助，传统的“老师讲学生听”的方式是不能抛弃的。老师依然必须是教学活动的主体，这点毋庸置疑。本文讲的“换位思考”是指将“角色互换式教学”的思想融入每节课，充分提高学生的主动性和学习热情。站在听众（学生）的角度换位思考是指授课老师以学生的角色去重新整理教学大纲，制定授课计划，设计授课讲义。这样老师的授课才能贴近学生需求，学生才会变得主动、有兴趣。以系统生物学为例，站在听众（生命科学专业学生）的角度授课，教师首先需要解释的是：为什么会出现系统生物学？学习这门课能解决什么问题？这门课对今后的深造或工作有什么帮助？笔者的实践证明，在每节课备课时站在学生的角度换位思考，重新设计授课讲义，会收到意想不到的课堂教学效果———使枯燥无味的理论课程变得生动有趣，提高学生的主动性和学习热情。

二、设计故事情节展开教学内容，注重教学价值

笔者认为，大学老师授课的主要目的不只是为了传授知识。原因有二：

１．现在是知识爆炸的年代，知识是无穷尽的，是传授不完的，也是无法通过人脑完全记忆的；

２．现在是网络信息爆炸的年代，年轻人（学生）利用网络资源的能力超过年长者（老师），学生可以通过搜索引擎得到几乎想要的任何资料（有任何不懂的，都可以上网搜索），网络几乎可以代替老师传授知识。

在大学里，老师最应该传授的是方法和态度。知识就像是数据，而方法和态度就是程序。数据可以采集、录入和存储，而且永远也采集不完；程序可以处理数据，最终得出公式和结论。如我们采集了今天的气象数据（温度、湿度、压力和风力等），就可以通过程序处理对明天的天气做出预测。老师只传授知识，就相当于只教会学生怎样采集今天的气象数据，学生永远也不知道明天会怎样。传授方法就相当于教会学生怎样运行程序、计算数据、得出结论。那么，如何传授方法和态度？授课老师需要从问题入手，展示前人是如何抽丝剥茧最终解决问题的。知识则是在解决问题的过程中自然积累起来的'。这才是真正的教学价值［６］。以系统生物学为例，传统的授课顺序一般依从于知识、概念、定义的逻辑顺序。笔者进行了调整，从一个案例“开发抗疟疾药物”入手，先引入非洲的疟疾问题，接着讲述青蒿素对世界人民和美军全球战略的重要作用，最后介绍美国科学家Ｋｅａｓｌｉｎｇ是如何利用系统生物学思想找到突破口并解决问题的［７］。通过设计故事情节展开教学内容，笔者不但把“怎么做”（知识）传授给学生，而且将“为什么要这么做”和“怎么想到这么做的”（方法和悟性）一道传播出去，学生听得津津有味。笔者在授课过程中感悟到：优秀的授课过程就像讲故事，可以采用正序、倒序和交互的方式，使情节扑朔迷离、高潮跌宕起伏，抓住听众的耳朵；优秀的授课过程又像写一部侦探小说，抽丝剥茧，层层深入，把知识、方法和悟性一道传播给读者。

三、以案例为导向的课题式教学

我校系统生物学的开课时间是大三第一学期，这时学生已经掌握了生物和计算机学科的基础知识，但尚未进入课题研究阶段，因此还不能做到理论联系实际。学生不知道教师为什么要讲授这些内容，也不了解讲授的各种技术、工具、软件有什么重要的使用价值，以及对自己日后的学习、科研和工作有什么帮助。课堂教学以学生听讲为主，教师讲解与学生实践脱节，这就容易导致学生在学习过程中提不起兴趣，从而影响学习质量。因此，在实际教学中，授课教师可以以案例为导向［８］，让学生在学习之余参加课题研究（“干”实验部分），在科研实践中学习知识和运用工具，培养解决问题的思路。在系统生物学教学中，笔者将学生分组，并设立了一系列论述题，如让学生设计实验方案，从一株筛选到的微生物中克隆碱性纤维素酶基因。学生带着问题投入学习，在学习过程中密切关注此类问题合适的解决思路和相关技术，并与同组同学进行讨论。授课结束后，学生完善了思路，提供了详尽的报告和本组课题的解决方案。一些学生的奇思妙想令笔者深思和感叹。以案例为导向的课题式教学激发了学生自主学习和研究探索的热情，得到了学生的欢迎和支持。

四、结论

“换位思考”“注重教学价值”和“案例导向的课题式教学”是笔者结合自身授课经历总结的教学方法，目的是“关注人才培养”，使枯燥无味的理论课程变得生动有趣，强化学生对原理的认识，让学生学习应用科学技术并提高综合能力。经过三年的教学实践，该教学方案收到了实效。２０１４年只有８位学生选修该课程，而２０１７年有４３位学生选修。学生表示喜欢该教学方案，这是对授课老师最好的表扬和最佳的教学动力。教学方法无高低之分，教学质量却有高低之异。教师在教学前可以通过听课、阅读教学论文和同前辈探讨等途径，充分吸收教学经验，再通过教学实践总结经验。在教学过程中，教师应不拘泥于自己的经验体系，而是集众家之长，兼容并包，努力解决遇到的具体问题。提高授课实效是每位授课老师的责任。