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計算系統生物學(xué)課程教學(xué)探討論文
摘要：計算系統生物學(xué)是一門(mén)新興的學(xué)科,是生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的主干專(zhuān)業(yè)課程。計算系統生物學(xué)是在細胞、組織、器官和生物體整體水平上研究結構和功能各異的生物分子及其相互作用,并通過(guò)計算生物學(xué)來(lái)定量闡明和預測生物功能、表型和行為的學(xué)科。本文就計算系統生物學(xué)教學(xué)內容、教學(xué)方法和教學(xué)模式等方面進(jìn)行探討,并結合醫學(xué)院校的特點(diǎn),討論計算系統生物學(xué)課程的講授過(guò)程中的注意點(diǎn),以提高教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生理論與實(shí)踐聯(lián)系的能力。
關(guān)鍵詞：有關(guān)生物學(xué)的論文
生命系統高度復雜,成千上萬(wàn)的基因相互作用,形成復雜的調控網(wǎng)絡(luò ),繼而完成特定的生物學(xué)過(guò)程。傳統生物學(xué)實(shí)驗從單個(gè)基因角度出發(fā),探索生命現象或者疾病致病機制,忽略了系統中各個(gè)層面的交互、支持、整合等作用,限制了生物學(xué)研究的發(fā)展。隨著(zhù)高通量測序技術(shù)的發(fā)展,海量組學(xué)數據(基因組、轉錄組、蛋白質(zhì)組、表觀(guān)組、互作組等)的涌現,以及生物信息整合分析技術(shù)的開(kāi)發(fā),計算系統生物學(xué)應運而生[1]。計算系統生物學(xué)是生物信息專(zhuān)業(yè)本科生基礎課程。自哈爾濱醫科大學(xué)2003年開(kāi)設生物信息專(zhuān)業(yè)以來(lái),計算系統生物學(xué)一直是該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的主干課程,經(jīng)過(guò)多年的理論與實(shí)踐教學(xué),筆者將探討該課程相關(guān)內容和教學(xué)方法,以期提高教學(xué)質(zhì)量。
1計算系統生物學(xué)課程簡(jiǎn)介
計算系統生物學(xué)是一門(mén)新學(xué)科,以生物信息學(xué)為基礎,以計算為工具,從系統的角度解決生物學(xué)和醫學(xué)問(wèn)題。計算系統生物學(xué)研究流程首先是實(shí)驗數據的獲得,其次是利用計算生物學(xué)建立生物模型�？茖W(xué)家把計算系統生物學(xué)分為“濕”的實(shí)驗部分(實(shí)驗室內的研究)和“干”的實(shí)驗部分(計算機模擬和理論分析)�！案伞焙汀皾瘛睂�(shí)驗的完美整合才是真正的計算系統生物學(xué)[2]。計算系統生物學(xué)的核心是整合,包括三方面：將系統內不同性質(zhì)的構成要素(基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等)整合在一起進(jìn)行研究;從基因到細胞、到組織、到個(gè)體的各個(gè)層次的整合;研究思路和方法的整合(水平型和垂直型整合)。計算系統生物學(xué)與其他學(xué)科密切相關(guān),如生物信息學(xué)、分子生物學(xué)、數學(xué)、計算機[3]。計算系統生物學(xué)不僅僅滲透到醫藥領(lǐng)域,也已經(jīng)廣泛應用到能源領(lǐng)域,工業(yè)生產(chǎn)、畜牧農林業(yè)等等。
2教學(xué)現狀
計算系統生物學(xué)課程總學(xué)時(shí)數目是60學(xué)時(shí),包括42學(xué)時(shí)理論學(xué)時(shí)和18學(xué)時(shí)實(shí)驗學(xué)時(shí)。一般開(kāi)設在本科三年級。該課程授課教師質(zhì)量?jì)?yōu),是從生物信息學(xué)方向畢業(yè)的博士,具有生物背景和數學(xué)背景,常年從事復雜疾病的系統生物學(xué)方面的研究。由于該課程在醫學(xué)院校開(kāi)設,必然需要一些具備計算機和算法良好基礎的優(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構,保證好的授課效果。目前,據不完全統計,全國有30余家生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設計算系統生物學(xué)課程。不同背景的院校開(kāi)設該課程,側重點(diǎn)各有不同。工科院校側重算法的開(kāi)發(fā)和模型的建立。醫學(xué)院校側重生物學(xué)問(wèn)題和疾病機制的探索。
3教學(xué)內容
目前沒(méi)有規范的、成熟的中文計算系統生物學(xué)課程教材,均是授課教師編寫(xiě)的講義。授課教師根據專(zhuān)業(yè)背景、專(zhuān)業(yè)人才培養定位,緊跟專(zhuān)業(yè)前沿研究?jì)热?制定教學(xué)大綱和教學(xué)計劃,包括理論課和實(shí)驗課。教學(xué)大綱包括理論課每一個(gè)學(xué)時(shí)的授課內容(掌握和熟悉的內容)、教學(xué)基本要求、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗課需要明確實(shí)驗名稱(chēng)、實(shí)驗內容、實(shí)驗目的和要求、實(shí)驗程序、結果分析等。計算系統生物學(xué)的實(shí)驗制定以理論為基礎,將理論應用于時(shí)間,旨在提高學(xué)生動(dòng)手操作能力。
4教學(xué)模式
4.1理論與實(shí)踐結合
計算系統生物學(xué)課程依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)基礎課的內容,例如:組學(xué)的知識點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò )知識點(diǎn)、概率論、數理統計、計算機編程等。對于理論課,主要采用教師主導的傳統講授方法,運用PPT等多媒體授課,以彌補書(shū)本教材抽象、呆板的缺點(diǎn)。在授課課件中需要利用大量圖片生動(dòng)、形象地展示當前計算系統生物學(xué)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。收集或制作動(dòng)畫(huà)、視頻教程在課堂上進(jìn)行演示。從數據搜集、數據分析、數據綜合、建立模型、干實(shí)驗模擬、系統分析模型、提煉假設和預測,到最后的實(shí)驗驗證。這是一個(gè)經(jīng)典的計算系統生物學(xué)分析流程。在理論知識的基礎上,需要及時(shí)在實(shí)驗課堂上進(jìn)行實(shí)踐。指導學(xué)生理解不同算法的基本原理,結合生物學(xué)問(wèn)題,深入淺出地闡明計算系統生物學(xué)精髓。由于實(shí)驗課課時(shí)有限,需要引導學(xué)生課后積極思考、探索有意思的生物問(wèn)題,鼓勵學(xué)生自己實(shí)踐小課題,活學(xué)活用。鼓勵學(xué)生自學(xué),拓展知識面,積極關(guān)注最新科研動(dòng)態(tài),培養學(xué)生學(xué)習興趣。
4.2案例式授課
計算系統生物學(xué)課程的理論知識是枯燥的,計算系統生物學(xué)是一門(mén)多學(xué)科交叉的科學(xué),涉及的知識面廣而深。例如:計算系統生物學(xué)涉及到數學(xué)知識,如貪婪算法、圖算法、組合模式匹配、聚類(lèi)和樹(shù)、隱馬氏模型、隨機化算法等[4]。又如,涉及廣泛的生物學(xué)知識點(diǎn),必須有分子生物學(xué)、生物化學(xué)、細胞生物學(xué)知識儲備。如何提高學(xué)生學(xué)習的積極性,學(xué)會(huì )將不同的知識點(diǎn)融會(huì )貫通的運用起來(lái),是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在授課過(guò)程中,針對不同的教學(xué)內容和教學(xué)目的,需要采取不同的教學(xué)方法。因此,采取案例式方法授課,可以收到很好的教學(xué)效果。例如:在腫瘤系統生物學(xué)這部分知識點(diǎn)授課時(shí),以肺癌為例,整合突變、拷貝數、甲基化等多維度分子改變識別肺癌相關(guān)基因[5]。首先,學(xué)生需要了解肺癌這個(gè)疾病的背景知識,了解不同分子改變的內涵;其次,要獲得肺癌患者的數據,需要到公共數據庫,如TheCancerGenomeAtlas等,搜集不同分子改變數據并進(jìn)行處理;然后,根據一定的生物學(xué)假設,建立統計模型,應用到肺癌數據上;最后,進(jìn)行癌基因的預測和驗證。通過(guò)案例,引導學(xué)生思考,將不同的知識點(diǎn)進(jìn)行融合利用,收到良好的教學(xué)效果。
4.3科研教學(xué)一體化
計算系統生物學(xué)是一門(mén)新學(xué)科,知識處于不斷更新中。教師在授課過(guò)程中需要引導學(xué)生學(xué)會(huì )檢索文獻、閱讀前沿英文文獻,重視學(xué)生的創(chuàng )新思維,提高學(xué)生學(xué)習的積極性。我院實(shí)行學(xué)業(yè)導師制,學(xué)生在大三年級進(jìn)入各位老師研究的課題組。那么,在授課過(guò)程中,授課教師需要注重引導學(xué)生將理論知識應用到解決科研問(wèn)題上,將科學(xué)研究和教學(xué)一體化,以科研促進(jìn)教學(xué),學(xué)以致用,讓學(xué)生感受到學(xué)到的知識的用處。這樣學(xué)生對課程內容會(huì )產(chǎn)生興趣,興趣是最好的老師,這將有助于學(xué)生創(chuàng )新思維的訓練和科研時(shí)間能力的培養。
5結語(yǔ)
總之,計算系統生物學(xué)教學(xué)目的是從大數據中挖掘有用的生物信息,并整合起來(lái)從整體上認識生物系統;用數學(xué)模型為生物系統建模,揭示生物機制和致病機制[6]。大數據時(shí)代下,精準醫學(xué)的發(fā)展必然離不開(kāi)計算系統生物學(xué)。通過(guò)該課程的授課,培養復合型的學(xué)生,提高學(xué)生的學(xué)習積極性、實(shí)踐操作能力和解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng )新能力。同時(shí),對我們任課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(xué)水平等,積極和同專(zhuān)業(yè)的教師進(jìn)行交流,不斷地探索和完善計算系統生物學(xué)課程教學(xué),培養具有跨越數理科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、醫學(xué)等不同領(lǐng)域的優(yōu)秀生物信息學(xué)人才。
參考文獻
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[2]程妍,劉仲林.計算生物學(xué)一門(mén)充滿(mǎn)活力的新興交叉學(xué)科[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理,2006(3):11-15.
[3]高亞梅,韓毅強.《生物信息學(xué)》本科教學(xué)初探[J].生物信息學(xué),2007(1):46-48.
[4]王兵,姚益平,邢飛.計算系統生物學(xué)中并行隨機仿真方法研究進(jìn)展[J].計算機工程與科學(xué),2010,32(9):134-139.
[5]張百紅,岳紅云.腫瘤的系統生物學(xué)觀(guān)點(diǎn)[J].中國腫瘤臨床,2012(16):1233-1235.
[6]徐強,王長(cháng)亮,李勝.系統生物學(xué)——生命科學(xué)的新領(lǐng)域[J].中國醫藥導報,2008,5(26):20-22.
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