生物工程專業系統生物學課程教學研究論文

［摘要］系統生物學是本科生物工程專業的專業選修課，是一門新興的交叉學科，代表了生物學的未來。系統生物學的教學目標是使學生學習和了解學科交叉和多領域融合的研究思路，培養學生的系統思維能力。筆者在教學活動中，通過進行換位思考，重新組織教學內容，重構教學價值，合理運用案例分析，串聯繫統生物學的原理和方法，從聽衆（生物工程專業本科生）的角度出發完成教學，調動了學生的學習主動性，培養了學生分析、解決問題的能力及創新意識。

［關鍵詞］生物工程；系統生物學；案例教學；教學價值；換位思考

系統生物學是生物科學、生物技術和生物工程專業的前沿專業選修課，是生命科學的新研究領域，其目的是在系統水平上理解生物體。區別於傳統意義上以生物分類爲研究內容的“老”系統生物學，“新”系統生物學的研究屬於後基因組時代，以堅實的分子生物學知識爲基礎，是對“還原論”和分析方法的反思與超越，側重於“整體論”和綜合方法。它是建立在分子及其相互作用基礎上的生理學，被譽爲“２１世紀的生物學”［１］，因在諸多醫學前沿領域研究中成爲重要研究方法而被廣泛應用［２］。通過學習，學生應瞭解系統生物學課程的基本概念和研究內容，掌握生物系統分析和建模的基本原理，拓寬視野，形成全局觀和系統的思維方式，從而全面地認識和理解生命現象，把握２１世紀生命科學研究的總體方向，爲研究生階段的深造打下基礎。系統生物學以系統論、實驗和計算方法整合研究爲特徵，研究生物系統的組成及其相互關係和系統功能的涌現［３］。系統生物學的基本工作流程包括四步。第一步是對選定的某一生物系統的所有組分進行了解和確定，描繪出該系統的結構，包括基因相互作用網絡和代謝途徑，以及細胞內和細胞間的作用機理，以此構造出一個初步的系統模型。第二步是系統地改變被研究對象的內部組成成分（如基因突變）或外部生長條件，然後觀測在這些情況下系統組分或結構所發生的相應變化，包括基因表達、蛋白質表達和相互作用、代謝途徑等的變化，並把得到的有關信息進行整合。第三步是把通過實驗得到的數據與根據模型預測的情況進行比較，並對初始模型進行修訂。第四步是根據修訂後的模型的預測或假設，設定和實施新的改變系統狀態的實驗，重複第二步和第三步，不斷通過實驗數據對模型進行修訂和精練［３］。由此可見，系統生物學課程內容多，關聯的知識面廣，理論性強，知識更新速度快，最好配備實驗等輔助環節和充足的實驗資金。這些要求在高校的課程安排中是不可能實現的。如我校生物工程專業開設的系統生物學課程學時數偏少，且缺少實驗等輔助環節。因此，我們需要針對系統生物學的教學內容和教學實踐進行改革與創新，在合理的課程知識結構框架下，吸收前人和自身授課過程中總結的經驗［４］，通過靈活應用“換位思考”“注重教學價值”和“案例導向的課題式教學”，探索“關注人才培養”的教學方案，以期激發學生的學習興趣，提高授課實效。希望本文的教學方案可以在其他相關課程教學中推廣實驗。

一、進行換位思考

有學者曾建議在教學中換位［５］，主要是角色換位，即老師和學生的角色互換。老師給定一個科學問題，利用一兩節課的時間，讓學生上講臺，以教師身份引領大家去分析、解決這些問題，而老師則以一名學生的角色去聆聽並參與討論。角色換位的目的是鍛鍊學生主動創新的思維和能力，提高他們的學習熱情。“角色互換式教學”效果顯著，但也存在不足，如由於時間和效率的關係（只能拿出少量的課時進行互換式教學，否則教學計劃無法完成），教師無法讓每位學生都進行角色互換（尤其是公共課，絕對沒有時間讓每位學生都上臺講），也不能每節課都由學生來講授。因此，“角色互換式教學”只能作爲輔助，傳統的“老師講學生聽”的方式是不能拋棄的。老師依然必須是教學活動的主體，這點毋庸置疑。本文講的“換位思考”是指將“角色互換式教學”的思想融入每節課，充分提高學生的主動性和學習熱情。站在聽衆（學生）的角度換位思考是指授課老師以學生的角色去重新整理教學大綱，制定授課計劃，設計授課講義。這樣老師的授課才能貼近學生需求，學生纔會變得主動、有興趣。以系統生物學爲例，站在聽衆（生命科學專業學生）的角度授課，教師首先需要解釋的是：爲什麼會出現系統生物學？學習這門課能解決什麼問題？這門課對今後的深造或工作有什麼幫助？筆者的實踐證明，在每節課備課時站在學生的角度換位思考，重新設計授課講義，會收到意想不到的課堂教學效果———使枯燥無味的理論課程變得生動有趣，提高學生的主動性和學習熱情。

二、設計故事情節展開教學內容，注重教學價值

筆者認爲，大學老師授課的主要目的不只是爲了傳授知識。原因有二：

１．現在是知識爆炸的年代，知識是無窮盡的，是傳授不完的，也是無法通過人腦完全記憶的；

２．現在是網絡信息爆炸的年代，年輕人（學生）利用網絡資源的能力超過年長者（老師），學生可以通過搜索引擎得到幾乎想要的任何資料（有任何不懂的，都可以上網搜索），網絡幾乎可以代替老師傳授知識。

在大學裏，老師最應該傳授的是方法和態度。知識就像是數據，而方法和態度就是程序。數據可以採集、錄入和存儲，而且永遠也採集不完；程序可以處理數據，最終得出公式和結論。如我們採集了今天的氣象數據（溫度、溼度、壓力和風力等），就可以通過程序處理對明天的天氣做出預測。老師只傳授知識，就相當於只教會學生怎樣採集今天的氣象數據，學生永遠也不知道明天會怎樣。傳授方法就相當於教會學生怎樣運行程序、計算數據、得出結論。那麼，如何傳授方法和態度？授課老師需要從問題入手，展示前人是如何抽絲剝繭最終解決問題的。知識則是在解決問題的過程中自然積累起來的'。這纔是真正的教學價值［６］。以系統生物學爲例，傳統的授課順序一般依從於知識、概念、定義的邏輯順序。筆者進行了調整，從一個案例“開發抗瘧疾藥物”入手，先引入非洲的瘧疾問題，接着講述青蒿素對世界人民和美軍全球戰略的重要作用，最後介紹美國科學家Ｋｅａｓｌｉｎｇ是如何利用系統生物學思想找到突破口並解決問題的［７］。通過設計故事情節展開教學內容，筆者不但把“怎麼做”（知識）傳授給學生，而且將“爲什麼要這麼做”和“怎麼想到這麼做的”（方法和悟性）一道傳播出去，學生聽得津津有味。筆者在授課過程中感悟到：優秀的授課過程就像講故事，可以採用正序、倒序和交互的方式，使情節撲朔迷離、高潮跌宕起伏，抓住聽衆的耳朵；優秀的授課過程又像寫一部偵探小說，抽絲剝繭，層層深入，把知識、方法和悟性一道傳播給讀者。

三、以案例爲導向的課題式教學

我校系統生物學的開課時間是大三第一學期，這時學生已經掌握了生物和計算機學科的基礎知識，但尚未進入課題研究階段，因此還不能做到理論聯繫實際。學生不知道教師爲什麼要講授這些內容，也不瞭解講授的各種技術、工具、軟件有什麼重要的使用價值，以及對自己日後的學習、科研和工作有什麼幫助。課堂教學以學生聽講爲主，教師講解與學生實踐脫節，這就容易導致學生在學習過程中提不起興趣，從而影響學習質量。因此，在實際教學中，授課教師可以以案例爲導向［８］，讓學生在學習之餘參加課題研究（“幹”實驗部分），在科研實踐中學習知識和運用工具，培養解決問題的思路。在系統生物學教學中，筆者將學生分組，並設立了一系列論述題，如讓學生設計實驗方案，從一株篩選到的微生物中克隆鹼性纖維素酶基因。學生帶着問題投入學習，在學習過程中密切關注此類問題合適的解決思路和相關技術，並與同組同學進行討論。授課結束後，學生完善了思路，提供了詳盡的報告和本組課題的解決方案。一些學生的奇思妙想令筆者深思和感嘆。以案例爲導向的課題式教學激發了學生自主學習和研究探索的熱情，得到了學生的歡迎和支持。

四、結論

“換位思考”“注重教學價值”和“案例導向的課題式教學”是筆者結合自身授課經歷總結的教學方法，目的是“關注人才培養”，使枯燥無味的理論課程變得生動有趣，強化學生對原理的認識，讓學生學習應用科學技術並提高綜合能力。經過三年的教學實踐，該教學方案收到了實效。２０１４年只有８位學生選修該課程，而２０１７年有４３位學生選修。學生表示喜歡該教學方案，這是對授課老師最好的表揚和最佳的教學動力。教學方法無高低之分，教學質量卻有高低之異。教師在教學前可以通過聽課、閱讀教學論文和同前輩探討等途徑，充分吸收教學經驗，再通過教學實踐總結經驗。在教學過程中，教師應不拘泥於自己的經驗體系，而是集衆家之長，兼容幷包，努力解決遇到的具體問題。提高授課實效是每位授課老師的責任。