生物信息學專業中微分方程課程的教學體會

【摘要】結合生物信息學專業的特點，針對教學實施過程中教學內容、教學方式、實驗教學和評價機制進行探索。教學內容方面注重應用性的增加，多種教學手段適當加入案例式和問題式教學方法，實驗課中融合生物信息學案例鍛煉學生的分析問題和實際動手解決問題的能力，靈活的課程評價機制多個層面考核學生的知識掌握程度。

【關鍵詞】微分方程 生物信息學 案例式教學法 問題式教學法

【中圖分類號】O175【文獻標識碼】A【文章編號】2095-3089（2012）10-0060-01

生物信息學作為一門交叉學科正在迅猛的發展，通過將數學科學知識和技巧引入生物科學的領域，幫助生物學家解釋各種生命現象。同時，生物學又為數學家提供了豐富的研究課題。微分方程是數學專業的核心基礎課，也是其他工科專業的必修課程之一，為其解決實際問題提供必要的數學知識。微分方程通過對自然科學和社會科學中的問題進行數值或者定性的描述，幫助人們對事物的發展進行預見。微分方程在眾多的領域應用廣泛，包括物理學、航天、醫藥、化學和生物學等領域。隨著完成測序的生物數量的迅速增加及更深入廣泛的了解基因功能，生物網絡的研究在生物信息學中越來越受重視。由于微分方程系統的靈活強大，有利于描述生物網絡中的復雜關系。因此，微分方程課程被生物信息學專業作為重要的必修課程之一。由于本課程數學理論豐富應用性較強的特點，在給非數學專業學生授課的過程中往往面臨兩難的境地：一方面如果按照數學專業授課模式側重數學理論的介紹就會脫離本專業的特點，應用性欠缺使得學生缺乏興趣；另一方面，如果大量介紹應用，又會因為學生數學背景知識的缺乏而造成學生比較迷茫。如何在授課過程中將理論和實際內容有機的結合，從而使學生在學習中產生興趣值得思考。本文結合生物信息學的專業特點，總結了微分方程在教學過程中的一點體會。

1.合理的整合教學內容

關于微分方程的教材很多，但是一些教材偏重于理科注重公式定理的推導證明，沒有實際應用的舉例，公式抽象語言晦澀學生難于理解。本校生物信息學本科專業采用的教材是周義倉編寫的常微分方程及其應用，其內容上在反應數學理論嚴密性的同時，強調了建模、應用和計算機等特點，每章使用數學軟件進行具體實例的解析。

首先，在吃透教材的基礎上對教學內容進行合理適當的調整。在了解數學背景知識的同時更注重微分方程理論的應用性而不關注數學公式的推導。

其次，注意不同知識點的歸納總結。在教學過程中注意及時的整理和總結，幫助學生理清它們之間的區別與聯系。同時，這些理論知識的落腳點就是眾多不同類型微分方程的求解，針對不同求解方法進行歸納，強化訓練。

最后，注意學生實際的動手操作能力。結合實驗課針對每章的教學內容鍛煉學生的實際動手操作能力，結合Maple或Matlab軟件判斷微分方程的類型并進行求解。除此之外，可以適當增加實際的問題，例如藥物代謝、基因調控網絡等生物信息學中的經典問題進行數學建模、求解方程、解釋實際現象。

2.多樣化的教學方法和手段

微分方程涉及很多數學理論的推導，因此在數學專業中往往采用板書的方式。既能幫助學生理解推演過程，又能根據學生理解情況隨時調整。但是對于生物信息學專業單純的板書或者多媒體教學都會導致單調枯燥，影響學生的學習興趣。將二者有機的結合，通過板書將復雜的理論知識在黑板上演示，同時將微分方程的圖形利用多媒體技術展現使得課堂教學更具有直觀性，使學生更容易理解教學內容并加深印象。在教學過程中適當引入討論式教學方法，針對實際問題讓學生進行分組討論有利于培養學生積極探索、勇于創新、敢于質疑的學習態度。

3.理論聯系實際

對于微分方程的內容，如果只進行理論的學習而不進行上機的實際操作無異于是紙上談兵，上機的操作如果僅僅局限于是方程的求解和判斷也僅僅是浪費時間。通過上機時間不僅鍛煉學生將所學算法程序化和學生的邏輯思維能力，還要提供學生應對問題的解決能力。隨著海量基因組數據的出現，如何利用基因組數據分析基因調控網絡和代謝途徑是生物信息學研究人員亟待解決的問題。利用微分方程演化生物網絡中的復雜關系得到了廣泛的應用。針對微分方程在基因調控網絡中的應用，讓學生體會將實際問題數學化，建立模型求解方程，解釋實際問題，培養學生解決實際問題、提高算法分析與設計的能力。其次，積極鼓勵學生參與數學建模競賽活動，在活動中讓學生體會運用理論知識解決實際問題的樂趣。

4.靈活的評價機制

傳統的考核辦法采取單一的筆試成績，但這往往不能評價學生的綜合素質以及知識的掌握程度。在考核內容上主要突出三點內容：（一）對基本概念的掌握程度；（二）分析問題與解決問題的綜合實力；（三）考查學生對微分方程求解方法和技巧的掌握。

對于生物信息學專業的學生，要求有強大的數學與計算機功底解決生物學問題。因此既要有扎實的理論基礎，又要求具有分析和解決實際生物學問題的能力。面對微分方程這門課程，既要重視數學理論的教學，又要注重對學生解決生物學實際問題的引導，結合本專業的特點及培養目標，培養學生分析問題和解決問題的能力。

參考文獻：

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[3]楊麗娜. 《偏微分方程數值解》課堂教學改革與實踐. 中國科教創新導刊. 2012 （8）： 110-112.

[4]季瑞瑞， 劉丁. 一種基于分數階微分方程模型的基因調控網絡構建方法. 西安理工大學學報. 2011， 27（2）： 127-131.

作者簡介：

王芳（1982- ），吉林人，哈爾濱醫科大學生物信息科學與技術學院，講師，主要研究方向：生物信息學，計算表觀遺傳學。

張紹軍（1979- ），黑龍江人，哈爾濱醫科大學生物信息科學與技術學院，講師，主要研究方向：生物信息學，分子進化分析。

張巖（1968- ），黑龍江人，哈爾濱醫科大學生物信息科學與技術學院，教授，主要研究方向：表觀遺傳學。