
摘 要:計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(Computer-aided drug design, CADD)是生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)、藥學(xué)、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科全方位交叉的學(xué)科,該門課也是生物工程專業(yè)專業(yè)課教學(xué)中一門重要的應(yīng)用實(shí)踐課程。該文以淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物工程專業(yè)為例,從計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的授課內(nèi)容改進(jìn)、教學(xué)方法形象多樣化、加強(qiáng)實(shí)際操作應(yīng)用3個(gè)方面闡述本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)教學(xué)改革與探索。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì);應(yīng)用型人才;培養(yǎng)模式;教學(xué)改革
中圖分類號(hào) G6420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731(2013)03-156-03
Improvement and Exploration of the Quality of Teaching in Computer-Aided Drug Design Oriented
Wu Xiaomin1 et al.
(1 Key Laboratory of Resource and Plant Biology of Anhui Province, College of Life Science, Huaibei Normal University, Huaibei 235000, China)
Abstract:Computer-aided drug design (CADD) emerges following the interdisciplinary development of life science, pharmacy, chemistry, physics, mathematics and other subjects, which is an indispensable part of bio-engineering teaching curriculums. The Bio-engineering of our college is taken for an example to introduce the details about the improvement and exploration of the quality of teaching in computer-aided drug design. Three aspects of important measures to explore teaching effectiveness are summarized in this paper, and these measures are mainly focusing on: The reconstruction of perfect instructor teams; Adoption of intuitive multi-teaching methods and optimization of teaching process;Remarkable improvement and consolidation of the capability of practical application and cultivation of scientific mind.
Key words:Computer-aided drug design; Applied talents; Cultivating mode; Teaching reform
隨著后基因組時(shí)代的到來(lái),越來(lái)越多的科學(xué)工作者也進(jìn)入生命科學(xué)或與生命科學(xué)相關(guān)的研究領(lǐng)域。特別是數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理原理知識(shí)科學(xué)工作者的介入,他們把生物科學(xué)和數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合在一起。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(CADD)就是近年來(lái)隨學(xué)科交叉發(fā)展起來(lái)的研究新藥開發(fā)的新興技術(shù)之一。從20世紀(jì)60年代的構(gòu)效關(guān)系的提出到90年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及新算法的提出,再到目前已成功設(shè)計(jì)HIV蛋白酶抑制劑和唾液酸酶抑制劑并上市或進(jìn)入臨床研究階段,表明計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)這項(xiàng)新型技術(shù)在得到飛速發(fā)展的同時(shí),也已廣泛地滲透和改進(jìn)目前傳統(tǒng)的藥物研發(fā)過(guò)程[1]。該方法近年來(lái)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使其成為生物學(xué)、化學(xué)、藥學(xué)等科研教學(xué)人員必須掌握的技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)外很多高校和科研院所都已將計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)這門課程納入生物技術(shù)或生物工程專業(yè)本科生以及生物類、化學(xué)類、藥學(xué)類等相關(guān)專業(yè)研究生的專業(yè)課中[2-3]。根據(jù)科學(xué)前沿動(dòng)態(tài)和技術(shù)革新發(fā)展情況,我院于2012年建立了藥物設(shè)計(jì)、計(jì)算生物學(xué)、生物信息學(xué)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為提高本院生物工程專業(yè)教學(xué)及科學(xué)研究水平奠定了基礎(chǔ),同時(shí)結(jié)合學(xué)生的興趣與發(fā)展需求,努力培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的應(yīng)用型專業(yè)人才。
1 計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐教學(xué)面臨的問(wèn)題
計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ),以量子化學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、藥效團(tuán)模型等為理論依據(jù),借助計(jì)算機(jī)數(shù)值邏輯計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)篩選、統(tǒng)計(jì)分析、圖譜解析等處理技術(shù),研究藥物分子對(duì)靶標(biāo)受體作用的模型,進(jìn)而達(dá)到藥物設(shè)計(jì)的目的[4-5]。由此可見,該課程教學(xué)內(nèi)容涉及的范圍比較廣泛,囊括了從基因序列、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)到生物大分子功能及其與藥物小分子作用機(jī)制研究的整個(gè)過(guò)程,這就要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)(如小波去噪分析、矩陣轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)分析)、計(jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物化學(xué)、組合化學(xué)、藥物化學(xué)(如藥物毒性分析)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生理學(xué)、生物信息學(xué)以及各種物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)(如X射線晶體學(xué)、核磁共振技術(shù)、圓二色譜等)和計(jì)算機(jī)技術(shù)(分子圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人工智能技術(shù))等諸多專業(yè)知識(shí)的積累。該課程是基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科與技術(shù)的廣泛交叉滲透,涉及學(xué)科面廣,雖然有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面,也有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合多種學(xué)科知識(shí)、解決實(shí)際生物學(xué)復(fù)雜問(wèn)題的能力,但教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)難度都比較大,而且一些基本理論概念相對(duì)抽象,對(duì)于學(xué)生能否深刻把握這些理論概念都提出了較高的要求,教學(xué)過(guò)程中既要注重基礎(chǔ)性,又要注重前沿性,這對(duì)目前理論課教學(xué)方法與教學(xué)效果都提出了更高的要求。另外,理論與實(shí)踐必須相結(jié)合,這就需要介紹目前國(guó)際主流的常用相關(guān)軟件,讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)如何將書本理論應(yīng)用到真正的模型體系范例中,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力,并要求在實(shí)際操作中深刻領(lǐng)悟并能處理分析生物分子結(jié)構(gòu)等特征,培養(yǎng)學(xué)生成為既具有扎實(shí)理論知識(shí),又具備和熟練操作應(yīng)用能力的應(yīng)用型人才。
目前我院生物工程專業(yè)本科生在大學(xué)學(xué)習(xí)階段以理論課學(xué)習(xí)為主,實(shí)驗(yàn)課主要是生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物工程設(shè)備、制藥工藝等專業(yè)課相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作,而對(duì)于計(jì)算生物學(xué)、生物信息學(xué)、藥物設(shè)計(jì)等理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)從未接觸過(guò),導(dǎo)致學(xué)生對(duì)生物計(jì)算實(shí)驗(yàn)方面的認(rèn)識(shí)和理解屬于空白。另一方面,筆者在日常教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)態(tài)度不盡相同。為此,于2011-2012學(xué)年度針對(duì)本院2009級(jí)生物工程專業(yè)兩個(gè)班級(jí)的本科生進(jìn)行了兩次問(wèn)卷調(diào)查,結(jié)果顯示:該專業(yè)的學(xué)生對(duì)于個(gè)人學(xué)習(xí)和未來(lái)規(guī)劃發(fā)展可歸結(jié)為3個(gè)方向(如圖1所示),即44%的學(xué)生意向考研繼續(xù)深造(其中28.2%的學(xué)生意欲報(bào)考生物類專業(yè)的研究生,15.8%的學(xué)生打算跨專業(yè)報(bào)考非生物類專業(yè)的研究生);18.6%的學(xué)生意向報(bào)考相關(guān)事業(yè)單位或者公務(wù)員;28.4%的學(xué)生意向就職于公司企業(yè)(其中11.5%的學(xué)生意向生物類公司企業(yè),16.9%的學(xué)生意向非生物類公司企業(yè)),9%的學(xué)生意向個(gè)人創(chuàng)業(yè)。鑒于學(xué)生個(gè)人追求發(fā)展的不同,又進(jìn)行了一次關(guān)于本課程教學(xué)中學(xué)生需求的問(wèn)卷調(diào)查,結(jié)果顯示:他們對(duì)于本專業(yè)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)也基本可分為3類:(1)要求專業(yè)課內(nèi)容側(cè)重考研方面的內(nèi)容,有助于學(xué)生基本理論知識(shí)的夯實(shí)和其科學(xué)研究能力與素養(yǎng)的提高;(2)要求專業(yè)課內(nèi)容與具體實(shí)際應(yīng)用相關(guān),應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性應(yīng)用性;(3)要求專業(yè)課內(nèi)容側(cè)重有助于就業(yè)技能的提高。
圖1 2009級(jí)生物工程專業(yè)學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)和未來(lái)規(guī)劃發(fā)展分類
鑒于上述面臨的教學(xué)問(wèn)題,為了開闊我院生物工程專業(yè)學(xué)生科學(xué)視野,緊跟國(guó)內(nèi)外學(xué)科前沿發(fā)展,同時(shí)適應(yīng)相關(guān)科研院所研究生的需求以及目前生物醫(yī)藥公司和生產(chǎn)企業(yè)所需的專業(yè)應(yīng)用型人才,我們著力創(chuàng)建了一整套包括培養(yǎng)定位、培養(yǎng)理念、培養(yǎng)模式及培養(yǎng)方案的培養(yǎng)運(yùn)行機(jī)制,改革生物工程相關(guān)專業(yè)課程教學(xué),并建設(shè)與之相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`操作平臺(tái),充分發(fā)揮任課老師的專業(yè)優(yōu)勢(shì),滿足學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中求知興趣、實(shí)踐就業(yè)以及未來(lái)發(fā)展等諸多方面的需求。此外,積極搭建與學(xué)生交流的溝通平臺(tái),廣泛征集學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)形式等方面的意見反饋信息,并予以適時(shí)調(diào)整,形成以實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重點(diǎn),著力提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力,拓寬學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合的道路。
2 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐教學(xué)改革
21 適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,采用多樣化教學(xué)方法,激發(fā)學(xué)生探知興趣,提高教學(xué)質(zhì)量 相對(duì)于其他傳統(tǒng)學(xué)科的專業(yè)課來(lái)說(shuō),本院學(xué)生對(duì)該門課程比較陌生,學(xué)生沒有系統(tǒng)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ),另外該課程所涉及的知識(shí)更新速度非??欤绕涫菍?shí)驗(yàn)相關(guān)的計(jì)算模擬軟件更是日新月異,例如生命科學(xué)軟件包Discovery Studio、藥物設(shè)計(jì)軟件包Schrodinger、分子動(dòng)力學(xué)圖形界面分析軟件VMD、開源流行的免費(fèi)分子動(dòng)力學(xué)軟件GROMACS等相關(guān)軟件每年都有更新的版本,而且更新速度越來(lái)越快。如果局限于目前的教材、依照現(xiàn)有的教學(xué)大綱進(jìn)行教學(xué),基礎(chǔ)理論知識(shí)課不結(jié)合最新的典型案例和最新開發(fā)的軟件進(jìn)行講解和演示,往往會(huì)抹殺學(xué)生的好奇心,降低他們的學(xué)習(xí)熱情,進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真實(shí)掌握最新的理論知識(shí)與操作技術(shù)。因此,筆者根據(jù)本專業(yè)特點(diǎn)和專業(yè)培養(yǎng)的要求,結(jié)合自身的科研內(nèi)容以及關(guān)注的最新研究動(dòng)態(tài),制作成專題片進(jìn)行教學(xué);同時(shí)在課堂上采用互動(dòng)形式教學(xué),調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性,積極參與到課堂的專題實(shí)驗(yàn)交流活動(dòng)中,尤其是采用最新的軟件圖形界面(VMD187、PyMol1003、Discovery Studio35等)直接展示和分析一些生物大分子三維結(jié)構(gòu)和藥效團(tuán)模型,讓學(xué)生直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)的編輯和修改,將書本上枯燥抽象的生物分子、藥物分子,通過(guò)色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示,引起學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注,激發(fā)他們對(duì)該課程的強(qiáng)烈興趣。尤其是通過(guò)命令操作和菜單操作將靜態(tài)分子結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來(lái),讓學(xué)生真實(shí)地體會(huì)到藥物分子是如何與受體上的靶點(diǎn)發(fā)生相互作用、如何引起受體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生藥效。采用這種立體形象的教學(xué)方法將傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容直觀地灌輸?shù)綄W(xué)生的腦海中,極大地提高了教學(xué)效果,同時(shí)也調(diào)動(dòng)了學(xué)生動(dòng)手的積極性,不僅鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),而且達(dá)到了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。
為了進(jìn)一步培養(yǎng)和鞏固學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力,真正達(dá)到熟練應(yīng)用的程度,鼓勵(lì)學(xué)生課堂之外進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)調(diào)試、運(yùn)算分析各個(gè)過(guò)程。筆者還給學(xué)生提供一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的培訓(xùn)教程,鼓勵(lì)學(xué)生邊動(dòng)手實(shí)踐、邊學(xué)習(xí)軟件說(shuō)明或培訓(xùn)教程、電影或者動(dòng)畫PPT等多媒體,使學(xué)生在實(shí)際操作上受到最新的全面系統(tǒng)的訓(xùn)練學(xué)習(xí),培養(yǎng)他們自主鉆研軟件操作和范例教程的應(yīng)用能力。另外,筆者結(jié)合自己的科研方向,將科研內(nèi)容和計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來(lái),將本人科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行劃分細(xì)化,列出具體研究?jī)?nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能結(jié)合自身的興趣特長(zhǎng)自主選擇研究實(shí)踐內(nèi)容,一方面讓學(xué)生積極參與到一線科研活動(dòng)中來(lái),重點(diǎn)培養(yǎng)打算考研學(xué)生的科研基本知識(shí)和技能,同時(shí)加強(qiáng)意向從事生物類工作同學(xué)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[6-7]。通過(guò)課堂講授、專題訓(xùn)練、課外實(shí)驗(yàn)技能鍛煉和培訓(xùn)、科研論文研究開展4個(gè)學(xué)習(xí)階段,積極拓展本課程的教學(xué)模式,有利于針對(duì)性地提高學(xué)生的綜合素質(zhì),培養(yǎng)出適應(yīng)科學(xué)研究和生物醫(yī)藥科技公司企業(yè)所需的應(yīng)用型人才。
22 傾聽學(xué)生反饋建議,結(jié)合自身課程培養(yǎng)目標(biāo),推動(dòng)學(xué)生理論知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐能力的提升 教學(xué)不僅僅是傳統(tǒng)的純粹地教,更重要的是讓學(xué)生從教學(xué)活動(dòng)中感覺到有意思而去主動(dòng)地學(xué),為了更好地把握學(xué)生上課所關(guān)注的問(wèn)題,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣,筆者在每學(xué)期開課之前按照慣例通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查形式傾聽學(xué)生對(duì)本課程的反饋建議,然后進(jìn)行歸納總結(jié),結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo),適時(shí)調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容和方式方法。例如相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)生物感興趣,將會(huì)考研進(jìn)一步深造學(xué)習(xí),這類學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)和考試做題的需求比較高,促使他們加深對(duì)相關(guān)原理的理解和靈活掌握以應(yīng)對(duì)考試。因此筆者在教學(xué)中特別側(cè)重將原理概念和形象典型的事例相結(jié)合予以直接展示和闡明,并通過(guò)布置一些科研小課題,引導(dǎo)學(xué)生在完成課題的過(guò)程中掌握所需的理論知識(shí),不僅提高他們應(yīng)對(duì)考試的技能,更重要的是培養(yǎng)鍛煉他們的科研素質(zhì)和能力,為他們順利進(jìn)入研究生階段學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);對(duì)于意向?qū)?lái)從事生物醫(yī)藥類相關(guān)工作的學(xué)生,筆者則側(cè)重給予他們親自上機(jī)實(shí)際操作的機(jī)會(huì),并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源和論壇(如科學(xué)網(wǎng)、小木蟲、分子模擬等)等多元化資源渠道對(duì)軟件實(shí)戰(zhàn)操作中遇到的具體問(wèn)題進(jìn)行討論交流與學(xué)習(xí),尤其是對(duì)相關(guān)藥物分子數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)等的熟練掌握與分析應(yīng)用,與此同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)處理分析這些海量的數(shù)據(jù),并要求熟練掌握常用繪圖分析軟件如Origin80、Sigmaplot120等軟件的使用,提高他們對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷的能力,有助于他們?cè)谌粘9ぷ髦袑W(xué)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。通過(guò)這些教學(xué)手段的改革,靈活應(yīng)用課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)資源,讓每個(gè)學(xué)生根據(jù)自身發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行自主選擇性學(xué)習(xí),全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的駕馭能力,拓寬他們未來(lái)的發(fā)展空間。
3 結(jié)語(yǔ)
計(jì)算機(jī)輔助制藥分子設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展為生物醫(yī)藥業(yè)的發(fā)展開辟了廣闊的前景,極大地推動(dòng)了新藥研發(fā)的速度。因此,世界各國(guó)都把計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)確定為未來(lái)科技發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和新興制藥手段。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,有關(guān)研發(fā)新藥物的信息層出不窮,各類的文獻(xiàn)報(bào)道推動(dòng)著本課程的發(fā)展,這也給該門課程的教學(xué)和研究提出了更高的要求,尤其是目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與軟件更新在本課程領(lǐng)域的藥物設(shè)計(jì)方法、分子模擬篩選、藥物作用反應(yīng)機(jī)理操作實(shí)踐中發(fā)揮越來(lái)越大的作用,受到了廣大科研工作者和生物技術(shù)專家的廣泛關(guān)注。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異,使其逐步成為各種新藥信息資源傳遞的重要載體?;谶@種計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)提供了更加有力的研究手段,目前科研院所和相關(guān)制藥企業(yè)已認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)技術(shù)的重要性,科研工作者和制藥企業(yè)對(duì)此前景非??春?,計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)將成為繼信息產(chǎn)業(yè)之后又一個(gè)新的主導(dǎo)生物技術(shù)。近年來(lái),從國(guó)家到地方各級(jí)政府不斷加大力度支持生物醫(yī)藥科學(xué)研究與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,這對(duì)于生物工程專業(yè)的建設(shè)與發(fā)展是一個(gè)難得的機(jī)遇,同時(shí)也是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。本院根據(jù)科學(xué)研究動(dòng)態(tài)和學(xué)科發(fā)展及社會(huì)人才需求,制定了一套具有自身特色的人才培養(yǎng)方針,借助科研平臺(tái)的搭建,教學(xué)改革的推進(jìn)以及社會(huì)發(fā)展需求的推動(dòng),使本校培養(yǎng)的生物工程專業(yè)的學(xué)生適應(yīng)未來(lái)的科學(xué)研究工作和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的需要,并都具有良好的技能素質(zhì)。
參考文獻(xiàn)
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(責(zé)編:陶學(xué)軍)