關(guān)于《生物分子網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)模式的探討

徐娟++李永生++李霞++邵婷婷

摘 要：生物分子網(wǎng)絡(luò)課程是目前高校生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修課程，也是為其他專業(yè)開(kāi)設(shè)的生物信息學(xué)課程中的必需知識(shí)。生物分子網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容具有理論性強(qiáng)，內(nèi)容較復(fù)雜，是圖論知識(shí)的綜合應(yīng)用等特點(diǎn)。因此，需要靈活應(yīng)用多媒體，并結(jié)合探究式、啟發(fā)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式等多種教學(xué)方法，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，以所學(xué)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，充分結(jié)合學(xué)生自身掌握的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)學(xué)和生物知識(shí)，以學(xué)生自由探索為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)改革，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)生物分子網(wǎng)絡(luò)課程的興趣，達(dá)到活學(xué)活用，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生物分子網(wǎng)絡(luò) 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式 啟發(fā)式 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0225-02

隨著基因組計(jì)劃的完成，人類醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)入了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)代，基因診斷治療已經(jīng)成為目前常見(jiàn)的手段，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)對(duì)生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生供求逐漸增長(zhǎng)。生物信息專業(yè)在國(guó)內(nèi)外不斷被建立。對(duì)于生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，生物分子網(wǎng)絡(luò)課程是其學(xué)習(xí)階段必不可少的課程之一[1]。然而，生物分子網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)方法目前還大部分是延續(xù)之前傳統(tǒng)的“教與學(xué)”的方式，針對(duì)這門課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容繁雜等特點(diǎn)，需要進(jìn)一步進(jìn)行教學(xué)改革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們?cè)诮虒W(xué)中首先進(jìn)行了教學(xué)改革，采用了探究式、啟發(fā)式以及任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式，以學(xué)生探索為主要的學(xué)習(xí)模式，充分從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，以學(xué)生所掌握的理論知識(shí)為基礎(chǔ)，考慮學(xué)生個(gè)人所掌握的程序設(shè)計(jì)能力，對(duì)不同學(xué)生設(shè)置不同的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 生物分子網(wǎng)絡(luò)

世間的萬(wàn)事萬(wàn)物都是彼此聯(lián)系的，生物體的分子也是彼此間相互作用，形成緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而發(fā)揮重要的功能。基因是主要的遺傳物質(zhì)，人類大概包含2萬(wàn)個(gè)作用的基因，這些基因間彼此相互作用，形成了重要的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。對(duì)生物分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，有助于我們了解體內(nèi)分子間的調(diào)控規(guī)律，掌握了這些調(diào)控規(guī)律，才能讓我們對(duì)復(fù)雜疾病的診斷和治療有更深入的理解，達(dá)到治療疾病的目的。目前生物分子網(wǎng)絡(luò)課程已經(jīng)在生物信息學(xué)專業(yè)廣泛開(kāi)課，該門課程理論性較強(qiáng)，涉及的內(nèi)容較多，主要包括生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的分析；生物網(wǎng)絡(luò)模塊挖掘；基于網(wǎng)絡(luò)的疾病基因預(yù)測(cè)等方面。該門課程不僅要求學(xué)生掌握一定的數(shù)理知識(shí)，還需要掌握一些常用的編程工具，將所學(xué)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)利用編程工具使其自動(dòng)化。這也給授課教師帶來(lái)了一定的困難，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)理論部分，我們充分結(jié)合了探究式，啟發(fā)式以及任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 多目標(biāo)教學(xué)方法

針對(duì)生物分子網(wǎng)絡(luò)課程的逐步深入，我們涉及了多種不同的教學(xué)方法，采用以學(xué)生探索為主線，教師指導(dǎo)為輔的學(xué)習(xí)方式，以實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出模型，進(jìn)而動(dòng)手實(shí)踐，在應(yīng)用探索的過(guò)程中理解該課程的主要內(nèi)容。

2.1 啟發(fā)式教學(xué)——學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)

在生物分子網(wǎng)絡(luò)課程中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鬟@一章節(jié)是該課程的重點(diǎn)掌握內(nèi)容，充分掌握了各種網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的計(jì)算方法原理，才能利用計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言針對(duì)特定的生物分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，概括出該網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)的分布特點(diǎn)，進(jìn)而選擇最適合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錅y(cè)度等[2]。在這一章的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們主要采用啟發(fā)式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，從實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，讓學(xué)生充分理解各種網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)所代表的意義，進(jìn)而去很好的理解網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的計(jì)算方法。例如，在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)-度的教學(xué)過(guò)程中，我們采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，先利用機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)模型讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和邊是什么含義。在這個(gè)模型中，機(jī)場(chǎng)是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，機(jī)場(chǎng)與機(jī)場(chǎng)之間的航線為網(wǎng)絡(luò)中的邊。節(jié)點(diǎn)的度為機(jī)場(chǎng)所有航線的數(shù)目，即網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)邊的數(shù)目。相對(duì)于度這一概念，引導(dǎo)學(xué)生思考下面的問(wèn)題。“有些機(jī)場(chǎng)的航線數(shù)目很多，有些機(jī)場(chǎng)航線數(shù)目很少，如果航線多的機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題的話，是不是對(duì)于整個(gè)航線的影響會(huì)更大？”針對(duì)這一問(wèn)題，介紹網(wǎng)絡(luò)中樞紐節(jié)點(diǎn)的概念。同時(shí)根據(jù)學(xué)生所掌握的概率知識(shí)，讓學(xué)生自己計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的度，進(jìn)而得到度分布。

此外，度分布是這門課程中要求學(xué)生掌握的難點(diǎn)內(nèi)容，特別是理解冪律分布的雙重性質(zhì)。可以借助于希臘神話故事阿克酋思之踵的故事讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)中樞紐節(jié)點(diǎn)的重要性。

2.2 探索式教學(xué)——學(xué)習(xí)基于生物網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)疾病基因

在生物網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，基于生物網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)疾病基因是網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)的綜合實(shí)際應(yīng)用，要求學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)要融會(huì)貫通，是難點(diǎn)內(nèi)容之一[3]。這部分內(nèi)容的講解可以采用探索方式的形式進(jìn)行授課。可以引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成生物網(wǎng)絡(luò)分析問(wèn)題，根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出最優(yōu)的與疾病基因相關(guān)的拓?fù)錅y(cè)度，然后讓其自行探索去比較疾病基因以及非疾病基因在拓?fù)湫再|(zhì)上的差異，進(jìn)而歸納出疾病基因區(qū)別于非疾病基因的拓?fù)湫再|(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生能否根據(jù)自己掌握的機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，開(kāi)發(fā)基于生物分子網(wǎng)絡(luò)特征的分類器，如支持向量機(jī)，決策森林以及遺傳算法等。根據(jù)分類器的分類效能來(lái)判別是否基于網(wǎng)絡(luò)特征的方法在識(shí)別疾病基因方面具有更好的效能。

2.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)——學(xué)習(xí)常用網(wǎng)絡(luò)分析軟件

生物分子網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)，最重要也是最難的部分是如何在實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用常用的網(wǎng)絡(luò)分析軟件進(jìn)行生物網(wǎng)絡(luò)的分析。由于這部分內(nèi)容主要是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，所以，在教學(xué)改革中，這部分我們主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué)[4]。將學(xué)生劃分成不同的學(xué)習(xí)小組，然后布置學(xué)生不同的任務(wù)去熟悉不同的常用網(wǎng)絡(luò)分析軟件，給定具體的生物分子網(wǎng)絡(luò)，給出明確的任務(wù)要求，讓學(xué)生在討論和探索的過(guò)程中，學(xué)會(huì)如何使用現(xiàn)有的軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。在學(xué)習(xí)結(jié)束后，由學(xué)生選派學(xué)生代表在班級(jí)內(nèi)進(jìn)行講解，使更多的學(xué)生掌握該軟件的使用方法，同時(shí)要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使其更深入的了解該軟件。

經(jīng)過(guò)對(duì)我們學(xué)院的學(xué)生進(jìn)行該方法的試點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法在該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)中效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的教與學(xué)的方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)學(xué)生掌握該部分內(nèi)容更加牢靠，不容易忘記，也提高了學(xué)生的應(yīng)用能力。然而，還是存在一定的問(wèn)題需要及時(shí)調(diào)整，例如，在劃分完學(xué)習(xí)小組后，有的小組出現(xiàn)只有部分學(xué)生進(jìn)行實(shí)際學(xué)習(xí)，針對(duì)這一問(wèn)題，我們提出可以讓每個(gè)學(xué)生在班級(jí)內(nèi)針對(duì)該軟件的使用進(jìn)行部分講解，來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生是否真正參與學(xué)習(xí)小組的討論與學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)組織、實(shí)施有效的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，采用探究式、啟發(fā)式以及任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式，我們初步進(jìn)行了生物分子網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)改革，切實(shí)提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)以及實(shí)踐能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，在該課程的學(xué)習(xí)中也能夠掌握了多種多樣的學(xué)習(xí)方法，能夠?yàn)橐院蟮膶I(yè)課程學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。然而，一些細(xì)微問(wèn)題仍然存在，我們將繼續(xù)堅(jiān)持以學(xué)生為主的教學(xué)模式，充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，以適應(yīng)社會(huì)就業(yè)形式的需要，并力求使生物網(wǎng)絡(luò)課堂成為真正的以學(xué)生為主的課堂，成為學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中的一葉綠舟。

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