醫學院校生物科學專業系統生物學課程教學體會

陳奇

摘 要 系統生物學是一門多學科交叉的綜合性學科，已進入生命科學研究的主流。本文就系統生物學教學過程中發現的問題和對應的改進措施進行總結，以期為提高系統生物學的教學質量提供借鑒。

關鍵詞 系統生物學 課程 教學

Abstract System biology is a multidisciplinary comprehensive discipline， has entered the mainstream of life science research. This paper summarizes the problems found in the process of system biology teaching and the corresponding improvement measures so as to provide reference for improving the teaching quality of system biology.

Keywords system biology； course； teaching

系統生物學是生命科學發展的新突破，整合了各層面的生物信息數據，通過建立各種數學模型進行仿真實驗，進而闡明和預測生物功能、表型及行為，在系統水平上理解生物體，是當今生命科學的重大前沿領域之一，是“21世紀的生物學”，代表著生命科學發展的總體趨勢。系統生物學的形成引起了數學、物理、化學、生物、醫學、系統科學及信息和計算機科學等學科領域眾多科學家的廣泛關注和參與，已成為一門多學科交叉并不斷發展的新型學科。為了緊跟國內外生物科學發展的步伐，實現培養高科技人才和服務社會的目的，我校對生物科學專業開設了系統生物學課程，目的在于了解系統生物學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，培養全局觀，形成系統的思維方式，從而更全面地認識和理解生命現象，把握本世紀生命科學研究的大方向。本文針對在系統生物學教學過程中發現的問題和對應的改進措施進行總結，以期為提高系統生物學的教學質量提供借鑒。

1 生命科學相關專業開設系統生物學課程的必要性和緊迫性

生物系統是指由各種分子（蛋白、基因、小分子等）組成的復雜網絡系統。傳統的生物系統研究通常指對單個分子或不同分子組成的生物通路的研究。但在生物系統中，不同分子和不同通路是存在相互作用的，即構成網絡。因此，可以說，決定生物系統特性和結果的是網絡，而不是單個分子或生物通路。單純用還原論來研究生物學問題，找出各個基因以及每個基因的單獨的相互關系是不可能解釋生命現象的。要真正解釋生命現象，就必須了解各個不同組成部分的相互關系以及它們的動態關系，也就是它們之間所形成的網絡結構，即用網絡系統學的方法來研究生命現象。

系統生物學中系統的概念或整體的概念或哲學觀，最早可以追溯到公園前300多年的亞里士多德（Aristotle）。整體哲學觀是指一個整體可以人為地分為不同的組分，但是這個整體的特性并不能用這些組分中所含的知識進行完全解釋。整體的哲學觀在中國古代的《易經》和傳統的中醫學中也有詳細的記載和體現。系統生物學的第二個起源可以追溯到18世紀中晚期，“生理學之父”——Claude Bernard 提出的“體內恒定理論”（homeostasis）。該理論是指一個生命的有機體需要很多動態的、平衡的調節（包括正反饋和負反饋等），來維持其內環境達到一個穩定的、恒定的狀態。系統生物學中系統概念的第三個起源可以追溯到20世紀50年代，Nobert Wiener提出的“控制論”和Ludwig von Bertalanffy 提出的“一般系統理論”。而系統生物學的真正起源是在20世紀90年代后期，人類基因組的完成以及高通量技術的產生，如DNA芯片技術、高通量蛋白組學技術等的發展，使系統生物學真正實現發展。同時，計算科學計算能力的不斷提高，也促進了系統生物學的發展。

系統生物學在中國有很好的基礎，我們的傳統醫學就是把人體視為一個系統，通過測定和改變系統的輸入和輸出來調節系統的狀態。傳統科學的缺點在于，它只能進行“黑箱操作”，不能解釋系統的內部組成成分和動力學過程。而系統生物學則把生物系統化為“白箱”，不僅要了解系統的結構和功能，而且還要揭示出系統內部各組成成分的相互作用和運行規律。系統生物學是從系統的視角對生物進行研究，相應的研究手段在生命科學相關專業受到的關注越來越多。人類基因組計劃發起人之一，“系統生物學之父”諾伊胡德（Leroy Hood）認為：“系統生物學將是21世紀醫學和生物學的核心驅動力”。現代系統生物學的發展不僅將對生物學本身更深刻地解釋生命現象起到非常重要的作用，也將對農業、醫藥、生物工程等領域起到革命性的推進作用。系統生物學的學習能夠為生命科學研究提供全新的思路和角度，是生物學相關科研人員、教師和學生進行科學研究和學習的常備工具。系統生物學的發展極大地推動者生命科學的進步，針對本科生開設系統生物學已經非常必要和緊迫。

2 系統生物學課程教學中存在的問題

2.1 教學師資力量薄弱

系統生物學是一門多學科交叉的綜合性學科，對教師的專業素養要求較高。一方面需要任課老師掌握生物學、計算機、數學等學科專業基礎知識；另一方面還需要緊跟國內國際最新前沿發展動態，以不斷補充系統生物學的教學內容，為學科的知識更替奠定基礎。然而，由于國內系統生物學相關教學和科研水平尚處于初級階段，培養出來的人才數量不多，且有限的人才涌向了國內外名校，普通高校一時難以招錄專業對口的師資。因此，包括本校在內的很多普通高校能夠勝任系統生物學教學的教師十分匱乏。這樣以來，勢必會增加系統生物學的教學難度，同時還會在一定程度上也影響了學生專業知識的獲取和專業素養、能力的培養。

2.2 可供選擇的教材不多endprint

系統生物學涵蓋內容龐雜，現有教材種類偏少，難以滿足所有高校的需求。目前，可供本校類似的普通高校選擇的教材只有浙江大學出版社林標揚編著的《系統生物學》和科學出版社張自立、王振英編著的《系統生物學》。前者內容分為三篇，分別為第一篇，系統生物學概括，介紹系統生物學的基本概念和原理；第二篇，實驗系統生物學，介紹系統生物學研究的高通量技術和手段，包括蛋白質組學、基因組學、轉錄組學和代謝組學等研究手段；第三篇，計算系統生物學，介紹系統生物學數據整合分析、計算和模擬的工具。在第二篇 “濕”的實驗室部分內容相對于科學出版社的較為概括，但在第三篇“干”的實驗部分又較為具體，實例也較多。而考慮到本校學生信息科學和系統科學較弱的實情，難以從現有的教材中選出適于本科生學習的范本，對任課老師是個不小的挑戰。此外，隨著系統生物學的迅速發展，學科相應的技術方法更新很快，教材中的分析軟件、講解實例都已不再是當前最新最普遍的，這對教材內容的更新和教師的講授也是很大的挑戰。

2.3 與其他學科的交叉偏少

系統生物學涉及生物學、數學、計算機、信息科學以及系統科學等多個研究領域，多學科交叉融合顯著，這也是當今乃至將來自然科學發展的明顯趨勢。科學史的發展也表明，很多重大科技成果的發現和應用離不開多學科交叉。然而在實際授課過程中，系統生物學很難真正實現學科交匯。系統生物學課程的開設通常是在生命科學學院，而對應的數學、計算機等“干”的部分則在其他學院，不同學院或者不同教研室之間，教師的交流相對較少，合作碰撞的概率也隨之銳減，高校內部的這種現狀嚴重制約了系統生物學的教學需求。

2.4 教學模式單一

系統生物學是一門理論性與實踐性很強、且需要緊密結合的學科。針對系統生物學的教學，目前多數高校采用的是較為傳統的課堂講授為主，多媒體為輔的教學法，重點講解理論知識，缺乏對應的實驗課程教學。這樣使得學生掌握了大量的理論知識，卻很難應用到實踐之中，在遇到生產生活中的實際問題時依舊束手無策。這種單一、傳統的教學模式弊端暴露無遺：即理論與實踐脫節，培養出來的學生對知識的掌握并不牢固，教學效果大打折扣。

3 系統生物學課程教學存在問題的對策

3.1 培養和引進專業人才

教師的知識水平和能力的高低直接影響著系統生物學的課程教學，針對師資薄弱的問題，一方面應充分提高師資隊伍系統生物學的知識水平和對應的教學能力，鼓勵并在政策和資金上給予支持，充分調動教師到相關專業的國內外高校訪學或進修，學習和吸收知名高校知名教師的先進教學理念和科研實踐經驗；另一方面，需要學校提供具有吸引力的條件引進國內外系統生物學高層次人才，補充現有師資隊伍，增添新鮮血液。當然，在不具備上述條件的高校，可以考慮邀請國內外兄弟院校的教師定期或者不定期地開展相關的教學或科研交流會，加強教師之間的交流合作，從而在一定程度上彌補現有師資隊伍薄弱的短板。

3.2 促進學科交叉融合

系統生物學是建立在多學科交叉的基礎之上的“大科學”，需要生命科學、信息科學以及系統科學等多種學科的共同參與。國內外知名大學生物學的教學普遍建立了良好的多學科交叉秩序，并在積極推進著學科之間的深層次融合與發展。在本校類似的一般高校中，可仿效國內外高校的先進經驗，整合院內乃至校內的優秀師資隊伍，建立起有針對性的學科交叉團隊，在教學過程中取長補短，優勢互補，相互學習，從而在一定程度上彌補專業師資隊伍的缺口，促進學科教學的多維發展。

3.3 推進“教、學、研”有機結合

系統生物學的開設一般是在大三，學生在完成普通生物學、生物化學、生物信息學等課程的學習之后，大多對生物學知識有了自己的理解和認識，再加上計算機的基礎知識，對系統生物學知識的理解難度不大，但絕大多數學生沒有接觸過科研課題，對系統生物學能夠解決的實際問題并不清楚，在學習之中很難將理論與實踐結合起來，直接造成將來應用系統生物學知識的時候帶著很大的盲目性。因此，在實際教學活動中，可以考慮推進“教、學、研”有機交融的教學模式。針對系統生物學課程的特點，設計一些小的科研課題，激發學生對科研的興趣，進一步鼓勵學生申請省級或者國家級的科研訓練項目，或是直接參與到教師的科研實踐中，以“研”帶動學生的“學”與教師的“教”，積極推進推進“教、學、研”的有機結合，使三者融為一體。這種對策能夠極大地激發學生對系統生物學課程的興趣，有助于學生及時將理論知識應用到解決科研具體問題的實踐之中，促使二者有機結合，學生變被動學習為主動探索。學生也能夠盡早投入到生命科學研究的大環境之中，借助團隊協作和具體的實踐訓練，做到學以致用。

3.4 加強實驗課程教學

系統生物學是理論與實驗有機結合的實踐性較強的學科，實驗課程的教學離不開“濕”的實驗室和“干”的實驗室。一方面本校類似的普通高校要積極籌建系統生物學的“濕”實驗室，開展與生物化學、微生物學等課程類似的教學演示實驗，兼顧絕大多數學生的實踐課程學習；另一方面，針對系統生物學中的建模、仿真等“干”實驗室的軟件實訓，應仿照生物信息學實驗課程的教學，建設實驗機房，升級計算機配置，提供上網功能，保障實驗課程的順利實施。針對必需掌握的教學內容，應依據實驗課程的特點，合理設計有針對性的軟件實訓，結合具體實例進行深入講解，并留有一定難度的實際訓練課題給學生作為實驗課自主探索學習的內容，培養學生解決具體實例的能力。

4 小結

系統生物學作為生命科學研究的“新寵兒”，對教師和相應課程建設的要求較高，有待于任課教師認識和知識體系的不斷更新和完善。新時期系統生物學的教學需要教師緊跟國內國際最新發展動態，不斷充實課程“教、學、研”的內容。同時，不斷更新教學模式，充分利用多媒體和網絡平臺，學生在學習的過程中能夠不斷汲取新的知識，鍛煉實踐能力。在本校類似的醫學院校，系統生物學課程經盡快面向全校開設，以滿足現代醫學的發展需求，培養具有學科交叉意識強、知識水平高和動手能力熟練的本科生。

參考文獻

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