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生物工程專業(yè)系統(tǒng)生物學課程教學研究論文
［摘要］系統(tǒng)生物學是本科生物工程專業(yè)的專業(yè)選修課，是一門新興的交叉學科，代表了生物學的未來。系統(tǒng)生物學的教學目標是使學生學習和了解學科交叉和多領(lǐng)域融合的研究思路，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)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(nèi)容，重構(gòu)教學價值，合理運用案例分析，串聯(lián)系統(tǒng)生物學的原理和方法，從聽眾（生物工程專業(yè)本科生）的角度出發(fā)完成教學，調(diào)動了學生的學習主動性，培養(yǎng)了學生分析、解決問題的能力及創(chuàng)新意識。
［關(guān)鍵詞］生物工程；系統(tǒng)生物學；案例教學；教學價值；換位思考
系統(tǒng)生物學是生物科學、生物技術(shù)和生物工程專業(yè)的前沿專業(yè)選修課，是生命科學的新研究領(lǐng)域，其目的是在系統(tǒng)水平上理解生物體。區(qū)別于傳統(tǒng)意義上以生物分類為研究內(nèi)容的“老”系統(tǒng)生物學，“新”系統(tǒng)生物學的研究屬于后基因組時代，以堅實的分子生物學知識為基礎(chǔ)，是對“還原論”和分析方法的反思與超越，側(cè)重于“整體論”和綜合方法。它是建立在分子及其相互作用基礎(chǔ)上的生理學，被譽為“２１世紀的生物學”［１］，因在諸多醫(yī)學前沿領(lǐng)域研究中成為重要研究方法而被廣泛應(yīng)用［２］。通過學習，學生應(yīng)了解系統(tǒng)生物學課程的基本概念和研究內(nèi)容，掌握生物系統(tǒng)分析和建模的基本原理，拓寬視野，形成全局觀和系統(tǒng)的思維方式，從而全面地認識和理解生命現(xiàn)象，把握２１世紀生命科學研究的總體方向，為研究生階段的深造打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)生物學以系統(tǒng)論、實驗和計算方法整合研究為特征，研究生物系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系和系統(tǒng)功能的涌現(xiàn)［３］。系統(tǒng)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(tǒng)的所有組分進行了解和確定，描繪出該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括基因相互作用網(wǎng)絡(luò)和代謝途徑，以及細胞內(nèi)和細胞間的作用機理，以此構(gòu)造出一個初步的系統(tǒng)模型。第二步是系統(tǒng)地改變被研究對象的內(nèi)部組成成分（如基因突變）或外部生長條件，然后觀測在這些情況下系統(tǒng)組分或結(jié)構(gòu)所發(fā)生的相應(yīng)變化，包括基因表達、蛋白質(zhì)表達和相互作用、代謝途徑等的變化，并把得到的有關(guān)信息進行整合。第三步是把通過實驗得到的數(shù)據(jù)與根據(jù)模型預測的情況進行比較，并對初始模型進行修訂。第四步是根據(jù)修訂后的模型的預測或假設(shè)，設(shè)定和實施新的改變系統(tǒng)狀態(tài)的實驗，重復第二步和第三步，不斷通過實驗數(shù)據(jù)對模型進行修訂和精練［３］。由此可見，系統(tǒng)生物學課程內(nèi)容多，關(guān)聯(lián)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(huán)節(jié)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(xiàn)的。如我校生物工程專業(yè)開設(shè)的系統(tǒng)生物學課程學時數(shù)偏少，且缺少實驗等輔助環(huán)節(jié)。因此，我們需要針對系統(tǒng)生物學的教學內(nèi)容和教學實踐進行改革與創(chuàng)新，在合理的課程知識結(jié)構(gòu)框架下，吸收前人和自身授課過程中總結(jié)的經(jīng)驗［４］，通過靈活應(yīng)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(guān)注人才培養(yǎng)”的教學方案，以期激發(fā)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(guān)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(jié)課的時間，讓學生上講臺，以教師身份引領(lǐng)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并參與討論。角色換位的目的是鍛煉學生主動創(chuàng)新的思維和能力，提高他們的學習熱情�！敖巧Q式教學”效果顯著，但也存在不足，如由于時間和效率的關(guān)系（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(jié)課都由學生來講授。因此，“角色互換式教學”只能作為輔助，傳統(tǒng)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(jié)課，充分提高學生的主動性和學習熱情。站在聽眾（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(shè)計授課講義。這樣老師的授課才能貼近學生需求，學生才會變得主動、有興趣。以系統(tǒng)生物學為例，站在聽眾（生命科學專業(yè)學生）的角度授課，教師首先需要解釋的是：為什么會出現(xiàn)系統(tǒng)生物學？學習這門課能解決什么問題？這門課對今后的深造或工作有什么幫助？筆者的實踐證明，在每節(jié)課備課時站在學生的角度換位思考，重新設(shè)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(shè)計故事情節(jié)展開教學內(nèi)容，注重教學價值
筆者認為，大學老師授課的主要目的不只是為了傳授知識。原因有二：
�。保F(xiàn)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；
�。玻F(xiàn)在是網(wǎng)絡(luò)信息爆炸的年代，年輕人（學生）利用網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)搜索），網(wǎng)絡(luò)幾乎可以代替老師傳授知識。
在大學里，老師最應(yīng)該傳授的是方法和態(tài)度。知識就像是數(shù)據(jù)，而方法和態(tài)度就是程序。數(shù)據(jù)可以采集、錄入和存儲，而且永遠也采集不完；程序可以處理數(shù)據(jù)，最終得出公式和結(jié)論。如我們采集了今天的氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、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，就相當于只教會學生怎樣采集今天的氣象數(shù)據(jù)，學生永遠也不知道明天會怎樣。傳授方法就相當于教會學生怎樣運行程序、計算數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。那么，如何傳授方法和態(tài)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。這才是真正的教學價值［６］。以系統(tǒng)生物學為例，傳統(tǒng)的授課順序一般依從于知識、概念、定義的邏輯順序。筆者進行了調(diào)整，從一個案例“開發(fā)抗瘧疾藥物”入手，先引入非洲的瘧疾問題，接著講述青蒿素對世界人民和美軍全球戰(zhàn)略的重要作用，最后介紹美國科學家Ｋｅａｓｌｉｎｇ是如何利用系統(tǒng)生物學思想找到突破口并解決問題的［７］。通過設(shè)計故事情節(jié)展開教學內(nèi)容，筆者不但把“怎么做”（知識）傳授給學生，而且將“為什么要這么做”和“怎么想到這么做的”（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(yōu)秀的授課過程就像講故事，可以采用正序、倒序和交互的方式，使情節(jié)撲朔迷離、高潮跌宕起伏，抓住聽眾的耳朵；優(yōu)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、以案例為導向的課題式教學
我校系統(tǒng)生物學的開課時間是大三第一學期，這時學生已經(jīng)掌握了生物和計算機學科的基礎(chǔ)知識，但尚未進入課題研究階段，因此還不能做到理論聯(lián)系實際。學生不知道教師為什么要講授這些內(nèi)容，也不了解講授的各種技術(shù)、工具、軟件有什么重要的使用價值，以及對自己日后的學習、科研和工作有什么幫助。課堂教學以學生聽講為主，教師講解與學生實踐脫節(jié)，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(zhì)量。因此，在實際教學中，授課教師可以以案例為導向［８］，讓學生在學習之余參加課題研究（“干”實驗部分），在科研實踐中學習知識和運用工具，培養(yǎng)解決問題的思路。在系統(tǒng)生物學教學中，筆者將學生分組，并設(shè)立了一系列論述題，如讓學生設(shè)計實驗方案，從一株篩選到的微生物中克隆堿性纖維素酶基因。學生帶著問題投入學習，在學習過程中密切關(guān)注此類問題合適的解決思路和相關(guān)技術(shù)，并與同組同學進行討論。授課結(jié)束后，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。以案例為導向的課題式教學激發(fā)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(jié)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(jié)合自身授課經(jīng)歷總結(jié)的教學方法，目的是“關(guān)注人才培養(yǎng)”，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(yīng)用科學技術(shù)并提高綜合能力。經(jīng)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(zhì)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(jīng)驗，再通過教學實踐總結(jié)經(jīng)驗。在教學過程中，教師應(yīng)不拘泥于自己的經(jīng)驗體系，而是集眾家之長，兼容并包，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。
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