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生物工程專業(yè)系統(tǒng)生物學(xué)課程教學(xué)研究論文
［摘要］系統(tǒng)生物學(xué)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(xué)科，代表了生物學(xué)的未來。系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)習(xí)和了解學(xué)科交叉和多領(lǐng)域融合的研究思路，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。筆者在教學(xué)活動(dòng)中，通過進(jìn)行換位思考，重新組織教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)價(jià)值，合理運(yùn)用案例分析，串聯(lián)系統(tǒng)生物學(xué)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(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生分析、解決問題的能力及創(chuàng)新意識(shí)。
［關(guān)鍵詞］生物工程；系統(tǒng)生物學(xué)；案例教學(xué)；教學(xué)價(jià)值；換位思考
系統(tǒng)生物學(xué)是生物科學(xué)、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(xué)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?jī)?nèi)容的“老”系統(tǒng)生物學(xué)，“新”系統(tǒng)生物學(xué)的研究屬于后基因組時(shí)代，以堅(jiān)實(shí)的分子生物學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，是對(duì)“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(xué)，被譽(yù)為“２１世紀(jì)的生物學(xué)”［１］，因在諸多醫(yī)學(xué)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(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解系統(tǒng)生物學(xué)課程的基本概念和研究?jī)?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(rèn)識(shí)和理解生命現(xiàn)象，把握２１世紀(jì)生命科學(xué)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(xué)以系統(tǒng)論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(xué)的基本工作流程包括四步。第一步是對(duì)選定的某一生物系統(tǒng)的所有組分進(jìn)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(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的作用機(jī)理，以此構(gòu)造出一個(gè)初步的系統(tǒng)模型。第二步是系統(tǒng)地改變被研究對(duì)象的內(nèi)部組成成分（如基因突變）或外部生長(zhǎng)條件，然后觀測(cè)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(dá)、蛋白質(zhì)表達(dá)和相互作用、代謝途徑等的變化，并把得到的有關(guān)信息進(jìn)行整合。第三步是把通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與根據(jù)模型預(yù)測(cè)的情況進(jìn)行比較，并對(duì)初始模型進(jìn)行修訂。第四步是根據(jù)修訂后的模型的預(yù)測(cè)或假設(shè)，設(shè)定和實(shí)施新的改變系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，重復(fù)第二步和第三步，不斷通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修訂和精練［３］。由此可見，系統(tǒng)生物學(xué)課程內(nèi)容多，關(guān)聯(lián)的知識(shí)面廣，理論性強(qiáng)，知識(shí)更新速度快，最好配備實(shí)驗(yàn)等輔助環(huán)節(jié)和充足的實(shí)驗(yàn)資金。這些要求在高校的課程安排中是不可能實(shí)現(xiàn)的。如我校生物工程專業(yè)開設(shè)的系統(tǒng)生物學(xué)課程學(xué)時(shí)數(shù)偏少，且缺少實(shí)驗(yàn)等輔助環(huán)節(jié)。因此，我們需要針對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行改革與創(chuàng)新，在合理的課程知識(shí)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(yàn)［４］，通過靈活應(yīng)用“換位思考”“注重教學(xué)價(jià)值”和“案例導(dǎo)向的課題式教學(xué)”，探索“關(guān)注人才培養(yǎng)”的教學(xué)方案，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高授課實(shí)效。希望本文的教學(xué)方案可以在其他相關(guān)課程教學(xué)中推廣實(shí)驗(yàn)。
一、進(jìn)行換位思考
有學(xué)者曾建議在教學(xué)中換位［５］，主要是角色換位，即老師和學(xué)生的角色互換。老師給定一個(gè)科學(xué)問題，利用一兩節(jié)課的時(shí)間，讓學(xué)生上講臺(tái)，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(xué)生的角色去聆聽并參與討論。角色換位的目的是鍛煉學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新的思維和能力，提高他們的學(xué)習(xí)熱情。“角色互換式教學(xué)”效果顯著，但也存在不足，如由于時(shí)間和效率的關(guān)系（只能拿出少量的課時(shí)進(jìn)行互換式教學(xué)，否則教學(xué)計(jì)劃無法完成），教師無法讓每位學(xué)生都進(jìn)行角色互換（尤其是公共課，絕對(duì)沒有時(shí)間讓每位學(xué)生都上臺(tái)講），也不能每節(jié)課都由學(xué)生來講授。因此，“角色互換式教學(xué)”只能作為輔助，傳統(tǒng)的“老師講學(xué)生聽”的方式是不能拋棄的。老師依然必須是教學(xué)活動(dòng)的主體，這點(diǎn)毋庸置疑。本文講的“換位思考”是指將“角色互換式教學(xué)”的思想融入每節(jié)課，充分提高學(xué)生的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情。站在聽眾（學(xué)生）的角度換位思考是指授課老師以學(xué)生的角色去重新整理教學(xué)大綱，制定授課計(jì)劃，設(shè)計(jì)授課講義。這樣老師的授課才能貼近學(xué)生需求，學(xué)生才會(huì)變得主動(dòng)、有興趣。以系統(tǒng)生物學(xué)為例，站在聽眾（生命科學(xué)專業(yè)學(xué)生）的角度授課，教師首先需要解釋的是：為什么會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)生物學(xué)？學(xué)習(xí)這門課能解決什么問題？這門課對(duì)今后的深造或工作有什么幫助？筆者的實(shí)踐證明，在每節(jié)課備課時(shí)站在學(xué)生的角度換位思考，重新設(shè)計(jì)授課講義，會(huì)收到意想不到的課堂教學(xué)效果———使枯燥無味的理論課程變得生動(dòng)有趣，提高學(xué)生的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情。
二、設(shè)計(jì)故事情節(jié)展開教學(xué)內(nèi)容，注重教學(xué)價(jià)值
筆者認(rèn)為，大學(xué)老師授課的主要目的不只是為了傳授知識(shí)。原因有二：
�。保F(xiàn)在是知識(shí)爆炸的年代，知識(shí)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(xué)生）利用網(wǎng)絡(luò)資源的能力超過年長(zhǎng)者（老師），學(xué)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(shí)。
在大學(xué)里，老師最應(yīng)該傳授的是方法和態(tài)度。知識(shí)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(chǔ)，而且永遠(yuǎn)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(fēng)力等），就可以通過程序處理對(duì)明天的天氣做出預(yù)測(cè)。老師只傳授知識(shí)，就相當(dāng)于只教會(huì)學(xué)生怎樣采集今天的氣象數(shù)據(jù)，學(xué)生永遠(yuǎn)也不知道明天會(huì)怎樣。傳授方法就相當(dāng)于教會(huì)學(xué)生怎樣運(yùn)行程序、計(jì)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(shí)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(xué)價(jià)值［６］。以系統(tǒng)生物學(xué)為例，傳統(tǒng)的授課順序一般依從于知識(shí)、概念、定義的邏輯順序。筆者進(jìn)行了調(diào)整，從一個(gè)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(duì)世界人民和美軍全球戰(zhàn)略的重要作用，最后介紹美國(guó)科學(xué)家Ｋｅａｓｌｉｎｇ是如何利用系統(tǒng)生物學(xué)思想找到突破口并解決問題的［７］。通過設(shè)計(jì)故事情節(jié)展開教學(xué)內(nèi)容，筆者不但把“怎么做”（知識(shí)）傳授給學(xué)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(xué)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(shí)、方法和悟性一道傳播給讀者。
三、以案例為導(dǎo)向的課題式教學(xué)
我校系統(tǒng)生物學(xué)的開課時(shí)間是大三第一學(xué)期，這時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握了生物和計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，但尚未進(jìn)入課題研究階段，因此還不能做到理論聯(lián)系實(shí)際。學(xué)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(jià)值，以及對(duì)自己日后的學(xué)習(xí)、科研和工作有什么幫助。課堂教學(xué)以學(xué)生聽講為主，教師講解與學(xué)生實(shí)踐脫節(jié)，這就容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提不起興趣，從而影響學(xué)習(xí)質(zhì)量。因此，在實(shí)際教學(xué)中，授課教師可以以案例為導(dǎo)向［８］，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之余參加課題研究（“干”實(shí)驗(yàn)部分），在科研實(shí)踐中學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用工具，培養(yǎng)解決問題的思路。在系統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)中，筆者將學(xué)生分組，并設(shè)立了一系列論述題，如讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，從一株篩選到的微生物中克隆堿性纖維素酶基因。學(xué)生帶著問題投入學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)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(xué)進(jìn)行討論。授課結(jié)束后，學(xué)生完善了思路，提供了詳盡的報(bào)告和本組課題的解決方案。一些學(xué)生的奇思妙想令筆者深思和感嘆。以案例為導(dǎo)向的課題式教學(xué)激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究探索的熱情，得到了學(xué)生的歡迎和支持。
四、結(jié)論
“換位思考”“注重教學(xué)價(jià)值”和“案例導(dǎo)向的課題式教學(xué)”是筆者結(jié)合自身授課經(jīng)歷總結(jié)的教學(xué)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(dòng)有趣，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)原理的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用科學(xué)技術(shù)并提高綜合能力。經(jīng)過三年的教學(xué)實(shí)踐，該教學(xué)方案收到了實(shí)效。２０１４年只有８位學(xué)生選修該課程，而２０１７年有４３位學(xué)生選修。學(xué)生表示喜歡該教學(xué)方案，這是對(duì)授課老師最好的表揚(yáng)和最佳的教學(xué)動(dòng)力。教學(xué)方法無高低之分，教學(xué)質(zhì)量卻有高低之異。教師在教學(xué)前可以通過聽課、閱讀教學(xué)論文和同前輩探討等途徑，充分吸收教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，再通過教學(xué)實(shí)踐總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)不拘泥于自己的經(jīng)驗(yàn)體系，而是集眾家之長(zhǎng)，兼容并包，努力解決遇到的具體問題。提高授課實(shí)效是每位授課老師的責(zé)任。
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