关于《生物分子网络》课程教学模式的探讨

摘 要：生物分子网络课程是目前高校生物信息学专业学生的必修课程，也是为其他专业开设的生物信息学课程中的必需知识。生物分子网络课程内容具有理论性强，内容较复杂，是图论知识的综合应用等特点。因此，需要灵活应用多媒体，并结合探究式、启发式、任务驱动式等多种教学方法，从实际问题出发，以所学理论知识为基础，充分结合学生自身掌握的计算机程序设计语言、数学和生物知识，以学生自由探索为导向进行教学改革，进而提高学生学习生物分子网络课程的兴趣，达到活学活用，提升教学质量。

关键词：生物分子网络 任务驱动式 启发式 教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0225-02

随着基因组计划的完成，人类医学的研究进入了精准医学时代，基因诊断治疗已经成为目前常见的手段，大数据时代的到来对生物信息学专业的学生供求逐渐增长。生物信息专业在国内外不断被建立。对于生物信息学专业的学生而言，生物分子网络课程是其学习阶段必不可少的课程之一[1]。然而，生物分子网络课程的教学方法目前还大部分是延续之前传统的“教与学”的方式，针对这门课程理论性强，内容繁杂等特点，需要进一步进行教学改革，以提高学生的学习兴趣和教学质量。针对这一现象，我们在教学中首先进行了教学改革，采用了探究式、启发式以及任务驱动式的教学模式，以学生探索为主要的学习模式，充分从实际问题出发，以学生所掌握的理论知识为基础，考虑学生个人所掌握的程序设计能力，对不同学生设置不同的实际问题，进而提高该课程的教学质量。

1 生物分子网络

世间的万事万物都是彼此联系的，生物体的分子也是彼此间相互作用，形成紧密联系的网络进而发挥重要的功能。基因是主要的遗传物质，人类大概包含2万个作用的基因，这些基因间彼此相互作用，形成了重要的基因调控网络。对生物分子网络进行系统的分析，有助于我们了解体内分子间的调控规律，掌握了这些调控规律，才能让我们对复杂疾病的诊断和治疗有更深入的理解，达到治疗疾病的目的。目前生物分子网络课程已经在生物信息学专业广泛开课，该门课程理论性较强，涉及的内容较多，主要包括生物分子网络的构建；网络性质的分析；生物网络模块挖掘；基于网络的疾病基因预测等方面。该门课程不仅要求学生掌握一定的数理知识，还需要掌握一些常用的编程工具，将所学网络理论知识利用编程工具使其自动化。这也给授课教师带来了一定的困难，针对不同的网络理论部分，我们充分结合了探究式，启发式以及任务驱动式的教学模式，提高教学质量。

2 多目标教学方法

针对生物分子网络课程的逐步深入，我们涉及了多种不同的教学方法，采用以学生探索为主线，教师指导为辅的学习方式，以实际问题出发，使学生发现问题，提出模型，进而动手实践，在应用探索的过程中理解该课程的主要内容。

2.1 启发式教学——学习网络拓扑性质

在生物分子网络课程中，网络拓扑特征这一章节是该课程的重点掌握内容，充分掌握了各种网络性质的计算方法原理，才能利用计算机程序语言针对特定的生物分子网络进行计算，概括出该网络的整体网络的分布特点，进而选择最适合的网络拓扑测度等[2]。在这一章的学习过程中，我们主要采用启发式学习的教学方法，从实际的网络模型出发，让学生充分理解各种网络性质所代表的意义，进而去很好的理解网络性质的计算方法。例如，在学习网络性质-度的教学过程中，我们采用启发式的教学方法，先利用机场网络模型让学生理解网络中的节点和边是什么含义。在这个模型中，机场是网络的节点，机场与机场之间的航线为网络中的边。节点的度为机场所有航线的数目，即网络中节点边的数目。相对于度这一概念，引导学生思考下面的问题。“有些机场的航线数目很多，有些机场航线数目很少，如果航线多的机场出现问题的话，是不是对于整个航线的影响会更大？”针对这一问题，介绍网络中枢纽节点的概念。同时根据学生所掌握的概率知识，让学生自己计算每个网络中的节点的度，进而得到度分布。

此外，度分布是这门课程中要求学生掌握的难点内容，特别是理解幂律分布的双重性质。可以借助于希腊神话故事阿克酋思之踵的故事让学生理解网络中枢纽节点的重要性。

2.2 探索式教学——学习基于生物网络预测疾病基因

在生物网络课程的学习过程中，基于生物网络预测疾病基因是网络课程知识的综合实际应用，要求学生对所学知识要融会贯通，是难点内容之一[3]。这部分内容的讲解可以采用探索方式的形式进行授课。可以引导学生将实际问题转换成生物网络分析问题，根据所学知识设计出最优的与疾病基因相关的拓扑测度，然后让其自行探索去比较疾病基因以及非疾病基因在拓扑性质上的差异，进而归纳出疾病基因区别于非疾病基因的拓扑性质。引导学生能否根据自己掌握的机器学习的方法，开发基于生物分子网络特征的分类器，如支持向量机，决策森林以及遗传算法等。根据分类器的分类效能来判别是否基于网络特征的方法在识别疾病基因方面具有更好的效能。

2.3 任务驱动式教学——学习常用网络分析软件

生物分子网络课程的学习，最重要也是最难的部分是如何在实际问题中应用常用的网络分析软件进行生物网络的分析。由于这部分内容主要是培养学生的动手能力，所以，在教学改革中，这部分我们主要采用任务驱动的方式进行教学[4]。将学生划分成不同的学习小组，然后布置学生不同的任务去熟悉不同的常用网络分析软件，给定具体的生物分子网络，给出明确的任务要求，让学生在讨论和探索的过程中，学会如何使用现有的软件进行网络分析。在学习结束后，由学生选派学生代表在班级内进行讲解，使更多的学生掌握该软件的使用方法，同时要求学生撰写实验报告，使其更深入的了解该软件。

经过对我们学院的学生进行该方法的试点，我们发现任务驱动式的教学方法在该部分内容的学习中效果要明显优于传统的教与学的方式，提高了学生学习的积极性，同时学生掌握该部分内容更加牢靠，不容易忘记，也提高了学生的应用能力。然而，还是存在一定的问题需要及时调整，例如，在划分完学习小组后，有的小组出现只有部分学生进行实际学习，针对这一问题，我们提出可以让每个学生在班级内针对该软件的使用进行部分讲解，来檢验学生是否真正参与学习小组的讨论与学习。

3 结语

通过组织、实施有效的课堂教学和实验实践，采用探究式、启发式以及任务驱动相结合的方式，我们初步进行了生物分子网络课程的教学改革，切实提高了学生的创新意识以及实践能力，提高了学生的综合素质，在该课程的学习中也能够掌握了多种多样的学习方法，能够为以后的专业课程学习打下了良好的基础。然而，一些细微问题仍然存在，我们将继续坚持以学生为主的教学模式，充分发挥专业优势，提高学生的综合素质，以适应社会就业形式的需要，并力求使生物网络课堂成为真正的以学生为主的课堂，成为学生专业培养过程中的一叶绿舟。

参考文献

[1]周培培.生物分子网络的建模与动力学分析[D].上海大学，2013.

[2]张文宇.生物分子网络分析在癌症标志物发现和基因网络演化机制探索中的应用[D].苏州大学，2015.

[3]虞佳.基于生物分子网络分析的疾病基因预测算法[D].西安电子科技大学，2014.

[4]唐燕，韩爱庆，杜清，等.任务驱动+翻转课堂教学法在程序设计类课程中的应用[J].中华医学图书情报杂志，2017，26（2）：63-66.