CADD教學改革與探索

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計算機輔助藥物分子設計理論與實踐教學面臨的問題

計算機輔助藥物分子設計是以數(shù)學、物理化學、生物化學、藥物化學、分子生物學、結構化學、結構生物學、細胞生物學等學科為基礎，以量子化學、分子力學、分子動力學、藥效團模型等為理論依據(jù)，借助計算機數(shù)值邏輯計算、數(shù)據(jù)庫篩選、統(tǒng)計分析、圖譜解析等處理技術，研究藥物分子對靶標受體作用的模型，進而達到藥物設計的目的［4－5］。由此可見，該課程教學內(nèi)容涉及的范圍比較廣泛，囊括了從基因序列、蛋白質(zhì)結構到生物大分子功能及其與藥物小分子作用機制研究的整個過程，這就要求學生具有良好的數(shù)學(如小波去噪分析、矩陣轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計分析)、計算化學、結構化學、生物化學、組合化學、藥物化學(如藥物毒性分析)、結構生物學、分子生物學、化學生物學、細胞生物學、生理學、生物信息學以及各種物理實驗技術(如X射線晶體學、核磁共振技術、圓二色譜等)和計算機技術(分子圖形學、數(shù)據(jù)庫技術、人工智能技術)等諸多專業(yè)知識的積累。該課程是基礎學科和應用學科與技術的廣泛交叉滲透，涉及學科面廣，雖然有利于拓寬學生的知識面，也有助于培養(yǎng)學生綜合多種學科知識、解決實際生物學復雜問題的能力，但教學內(nèi)容與教學難度都比較大，而且一些基本理論概念相對抽象，對于學生能否深刻把握這些理論概念都提出了較高的要求，教學過程中既要注重基礎性，又要注重前沿性，這對目前理論課教學方法與教學效果都提出了更高的要求。另外，理論與實踐必須相結合，這就需要介紹目前國際主流的常用相關軟件，讓學生在掌握理論知識的基礎上學會如何將書本理論應用到真正的模型體系范例中，培養(yǎng)學生的實驗軟件系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力，并要求在實際操作中深刻領悟并能處理分析生物分子結構等特征，培養(yǎng)學生成為既具有扎實理論知識，又具備和熟練操作應用能力的應用型人才。

目前我院生物工程專業(yè)本科生在大學學習階段以理論課學習為主，實驗課主要是生物化學、微生物學、分子生物學、生物工程設備、制藥工藝等專業(yè)課相關的實驗技術操作，而對于計算生物學、生物信息學、藥物設計等理論計算實驗從未接觸過，導致學生對生物計算實驗方面的認識和理解屬于空白。另一方面，筆者在日常教學的過程中發(fā)現(xiàn)學生對專業(yè)課的學習態(tài)度不盡相同。為此，于2011－2012學年度針對本院2009級生物工程專業(yè)兩個班級的本科生進行了兩次問卷調(diào)查，結果顯示:該專業(yè)的學生對于個人學習和未來規(guī)劃發(fā)展可歸結為3個方向(如圖1所示)，即44%的學生意向考研繼續(xù)深造(其中28．2%的學生意欲報考生物類專業(yè)的研究生，15．8%的學生打算跨專業(yè)報考非生物類專業(yè)的研究生);18．6%的學生意向報考相關事業(yè)單位或者公務員;28．4%的學生意向就職于公司企業(yè)(其中11．5%的學生意向生物類公司企業(yè)，16．9%的學生意向非生物類公司企業(yè))，9%的學生意向個人創(chuàng)業(yè)。鑒于學生個人追求發(fā)展的不同，又進行了一次關于本課程教學中學生需求的問卷調(diào)查，結果顯示:他們對于本專業(yè)課程學習目標也基本可分為3類:(1)要求專業(yè)課內(nèi)容側(cè)重考研方面的內(nèi)容，有助于學生基本理論知識的夯實和其科學研究能力與素養(yǎng)的提高;(2)要求專業(yè)課內(nèi)容與具體實際應用相關，應具有很強的實踐性應用性;(3)要求專業(yè)課內(nèi)容側(cè)重有助于就業(yè)技能的提高。鑒于上述面臨的教學問題，為了開闊我院生物工程專業(yè)學生科學視野，緊跟國內(nèi)外學科前沿發(fā)展，同時適應相關科研院所研究生的需求以及目前生物醫(yī)藥公司和生產(chǎn)企業(yè)所需的專業(yè)應用型人才，我們著力創(chuàng)建了一整套包括培養(yǎng)定位、培養(yǎng)理念、培養(yǎng)模式及培養(yǎng)方案的培養(yǎng)運行機制，改革生物工程相關專業(yè)課程教學，并建設與之相適應的實驗或?qū)嵺`操作平臺，充分發(fā)揮任課老師的專業(yè)優(yōu)勢，滿足學生學習過程中求知興趣、實踐就業(yè)以及未來發(fā)展等諸多方面的需求。此外，積極搭建與學生交流的溝通平臺，廣泛征集學生對教學內(nèi)容、教學方法、教學形式等方面的意見反饋信息，并予以適時調(diào)整，形成以實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重點，著力提高學生的綜合應用能力，拓寬學生理論知識學習與實踐能力培養(yǎng)相結合的道路。

計算機輔助藥物設計理論與實踐教學改革

傾聽學生反饋建議，結合自身課程培養(yǎng)目標，推動學生理論知識和應用實踐能力的提升教學不僅僅是傳統(tǒng)的純粹地教，更重要的是讓學生從教學活動中感覺到有意思而去主動地學，為了更好地把握學生上課所關注的問題，激發(fā)他們的學習興趣，筆者在每學期開課之前按照慣例通過問卷調(diào)查形式傾聽學生對本課程的反饋建議，然后進行歸納總結，結合課程培養(yǎng)目標，適時調(diào)整課堂教學內(nèi)容和方式方法。例如相當一部分學生對生物感興趣，將會考研進一步深造學習，這類學生對基本理論知識和考試做題的需求比較高，促使他們加深對相關原理的理解和靈活掌握以應對考試。因此筆者在教學中特別側(cè)重將原理概念和形象典型的事例相結合予以直接展示和闡明，并通過布置一些科研小課題，引導學生在完成課題的過程中掌握所需的理論知識，不僅提高他們應對考試的技能，更重要的是培養(yǎng)鍛煉他們的科研素質(zhì)和能力，為他們順利進入研究生階段學習打下堅實的基礎;對于意向?qū)韽氖律镝t(yī)藥類相關工作的學生，筆者則側(cè)重給予他們親自上機實際操作的機會，并引導學生通過網(wǎng)絡資源和論壇(如科學網(wǎng)、小木蟲、分子模擬等)等多元化資源渠道對軟件實戰(zhàn)操作中遇到的具體問題進行討論交流與學習，尤其是對相關藥物分子數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)結構數(shù)據(jù)庫等的熟練掌握與分析應用，與此同時引導學生學會處理分析這些海量的數(shù)據(jù)，并要求熟練掌握常用繪圖分析軟件如Origin8.0、Sigmaplot12.0等軟件的使用，提高他們對數(shù)據(jù)的分析判斷的能力，有助于他們在日常工作中學會數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和繪圖。通過這些教學手段的改革，靈活應用課堂內(nèi)外的學習資源，讓每個學生根據(jù)自身發(fā)展特點進行自主選擇性學習，全面提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生對理論知識的駕馭能力，拓寬他們未來的發(fā)展空間。

結語

計算機輔助制藥分子設計技術的飛速發(fā)展為生物醫(yī)藥業(yè)的發(fā)展開辟了廣闊的前景，極大地推動了新藥研發(fā)的速度。因此，世界各國都把計算機輔助藥物設計確定為未來科技發(fā)展的關鍵技術和新興制藥手段。隨著生物技術的快速發(fā)展，有關研發(fā)新藥物的信息層出不窮，各類的文獻報道推動著本課程的發(fā)展，這也給該門課程的教學和研究提出了更高的要求，尤其是目前計算機硬件技術與軟件更新在本課程領域的藥物設計方法、分子模擬篩選、藥物作用反應機理操作實踐中發(fā)揮越來越大的作用，受到了廣大科研工作者和生物技術專家的廣泛關注。同時，網(wǎng)絡技術的發(fā)展日新月異，使其逐步成為各種新藥信息資源傳遞的重要載體?；谶@種計算機技術和網(wǎng)絡技術為計算機輔助藥物設計提供了更加有力的研究手段，目前科研院所和相關制藥企業(yè)已認識到計算機輔助藥物設計技術的重要性，科研工作者和制藥企業(yè)對此前景非?？春?，計算機輔助藥物設計將成為繼信息產(chǎn)業(yè)之后又一個新的主導生物技術。近年來，從國家到地方各級政府不斷加大力度支持生物醫(yī)藥科學研究與相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這對于生物工程專業(yè)的建設與發(fā)展是一個難得的機遇，同時也是一個新的挑戰(zhàn)。本院根據(jù)科學研究動態(tài)和學科發(fā)展及社會人才需求，制定了一套具有自身特色的人才培養(yǎng)方針，借助科研平臺的搭建，教學改革的推進以及社會發(fā)展需求的推動，使本校培養(yǎng)的生物工程專業(yè)的學生適應未來的科學研究工作和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領域的需要，并都具有良好的技能素質(zhì)。（本文作者：吳曉敏、薛書蕾、張海軍、王光利 單位：淮北師范大學生命科學學院資源植物生物學安徽省重點實驗室、淮北師范大學管理學院）