CADD教学改革与探索

计算机辅助药物分子设计理论与实践教学面临的问题

计算机辅助药物分子设计是以数学、物理化学、生物化学、药物化学、分子生物学、结构化学、结构生物学、细胞生物学等学科为基础，以量子化学、分子力学、分子动力学、药效团模型等为理论依据，借助计算机数值逻辑计算、数据库筛选、统计分析、图谱解析等处理技术，研究药物分子对靶标受体作用的模型，进而达到药物设计的目的［4－5］。由此可见，该课程教学内容涉及的范围比较广泛，囊括了从基因序列、蛋白质结构到生物大分子功能及其与药物小分子作用机制研究的整个过程，这就要求学生具有良好的数学(如小波去噪分析、矩阵转换、统计分析)、计算化学、结构化学、生物化学、组合化学、药物化学(如药物毒性分析)、结构生物学、分子生物学、化学生物学、细胞生物学、生理学、生物信息学以及各种物理实验技术(如X射线晶体学、核磁共振技术、圆二色谱等)和计算机技术(分子图形学、数据库技术、人工智能技术)等诸多专业知识的积累。该课程是基础学科和应用学科与技术的广泛交叉渗透，涉及学科面广，虽然有利于拓宽学生的知识面，也有助于培养学生综合多种学科知识、解决实际生物学复杂问题的能力，但教学内容与教学难度都比较大，而且一些基本理论概念相对抽象，对于学生能否深刻把握这些理论概念都提出了较高的要求，教学过程中既要注重基础性，又要注重前沿性，这对目前理论课教学方法与教学效果都提出了更高的要求。另外，理论与实践必须相结合，这就需要介绍目前国际主流的常用相关软件，让学生在掌握理论知识的基础上学会如何将书本理论应用到真正的模型体系范例中，培养学生的实验软件系统调试与数据统计分析能力，并要求在实际操作中深刻领悟并能处理分析生物分子结构等特征，培养学生成为既具有扎实理论知识，又具备和熟练操作应用能力的应用型人才。

目前我院生物工程专业本科生在大学学习阶段以理论课学习为主，实验课主要是生物化学、微生物学、分子生物学、生物工程设备、制药工艺等专业课相关的实验技术操作，而对于计算生物学、生物信息学、药物设计等理论计算实验从未接触过，导致学生对生物计算实验方面的认识和理解属于空白。另一方面，笔者在日常教学的过程中发现学生对专业课的学习态度不尽相同。为此，于2011－2012学年度针对本院2009级生物工程专业两个班级的本科生进行了两次问卷调查，结果显示:该专业的学生对于个人学习和未来规划发展可归结为3个方向(如图1所示)，即44%的学生意向考研继续深造(其中28．2%的学生意欲报考生物类专业的研究生，15．8%的学生打算跨专业报考非生物类专业的研究生);18．6%的学生意向报考相关事业单位或者公务员;28．4%的学生意向就职于公司企业(其中11．5%的学生意向生物类公司企业，16．9%的学生意向非生物类公司企业)，9%的学生意向个人创业。鉴于学生个人追求发展的不同，又进行了一次关于本课程教学中学生需求的问卷调查，结果显示:他们对于本专业课程学习目标也基本可分为3类:(1)要求专业课内容侧重考研方面的内容，有助于学生基本理论知识的夯实和其科学研究能力与素养的提高;(2)要求专业课内容与具体实际应用相关，应具有很强的实践性应用性;(3)要求专业课内容侧重有助于就业技能的提高。鉴于上述面临的教学问题，为了开阔我院生物工程专业学生科学视野，紧跟国内外学科前沿发展，同时适应相关科研院所研究生的需求以及目前生物医药公司和生产企业所需的专业应用型人才，我们着力创建了一整套包括培养定位、培养理念、培养模式及培养方案的培养运行机制，改革生物工程相关专业课程教学，并建设与之相适应的实验或实践操作平台，充分发挥任课老师的专业优势，满足学生学习过程中求知兴趣、实践就业以及未来发展等诸多方面的需求。此外，积极搭建与学生交流的沟通平台，广泛征集学生对教学内容、教学方法、教学形式等方面的意见反馈信息，并予以适时调整，形成以实践能力和创新能力培养为重点，着力提高学生的综合应用能力，拓宽学生理论知识学习与实践能力培养相结合的道路。

计算机辅助药物设计理论与实践教学改革

倾听学生反馈建议，结合自身课程培养目标，推动学生理论知识和应用实践能力的提升教学不仅仅是传统的纯粹地教，更重要的是让学生从教学活动中感觉到有意思而去主动地学，为了更好地把握学生上课所关注的问题，激发他们的学习兴趣，笔者在每学期开课之前按照惯例通过问卷调查形式倾听学生对本课程的反馈建议，然后进行归纳总结，结合课程培养目标，适时调整课堂教学内容和方式方法。例如相当一部分学生对生物感兴趣，将会考研进一步深造学习，这类学生对基本理论知识和考试做题的需求比较高，促使他们加深对相关原理的理解和灵活掌握以应对考试。因此笔者在教学中特别侧重将原理概念和形象典型的事例相结合予以直接展示和阐明，并通过布置一些科研小课题，引导学生在完成课题的过程中掌握所需的理论知识，不仅提高他们应对考试的技能，更重要的是培养锻炼他们的科研素质和能力，为他们顺利进入研究生阶段学习打下坚实的基础;对于意向将来从事生物医药类相关工作的学生，笔者则侧重给予他们亲自上机实际操作的机会，并引导学生通过网络资源和论坛(如科学网、小木虫、分子模拟等)等多元化资源渠道对软件实战操作中遇到的具体问题进行讨论交流与学习，尤其是对相关药物分子数据库、蛋白质结构数据库等的熟练掌握与分析应用，与此同时引导学生学会处理分析这些海量的数据，并要求熟练掌握常用绘图分析软件如Origin8.0、Sigmaplot12.0等软件的使用，提高他们对数据的分析判断的能力，有助于他们在日常工作中学会数据统计分析和绘图。通过这些教学手段的改革，灵活应用课堂内外的学习资源，让每个学生根据自身发展特点进行自主选择性学习，全面提高学生的综合素质，培养学生对理论知识的驾驭能力，拓宽他们未来的发展空间。

结语

计算机辅助制药分子设计技术的飞速发展为生物医药业的发展开辟了广阔的前景，极大地推动了新药研发的速度。因此，世界各国都把计算机辅助药物设计确定为未来科技发展的关键技术和新兴制药手段。随着生物技术的快速发展，有关研发新药物的信息层出不穷，各类的文献报道推动着本课程的发展，这也给该门课程的教学和研究提出了更高的要求，尤其是目前计算机硬件技术与软件更新在本课程领域的药物设计方法、分子模拟筛选、药物作用反应机理操作实践中发挥越来越大的作用，受到了广大科研工作者和生物技术专家的广泛关注。同时，网络技术的发展日新月异，使其逐步成为各种新药信息资源传递的重要载体。基于这种计算机技术和网络技术为计算机辅助药物设计提供了更加有力的研究手段，目前科研院所和相关制药企业已认识到计算机辅助药物设计技术的重要性，科研工作者和制药企业对此前景非常看好，计算机辅助药物设计将成为继信息产业之后又一个新的主导生物技术。近年来，从国家到地方各级政府不断加大力度支持生物医药科学研究与相关产业的发展，这对于生物工程专业的建设与发展是一个难得的机遇，同时也是一个新的挑战。本院根据科学研究动态和学科发展及社会人才需求，制定了一套具有自身特色的人才培养方针，借助科研平台的搭建，教学改革的推进以及社会发展需求的推动，使本校培养的生物工程专业的学生适应未来的科学研究工作和生物医药产业领域的需要，并都具有良好的技能素质。（本文作者：吴晓敏、薛书蕾、张海军、王光利 单位：淮北师范大学生命科学学院资源植物生物学安徽省重点实验室、淮北师范大学管理学院）