生物信息本科專業(yè)課程體系建設(shè)的調(diào)研與建設(shè)方案

劉 艷，王海蕓，唐凱臨，徐 越，喬可盈

（同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200092）

生物信息學(xué)是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的一門新興學(xué)科，是現(xiàn)代生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相互滲透而形成的交叉學(xué)科。生物信息的培養(yǎng)目標(biāo)是通過培養(yǎng)學(xué)生掌握綜合利用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及信息技術(shù)等學(xué)科的基本理論知識，以計(jì)算機(jī)為載體，收集海量生物數(shù)據(jù)和生命信息，對復(fù)雜的生命信息進(jìn)行收集、存儲、分析、解釋和整合數(shù)據(jù)的能力，進(jìn)一步鞏固理論知識，提高獨(dú)立思考和解決問題的能力，成為能在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域從事教學(xué)、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、管理等方面工作的復(fù)合型人才。生物信息學(xué)是現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)方法，社會對生物信息學(xué)專業(yè)人才的需求不斷擴(kuò)大，生物信息學(xué)的本科教育也受到了越來越多的關(guān)注和重視。

20 世紀(jì)末歐美等發(fā)達(dá)國家率先在本科、碩士、博士等專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)體系開設(shè)了生物信息學(xué)的教育，并不斷地研討合理的教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法和研究分析生物信息教育現(xiàn)狀。由于生物信息學(xué)是跨學(xué)科專業(yè)，生物信息學(xué)課程體系的設(shè)置，比如如何制定適宜的教育培養(yǎng)方案和制定合適的學(xué)習(xí)課程，值得深入研究和探討。

1 國內(nèi)生物信息本科專業(yè)課程建設(shè)的調(diào)研情況

1.1 數(shù)據(jù)來源

2021 年6 月22 日，高等教育評價(jià)專業(yè)機(jī)構(gòu)軟科發(fā)布了2021 年度“軟科中國大學(xué)專業(yè)排名”?！败浛浦袊髮W(xué)專業(yè)排名”依據(jù)其特有的專業(yè)競爭力評價(jià)框架，通過學(xué)?！獙W(xué)科—專業(yè)三個層次的評價(jià)匯總形成對專業(yè)的綜合評價(jià)。其排名依據(jù)學(xué)校辦學(xué)條件、學(xué)科支撐、專業(yè)生源、專業(yè)就業(yè)、專業(yè)條件5 個指標(biāo)類別，共19 項(xiàng)測量指標(biāo)。在2021年的生物信息學(xué)專業(yè)排名中，23 所高校脫穎而出，A+層次的高校為北京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)。我們根據(jù)排名調(diào)研了北京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華中科技大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)等本科生專業(yè)課程體系。北京大學(xué)的生物信息學(xué)專業(yè)包括生物信息和生物醫(yī)學(xué)信息與工程兩個方向，擁有一支包含長江特聘教授4 名、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者6 名、青年拔尖人才1 名等在內(nèi)的高層次師資隊(duì)伍。同濟(jì)大學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)成立于2003 年，于2009 年獲批教育部第四批高等學(xué)校特色專業(yè)，并于同年成立生物信息學(xué)系，2021 年被高等教育軟科大學(xué)專業(yè)排名榜評為A+專業(yè)；本專業(yè)所屬生命學(xué)科入選首批“國家生命科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)基地”，并入選國家基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃2.0 基地。同濟(jì)大學(xué)生物信息專業(yè)擁有973 首席科學(xué)家1 名，青年長江學(xué)者2 名，國家優(yōu)秀青年3 名，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才3 名等，以生物大數(shù)據(jù)解析與生物信息方法研究為專業(yè)特色。華中科技大學(xué)生命學(xué)院始建于1980 年，擁有2 個國家級重點(diǎn)學(xué)科，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科A+全國并列第一，生物醫(yī)學(xué)工程大類設(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程、生物信息學(xué)2 個專業(yè)。學(xué)院現(xiàn)有2 名院士，13 名國家級及各類教學(xué)名師，獲國家各類科技獎10 余項(xiàng)，師資力量雄厚。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、生物信息學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等4 個本科專業(yè)，生物信息學(xué)入選“雙一流”建設(shè)學(xué)科。哈爾濱醫(yī)科大學(xué)于2003 年開設(shè)本科五年制生物技術(shù)專業(yè)（生物信息學(xué)方向），2008 年正式更名為生物信息學(xué)專業(yè)，是國內(nèi)最早開設(shè)該專業(yè)方向的院校之一。學(xué)院設(shè)立了7 個教研室，分別是生物信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)、生物物理學(xué)、藥物基因組信息學(xué)、生物醫(yī)學(xué)軟件工程、系統(tǒng)生物學(xué)和生物數(shù)學(xué)。學(xué)院還設(shè)立了生物信息學(xué)開放實(shí)驗(yàn)中心和生物信息學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基地，其教學(xué)經(jīng)歷10 多年，學(xué)科門類齊全、研究方向和硬件設(shè)施完備。

1.2 專業(yè)課程的學(xué)科屬性

生物信息學(xué)作為交叉學(xué)科，很多高校的生物信息專業(yè)課程體系處于研究和探索階段。在實(shí)踐的教學(xué)過程中，一般采用整合其他學(xué)院比如數(shù)學(xué)學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院、物理學(xué)院和化學(xué)學(xué)院的師資進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)科教學(xué)。關(guān)于生物信息專業(yè)的歸屬首先要明確其范疇，不同高校把生物信息專業(yè)歸屬在不同的學(xué)院，比如計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院、數(shù)學(xué)工程學(xué)院和生命科學(xué)學(xué)院。根據(jù)我們調(diào)研的專業(yè)課教學(xué)來看（表1），在專業(yè)課教學(xué)中，其中生物學(xué)科的教學(xué)約50%，計(jì)算機(jī)學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科、物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科的教學(xué)每個學(xué)校的分配比例有所不同。

表1 學(xué)科分類占比

1.3 專業(yè)選修課的比例

專業(yè)選修課是課程體系建設(shè)中的重要組成部分，是“重基礎(chǔ)、寬口徑、重能力、高素質(zhì)”的途徑之一。教學(xué)目的是為了擴(kuò)展學(xué)生知識面，深化其專業(yè)理論體系，強(qiáng)化學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。在調(diào)查結(jié)果中，北京大學(xué)專業(yè)選修課的比例最高為65%，其次是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)45%，而其他三所大學(xué)的比例不高（表2）。

表2 選修課比重

1.4 專業(yè)實(shí)踐操作課比例

大數(shù)據(jù)時代生物信息領(lǐng)域的人才需要具備兩方面的素質(zhì)，一是概念理解, 主要是對概念和數(shù)學(xué)模型的理解和運(yùn)用；二是實(shí)踐操作, 主要是海量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理分析能力，對生物信息進(jìn)行收集、注釋和轉(zhuǎn)換的能力。所以，在課程體系的設(shè)置中尤其要注意實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。表3 中我們調(diào)研了五所大學(xué)獨(dú)立實(shí)踐課的比例，我們發(fā)現(xiàn)北京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華東科技大學(xué)的實(shí)踐操作課程比例均達(dá)到了20%以上。

表3 實(shí)踐課比重

2 生物信息本科專業(yè)課程建設(shè)方案

2.1 堅(jiān)持生物信息特色專業(yè)建設(shè)

生物信息專業(yè)是跨學(xué)科的交叉學(xué)科專業(yè)，是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)的交叉學(xué)科，課程體系注重學(xué)科傳統(tǒng)優(yōu)勢與特色，考慮交叉學(xué)科的特點(diǎn)與特色，考慮同地域、同學(xué)科領(lǐng)域、同名稱專業(yè)或相近專業(yè)的設(shè)置情況。在課程體系建設(shè)內(nèi)容上以突出以大數(shù)據(jù)為背景，反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和趨勢。教學(xué)內(nèi)容必須按照生物信息學(xué)科內(nèi)容的要求設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生以興趣為出發(fā)點(diǎn)主動學(xué)習(xí)。

2.2 建立雄厚的專業(yè)課程教師隊(duì)伍

師資隊(duì)伍建設(shè)是大學(xué)的固本強(qiáng)基工程，建設(shè)高水平的本科專業(yè)教育、提高人才培養(yǎng)能力、打造雙一流專業(yè)對高校教師提出了新的要求。建設(shè)優(yōu)秀的專業(yè)課程教師團(tuán)隊(duì)是高校教育的重要組成部分，以多人授課代替一人承包，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)教學(xué)的力量，是確保專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量的必要條件。

2.3 增加選修課自由度，設(shè)置個性化課程

生物信息本科專業(yè)課程建設(shè)體系需要滿足夯實(shí)知識基礎(chǔ)、增強(qiáng)訓(xùn)練技能、擴(kuò)寬專業(yè)口徑，同時秉持因材施教、發(fā)展個性教育，不增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的原則，利用生物信息交叉學(xué)科的特點(diǎn)，增加選修課自由度，設(shè)置個性化課程，拓寬學(xué)生的知識面。

2.4 構(gòu)建實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化

根據(jù)現(xiàn)狀，我們首先要確保實(shí)踐教學(xué)在本科人才培養(yǎng)中的重要地位，以實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課為主，增加理論課中上機(jī)學(xué)時，建立起理論聯(lián)系實(shí)際的多層次一體化的開放研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。此外，產(chǎn)學(xué)研一體化是一種學(xué)校、科研單位、企業(yè)三方合作的教學(xué)新模式，結(jié)合本?？衫玫膶?shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生走出課堂，將課堂上學(xué)到的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為科研，轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生活，讓學(xué)生理解并感受科技造福社會、造福人類。

3 總結(jié)

建立培養(yǎng)創(chuàng)新與實(shí)踐能力、全面可持續(xù)發(fā)展人才的生物信息專業(yè)課程體系非常重要也迫在眉睫，生物信息專業(yè)課程建設(shè)是一個不斷完善的過程，不但可以整合學(xué)生的專業(yè)理論知識結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)用理工科思維和技能解決復(fù)雜生命科學(xué)問題的綜合科研能力，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜生命體系問題的能力，更為有效實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)攻關(guān)和創(chuàng)新研究理論奠定人才基礎(chǔ)。