張曉艷

摘 要：生物信息學是一個高度交叉的跨學科領(lǐng)域，正日益成為一門強大的現(xiàn)代新型學科。隨著社會上對訓練有素的生物信息學專業(yè)學生需求量的快速增加，開設(shè)生物信息學本科專業(yè)的學校也日益增多。由于高度交叉學科的特殊性，對生物信息學本科課程的開發(fā)面臨諸多的挑戰(zhàn)。同濟大學是我國最早成立本科生物信息學專業(yè)的大學之一，本文對同濟大學的生物信息學專業(yè)本科課程十幾年的發(fā)展歷程進行了回顧和展望。

關(guān)鍵詞：生物信息學；本科教育；跨學科；課程

一、引言

生物信息學是將生命科學與計算機科學和信息技術(shù)進行高度融合形成的一門具有獨特優(yōu)勢的現(xiàn)代交叉學科。生物信息學運用開發(fā)和使用的先進信息學工具，把生物、醫(yī)學、行為和健康數(shù)據(jù)，經(jīng)過采集、存儲、整理、集成、分析和挖掘等一系列工作，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息及知識，從而發(fā)現(xiàn)生命科學新見解，創(chuàng)建一個全局的視角重新認知生命科學的原則，以此來解決生物醫(yī)學和臨床醫(yī)學方面的問題[1]。特別是隨著測序成本的大幅度降低，由此產(chǎn)生的大規(guī)?；蚪M數(shù)據(jù)，開啟了后基因組時代研究的新局面，從而給生命科學和相關(guān)領(lǐng)域帶來了天翻地覆的變化。通過生物信息學手段在分子生物學、個性化醫(yī)學和生物技術(shù)等領(lǐng)域獲得的海量信息，用于預(yù)防、診斷、治療遺傳性等疾病，設(shè)計新的藥物和疫苗，大大縮短了新藥開發(fā)周期[2]，可以說基于生物信息學研究的方法有可能徹底改變21世紀生命醫(yī)學領(lǐng)域的研究

模式。

隨著各類市場和學術(shù)研究單位對生物信息學專業(yè)人才的需求不斷增長[3]，對該專業(yè)的本科與研究生的培養(yǎng)迫在眉睫。本科院校普遍認識到建立此類課程的重要性，各大專院校開設(shè)生物信息學專業(yè)的意愿日益增強。

二、國內(nèi)外高校專業(yè)與課程對比分析

通過對國外十所開設(shè)生物信息學或計算生物學專業(yè)的高校的學位課程和培養(yǎng)模式進行調(diào)研，對主要的課程模塊及課程設(shè)置以及國內(nèi)外高校生物信息學專業(yè)的培養(yǎng)模式進行了詳細的分析。在基礎(chǔ)課程的設(shè)置上，這些院校主要包含生物學、化學基礎(chǔ)、數(shù)學及統(tǒng)計概率、計算機科學、算法及編程這幾個方面的課程，少數(shù)高校還設(shè)置了豐富的物理課程；在學分分配上，生物學、化學、數(shù)學和計算機科學幾個分類項的比例比較均衡（大致13～20學分）；在生物信息學專業(yè)課程的開設(shè)方面，各校側(cè)重點各有不同，特色比較鮮明，兼顧學科和教師

特點。

國外高?；瘜W、數(shù)學基礎(chǔ)課程設(shè)置比例總體高于國內(nèi)高校，說明國外高校的培養(yǎng)體系對于學科的基礎(chǔ)知識還是相當重視的。生物信息學應(yīng)用方面開設(shè)很多課程，側(cè)重點各有不同，除了基礎(chǔ)課程外，國外大學在進階課程的設(shè)置上更加靈活，除了生物信息、算法、編程、數(shù)據(jù)庫等相關(guān)的生物信息技術(shù)，會設(shè)置一系列的選修課程供學生自由選擇；培養(yǎng)模式除了講授課程以外，還提供更多的項目實踐，一些課程通過完成完整的課題考察學生的學習情況，值得國內(nèi)高校借鑒；本科生在前兩年需要學習大量基礎(chǔ)課程，之后才會接觸到生物信息學理論、技術(shù)前沿、生物信息學應(yīng)用的課程。

從目前國內(nèi)外高校的現(xiàn)狀來看，生物信息學納入現(xiàn)有本科專業(yè)課程存在三種情況。

第一種是將生物信息學的觀念“注入”到現(xiàn)有課程。例如，幾乎所有生命科學專業(yè)的遺傳學、分子生物學和生物化學課程主要討論基因圖譜、突變、基因表達、遺傳疾病、生化途徑以及核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，生物信息學方法和數(shù)據(jù)庫與這些概念密切相關(guān)，可以很容易地集成到這些課程中，可見生物信息學已成為現(xiàn)代生命科學的重要組成部分[4-6]。

第二種是將生物信息學作為跨學科之間的“銜接課程”。例如，一個分子序列的比較或者一個蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)可以連接到一個計算機程序設(shè)計課程，作為計算機程序在生物學應(yīng)用中的一個切入點。這個做法的出發(fā)點是生物學問題，但解決方案是計算機程序，這就完成了跨學科知識的整合。也可以作為大學生的創(chuàng)新項目，鼓勵學生組建生物和計算機科學的團隊，實現(xiàn)跨學院之間合作。

第三種是創(chuàng)建一套完整的生物信息學專業(yè)課程體系，打破原有學科的設(shè)置，精心設(shè)計新的核心課程，培養(yǎng)學生運用綜合知識和技能來解決實際的生物學問題。

這幾種模式在學科發(fā)展的不同階段，結(jié)合各個學院不同情況，可以同時并存，目的是解決學術(shù)和市場的人才需求問題。

三、生物信息學專業(yè)本科課程的體系設(shè)置——以同濟大學為例

同濟大學一直非常注重跨學科人才的培養(yǎng)和教育，除了在科研上對跨學科之間的研究有專項支持，在本科生的創(chuàng)新實踐培養(yǎng)方面也有相應(yīng)措施進行鼓勵?？鐚W科之間的交流非常頻繁。

作為國內(nèi)最早開設(shè)生物信息學專業(yè)的本科院校，同濟大學的生物信息學本科教育旨在打造以生命科學、數(shù)學和計算機科學為根基的跨學科專業(yè)。在課程設(shè)置上，第一年學生以公共基礎(chǔ)課為主，課程包括生物學基礎(chǔ)課、基礎(chǔ)化學和有機化學、物理、高等數(shù)學和計算機編程，大部分科目都配備相應(yīng)的實驗與實踐。目的是把理論課程的學習內(nèi)容，迅速應(yīng)用到實際問題的解決上，以提高學生解決問題和數(shù)據(jù)分析的能力。

第二年開始，學生進入以專業(yè)基礎(chǔ)課為主的學習過程中，課程涵蓋三大核心內(nèi)容，生物類（生物化學、分子生物學、細胞生物學、遺傳學和生理學）、數(shù)學（概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值方法與計算機算法、線性代數(shù)）、計算機科學和生物信息學基礎(chǔ)（生物信息學、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識、現(xiàn)代生物計算環(huán)境），另外還配備大量的選修課程（計算機輔助醫(yī)學、系統(tǒng)生物學、分子進化、表觀遺傳學、干細胞生物學、發(fā)育生物學、神經(jīng)生物學、藥學基礎(chǔ)），鼓勵學生根據(jù)興趣和將來的工作需求選擇相應(yīng)的課程。時間上也比較靈活，從第二年到第四年根據(jù)自己的時間安排提供開放選擇。

第三年主要以專業(yè)課程為主，主要開始學習計算基因組學、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、生物信息學算法與實踐、機器學習理論與方法等課程。內(nèi)容涵蓋最新課題、涉及主要研究項目的設(shè)計、計算機工具和數(shù)據(jù)庫方面的理論和實踐內(nèi)容。大三年主要訓練學生將化學、數(shù)學、計算機科學和生命科學等不同學科的知識和技能整合起來，使學生意識到生物信息學科發(fā)展的必然性，進一步學習如何運用生物信息學的理論和工具來解決關(guān)鍵的生物學問題，并嘗試應(yīng)用所學到的理論和技能來尋求解決方案，管理和分析各種生物數(shù)據(jù)和大型高通量數(shù)據(jù)集。

大學的第四年，學生在導師的帶領(lǐng)下，完成以創(chuàng)新研究為導向的本科畢業(yè)論文。學生將使用生物信息學的計算方法，開發(fā)新的程序或數(shù)據(jù)庫，然后對大量的數(shù)據(jù)進行分析研究，最終形成一個相對獨立的成果。除了選擇在本學院開展創(chuàng)新研究以外，學生還獲得跨學院和跨學校的研究機會，應(yīng)用跨學科的知識有效解決實際問題。生物信息學教師鼓勵本科生參與導師的研究項目，體驗跨學科之間的協(xié)助研究，掌握最新的技術(shù)來適應(yīng)就業(yè)和后續(xù)的研究生教育。

同濟大學具有良好的跨學科研究氛圍，幾乎每個導師都有大量跨學科的研究項目。通常情況下，生物信息學本科生從大二學年開始直到畢業(yè)都有機會參與導師的研究項目，也有大量的機會參加校內(nèi)外組織的國際國內(nèi)的會議。近年來，生物信息學教師和學生以共同作者的名義發(fā)表了許多研究性文章。除了在校園里的研究機會，學校同樣鼓勵學生們到校外的實習基地開展研究工作，這些學生同樣得到校外實習基地的廣泛歡迎，這些經(jīng)歷對他們后期的研究和工作生涯有很大的幫助。

經(jīng)過培養(yǎng)的同濟大學生物信息學本科畢業(yè)生，已經(jīng)能夠?qū)⒅R廣度和深度與研究經(jīng)歷相結(jié)合，學生發(fā)展的空間也得到了很好的提升，可以進一步追求更大的發(fā)展。眾多知名大學非常樂意接收同濟大學生物信息學本科畢業(yè)生來攻碩士或博士學位；也可以根據(jù)自己的興趣在醫(yī)藥、生物產(chǎn)業(yè)或互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展自己的職業(yè)生涯。

同濟大學生物信息學課程在生命科學和計算機編程培訓方面力求均衡，同時也給予發(fā)展各自興趣特長的空間。比如有些學生對分子生物學更感興趣，他們傾向于選修更多與興趣有關(guān)生物類選修課程；可能另一些學生更喜歡計算機編程，在成為訓練有素的計算機科學學生的同時，這些學生所具有的優(yōu)勢是能夠與從事“濕實驗”的科學家密切合作，能夠更好地理解實驗工作者的需求，更加順利地合作完成相關(guān)的研究項目。在過去的10余年的時間里，同濟大學生物信息學專業(yè)課程的設(shè)置為每個畢業(yè)生建立一個平衡的技能，也給予他們可以在任何一個方向得以繼續(xù)發(fā)展所要求的知識背景。

本科生如何在有限的時間內(nèi)完成跨學科的知識儲備，這是一個很大的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計一套完善的整合性跨學科課程，為學生今后的職業(yè)和科研做好充足的準備。同濟大學作為首批可以授予生物信息學本科學士學位的院校，通過這些年的發(fā)展歷程，已經(jīng)創(chuàng)建了一整套生物信息學本科課程體系，通過注入生物信息學概念，將其融入現(xiàn)有課程，同時也發(fā)展了一批特色核心課程，幫助生物信息學專業(yè)的學生更好發(fā)展。但是生物信息學專業(yè)課程仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，與其他傳統(tǒng)的學科相比，生物信息學是一門年輕的科學，伴隨著生物信息學理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，使得這門學科的外延和內(nèi)涵也在不斷地發(fā)生著變化，所以本科課程的設(shè)置和內(nèi)容都必須及時進行動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不斷發(fā)展的新技術(shù)新概念的需求，為畢業(yè)生做好今后科研和就業(yè)的準備。

參考文獻：

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[項目資助：國家自然科學基金（81573023），

同濟大學教學改革項目（2000104061）]

[責任編輯：余大品]