魏煒 許小娟 趙云

摘? ? 要：針對現(xiàn)代生命科學實驗數(shù)據(jù)海量化、復雜化的發(fā)展趨勢，四川大學率先在國內(nèi)開展了計算生物學交叉專業(yè)的建設，培養(yǎng)能夠解析、研究并處理超復雜性生命數(shù)據(jù)的交叉復合型人才。文章探討了四川大學計算生物學交叉專業(yè)建設的一系列舉措，以期為其他交叉專業(yè)建設提供可借鑒的經(jīng)驗。

關鍵詞：計算生物學;交叉;專業(yè)建設;探索實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文章標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）01-0042-03

一、引言

生命科學已發(fā)展到后基因組時代，從分子生物學到進化生物學、從微生物學到林學、從醫(yī)學到全球氣候變化生物學，面對如此海量的“組學”數(shù)據(jù)集，利用計算生物學的研究手段來解析生命就顯得尤為重要。計算生物學是一門以生命科學中的現(xiàn)象和規(guī)律作為研究對象，以數(shù)學和計算機作為解決問題的主要工具和手段，以解決生物學問題為最終目標的典型交叉學科。

計算生物學在國際上受到高度重視，美國和歐洲一直走在該研究領域的前列，成立了多家計算生物學中心以及計算生物學研究機構。1997年，國際計算生物學學會ISCB在美國成立，如今發(fā)展成為一個擁有來自70多個國家2 500多名會員的龐大組織。我國計算生物學起步較晚，與其他國家相比，在研究機構的數(shù)量和規(guī)模、研究人員的組成與培養(yǎng)等方面存在一定差距。特別是現(xiàn)階段我國高校還未設立計算生物學本科專業(yè)，在面對當今社會對生命科學領域大數(shù)據(jù)處理分析的專業(yè)人才需求時，這一矛盾尤為突出。

在這樣一個時代背景下，筆者所在的四川大學生命科學學院與軟件學院在2014年率先提出要充分利用四川大學多學科交叉融合的優(yōu)勢，瞄準大數(shù)據(jù)時代生命科學領域的教育資源缺口，建設一個國家亟需、前景廣闊的新興交叉專業(yè)——計算生物學，以專門培養(yǎng)在計算機科學、數(shù)學和統(tǒng)計學、生物學方面具有扎實基礎，能夠從生物學的需要和特點出發(fā)，進行海量數(shù)據(jù)分析處理的復合型人才。經(jīng)過7年的不懈努力，該專業(yè)日趨成熟，已經(jīng)呈現(xiàn)出良好的人才培養(yǎng)成效。

二、計算生物學交叉專業(yè)建設舉措

（一）構建計算生物學交叉專業(yè)人才培養(yǎng)體系

在交叉專業(yè)的建設過程中，專業(yè)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)體系應避免兩個專業(yè)的簡單疊加。作為理工交叉培養(yǎng)的計算生物學專業(yè)學生，不僅要系統(tǒng)掌握數(shù)理統(tǒng)計、計算機和生命科學的基本知識，更重要的是具有挖掘、處理、解析超復雜性大數(shù)據(jù)的能力。針對該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，我們構建了全新的人才培養(yǎng)體系。

計算生物學人才培養(yǎng)體系除了包括公共基礎課和通識模塊課以外，主要由學科基礎課、專業(yè)核心課和專業(yè)選修課三個版塊組成。在學科基礎課版塊中不僅開設有“微積分”“概率統(tǒng)計”“線性代數(shù)”等數(shù)學基礎課，還開設有“程序設計基礎”“計算機系統(tǒng)導論”“普通生物學”等課程，意在夯實學生的數(shù)學、計算機及生物學基礎。專業(yè)核心課則由“離散數(shù)學”“統(tǒng)計模型與模擬”“隨機過程”“數(shù)據(jù)結構與算法”“大數(shù)據(jù)技術原理與應用”“數(shù)據(jù)挖掘技術”“生物化學與分子生物學”“遺傳學”等課程組成。為滿足學生個性化發(fā)展的需求，專業(yè)選修課版塊設立了兩個備選方向，方向一主要是針對基因組和轉錄組等微觀生物學海量數(shù)據(jù)的挖掘、處理與分析，方向二則偏重于生態(tài)學等宏觀生物學方向的信息挖掘與分析。

計算生物學專業(yè)培養(yǎng)的是理工交叉的應用型人才，要求畢業(yè)生要具有大數(shù)據(jù)分析處理方面的實踐能力、創(chuàng)業(yè)能力和創(chuàng)新精神，因此我們有意識地加大了實踐教學環(huán)節(jié)的學分，使得實踐環(huán)節(jié)總學分達到畢業(yè)總學分的32%。

（二）建設計算生物學交叉專業(yè)全新課程資源

為達到計算生物學的人才培養(yǎng)目標，更為重要的是建設與完善優(yōu)質(zhì)教學資源。對生命學院、軟件學院有關大數(shù)據(jù)處理的核心課程進行重組和整合，在軟件學院的“操作系統(tǒng)”“編程”“服務器建設和維護”等課程基礎上，重點發(fā)展和提升適合生物學大數(shù)據(jù)處理的各類編程技術、操作系統(tǒng)、服務器建設維護等課程。對于生命學院相關課程，如“生態(tài)學”“基因組學”“蛋白質(zhì)結構預測”“全球變化生態(tài)學”等課程，重新精選教學內(nèi)容，突出對生命學基本原理的講授。

實踐教學環(huán)節(jié)的課程也是我們重點建設的課程之一。我們不僅建設了“操作系統(tǒng)和系統(tǒng)編程”“生物信息學原理和操作”“軟件開發(fā)環(huán)境與工具”“數(shù)學建模與實驗”等側重于基礎的實踐課程，奠定學生扎實的實踐基礎和基本的科學素養(yǎng)。并且開設了“程序設計實踐-1”“程序設計實踐-2”等進階式實驗課程，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。我們與生物技術公司、軟件公司等高新企業(yè)合作，開設了IT企業(yè)實訓，保證學生在學—研—產(chǎn)結構鏈上的鍛煉。

此外，鼓勵教師積極建設精品資源共享課和公開視頻課，充分利用國內(nèi)外的教學資源，加強協(xié)同開發(fā)，促進開放共享，形成與計算生物學專業(yè)人才培養(yǎng)目標、人才培養(yǎng)方案和人才培養(yǎng)模式相適應的優(yōu)質(zhì)教學資源。

（三）搭建計算生物學交叉專業(yè)實踐教學平臺

充分利用“國家級生物學實驗教學示范中心”“信息數(shù)學技術四川省重點實驗室”等軟硬件條件建立基礎實踐課程教學平臺。重點建設了全新的“大數(shù)據(jù)分析學習實踐平臺”，為學生的綜合實踐訓練提供校內(nèi)實踐平臺。讓學生參與“大數(shù)據(jù)平臺”的日常維護工作，為將來工作奠定實踐基礎。

進一步加強與國內(nèi)知名高新生物技術企業(yè)、生態(tài)資源站以及軟件公司的合作，利用企業(yè)所提供的實訓場所，建立起穩(wěn)定的實訓基地，為學生提供多樣化的實習實訓內(nèi)容。我們先后與中國生物技術集團成都生物制品研究所、華大基因研究院、上海應用物理所、中軟國際集團、衛(wèi)士通信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司、四川華迪信息技術有限公司等建立聯(lián)合實習實訓基地。聘請企業(yè)中優(yōu)秀的管理、技術開發(fā)、營銷等專業(yè)人員作為兼職教師，建立起實踐應用型人才培養(yǎng)教學團隊，結合企業(yè)案例，向?qū)W生講授大數(shù)據(jù)應用等技能需求和特點，進行研發(fā)訓練、企業(yè)實訓等，實現(xiàn)多學科交叉知識的學習和延伸，培養(yǎng)滿足社會需求的計算生物學交叉復合型人才。

（四）組建一流跨學科教學科研團隊

計算生物學是依托生命學院和軟件學院成立的一個交叉專業(yè)，在實際運行過程中需要兩個學院的多方協(xié)調(diào)與長期磨合。因此從課程團隊入手，以各類核心課程為中心分別組建了10個教學團隊。教學團隊打破了學院之間的界限，每個團隊的成員不僅有生命學院和軟件學院的教師，有些還有來自企業(yè)的“雙師”型教師。教學團隊實行首席教師負責制，負責團隊的建設、相關課程的建設以及定期組織開展各類教學研討與經(jīng)驗交流活動。

通過持續(xù)的教研活動，對計算生物學的課程體系、教學內(nèi)容、教學模式不斷進行改進與完善，促進了生命學院和軟件學院教師之間的科研合作，兩個學院教師聯(lián)合申報各類研究課題數(shù)量逐年增加，為計算生物學交叉專業(yè)學生的科研訓練、大學生創(chuàng)新訓練項目的申報以及畢業(yè)設計的完成奠定了良好的基礎。

此外，因為本專業(yè)與高新生物技術企業(yè)合作密切，所以我們十分重視“雙師型”教師的引進與培養(yǎng)。我們堅持選擇具有較高專業(yè)理論水平以及較強的教學、科研能力，同時具備組織生產(chǎn)經(jīng)營和科技推廣能力的企業(yè)家和創(chuàng)業(yè)者作為“雙師型”教師充實到教學團隊里，為學生開設實踐環(huán)節(jié)教學課和創(chuàng)業(yè)實踐課，加強學生應用實踐能力的訓練，保證學生在學—研—產(chǎn)結構鏈上的鍛煉。

（五）創(chuàng)新計算生物學交叉專業(yè)人才培養(yǎng)模式

對于計算生物學交叉專業(yè)學生的培養(yǎng)，需要重視其科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，因此采取校內(nèi)學科之間的交叉培養(yǎng)，在加強生命科學、數(shù)學、計算機軟件等核心基礎知識的教育基礎之上，重點進行“生物大數(shù)據(jù)”挖掘、分析、處理等核心專業(yè)課程的學習。同時注重實踐實訓，開展學校與企業(yè)之間、生物大數(shù)據(jù)技術產(chǎn)業(yè)上游與下游間的結合，力求提升學生解決實際問題的能力。

強調(diào)以學生為中心的教學模式，突出學生在課堂上的主體地位。堅持啟發(fā)式、自由討論式、自主研究式和共同參與式的教學方法， 使學生在教師的引導下主動參與教學過程，在充分交流中激發(fā)探索興趣，建構知識，發(fā)展思維，了解學科前沿問題和本質(zhì)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。

全面實行導師制及助教制。每一級計算生物學交叉專業(yè)試驗班均配備一位班主任，負責班級的建設、日常班級活動的開展。每位計算生物學交叉專業(yè)學生配備有專業(yè)指導教師，指導教師與學生之間實行雙向選擇制度，指導教師不僅在學生課程選修、專業(yè)方向確定以及人生規(guī)劃方面提供參考意見，而且重點負責學生的科研訓練、指導大學生創(chuàng)新實驗訓練項目的開展等。

改革考試制度，建立綜合考評體系。綜合考評體系的特點是注重過程考核，減少期末考試在最終總成績中所占比例，占比原則上不高于40%，避免期末考試一考定成績。教師通過日?？记?、課堂研討、課后作業(yè)、隨堂測驗、學期小論文等多種形式加強平時考核，及時反饋學生學習狀況，幫助學生及時調(diào)整學習狀態(tài)。督促學生重視日常學習，避免學生考前突擊，更加全面、客觀地考評學生的課程學習成效。

學院倡導在課程考核過程中將標準與非標準考核相結合、靈活考查與基礎考核相結合、動態(tài)與靜態(tài)考核相結合、個人與團隊考核相結合。積極探索開放式考核標準，側重考察學生對課程基本概念、基本原理和研究方法的理解，過渡到對學生批判性思維能力、表達能力、學習能力、探索精神、合作精神的考核。試題以啟發(fā)學生思維的開放式、創(chuàng)作型題目為主。

對實驗實踐課程進行模塊化設計，構建多層次、多角度、分階段適宜學生的個性化課程體系。實驗實踐類課程的考核也一改以往僅僅以實驗報告作為主要評分標準的模式，而是強調(diào)過程與結果并重。每門實驗課程均要求學生完成相應的實驗（預習）設計報告、實驗報告及總結分析等，再結合學生的實驗操作等構成其實驗成績。新的評價機制激發(fā)了學生的實驗興趣，提高了其分析解決問題和實踐動手能力，培養(yǎng)了學生的科學思維和創(chuàng)新意識。

（六）深化教學管理體制改革

遵循高等教育發(fā)展和人才成長基本規(guī)律，積極探索交叉專業(yè)學生的管理模式。建立健全嚴格的教學管理制度，積極落實“全面發(fā)展”的人才培養(yǎng)理念、“全員育人”的人才培養(yǎng)機制、“全方位服務”的育人管理體系，形成有利于學生全面發(fā)展和個性發(fā)展相輔相成的管理制度和評價辦法，形成科學合理的本科教學質(zhì)量跟蹤評價體系。

為滿足學生個性化發(fā)展的需求，在實踐教學環(huán)節(jié)增加學生選課的靈活度與自由度，探索實踐教學環(huán)節(jié)學分替代辦法。鼓勵學生積極參與到科研導師的課題組開展研究性學習，學生參與各類科研訓練項目獲得的階段性成果、申請的專利以及省級學科競賽獎項等替代專業(yè)綜合實踐課程的學分。

開展畢業(yè)設計多樣化改革，改變傳統(tǒng)畢業(yè)設計的寫作與評審模式，建立以創(chuàng)新思維和動手能力為主要考核指標的畢業(yè)設計認定評價體系。擬定了《四川大學生命科學學院本科高質(zhì)量多樣化畢業(yè)設計改革工作管理辦法》，將實習、實踐、科技創(chuàng)新活動中取得的研究成果、科研訓練成果、發(fā)明專利以及大數(shù)據(jù)分析平臺的建立、大數(shù)據(jù)利用案例等均納入畢業(yè)論文的考核范圍。同時，對學生申請多樣化畢業(yè)設計的認定工作進行更為靈活且詳細的規(guī)定。

在計算生命學交叉人才培養(yǎng)過程中，涉及到不同學院、不同部門，甚至是校外師資的管理。對于校內(nèi)不同學院的教師，由其歸屬學院對其工作業(yè)績進行考核認定。對于校外聘請導師，則利用試點學院和交叉專業(yè)建設專項經(jīng)費予以支持。

三、專業(yè)建設成效

四川大學計算生物學交叉專業(yè)的創(chuàng)建在國內(nèi)屬于首例，依托生命學院和軟件學院的優(yōu)質(zhì)教學與科研資源以及與校外多家高新生物技術企業(yè)的合作，以培養(yǎng)專長解析超復雜性生命科學數(shù)據(jù)，并能從事復雜數(shù)據(jù)計算、處理和研究的復合型高素質(zhì)人才為目標，經(jīng)過探索與實踐，形成了集教學、實踐、產(chǎn)業(yè)化功能于一體的人才培養(yǎng)體系，建設了一批與人才培養(yǎng)目標相適應的優(yōu)質(zhì)教學資源，實現(xiàn)了生物、計算機之間的跨學科聯(lián)合辦學，人才培養(yǎng)成效比較顯著，同時也為其他交叉專業(yè)的建設提供了可借鑒的經(jīng)驗。

計算生物學交叉試驗班學生普遍表現(xiàn)出很強的創(chuàng)新意識和實踐動手意識，本科生在校期間發(fā)表SCI論文11篇，其中以第一作者身份發(fā)表6篇，燕蕊同學作為共同第一作者的研究論文發(fā)表在Nature主刊上。本專業(yè)學生積極參加各類學科競賽并取得了比較豐碩的成果，近三年累計獲得省級以上各類獎項23項。

目前，計算生物學交叉試驗班已有三屆畢業(yè)生，共計68人全部畢業(yè)并順利取得雙學位，繼續(xù)深造比例為91.2%。由于培養(yǎng)特色鮮明，畢業(yè)生受到國內(nèi)頂級高校及研究所的青睞，絕大多數(shù)保送至清華大學、上海交通大學、中國科學院等與大數(shù)據(jù)研究應用相關的生物信息、計算生物學、網(wǎng)絡安全等專業(yè)繼續(xù)深造。部分學生成功申請出國繼續(xù)深造，分別前往哥倫比亞大學、紐約大學、新加坡國立大學等世界名校。

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[責任編輯? 巴登其其克]

收稿日期：2021-05-07

作者簡介：魏煒（1969—），女，江蘇南京人，四川大學生命科學學院副教授，博士，主要從事生物化學與分子生物學研究。

基金項目：中國高等教育學會理科教育專業(yè)委員會高等理科教育研究課題“計算生物學交叉專業(yè)建設研究與實踐”（18-1007）;四川省2018-2020年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學改革項目“計算生物學交叉專業(yè)建設研究與實踐”（JG2018-61）;四川大學新世紀教育教學改革工程（第八期）研究項目“計算生物學交叉專業(yè)建設研究與實踐”（SCU8032）