王貝貝

［摘 要］iGEM作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的國際頂尖賽事，可以并已經(jīng)成為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的有效載體。本文介紹了電子科技大學(xué)iGEM軟件隊（UESTC?Software）在具體實踐過程中對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索和體會。首先是項目選題以學(xué)生為主，選擇“寬而淺”的課題以調(diào)動學(xué)生的積極主動性；其次是在項目的開展過程中，從學(xué)術(shù)態(tài)度和學(xué)術(shù)規(guī)范、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、團(tuán)隊合作的精神和交流的能力、科學(xué)思維、閱讀和寫作能力等具體方面挖掘和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

［關(guān)鍵詞］合成生物學(xué)；iGEM軟件組；本科教育；交叉學(xué)科；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

［中圖分類號］ G640 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）03-0130-03

合成生物學(xué)是21世紀(jì)崛起的新興交叉學(xué)科[1-2]，其將工程學(xué)原理和方法引入對生物體系的改造和構(gòu)建中，綜合運(yùn)用生物學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī)等各學(xué)科知識。國際基因工程機(jī)器大賽iGEM（International Genetically Engineered Machine Competition）[3]是合成生物學(xué)的頂尖賽事，設(shè)立了診斷 （Diagnostics）、能源（Energy）、環(huán)境（Environment）、食品和營養(yǎng) （Food & Nutrition）、信息處理（Information Processing）、基礎(chǔ)設(shè)施（Foundational Advance）、醫(yī)療（Therapeutics）等基本項目組，以及兩個特殊的項目組：軟件組（Software Track）和開放組（Open Track）。國內(nèi)很多高校都已經(jīng)將iGEM作為培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的重要平臺[4-5]，電子科技大學(xué)也不例外。

電子科技大學(xué)自2012年參加iGEM大賽以來，均以兩支隊伍（軟件隊和實驗隊）的形式參賽，共獲得13塊金牌、4次單項獎和5次單項獎提名。其中電子科技大學(xué)iGEM軟件隊（UESTC?Software）參加過6次競賽，成績優(yōu)異，獲得了2次全球軟件項目組最佳（Best Software Project）、2次提名軟件項目組最佳，以及1次提名產(chǎn)品設(shè)計組最佳（Best Product Design）。筆者在2018—2020年擔(dān)任UESTC?Software的主教練，對以iGEM為平臺培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行探索和嘗試，以期為交叉學(xué)科創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提供一點(diǎn)幫助。

一、iGEM軟件組簡介

iGEM軟件組（https：//igem.org/Software）在iGEM眾多的分組中比較特殊，于2008年引入，其宗旨是通過建立開源軟件工具的存儲庫、社區(qū)驅(qū)動的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、專門為合成生物學(xué)構(gòu)建的特定軟件框架或者標(biāo)準(zhǔn)生物部件注冊表中的部分信息等，幫助合成生物學(xué)更有效更經(jīng)濟(jì)地設(shè)計新的功能組件。經(jīng)常參加該組項目的學(xué)校包括密歇根大學(xué)、帝國理工學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、電子科技大學(xué)等知名國內(nèi)外高校。而在2020年全球新冠疫情的特殊環(huán)境下，更多的參賽隊伍選擇了軟件組，極大地豐富了運(yùn)用計算機(jī)來解決和探索合成生物學(xué)問題的思路和嘗試。

二、iGEM軟件組項目選題的思考

iGEM軟件組的要求是參賽項目要對合成生物學(xué)或者iGEM社區(qū)真正有用。

選題內(nèi)容方面，自2003年iGEM創(chuàng)建以來，iGEM軟件組的項目大致可以分為四類：輔助設(shè)計、資料共享、合作交流和數(shù)據(jù)分析，我們曾在綜述中詳細(xì)介紹和總結(jié)了各類項目的特色和案例[6]。當(dāng)然，我們不能被以往的項目所局限，可以從不同層次（分子、網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞等層次）設(shè)計相關(guān)軟件，以服務(wù)于合成生物學(xué)[7]。比如在2020年的比賽中，電子科技大學(xué)iGEM軟件隊就創(chuàng)新性地根據(jù)結(jié)構(gòu)域的表面形狀對已有數(shù)據(jù)庫中超過13萬條的結(jié)構(gòu)域信息進(jìn)行分類，旨在構(gòu)建一套以結(jié)構(gòu)域為單位的標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)磚（https：//2020.igem.org/Team：UESTC?Software）。

選題范圍方面，以電子科技大學(xué)iGEM軟件隊為例，主要遵循兩個原則：（1）在深度上宜淺。根據(jù)學(xué)校的培養(yǎng)方案的安排，隊伍中的隊員基本都是大學(xué)二年級的學(xué)生，很多專業(yè)課都還沒有學(xué)過，而且隊員也來自于不同的專業(yè)，所以不宜選擇過于深的課題，最好選擇隊員“跳一跳就可以夠得到”的課題，否則隊員們需要花費(fèi)大量的精力和時間學(xué)習(xí)相關(guān)知識，而且也會在一定程度上削弱學(xué)生的積極性。（2）在廣度上宜寬。iGEM的項目涉及與之相關(guān)的教育、科普和人類實踐等活動，如果涉及范圍過窄，項目相關(guān)的人群就會比較小，這些活動也將很難展開。另外，廣度較寬的項目可以盡量多地應(yīng)用隊員們已經(jīng)學(xué)過的知識，這能增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的主動性?？傊?，相對于研究生的科研課題，寬而淺的課題更適宜本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

具體操作方面，首先以iGEM校賽為載體，讓學(xué)生們自由組隊、自由選題，重點(diǎn)要求有想法，對項目的完成度不做明確要求。如果在iGEM校賽中有比較適合的項目就會將其選為UESTC?Software的參賽項目。但是軟件組項目多學(xué)科交叉的特性以及校賽準(zhǔn)備的時限，使得本科生很難有足夠的知識儲備以提出合適的項目，因此大部分情況是，在完成隊員的選拔之后，教練和所有隊員一起進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，先選出2～3個項目，隊員們分組利用兩周時間進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容包括項目的背景、內(nèi)容、所需技術(shù)等。之后，師生再通過集體討論，從中選出參賽項目。為了從各個角度審視項目選題的意義和實施方案，軟件組還會邀請校內(nèi)外相關(guān)專家參與開題、中期和結(jié)題的相關(guān)討論。

三、iGEM軟件組隊員的選擇

iGEM的比賽內(nèi)容主要包括四部分：項目主體、數(shù)據(jù)建模、人類實踐（Human Practices）以及美工和Wiki網(wǎng)頁。加上軟件組的特殊性質(zhì)，UESTC?Software每年由12～15名隊員組成。經(jīng)多年的摸索，我們認(rèn)為合理的成員分配為：6～8名隊員負(fù)責(zé)項目主體和數(shù)據(jù)建模，根據(jù)每年初步選題需要的技術(shù)而選定；2～3名隊員負(fù)責(zé)美工和Wiki網(wǎng)頁，根據(jù)申請學(xué)生提供的獨(dú)創(chuàng)作品而定；選定1～2名英文較好的隊員；2～3名隊員負(fù)責(zé)人類實踐和組織工作。UESTC?Software 6次參賽的實踐經(jīng)驗和成果證實了這種成員搭配的有效性。我們這支多學(xué)科交叉的隊伍由生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、信息與軟件工程學(xué)院、格拉斯哥學(xué)院、光電科學(xué)與工程學(xué)院以及外語學(xué)院等的本科生組成。

四、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

根據(jù)iGEM的賽制要求，參賽項目要對社會有意義，并易于推廣，也就是要有完整的項目相關(guān)工作，一般包括科普、教育、HP、網(wǎng)頁撰寫等。因而，iGEM的備賽過程和參賽過程，相對其他一些學(xué)科競賽來說，對學(xué)生能力的培養(yǎng)是全過程、全方位的。UESTC?Software 在多年的實踐中主要從以下幾個方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（一）學(xué)術(shù)態(tài)度和學(xué)術(shù)規(guī)范

這一點(diǎn)是重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。本科生還沒有經(jīng)過系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，平時為了完成課程作業(yè)，往往會在網(wǎng)絡(luò)上查資料，然后不加整理地將其作為作業(yè)提交給教師。在整個iGEM的備賽過程，教練和輔導(dǎo)教師會一再強(qiáng)調(diào)杜絕任何形式的抄襲。

引導(dǎo)學(xué)生要實事求是，不急功近利。本科生受過的訓(xùn)練都是對已知結(jié)果實驗的驗證，得到的結(jié)果往往都是“完美的”。而科研本是對未知世界的探索，沒有預(yù)定實驗方案，沒有預(yù)定結(jié)果，需要不停地探索和試錯。在不斷重復(fù)的過程中，教練就要不斷告訴學(xué)生這就是真實的科研過程，得到的結(jié)果是怎樣就是怎樣，要有耐心不停地做嘗試。如果實驗結(jié)果不夠理想，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析原因后調(diào)整方案，繼續(xù)嘗試；如果把所有想到的方案都試過之后也沒有理想的結(jié)果，那就應(yīng)如實報道。

（二）發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力

學(xué)生主導(dǎo)。整個備賽過程包括選題、可行性分析、實驗方案設(shè)計和實施、不同方法之間的比較和選擇、Wiki撰寫、人類實踐和科普活動的設(shè)計等都由隊員們主導(dǎo)完成，教練只是從旁給予相關(guān)的建議和引領(lǐng)。學(xué)生主動去設(shè)計實驗、記錄并展示實驗結(jié)果，教練只是作為普通的隊員參與討論，鼓勵隊員們?nèi)嵺`自己的想法，而不會給出所謂“正確”的方法和方案，這充分調(diào)動了學(xué)生的主觀積極性。

學(xué)以致用。根據(jù)上文闡述過的項目選題的標(biāo)準(zhǔn)，確定項目的實施一般可以盡量多地用到隊員們已經(jīng)學(xué)過的知識。我們在項目實施過程中盡量啟發(fā)學(xué)生用學(xué)過的知識思考或者解決項目中的問題，幫助他們建立課堂與實踐的橋梁。隊員們真正把學(xué)到的知識用到解決實際問題中，可讓他們更加深刻地理解所學(xué)的基礎(chǔ)知識，增加他們學(xué)習(xí)的動力，激發(fā)他們的求知欲，引導(dǎo)其構(gòu)建自己的知識框架。

快速學(xué)習(xí)的能力。很多學(xué)生在參加iGEM隊伍之前都會問：“老師我需要會什么??？我會一點(diǎn)Python，夠嗎？”筆者都會回答他：“需要你會學(xué)習(xí)！”在信息爆炸的時代，做任何事之前都不可能準(zhǔn)備好了所需的所有知識，大部分時候都是在需要的時候現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，因此快速掌握并應(yīng)用新知識的能力是現(xiàn)代社會人才亟須的。

理想與現(xiàn)實的差距。學(xué)生們很少有將在課堂學(xué)到的知識運(yùn)用于實踐的機(jī)會，因而往往對于用所學(xué)的知識解決實際問題有著“美好的幻想”。在做iGEM項目的時候，學(xué)生們就會遇到嘗試了很多方法后發(fā)現(xiàn)都不適用或者結(jié)果都不理想的情況，有些學(xué)生就會產(chǎn)生沮喪情緒。教練這時就應(yīng)提醒：不適用、不理想也是一種結(jié)果，要么繼續(xù)尋找合適的方法，要么在所有方法中選出最有效的那一個，結(jié)果是怎樣的就如實地報道，這就是現(xiàn)實。

（三）團(tuán)隊合作的精神和交流的能力

UESTC?Software每年的隊員人數(shù)為10～15人，隊員難免有意見想法不一致的時候。教練不僅不會阻止不同意見想法之間的碰撞，反而鼓勵隊員各抒己見，不過會事先在隊內(nèi)申明：“君子和而不同”，每個人都可以說出自己的想法，接受他人不同的想法，可以為觀點(diǎn)和想法辯論，但是不針對個人。另外，iGEM的評判標(biāo)準(zhǔn)是鼓勵不同參賽隊伍之間的合作，也就是強(qiáng)調(diào)iGEM的目標(biāo)是學(xué)術(shù)交流，而不是競爭。團(tuán)隊之間合作的目的是共贏，UESTC?Software就曾經(jīng)與UESTC?China、USTC?Software、NWU?China?A、Tongji?Software、SJTC?Software等iGEM團(tuán)隊開展了不同程度的合作。另外，項目進(jìn)行到不同階段還會以面談或者郵件的形式去求教國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者，這些都要求隊員們自己去聯(lián)系、安排，教練會從旁指導(dǎo)。比如寫郵件，往往存在格式上不合要求，內(nèi)容上表達(dá)不清楚，語言上出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)語、中式英語泛濫等情況，這時教練應(yīng)耐心指導(dǎo)隊員解決這些交流中的問題。

（四）科學(xué)思維

批判性思維。要明確的是：首先，批判性思維不是批判，不是事事都要吹毛求疵。其次，需要大量的系統(tǒng)性的知識框架作為支撐。針對這兩點(diǎn)，每一年的參賽項目確定之后，我們都會要求所有隊員有針對性地分工學(xué)習(xí)項目相關(guān)的基礎(chǔ)知識，并在每周組會上進(jìn)行交流融合，必要的時候還可由教練或者邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家，給隊員們系統(tǒng)地介紹相關(guān)背景知識。

判斷力?？鬃诱f：“知者不惑，仁者不憂，勇者不懼?！贝髮W(xué)最主要的教育就是教授知識，教授知識的目的是為了不惑。如何不惑？最重要的是培養(yǎng)學(xué)生的判斷力，尤其在信息爆炸的今天，這不僅關(guān)乎項目的具體實施，也關(guān)乎學(xué)生對社會、對生活、對科學(xué)的態(tài)度和看法。首先，引導(dǎo)學(xué)生把粗糙的想法磨煉成細(xì)密、踏實、有條理的具體操作方法；其次，遇到問題時引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識框架去思考和解決問題，使得問題變得明朗；最后，以史為鑒，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識框架，從科學(xué)發(fā)展的角度去分析與項目有關(guān)的一些社會現(xiàn)象。

（五）閱讀和寫作能力

閱讀和寫作能力是使人終身受益的能力。學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)期間的閱讀和寫作訓(xùn)練大多是考試導(dǎo)向的，較少涉及科技方面的閱讀和寫作，而科技方面的閱讀和寫作最需要的邏輯性思維能力是大多數(shù)學(xué)生缺乏的。所以在大學(xué)教育中，培養(yǎng)學(xué)生科技方面的閱讀和寫作能力成為理工科教育的重點(diǎn)之一。iGEM項目是始終由學(xué)生主導(dǎo)的，在項目實施伊始，學(xué)生需要閱讀大量的中英文文獻(xiàn)，極大地鍛煉了學(xué)生閱讀和分析文獻(xiàn)以及歸納和總結(jié)問題的能力，使學(xué)生完成了從被動接受知識到主動探求知識的轉(zhuǎn)換。在項目實施的最后，學(xué)生需要撰寫摘要、制作Wiki網(wǎng)頁、做項目匯報、準(zhǔn)備海報等，鍛煉了學(xué)生寫作和展示的能力。

（六）揚(yáng)長補(bǔ)短

本科生甚至研究生，都普遍存在一個問題：不知道自己擅長什么、喜歡什么。大學(xué)之前的教育，幾乎都是優(yōu)先給學(xué)生補(bǔ)短而較少幫助學(xué)生揚(yáng)長。而iGEM這個綜合性的平臺需要各種能力，如學(xué)習(xí)能力、溝通能力、組織能力、鉆研能力、思辨能力等，因此隊員們很容易在做項目的過程中發(fā)現(xiàn)自己的長處，教練也會相應(yīng)地做出任務(wù)分配上的調(diào)整，鼓勵隊員們更多地?fù)P長，找到自己真正喜歡和熱愛的方向。真正的熱愛才是創(chuàng)新的原動力。

五、結(jié)語

電子科技大學(xué)iGEM軟件隊通過7年6次參賽的實踐，完成了好幾項極具科研價值的項目，部分項目結(jié)果已經(jīng)以論文的形式發(fā)表在國際知名期刊[8-9]，同時培養(yǎng)了一批基礎(chǔ)知識扎實、創(chuàng)新意識突出、綜合能力強(qiáng)的本科生，促進(jìn)了電子科技大學(xué)廣大工科學(xué)生甚至普通市民對于合成生物學(xué)的認(rèn)識和興趣。歷屆UESTC?Software隊員已進(jìn)入如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等知名高校深造。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：雷 艷］