王貝貝

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

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

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

合成生物學是21世紀崛起的新興交叉學科[1-2]，其將工程學原理和方法引入對生物體系的改造和構(gòu)建中，綜合運用生物學、工程學、數(shù)學、物理、計算機等各學科知識。國際基因工程機器大賽iGEM（International Genetically Engineered Machine Competition）[3]是合成生物學的頂尖賽事，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]，電子科技大學也不例外。

電子科技大學自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年擔任UESTC?Software的主教練，對以iGEM為平臺培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力進行探索和嘗試，以期為交叉學科創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提供一點幫助。

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)交換標準、專門為合成生物學構(gòu)建的特定軟件框架或者標準生物部件注冊表中的部分信息等，幫助合成生物學更有效更經(jīng)濟地設(shè)計新的功能組件。經(jīng)常參加該組項目的學校包括密歇根大學、帝國理工學院、中國科學技術(shù)大學、上海交通大學、中山大學、同濟大學、電子科技大學等知名國內(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，極大地豐富了運用計算機來解決和探索合成生物學問題的思路和嘗試。

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介紹和總結(jié)了各類項目的特色和案例[6]。當然，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)、細胞等層次）設(shè)計相關(guān)軟件，以服務(wù)于合成生物學[7]。比如在2020年的比賽中，電子科技大學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)域信息進行分類，旨在構(gòu)建一套以結(jié)構(gòu)域為單位的標準蛋白質(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)學校的培養(yǎng)方案的安排，隊伍中的隊員基本都是大學二年級的學生，很多專業(yè)課都還沒有學過，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大量的精力和時間學習相關(guān)知識，而且也會在一定程度上削弱學生的積極性。（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用隊員們已經(jīng)學過的知識，這能增強其學習的主動性?？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，讓學生們自由組隊、自由選題，重點要求有想法，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科交叉的特性以及校賽準備的時限，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行頭腦風暴，先選出2～3個項目，隊員們分組利用兩周時間進行調(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，我們認為合理的成員分配為：6～8名隊員負責項目主體和數(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名隊員負責美工和Wiki網(wǎng)頁，根據(jù)申請學生提供的獨創(chuàng)作品而定；選定1～2名英文較好的隊員；2～3名隊員負責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。我們這支多學科交叉的隊伍由生命科學與技術(shù)學院、信息與軟件工程學院、格拉斯哥學院、光電科學與工程學院以及外語學院等的本科生組成。

四、學生創(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，相對其他一些學科競賽來說，對學生能力的培養(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)學生的創(chuàng)新能力。

（一）學術(shù)態(tài)度和學術(shù)規(guī)范

這一點是重點強調(diào)的內(nèi)容。本科生還沒有經(jīng)過系統(tǒng)的科研訓練，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，教練和輔導教師會一再強調(diào)杜絕任何形式的抄襲。

引導學生要實事求是，不急功近利。本科生受過的訓練都是對已知結(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，沒有預定實驗方案，沒有預定結(jié)果，需要不停地探索和試錯。在不斷重復的過程中，教練就要不斷告訴學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，應引導學生分析原因后調(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，那就應如實報道。

（二）發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力

學生主導。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完成，教練只是從旁給予相關(guān)的建議和引領(lǐng)。學生主動去設(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)動了學生的主觀積極性。

學以致用。根據(jù)上文闡述過的項目選題的標準，確定項目的實施一般可以盡量多地用到隊員們已經(jīng)學過的知識。我們在項目實施過程中盡量啟發(fā)學生用學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的基礎(chǔ)知識，增加他們學習的動力，激發(fā)他們的求知欲，引導其構(gòu)建自己的知識框架。

快速學習的能力。很多學生在參加iGEM隊伍之前都會問：“老師我需要會什么??？我會一點Python，夠嗎？”筆者都會回答他：“需要你會學習！”在信息爆炸的時代，做任何事之前都不可能準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)學現(xiàn)用，因此快速掌握并應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。學生們很少有將在課堂學到的知識運用于實踐的機會，因而往往對于用所學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，有些學生就會產(chǎn)生沮喪情緒。教練這時就應提醒：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，可以為觀點和想法辯論，但是不針對個人。另外，iGEM的評判標準是鼓勵不同參賽隊伍之間的合作，也就是強調(diào)iGEM的目標是學術(shù)交流，而不是競爭。團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團隊開展了不同程度的合作。另外，項目進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)專家學者，這些都要求隊員們自己去聯(lián)系、安排，教練會從旁指導。比如寫郵件，往往存在格式上不合要求，內(nèi)容上表達不清楚，語言上出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)語、中式英語泛濫等情況，這時教練應耐心指導隊員解決這些交流中的問題。

（四）科學思維

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，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習項目相關(guān)的基礎(chǔ)知識，并在每周組會上進行交流融合，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。孔子說：“知者不惑，仁者不憂，勇者不懼?！贝髮W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)乎學生對社會、對生活、對科學的態(tài)度和看法。首先，引導學生把粗糙的想法磨煉成細密、踏實、有條理的具體操作方法；其次，遇到問題時引導學生運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，引導學生運用已有的知識框架，從科學發(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。學生在進入大學期間的閱讀和寫作訓練大多是考試導向的，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)學生缺乏的。所以在大學教育中，培養(yǎng)學生科技方面的閱讀和寫作能力成為理工科教育的重點之一。iGEM項目是始終由學生主導的，在項目實施伊始，學生需要閱讀大量的中英文文獻，極大地鍛煉了學生閱讀和分析文獻以及歸納和總結(jié)問題的能力，使學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，學生需要撰寫摘要、制作Wiki網(wǎng)頁、做項目匯報、準備海報等，鍛煉了學生寫作和展示的能力。

（六）揚長補短

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。大學之前的教育，幾乎都是優(yōu)先給學生補短而較少幫助學生揚長。而iGEM這個綜合性的平臺需要各種能力，如學習能力、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，教練也會相應地做出任務(wù)分配上的調(diào)整，鼓勵隊員們更多地揚長，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、綜合能力強的本科生，促進了電子科技大學廣大工科學生甚至普通市民對于合成生物學的認識和興趣。歷屆UESTC?Software隊員已進入如清華大學、浙江大學、上海交通大學等知名高校深造。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ CAMERON D E， BASHOR C J， COLLINS J J. A brief history of synthetic biology[J]. Nature reviews microbiology，2014，12（5）：381-390.

［2］ MENG F， ELLIS T. The second decade of synthetic biology：2010-2020[J]. Nature communications，2020，11（1）： 5174.

［3］ VILANOVA， C， PORCAR， M. iGEM 2.0?refoundations for engineering biology[J]. Nature biotechnology，2014，32（5）：420-424.

［4］ 李燕，連俊，陳銘.GEM浙江大學培養(yǎng)拔尖人才教育中的模式與啟示[J].高等工程教育研究，2014（1）：119-123.

［5］ 田六，羅旭東，張紅雨，等. iGEM競教結(jié)合提升學生科研創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)[J].高校生物學教學研究，2016（6）：57-62.

［6］ 伍克煜，劉峰江，許浩，等.合成生物學基因設(shè)計軟件：iＧＥＭ 設(shè)計綜述[J].生物信息學，2020（18）：8-15.

［7］ 劉海燕，黃斌. 生物體系的多層次計算設(shè)計與合成生物學[J].中國科學：生命科學[J].2015，45（10）：943-949.

［8］ WANG B， YANG H， SUN J， et al. BioMaster：an integrated database and analytic platform to provide comprehensive information about BioBrick parts[J].Frontiers in microbiology，2021，12（4）：593979.

［9］ YANG Z， LIU M， WANG B， et al. Classification of protein domains based on their three?dimensional shapes （CPD3DS）[J]. Synthetic and systems biotechnology，2021，6（3）：224-230.

［責任編輯：雷 艷］