我國生物信息學(xué)教育的發(fā)展與挑戰(zhàn)

鐘　揚(yáng)　王　莉　李作峰

十多年來，生命科學(xué)和技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是人類基因組計(jì)劃等科學(xué)研究計(jì)劃取得了舉世矚目的成就，也隨之產(chǎn)生出海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)。人們已經(jīng)充分認(rèn)識到，如果不能及時(shí)分析和有效利用這些信息，那么這些耗費(fèi)巨資所獲得的數(shù)據(jù)將變成一堆垃圾。所幸的是，生命科學(xué)與信息科學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物──生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，并已逐漸成為當(dāng)代生命科學(xué)研究的一個(gè)前沿領(lǐng)域和重要的方法論工具。目前，世界上越來越多的政府部門、教育機(jī)構(gòu)和企業(yè)都呼吁加快培養(yǎng)各類生物信息學(xué)人才。然而，當(dāng)前的生物信息學(xué)教育從經(jīng)費(fèi)支持到師資隊(duì)伍等諸多方面都還面臨著不少困難與挑戰(zhàn)。

作為唯一一個(gè)參加人類基因組計(jì)劃的發(fā)展中國家，我國成功地完成了人類全基因組1%的測序任務(wù)。隨后，從水稻基因組到家蠶基因組測序，從功能基因組分析到蛋白質(zhì)組計(jì)劃實(shí)施， 眾多研究項(xiàng)目推動了生物信息學(xué)在我國的蓬勃發(fā)展。同時(shí)， 許多大學(xué)和研究所也敏銳地把握到這一發(fā)展良機(jī)，積極開展生物信息學(xué)相關(guān)的教育與人才培養(yǎng)工作。2003年，筆者應(yīng)邀在英國出版的《生物教育雜志》（Journal of Biological Education）上撰文介紹了我國生物信息學(xué)教育快速發(fā)展的狀況與趨勢，著重比較了一些重點(diǎn)大學(xué)中的相關(guān)本科生課程與研究生培養(yǎng)計(jì)劃。時(shí)隔三年，我們進(jìn)一步對這一領(lǐng)域的發(fā)展作了簡要的回顧，并指出了我國現(xiàn)階段生物信息學(xué)教育中存在的若干問題，以期引起廣泛的注意與深入的討論。

一、本科生教育

自上世紀(jì)90年代后期起，許多大學(xué)都為生命科學(xué)領(lǐng)域的本科生開設(shè)了《計(jì)算機(jī)在生物學(xué)中的應(yīng)用》一類的課程。近年來，相當(dāng)大一部分學(xué)校直接將其轉(zhuǎn)為《生物信息學(xué)》課程。目前，我國生物學(xué)本科教育主要圍繞兩個(gè)專業(yè)——生物科學(xué)和生物技術(shù)進(jìn)行，而生物信息學(xué)相關(guān)課程通常作為這兩個(gè)專業(yè)高年級學(xué)生的選修課，且要求學(xué)生們已修完大部分專業(yè)必修課以及一些計(jì)算機(jī)課程，如《C++語言》等。教學(xué)實(shí)踐表明，這一安排基本上符合國內(nèi)本科生教育的實(shí)際情況，有利于本科生們掌握生物信息學(xué)的基本知識和工作原理，激發(fā)他們今后深入研究的興趣。在復(fù)旦大學(xué)，“計(jì)算機(jī)在生物學(xué)中的應(yīng)用——生物信息學(xué)基礎(chǔ)”這門課程是大學(xué)三年級下學(xué)期的選修課，至今已有近十年的歷史，前五年選修人數(shù)逐年遞增，至2002年達(dá)到了規(guī)定的最大選課人數(shù)（約140人）?，F(xiàn)在每年穩(wěn)定在110人左右，從2003年起該課程也向復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)系和計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系的本科生開放。課程內(nèi)容包括生物信息學(xué)的基本概念、原理和方法（占課程總學(xué)時(shí)的50%）、邀請國內(nèi)外生物信息學(xué)家專題報(bào)告（25%）以及計(jì)算機(jī)軟件練習(xí)（如美國國家生物信息技術(shù)研究中心提供的BLAST服務(wù)工具和華盛頓大學(xué)的PHYLIP軟件包等占25%學(xué)時(shí)）。問卷調(diào)查表明，學(xué)生們認(rèn)為大多數(shù)邀請專題報(bào)告信息量大，對他們了解生物信息學(xué)的全貌很有幫助，而一些基本概念則可以簡化或在其他課程（如“分子生物學(xué)”）中予以介紹。

從2002年起，我國一些高等院校開始向教育部申請?jiān)O(shè)立生物信息學(xué)本科專業(yè)，如浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、鄭州大學(xué)等校先后獲得批準(zhǔn)。有些學(xué)校（如哈爾濱醫(yī)科大學(xué)和上海交通大學(xué)等）已新建了生物信息學(xué)系，旨在培養(yǎng)跨生命科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、數(shù)理科學(xué)等不同領(lǐng)域、具備“大科學(xué)” 素質(zhì)的復(fù)合型人才。

二、研究生教育

2003年之前， 生物信息學(xué)碩士和博士研究生教育只能以掛靠在不同的二級學(xué)科下面或由不同的學(xué)科聯(lián)合組成校內(nèi)交叉項(xiàng)目的形式來實(shí)施。例如，北京大學(xué)于2000年在國內(nèi)率先建立了第一個(gè)生物信息學(xué)研究生項(xiàng)目。在這個(gè)交叉學(xué)科項(xiàng)目中，導(dǎo)師來自9個(gè)院系（如生命科學(xué)學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院和化學(xué)系等），不同院系的在讀研究生可以選擇在碩士或博士第二年加入該項(xiàng)目。2001年，浙江大學(xué)和北京基因組研究所開始組建了一個(gè)生物信息學(xué)聯(lián)合研究生項(xiàng)目。其他一些大學(xué)則在已有的研究生專業(yè)中設(shè)立與生物信息學(xué)相關(guān)的研究方向以及相應(yīng)的研究生課程，如復(fù)旦大學(xué)在“遺傳學(xué)”專業(yè)中設(shè)置“功能基因組學(xué)”方向，在“生態(tài)學(xué)”專業(yè)中設(shè)置“生物多樣性信息學(xué)”等，以滿足過渡時(shí)期內(nèi)培養(yǎng)生物信息學(xué)人才之所需。

自2004年起，生物信息學(xué)成為了自主設(shè)置博士點(diǎn)試點(diǎn)專業(yè)之一，當(dāng)年即有13個(gè)一級學(xué)科博士授予點(diǎn)獲批自主設(shè)置生物信息學(xué)二級學(xué)科博士點(diǎn)。2005年， 生物信息學(xué)博士點(diǎn)有了更大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前約有60余所高校和研究所招收生物信息學(xué)專業(yè)研究生，其所屬一級學(xué)科包括生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、數(shù)學(xué)（統(tǒng)計(jì)學(xué)）、信息科學(xué)以及化學(xué)（化工）等。此外，一些學(xué)校 （如同濟(jì)大學(xué)等）已開始嘗試?yán)脤I(yè)學(xué)位（如工程碩士）來加快培養(yǎng)社會急需的生物信息學(xué)應(yīng)用型人才。

三、網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器條件

生物信息學(xué)教育對網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器條件的要求較高。國內(nèi)目前主要是通過中國教育和科研網(wǎng)（CERNET）來開展相關(guān)教學(xué)與科研活動的。CERNET由國家投資建設(shè)，教育部負(fù)責(zé)管理，清華大學(xué)等高等學(xué)校承擔(dān)建設(shè)和管理運(yùn)行的全國性學(xué)術(shù)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。CERNET分四級管理：（1）全國網(wǎng)絡(luò)中心，設(shè)在清華大學(xué)（北京），負(fù)責(zé)全國主干網(wǎng)的運(yùn)行和管理；（2）地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心，設(shè)在清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和西安交通大學(xué)等10所著名大學(xué)；（3）省教育科研網(wǎng)，分布于全國范圍內(nèi)的36個(gè)城市中的38所大學(xué)；（4）校園網(wǎng)。國內(nèi)絕大多數(shù)教育機(jī)構(gòu)已被授權(quán)使用CERNET。目前，其主干網(wǎng)網(wǎng)寬已提升到2.5Gbps，地區(qū)網(wǎng)的傳輸速率已達(dá)155Mbps。CERNET已有12條國際和地區(qū)性信道，與美國、加拿大、英國、德國、日本和香港特區(qū)聯(lián)網(wǎng)，總帶寬在100Mbps以上。

北京大學(xué)在CERNET和校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上于1996年建立了中國第一個(gè)生物信息中心，該中心也是EMBnet（歐洲分子生物學(xué)網(wǎng)）和APBioNet（亞洲──太平洋生物信息學(xué)網(wǎng)）的中國節(jié)點(diǎn)。北京大學(xué)生物信息中心可向全國提供生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并有許多用于學(xué)術(shù)和教育資源的鏡像數(shù)據(jù)，如分子數(shù)據(jù)庫和軟件等。CERNET用戶可通過匿名文件傳輸協(xié)議（FTP）免費(fèi)獲取，該FTP服務(wù)器每天平均被點(diǎn)擊5000次以上。在復(fù)旦大學(xué)內(nèi)，與生物信息學(xué)相關(guān)的本科生和研究生教育及實(shí)踐活動均在校園網(wǎng)和CERNET基礎(chǔ)上進(jìn)行，如用BLAST工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搜索和用PHYLIP軟件包進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析等。

四、教材

最初，Baxevanis和Ouellette《Bioinformatics--A Practical Guide to the Analysis of Genes and Proteins》（1998）以及Attwood和Parry-Smith《Introduction to Bioinformatics》（1999）兩本書被翻譯成中文后用作教材。郝柏林和張淑譽(yù)出版了一本《生物信息學(xué)手冊》（2000），也被選為教學(xué)閱讀材料。2001年，高等教育出版社出版了筆者編著的教材──《簡明生物信息學(xué)》。在正式出版前，該教材已在復(fù)旦大學(xué)高年級本科生和研究生教學(xué)中采用。隨后，在高等教育出版社的支持下，我們又分別于2002和2003年翻譯了兩本生物信息學(xué)相關(guān)的專業(yè)書籍──Nei和Kumar《Molecular Evolution and Phylogenetics》（2000） 以及Mount的《Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis》（2001），后者的英文版被美國許多高校選為生物信息學(xué)教材。近來，生物信息學(xué)書籍呈快速增長的趨勢，已不下百種，其中授權(quán)影印國外原版教科書和翻譯書籍仍占主導(dǎo)地位。值得指出的是，生物信息學(xué)教材編寫工作較為困難，主要原因是學(xué)科本身發(fā)展太快， 新的知識不斷涌現(xiàn)， 相關(guān)領(lǐng)域拓展迅速，編寫工作常常跟不上內(nèi)容變動。例如，我們在教學(xué)實(shí)踐中已深感到《簡明生物信息學(xué)》一書已不能滿足實(shí)際教學(xué)工作的需要，但由于種種原因，修訂版遲遲未能完成。此外，系統(tǒng)性也是目前生物信息學(xué)教材中普遍存在的一個(gè)問題。

除常規(guī)教材外，網(wǎng)絡(luò)業(yè)已成為一個(gè)重要的教育資源。中國生物信息網(wǎng)（http://www.biosino.org/）、中國醫(yī)學(xué)生物信息網(wǎng)（http://cmbi.bjmu.edu.cn/）、上海生物信息技術(shù)研究中心（http://www.scbit.org/）以及北京大學(xué)生物信息中心（http://www.cbi.pku.edu.cn/）等均提供生物信息學(xué)教育的公共在線課程和閱讀材料，其中的中文輔導(dǎo)材料為國內(nèi)研究人員和學(xué)生學(xué)習(xí)生物信息學(xué)提供了方便。

五、問題與挑戰(zhàn)

目前，我國生物信息學(xué)教育發(fā)展呈迅速增長趨勢，必將為我國生命科學(xué)研究趕上國際先進(jìn)水平提供新的機(jī)遇，但其自身也面臨著種種困難與挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段存在的主要問題有：

（1） 缺乏合格的生物信息學(xué)師資，教師隊(duì)伍的整體數(shù)量和質(zhì)量與我國生物信息學(xué)教育快速發(fā)展的規(guī)模極不相稱。目前，大多數(shù)開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)高校的師資隊(duì)伍靠新近畢業(yè)的博士補(bǔ)充。由于歐美等發(fā)達(dá)國家的生物信息學(xué)正處于方興未艾之際，薪資待遇等多方面的條件較為優(yōu)越，回國從事生物信息學(xué)教學(xué)和科研的人才不多，而國內(nèi)自行培養(yǎng)的博士生有些剛剛畢業(yè)，大多數(shù)還在學(xué)習(xí)階段，這樣一來勢必出現(xiàn)一些學(xué)校的生物信息學(xué)專業(yè)匆忙上馬，而具有良好專業(yè)背景的教師匱乏的現(xiàn)象。有些學(xué)校問題還相當(dāng)嚴(yán)重，合格教師寥寥無幾，這將對生物信息學(xué)在我國持續(xù)健康地發(fā)展造成不利的影響，學(xué)校本身也難以通過嚴(yán)格的教學(xué)評估。

（2）對生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的認(rèn)識各異，造成課程設(shè)置不合理。事實(shí)上，國外在生物信息學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置方面也缺乏成功的經(jīng)驗(yàn)，圍繞“哪些是生物信息學(xué)專業(yè)的必修課程”和“生物信息學(xué)專業(yè)的研究生需要哪些基本背景”之類的問題爭議頗多。我國高等教育的傳統(tǒng)模式在創(chuàng)新性人才和交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)方面本身就存在不少薄弱環(huán)節(jié)，如何通過生物信息學(xué)專業(yè)課程教學(xué)與實(shí)踐加強(qiáng)學(xué)生的研究能力，從而加快培養(yǎng)不同專業(yè)背景的“復(fù)合型”人才是擺在我們面前的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

（3） 生物信息學(xué)教育與其他專業(yè)的合作還有待加強(qiáng)。盡管生物信息學(xué)是一門新型學(xué)科，但與其他學(xué)科專業(yè)之間存在不少聯(lián)系。舉例來說，統(tǒng)計(jì)學(xué)（包括生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)）專業(yè)在我國已有較長的歷史，也具有一定優(yōu)勢。生物信息學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)系極為密切，如能整合統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)資源，勢必提升生物信息學(xué)教育水準(zhǔn)。現(xiàn)階段的問題是不少學(xué)校將統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)劃歸管理學(xué)院等，不同學(xué)院的教師之間又缺乏交流與合作，難以滿足生物信息學(xué)教育的需求。

有鑒于此，筆者認(rèn)為解決我國目前生物信息學(xué)教育問題的關(guān)鍵在于，適當(dāng)控制發(fā)展規(guī)模，調(diào)整師資隊(duì)伍，在不同專業(yè)內(nèi)、不同學(xué)校間乃至高校和研究所之間共享專家資源。此外，加強(qiáng)國際合作，引進(jìn)國外智力，借鑒先進(jìn)國家的成功經(jīng)驗(yàn)也將促進(jìn)我國生物信息學(xué)教育的發(fā)展。

作者簡介：

鐘 揚(yáng)，博士，教授，生物信息學(xué)博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院常務(wù)副院長，上海生物信息技術(shù)研究中心副主任，研究方向?yàn)榉肿舆M(jìn)化與生物信息學(xué)。

王 莉，博士，現(xiàn)在復(fù)旦大學(xué)和上海生物信息技術(shù)研究中心工作，研究方向?yàn)榉肿舆M(jìn)化與生物信息學(xué)。

李作峰，博士，現(xiàn)在上海生物信息技術(shù)研究中心工作，研究方向?yàn)樯镄畔W(xué)。