面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)課程體系建設(shè)

摘 要：生物信息學(xué)是新興的多學(xué)科交叉科學(xué)，它的發(fā)展和人才培養(yǎng)對(duì)于我國(guó)未來(lái)生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大影響。在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，介紹生物信息學(xué)專業(yè)課程體系建設(shè)方面的開創(chuàng)性工作，并探討本科生培養(yǎng)的辦學(xué)模式及培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于全面推廣和提升生物信息學(xué)教育理論，提高我國(guó)計(jì)算生物學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) 實(shí)踐能力 課程體系 培養(yǎng)模式

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）07（a）-0047-02

1 生物信息學(xué)概述

伴隨現(xiàn)代高通量分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，生物信息學(xué)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用日益深入[1]。作為數(shù)學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物醫(yī)藥研究的整合學(xué)科，生物信息學(xué)在生物進(jìn)化、生理功能、疾病治療、藥物開發(fā)、農(nóng)林產(chǎn)業(yè)等眾多領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是研究生命科學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)內(nèi)在定量規(guī)律的重大交叉前沿學(xué)科。鑒于生物信息學(xué)的重要研究?jī)r(jià)值和廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，發(fā)展生物信息學(xué)專業(yè)教育，有計(jì)劃的建設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)課程體系，開展面向?qū)嵺`能力的生物信息學(xué)人才培養(yǎng)對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展有重要的意義[2]。

2 生物信息學(xué)教育發(fā)展現(xiàn)狀

生物信息學(xué)發(fā)展起步于20世紀(jì)末，在短短的十幾年中，生物信息學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為了橫跨多個(gè)研究領(lǐng)域的朝陽(yáng)專業(yè)，國(guó)內(nèi)眾多高等學(xué)府、科研院所相繼開設(shè)了生物信息本科和研究生專業(yè)[3]。但是，在實(shí)際的教學(xué)和研究過(guò)程中，絕大數(shù)單位依托于單一的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)或生物學(xué)專業(yè)開展，人才培養(yǎng)模式尚處于探索階段，在培養(yǎng)過(guò)程存在生物信學(xué)理論基礎(chǔ)薄弱、課程體系不健全、課程內(nèi)容不完善、專業(yè)教材匱乏、專業(yè)師資隊(duì)伍缺乏等問(wèn)題。

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)生物信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院是全國(guó)領(lǐng)先創(chuàng)辦生物信息學(xué)專業(yè)的單位之一，多年來(lái)致力于生物信息學(xué)的科學(xué)研究和本、碩、博各類人才培養(yǎng)，堅(jiān)持以學(xué)生為本，以培養(yǎng)高素質(zhì)生物信息學(xué)專門人才為目標(biāo)，深化教學(xué)改革，以滿足日益發(fā)展的生物信息學(xué)高端人才需要[4]。為解決生物信息學(xué)的教育教學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)高水平的現(xiàn)代生物信息學(xué)人才，我們提出立足國(guó)內(nèi)高等生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)教育，建立面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)專業(yè)課程體系，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量培養(yǎng)具有理工科創(chuàng)新思維能力的生物醫(yī)學(xué)人才，為我國(guó)生命科學(xué)—醫(yī)藥學(xué)科教育教學(xué)、科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化輸送大批專門人才。

3 生物信息課程體系建設(shè)

3.1 課程建設(shè)目標(biāo)和指導(dǎo)方針

結(jié)合生物信息學(xué)才培養(yǎng)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)數(shù)十名骨干教師十余年生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐及人才培養(yǎng)成果經(jīng)驗(yàn)反饋，我們適時(shí)調(diào)整本科生課程及教學(xué)內(nèi)容，逐步建立起面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)專業(yè)課程體系。奠定了本科生的人文素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)并重，公共基礎(chǔ)理論及專業(yè)理論相輔相乘，重視學(xué)生理工生物醫(yī)學(xué)全方面素質(zhì)提高，重點(diǎn)突出學(xué)生實(shí)踐能力的人才培養(yǎng)方針，并在實(shí)踐中培養(yǎng)了大批具有創(chuàng)新思維能力的優(yōu)秀高端生物信息學(xué)專業(yè)人才。

3.2 生物信息學(xué)課程體系建設(shè)方案

考慮到生物信息學(xué)多學(xué)科交叉特點(diǎn)和國(guó)家大學(xué)生培養(yǎng)要求，及學(xué)生未來(lái)就業(yè)深造所必需的基礎(chǔ)和專業(yè)能力，我們?cè)趪?guó)內(nèi)率先開創(chuàng)了生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系，并在醫(yī)學(xué)院校獨(dú)立開展近40余門數(shù)理基礎(chǔ)課程和生物信息學(xué)專業(yè)課程。主要的課程建設(shè)情況如下：

（1）公共基礎(chǔ)課程（國(guó)家限修課）：政治理論課程、公共外語(yǔ)、體育。

（2）生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程：解剖生理學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)、分子藥理學(xué)等。

（3）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（C++JAVA）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Perl語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理、Linux操作系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)等（上述課程均含上機(jī)實(shí)踐）。

（4）數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程：數(shù)學(xué)分析、高等代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)理邏輯、組合數(shù)學(xué)與圖論、微分動(dòng)力學(xué)方程、運(yùn)籌學(xué)等（上述課程均含上機(jī)實(shí)踐）。

（5）專業(yè)基礎(chǔ)課程：信息論基礎(chǔ)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)圖像處理、模式識(shí)別、優(yōu)化算法、隨機(jī)過(guò)程、生物信息學(xué)概論、生物信息數(shù)據(jù)挖掘、生物信息軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)、分子生物軟件工程、生物信息學(xué)數(shù)據(jù)可視化、專業(yè)外語(yǔ)等（上述課程均含實(shí)驗(yàn)）。

（6）專業(yè)課程：生物芯片技術(shù)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子進(jìn)化、分子生物網(wǎng)絡(luò)、基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)組信息學(xué)、藥物基因組信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)、計(jì)算表觀遺傳學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)等（上述課程均含實(shí)驗(yàn)）。

（7）綜合實(shí)踐課程：課題標(biāo)書設(shè)計(jì)、科研論文寫作、生物信息學(xué)進(jìn)展等。

我們?cè)趯?shí)踐基礎(chǔ)上開創(chuàng)的面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)專業(yè)課程體系不同于其他院校，具有明顯的跨專業(yè)交叉性教學(xué)計(jì)劃特色。該課程體系著眼于基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合、素質(zhì)培養(yǎng)與專業(yè)培養(yǎng)相結(jié)合、扎實(shí)穩(wěn)妥與創(chuàng)新思維相結(jié)合。注重學(xué)生在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的基礎(chǔ)性教育，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、高精尖人才培養(yǎng)、特色化人才培養(yǎng)。厚基礎(chǔ)、寬口徑，使學(xué)生在本科階段不但打好將來(lái)從事生物信息學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、生物醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)新性研究工作基礎(chǔ)，更重要的是該專業(yè)課程體系與實(shí)踐密切聯(lián)系，切合相關(guān)研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)實(shí)際，能夠培養(yǎng)學(xué)生從事原始創(chuàng)新研究與產(chǎn)業(yè)開發(fā)的能力。

4 生物信息學(xué)本科生培養(yǎng)模式建設(shè)

4.1 五年制分段培養(yǎng)與多學(xué)科教育體系

目前，我們根據(jù)生物信息學(xué)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)特點(diǎn)，考慮到基礎(chǔ)課程多，實(shí)踐能力要求高等因素，采取“2+2+1”的五年制本科人才培養(yǎng)模式，包括兩年理論基礎(chǔ)課程、兩年專業(yè)課程與一年實(shí)踐應(yīng)用課程培養(yǎng)（含科研訓(xùn)練+畢業(yè)設(shè)計(jì)）。此模式在學(xué)生就業(yè)和用人單位反饋中證實(shí)具有顯著的人才培養(yǎng)效果。

課程體系建設(shè)依托于生物醫(yī)學(xué)綜合優(yōu)勢(shì)及深厚的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)功底，通過(guò)理論教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練中的知識(shí)技能交叉、滲透，培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)生命學(xué)科與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域急需的生物信息學(xué)復(fù)合型人才。在此基礎(chǔ)上，從學(xué)科的交叉性出發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)不同類別課程之間的有機(jī)融合，加大相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的整合力度，建立更為緊密、完善，符合生物信息學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的課程體系，將進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展和系統(tǒng)性教育理論體系的建立。

4.2 面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的本科生教育模式

在本科學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中，我們特別重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，通過(guò)教研一體化、學(xué)業(yè)導(dǎo)師制、報(bào)告研討制等先進(jìn)的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生早期接觸生物信息學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域和科學(xué)研究，在鞏固學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)科的認(rèn)識(shí)和對(duì)未來(lái)的把握。

“教研一體化”的實(shí)踐教學(xué)模式：面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的課程體系建設(shè)，要求教學(xué)模式上的改革，使得人才培養(yǎng)模式由注重多數(shù)學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)培養(yǎng)的大眾教育，向注重少數(shù)高精尖創(chuàng)新能力培養(yǎng)的精英式教育轉(zhuǎn)變。充分利用骨干教師在生物信息學(xué)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)，將科學(xué)研究成果快速轉(zhuǎn)化成優(yōu)秀的教學(xué)素材，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐、創(chuàng)新能力，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際產(chǎn)業(yè)化的認(rèn)知水平和實(shí)踐能力。

本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師制：本科生進(jìn)入專業(yè)課教學(xué)階段，實(shí)行學(xué)業(yè)導(dǎo)師制。采取學(xué)生與一線骨干教師雙向選擇方式，使每名學(xué)生擁有自己的學(xué)業(yè)指導(dǎo)教師。導(dǎo)師為學(xué)生提供思想教育和專業(yè)輔導(dǎo)，并通過(guò)指導(dǎo)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓(xùn)練、早期科學(xué)研究等方法促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)盡頭和對(duì)專業(yè)的深入認(rèn)識(shí)。

專題報(bào)告與研討制度：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“主體”學(xué)習(xí)地位，使學(xué)生選擇感興趣的學(xué)科方向，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行科研訓(xùn)練與實(shí)踐。要求學(xué)生自主利用網(wǎng)絡(luò)等各方面資源，獲取學(xué)科前沿信息，并以專題報(bào)告形式展示學(xué)習(xí)成果，通過(guò)提問(wèn)、研討、總結(jié)，提升自身專業(yè)素養(yǎng)及專業(yè)技能，獨(dú)立完成達(dá)到核心期刊發(fā)表水平的生物信息這科研課題。

5 生物信息學(xué)課程體系建設(shè)的意義

在全體師生的努力下，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐探索，我們對(duì)生物信息學(xué)課程體系從基礎(chǔ)到實(shí)踐的不同階段進(jìn)行分段式、推進(jìn)式的改革與建設(shè)。在政策措施、人員配備、經(jīng)費(fèi)匹配等各方面給予鼎力支持。優(yōu)先保證面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)課程體系快速、有效的建設(shè)，已經(jīng)形成國(guó)內(nèi)頂尖的生物信息學(xué)本科教育理論和實(shí)踐團(tuán)隊(duì)，并為國(guó)家輸送著大批高水平生物信息學(xué)人才。

面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)課程體系建設(shè)，一方面能夠完善生物醫(yī)學(xué)本科生、研究生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)用理工科思維和技能解決復(fù)雜生命科學(xué)問(wèn)題的綜合科研能力，更為有效的實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)攻關(guān)和創(chuàng)新研究理論形成；另一方面，生物醫(yī)藥是我國(guó)科技研發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)，在課程體系建設(shè)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)適用于現(xiàn)代高通量分子生物學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新型生物信息學(xué)人才，將為我國(guó)的醫(yī)藥物研發(fā)提供強(qiáng)有力的推動(dòng)作用，并有利于創(chuàng)新臨床診斷技術(shù)開發(fā)和個(gè)性化醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)科技轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生潛在的、不可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

6 致謝

本文研究?jī)?nèi)容是在黑龍江省高等教育教學(xué)改革專項(xiàng)項(xiàng)目，黑龍江省高教學(xué)會(huì)重點(diǎn)課題創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)人才培養(yǎng)模式研究，黑龍省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)項(xiàng)目面向生物信息產(chǎn)業(yè)開發(fā)的創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)教育研究課題面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)專業(yè)課程整合設(shè)計(jì)研究資助下完成的，課程體系的建設(shè)得到哈爾濱醫(yī)科大學(xué)學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的支持，并得到兄弟院校相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的幫助，在此一并感謝。

參考文獻(xiàn)

[1]Ned Wingreen and David Botstein. Back to the Future：Education for Systems-level Biologists[J].Nature Review Molecular Cell Biology，2006，7（11）：829-832.

[2]徐良德，馬曄，孫紅梅，等.八年制醫(yī)學(xué)教育中開展《生物信息學(xué)》教學(xué)的實(shí)踐探討[J].素質(zhì)教育，2011，11：33-34.

[3]Wei Liping and Yu Jun；Bioinformatics in China：A Personal Perspective[J].Plos Computational Biology，2008，4（4）.

[4]李霞，主編.生物信息學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2010：13-25.