生物信息學(xué)本科學(xué)位課程發(fā)展思考

張曉艷

摘 要：生物信息學(xué)是一個高度交叉的跨學(xué)科領(lǐng)域，正日益成為一門強(qiáng)大的現(xiàn)代新型學(xué)科。隨著社會上對訓(xùn)練有素的生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生需求量的快速增加，開設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的學(xué)校也日益增多。由于高度交叉學(xué)科的特殊性，對生物信息學(xué)本科課程的開發(fā)面臨諸多的挑戰(zhàn)。同濟(jì)大學(xué)是我國最早成立本科生物信息學(xué)專業(yè)的大學(xué)之一，本文對同濟(jì)大學(xué)的生物信息學(xué)專業(yè)本科課程十幾年的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧和展望。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；本科教育；跨學(xué)科；課程

一、引言

生物信息學(xué)是將生命科學(xué)與計算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)進(jìn)行高度融合形成的一門具有獨特優(yōu)勢的現(xiàn)代交叉學(xué)科。生物信息學(xué)運用開發(fā)和使用的先進(jìn)信息學(xué)工具，把生物、醫(yī)學(xué)、行為和健康數(shù)據(jù)，經(jīng)過采集、存儲、整理、集成、分析和挖掘等一系列工作，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息及知識，從而發(fā)現(xiàn)生命科學(xué)新見解，創(chuàng)建一個全局的視角重新認(rèn)知生命科學(xué)的原則，以此來解決生物醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)方面的問題[1]。特別是隨著測序成本的大幅度降低，由此產(chǎn)生的大規(guī)?；蚪M數(shù)據(jù)，開啟了后基因組時代研究的新局面，從而給生命科學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域帶來了天翻地覆的變化。通過生物信息學(xué)手段在分子生物學(xué)、個性化醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)等領(lǐng)域獲得的海量信息，用于預(yù)防、診斷、治療遺傳性等疾病，設(shè)計新的藥物和疫苗，大大縮短了新藥開發(fā)周期[2]，可以說基于生物信息學(xué)研究的方法有可能徹底改變21世紀(jì)生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究

模式。

隨著各類市場和學(xué)術(shù)研究單位對生物信息學(xué)專業(yè)人才的需求不斷增長[3]，對該專業(yè)的本科與研究生的培養(yǎng)迫在眉睫。本科院校普遍認(rèn)識到建立此類課程的重要性，各大專院校開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)的意愿日益增強(qiáng)。

二、國內(nèi)外高校專業(yè)與課程對比分析

通過對國外十所開設(shè)生物信息學(xué)或計算生物學(xué)專業(yè)的高校的學(xué)位課程和培養(yǎng)模式進(jìn)行調(diào)研，對主要的課程模塊及課程設(shè)置以及國內(nèi)外高校生物信息學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在基礎(chǔ)課程的設(shè)置上，這些院校主要包含生物學(xué)、化學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)及統(tǒng)計概率、計算機(jī)科學(xué)、算法及編程這幾個方面的課程，少數(shù)高校還設(shè)置了豐富的物理課程；在學(xué)分分配上，生物學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)幾個分類項的比例比較均衡（大致13～20學(xué)分）；在生物信息學(xué)專業(yè)課程的開設(shè)方面，各校側(cè)重點各有不同，特色比較鮮明，兼顧學(xué)科和教師

特點。

國外高?；瘜W(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)置比例總體高于國內(nèi)高校，說明國外高校的培養(yǎng)體系對于學(xué)科的基礎(chǔ)知識還是相當(dāng)重視的。生物信息學(xué)應(yīng)用方面開設(shè)很多課程，側(cè)重點各有不同，除了基礎(chǔ)課程外，國外大學(xué)在進(jìn)階課程的設(shè)置上更加靈活，除了生物信息、算法、編程、數(shù)據(jù)庫等相關(guān)的生物信息技術(shù)，會設(shè)置一系列的選修課程供學(xué)生自由選擇；培養(yǎng)模式除了講授課程以外，還提供更多的項目實踐，一些課程通過完成完整的課題考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，值得國內(nèi)高校借鑒；本科生在前兩年需要學(xué)習(xí)大量基礎(chǔ)課程，之后才會接觸到生物信息學(xué)理論、技術(shù)前沿、生物信息學(xué)應(yīng)用的課程。

從目前國內(nèi)外高校的現(xiàn)狀來看，生物信息學(xué)納入現(xiàn)有本科專業(yè)課程存在三種情況。

第一種是將生物信息學(xué)的觀念“注入”到現(xiàn)有課程。例如，幾乎所有生命科學(xué)專業(yè)的遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和生物化學(xué)課程主要討論基因圖譜、突變、基因表達(dá)、遺傳疾病、生化途徑以及核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，生物信息學(xué)方法和數(shù)據(jù)庫與這些概念密切相關(guān)，可以很容易地集成到這些課程中，可見生物信息學(xué)已成為現(xiàn)代生命科學(xué)的重要組成部分[4-6]。

第二種是將生物信息學(xué)作為跨學(xué)科之間的“銜接課程”。例如，一個分子序列的比較或者一個蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)可以連接到一個計算機(jī)程序設(shè)計課程，作為計算機(jī)程序在生物學(xué)應(yīng)用中的一個切入點。這個做法的出發(fā)點是生物學(xué)問題，但解決方案是計算機(jī)程序，這就完成了跨學(xué)科知識的整合。也可以作為大學(xué)生的創(chuàng)新項目，鼓勵學(xué)生組建生物和計算機(jī)科學(xué)的團(tuán)隊，實現(xiàn)跨學(xué)院之間合作。

第三種是創(chuàng)建一套完整的生物信息學(xué)專業(yè)課程體系，打破原有學(xué)科的設(shè)置，精心設(shè)計新的核心課程，培養(yǎng)學(xué)生運用綜合知識和技能來解決實際的生物學(xué)問題。

這幾種模式在學(xué)科發(fā)展的不同階段，結(jié)合各個學(xué)院不同情況，可以同時并存，目的是解決學(xué)術(shù)和市場的人才需求問題。

三、生物信息學(xué)專業(yè)本科課程的體系設(shè)置——以同濟(jì)大學(xué)為例

同濟(jì)大學(xué)一直非常注重跨學(xué)科人才的培養(yǎng)和教育，除了在科研上對跨學(xué)科之間的研究有專項支持，在本科生的創(chuàng)新實踐培養(yǎng)方面也有相應(yīng)措施進(jìn)行鼓勵?？鐚W(xué)科之間的交流非常頻繁。

作為國內(nèi)最早開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)的本科院校，同濟(jì)大學(xué)的生物信息學(xué)本科教育旨在打造以生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)為根基的跨學(xué)科專業(yè)。在課程設(shè)置上，第一年學(xué)生以公共基礎(chǔ)課為主，課程包括生物學(xué)基礎(chǔ)課、基礎(chǔ)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)、物理、高等數(shù)學(xué)和計算機(jī)編程，大部分科目都配備相應(yīng)的實驗與實踐。目的是把理論課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，迅速應(yīng)用到實際問題的解決上，以提高學(xué)生解決問題和數(shù)據(jù)分析的能力。

第二年開始，學(xué)生進(jìn)入以專業(yè)基礎(chǔ)課為主的學(xué)習(xí)過程中，課程涵蓋三大核心內(nèi)容，生物類（生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和生理學(xué)）、數(shù)學(xué)（概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值方法與計算機(jī)算法、線性代數(shù)）、計算機(jī)科學(xué)和生物信息學(xué)基礎(chǔ)（生物信息學(xué)、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識、現(xiàn)代生物計算環(huán)境），另外還配備大量的選修課程（計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、分子進(jìn)化、表觀遺傳學(xué)、干細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、藥學(xué)基礎(chǔ)），鼓勵學(xué)生根據(jù)興趣和將來的工作需求選擇相應(yīng)的課程。時間上也比較靈活，從第二年到第四年根據(jù)自己的時間安排提供開放選擇。

第三年主要以專業(yè)課程為主，主要開始學(xué)習(xí)計算基因組學(xué)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、生物信息學(xué)算法與實踐、機(jī)器學(xué)習(xí)理論與方法等課程。內(nèi)容涵蓋最新課題、涉及主要研究項目的設(shè)計、計算機(jī)工具和數(shù)據(jù)庫方面的理論和實踐內(nèi)容。大三年主要訓(xùn)練學(xué)生將化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和生命科學(xué)等不同學(xué)科的知識和技能整合起來，使學(xué)生意識到生物信息學(xué)科發(fā)展的必然性，進(jìn)一步學(xué)習(xí)如何運用生物信息學(xué)的理論和工具來解決關(guān)鍵的生物學(xué)問題，并嘗試應(yīng)用所學(xué)到的理論和技能來尋求解決方案，管理和分析各種生物數(shù)據(jù)和大型高通量數(shù)據(jù)集。

大學(xué)的第四年，學(xué)生在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，完成以創(chuàng)新研究為導(dǎo)向的本科畢業(yè)論文。學(xué)生將使用生物信息學(xué)的計算方法，開發(fā)新的程序或數(shù)據(jù)庫，然后對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，最終形成一個相對獨立的成果。除了選擇在本學(xué)院開展創(chuàng)新研究以外，學(xué)生還獲得跨學(xué)院和跨學(xué)校的研究機(jī)會，應(yīng)用跨學(xué)科的知識有效解決實際問題。生物信息學(xué)教師鼓勵本科生參與導(dǎo)師的研究項目，體驗跨學(xué)科之間的協(xié)助研究，掌握最新的技術(shù)來適應(yīng)就業(yè)和后續(xù)的研究生教育。

同濟(jì)大學(xué)具有良好的跨學(xué)科研究氛圍，幾乎每個導(dǎo)師都有大量跨學(xué)科的研究項目。通常情況下，生物信息學(xué)本科生從大二學(xué)年開始直到畢業(yè)都有機(jī)會參與導(dǎo)師的研究項目，也有大量的機(jī)會參加校內(nèi)外組織的國際國內(nèi)的會議。近年來，生物信息學(xué)教師和學(xué)生以共同作者的名義發(fā)表了許多研究性文章。除了在校園里的研究機(jī)會，學(xué)校同樣鼓勵學(xué)生們到校外的實習(xí)基地開展研究工作，這些學(xué)生同樣得到校外實習(xí)基地的廣泛歡迎，這些經(jīng)歷對他們后期的研究和工作生涯有很大的幫助。

經(jīng)過培養(yǎng)的同濟(jì)大學(xué)生物信息學(xué)本科畢業(yè)生，已經(jīng)能夠?qū)⒅R廣度和深度與研究經(jīng)歷相結(jié)合，學(xué)生發(fā)展的空間也得到了很好的提升，可以進(jìn)一步追求更大的發(fā)展。眾多知名大學(xué)非常樂意接收同濟(jì)大學(xué)生物信息學(xué)本科畢業(yè)生來攻碩士或博士學(xué)位；也可以根據(jù)自己的興趣在醫(yī)藥、生物產(chǎn)業(yè)或互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展自己的職業(yè)生涯。

同濟(jì)大學(xué)生物信息學(xué)課程在生命科學(xué)和計算機(jī)編程培訓(xùn)方面力求均衡，同時也給予發(fā)展各自興趣特長的空間。比如有些學(xué)生對分子生物學(xué)更感興趣，他們傾向于選修更多與興趣有關(guān)生物類選修課程；可能另一些學(xué)生更喜歡計算機(jī)編程，在成為訓(xùn)練有素的計算機(jī)科學(xué)學(xué)生的同時，這些學(xué)生所具有的優(yōu)勢是能夠與從事“濕實驗”的科學(xué)家密切合作，能夠更好地理解實驗工作者的需求，更加順利地合作完成相關(guān)的研究項目。在過去的10余年的時間里，同濟(jì)大學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)課程的設(shè)置為每個畢業(yè)生建立一個平衡的技能，也給予他們可以在任何一個方向得以繼續(xù)發(fā)展所要求的知識背景。

本科生如何在有限的時間內(nèi)完成跨學(xué)科的知識儲備，這是一個很大的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計一套完善的整合性跨學(xué)科課程，為學(xué)生今后的職業(yè)和科研做好充足的準(zhǔn)備。同濟(jì)大學(xué)作為首批可以授予生物信息學(xué)本科學(xué)士學(xué)位的院校，通過這些年的發(fā)展歷程，已經(jīng)創(chuàng)建了一整套生物信息學(xué)本科課程體系，通過注入生物信息學(xué)概念，將其融入現(xiàn)有課程，同時也發(fā)展了一批特色核心課程，幫助生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生更好發(fā)展。但是生物信息學(xué)專業(yè)課程仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，與其他傳統(tǒng)的學(xué)科相比，生物信息學(xué)是一門年輕的科學(xué)，伴隨著生物信息學(xué)理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，使得這門學(xué)科的外延和內(nèi)涵也在不斷地發(fā)生著變化，所以本科課程的設(shè)置和內(nèi)容都必須及時進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不斷發(fā)展的新技術(shù)新概念的需求，為畢業(yè)生做好今后科研和就業(yè)的準(zhǔn)備。

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[項目資助：國家自然科學(xué)基金（81573023），

同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革項目（2000104061）]

[責(zé)任編輯：余大品]