生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

邢永強(qiáng),劉國(guó)慶,蔡 祿*

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)功能基因組生物信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

生物信息學(xué)(Bioinformatics)是生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、信息學(xué)以及物理學(xué)等學(xué)科相互交叉融合而形成的一門新興學(xué)科。它的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲(chǔ)、檢索與分析，去挖掘數(shù)據(jù)背后所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義，并服務(wù)于人類健康等領(lǐng)域。隨著后基因組時(shí)代組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，生成了海量的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生物學(xué)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的需求驅(qū)動(dòng)著生物信息學(xué)快速發(fā)展期的到來(lái)[1-4]。

2010年以來(lái)，隨著測(cè)序成本的反摩爾定律式下降，RNA-seq、CHiP-seq、HiC等組學(xué)研究手段已走進(jìn)了“千家萬(wàn)戶”?！?018年中國(guó)基因測(cè)序行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)》顯示2018年全國(guó)共有617家基因測(cè)序服務(wù)機(jī)構(gòu)，基因測(cè)序市場(chǎng)規(guī)模約為94億元，占全球基因測(cè)序市場(chǎng)份額的12.24%，預(yù)計(jì)2019年將超過(guò)100億元。大量組學(xué)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生推動(dòng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳播、數(shù)據(jù)分析、模型建立、工具開(kāi)發(fā)等生物信息學(xué)方向的加速發(fā)展。相應(yīng)地，就業(yè)市場(chǎng)對(duì)生物信息學(xué)人才的需求也持續(xù)增長(zhǎng)。全球最頂尖管理咨詢公司McKinsey報(bào)告顯示，2018年利用大數(shù)據(jù)做決策的人才崗位缺口達(dá)150萬(wàn)。充分顯示了加強(qiáng)生物信息學(xué)學(xué)科建設(shè)、培養(yǎng)相關(guān)人才的緊迫性。與此同時(shí)，生物信息學(xué)人才的就業(yè)市場(chǎng)呈樂(lè)觀向好態(tài)勢(shì)。《2019高校應(yīng)屆生專業(yè)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力觀察報(bào)告》顯示生物信息學(xué)專業(yè)位列“2019高校應(yīng)屆生專業(yè)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力“第六位”；位列“2019年平均起薪最高的15個(gè)本科專業(yè)”之一(第14位)。人才的持續(xù)輸入是生物信息學(xué)持續(xù)快速發(fā)展的基本條件，而系統(tǒng)的生物信息學(xué)本科教育體系的建立是培養(yǎng)生物信息學(xué)人才的搖籃。本文系統(tǒng)分析了國(guó)際、國(guó)內(nèi)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)的生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀，并探討了內(nèi)蒙古科技大學(xué)的生物信息學(xué)專業(yè)建設(shè)思路。

1 國(guó)內(nèi)外生物信息學(xué)本科教育現(xiàn)狀

生物信息學(xué)是迅猛發(fā)展的新興交叉學(xué)科。生物信息學(xué)本科專業(yè)是我國(guó)《普通高校本科專業(yè)目錄( 2012年) 》中生物科學(xué)大類下屬的四大專業(yè)之一(其它三個(gè)：生物技術(shù)、生命科學(xué)、生態(tài)學(xué))，可授予理學(xué)或工學(xué)學(xué)士學(xué)位。目前，大多數(shù)生物信息學(xué)研究人員來(lái)自計(jì)算機(jī)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，本科教育背景并非生物信息學(xué)專業(yè)。本科-碩士-博士完整的生物信息學(xué)人才培養(yǎng)體系的建立和發(fā)展壯大是該學(xué)科可持續(xù)發(fā)展的根本保證。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外生物信息學(xué)人才的培養(yǎng)多數(shù)是從研究生階段開(kāi)始。生物信息學(xué)本科教育的發(fā)展是生物信息學(xué)人才質(zhì)量和數(shù)量持續(xù)輸出的基本條件[5-6]。目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)的生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)仍處于起始階段。通過(guò)查詢北美學(xué)校指南(Petersons Guide)和中國(guó)高考志愿填報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析了北美和中國(guó)的生物信息學(xué)本科專業(yè)教育現(xiàn)狀(見(jiàn)圖1)。美國(guó)本土51個(gè)州共有65所高校開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)；加拿大13個(gè)省共有9所高校開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)。美國(guó)的加利福尼亞州、馬薩諸塞州、賓夕法尼亞州、紐約州、新澤西州開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的高校數(shù)量位列前五(見(jiàn)圖1a)。顯然，這五個(gè)州都具有經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、高校云集等特征，反映出生物信息學(xué)專業(yè)的開(kāi)設(shè)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，也是高等教育發(fā)展為社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)的體現(xiàn)。2019年，我國(guó)大陸地區(qū)31個(gè)省級(jí)行政區(qū)中共有40所高校開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)(不包括高考錄取時(shí)為其他專業(yè)，但入學(xué)后的研究方向?yàn)樯镄畔W(xué))，且具備高考招生資格，數(shù)量明顯少于北美地區(qū)，有超過(guò)1/3的省級(jí)行政區(qū)未開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)(見(jiàn)圖1b)。江蘇省、河北省、湖北省、廣東省、福建省開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的高校數(shù)量位列前五?？梢钥闯?，我國(guó)該專業(yè)的建設(shè)與地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和教育的發(fā)展水平不嚴(yán)格成正比，折射出國(guó)內(nèi)的生物信息學(xué)專業(yè)建設(shè)仍處在探索階段。

為深度剖析我國(guó)生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)的現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了我國(guó)生物信息學(xué)專業(yè)所屬的院校類型和高校層次特征(見(jiàn)圖2)。從院校類型來(lái)看，綜合類院校占比最高(42.5%)、其次分別是醫(yī)藥類(25%)、理工類(20%)和農(nóng)林類(12.5%)。綜合類和理工類院校已具備完備的生命科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)課程體系，為生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)過(guò)程中的生物學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)提供了極大便利。因此，綜合類和理工類院校開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的難度較低，圖2(a)中綜合型和理工類院校的高占比特征也映證了這一特點(diǎn)。生物信息學(xué)是一門工具性學(xué)科，醫(yī)藥類和農(nóng)林類院校開(kāi)設(shè)該專業(yè)，可以有機(jī)的與本校的主流學(xué)科融合，制定出更加符合學(xué)校特色的培養(yǎng)方案，并培養(yǎng)出獨(dú)具特色的生物信息學(xué)人才。哈爾濱醫(yī)科大學(xué)作為醫(yī)藥類高校開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)的代表，是國(guó)內(nèi)最早招收生物信息學(xué)本科生的高校之一，依托學(xué)校的醫(yī)學(xué)特色，打造了獨(dú)具特色的生物信息學(xué)教育體系，已成為國(guó)內(nèi)生物信息學(xué)本科教育的樣板。作為農(nóng)林類高校開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)的代表，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)依托學(xué)校農(nóng)業(yè)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)學(xué)科平臺(tái)，以國(guó)家亟待解決的水稻等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生物學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向，形成了一支具有農(nóng)業(yè)特色的生物信息學(xué)教師隊(duì)伍，并為社會(huì)持續(xù)輸出了生物信息學(xué)領(lǐng)域的高質(zhì)量本科人才。需要指出的是，由于中美高等院校教育理念、教育體制、培養(yǎng)模式等差異，美國(guó)開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的65所高等院校中綜合類和理工類分別為55所和10所。

從高校層次來(lái)看，普通高校開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的占比最高(70%)、其次是同時(shí)入選985和211工程院校(20%)和僅入選211工程院校(10%)。目前，雖然包括同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、蘭州大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、鄭州大學(xué)、天津醫(yī)科大學(xué)在內(nèi)共12所入選985或211工程的優(yōu)質(zhì)院校開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)，但普通高校仍是興辦生物信息學(xué)本科專業(yè)的主力軍。需要指出：12所入選985或211工程的優(yōu)質(zhì)院校中有9所院校入選雙一流建設(shè)高校。再一次影射出我國(guó)的生物信息學(xué)本科教育仍處在初級(jí)階段。

圖1 美國(guó)和中國(guó)開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的高校數(shù)量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of the number of universities in United Statesand China setting up undergraduate programs in bioinformatics

從院校的辦學(xué)類型來(lái)看，開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)院校中95%為普通本科院校，獨(dú)立學(xué)院(安徽大學(xué)江淮學(xué)院)和中外合作辦學(xué)(西交利物浦大學(xué))分別占2.5%。隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的實(shí)施，與“一帶一路”沿線國(guó)家的多領(lǐng)域合作日趨成熟，可以“借此東風(fēng)”，嘗試擴(kuò)大生物信息學(xué)等學(xué)科的中外合作辦學(xué)規(guī)模，從而進(jìn)一步提升我國(guó)基礎(chǔ)教育體系的質(zhì)量。

未來(lái)，在中國(guó)生命科學(xué)研究的不斷進(jìn)步和基因測(cè)序行業(yè)上、中、下游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展等因素的推動(dòng)下，對(duì)生物信息學(xué)人才的需求將不斷攀升，這將驅(qū)動(dòng)更多的優(yōu)質(zhì)院校加入到生物信息學(xué)本科人才培養(yǎng)隊(duì)伍中。

圖2 我國(guó)生物信息學(xué)專業(yè)的院校類型和高校層次特征Fig.2 Types and levels of Universities setting up undergraduate programs in bioinformatics in China

2 內(nèi)蒙古自治區(qū)生物信息學(xué)本科教育現(xiàn)狀

自1980s年代，在羅遼復(fù)先生的帶領(lǐng)下內(nèi)蒙古自治區(qū)的科研人員已開(kāi)展了30余年的生物信息研究工作，形成了一支發(fā)祥早、研究特色鮮明、科研能力扎實(shí)的生物信息學(xué)研究隊(duì)伍，并為國(guó)家培養(yǎng)了一批生物信息學(xué)人才[7]。然而，由于內(nèi)蒙古自治區(qū)的地理位置偏遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后、沿海地區(qū)等一線城市優(yōu)越的待遇等因素的影響，2010年以來(lái)內(nèi)蒙古自治區(qū)的生物信息學(xué)發(fā)展遇到了瓶頸問(wèn)題-缺乏人才。一方面，生物信息學(xué)研究生招生數(shù)量和質(zhì)量逐年下降；另一方面，很難引進(jìn)自治區(qū)外高質(zhì)量的生物信息學(xué)人才。人才的缺乏阻礙了內(nèi)蒙古自治區(qū)生物信息的快速發(fā)展，使得近幾年內(nèi)蒙古自治區(qū)的生物信息學(xué)研究水平呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。破解這一難題的有效辦法之一是開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)，為研究生教育提供充足的優(yōu)質(zhì)生源，進(jìn)而暢通生物信息學(xué)人才培養(yǎng)通道，推動(dòng)自治區(qū)生物信息學(xué)的快速發(fā)展。

生物信息學(xué)本科專業(yè)的開(kāi)設(shè)需要依托完備的生命科學(xué)課程體系，才能保證學(xué)生掌握扎實(shí)的分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)等生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)等高校的生物信息學(xué)研究小組均依托物理學(xué)院組建，不具備開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的條件。截至2018年，內(nèi)蒙古自治區(qū)仍沒(méi)有生物信息學(xué)本科專業(yè)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)的生物信息學(xué)研究隊(duì)伍隸屬于生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，研究人員均有扎實(shí)的生物信息學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的科研能力。該學(xué)院已成功開(kāi)設(shè)了生物技術(shù)、生物工程、食品科學(xué)與工程三個(gè)本科專業(yè)，具備開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的基礎(chǔ)條件。調(diào)查該學(xué)院已有本科專業(yè)在全國(guó)高校的開(kāi)設(shè)情況顯示：356所院校開(kāi)設(shè)了生物技術(shù)專業(yè)；328所院校開(kāi)設(shè)了生物工程專業(yè)；319所院校開(kāi)設(shè)了食品科學(xué)與工程專業(yè)(見(jiàn)圖3)。相比之下，只有40所院校開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的現(xiàn)狀則體現(xiàn)了我國(guó)生物信息本科教育剛剛開(kāi)始，該專業(yè)的學(xué)生有著很大的發(fā)展前景和就業(yè)市場(chǎng)。鑒于此，2018年內(nèi)蒙古科技大學(xué)申報(bào)了內(nèi)蒙古自治區(qū)的首個(gè)生物信息學(xué)本科專業(yè)，并于2019年4月順利獲得教育部批準(zhǔn)成立。

3 內(nèi)蒙古科技大學(xué)生物信息學(xué)本科專業(yè)建設(shè)規(guī)劃

2019年9月內(nèi)蒙古科技大學(xué)招收了生物信息學(xué)專業(yè)的第一屆本科生。擬定了“立足內(nèi)蒙古，面向全國(guó)，培養(yǎng)具有人文科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)道德和一定的生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握扎實(shí)的生物信息學(xué)理論與算法，具備較強(qiáng)的編程與數(shù)據(jù)分析實(shí)踐能力，適應(yīng)國(guó)家與地區(qū)生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。人才培養(yǎng)方案是培養(yǎng)人才的頂層設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的書面保證，更是教師開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的依據(jù)和建立專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的載體。我們將以培養(yǎng)方案的修訂為抓手，結(jié)合國(guó)家和自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，以及學(xué)校的學(xué)科建設(shè)定位，建設(shè)我校生物信息本科專業(yè)[8-9]。具體講，主要通過(guò)以下五個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施完成。

圖3 生物技術(shù)等本科專業(yè)在全國(guó)高等院校的開(kāi)設(shè)情況Fig.3 Status of biotechnology and other undergraduateprograms in Universities of China

(1) 專業(yè)特色與方向的進(jìn)一步凝煉 結(jié)合國(guó)家和內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，以及學(xué)校的學(xué)科建設(shè)定位，進(jìn)一步凝煉我校生物信息專業(yè)的特色與方向?qū)⑹巧镄畔W(xué)本科專業(yè)建設(shè)的首要任務(wù)。

(2)課程體系建設(shè) 課程體系建設(shè)是保證本科教學(xué)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。擬基于凝煉的專業(yè)特色和方向建立一套既能發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)、又適應(yīng)國(guó)家和自治區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的課程體系。為培養(yǎng)具備扎實(shí)的生物信息學(xué)理論知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力的復(fù)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)提供課程體系和知識(shí)結(jié)構(gòu)上的保障。課程體系的建立同時(shí)要考慮充分發(fā)揮學(xué)院生命科學(xué)領(lǐng)域師資力量?jī)?yōu)勢(shì)，夯實(shí)學(xué)生的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)[10-11]。

(3) 師資隊(duì)伍建設(shè) 完備的師資隊(duì)伍是培養(yǎng)方案貫徹實(shí)施的保證。擬立足生物信息學(xué)專業(yè)建設(shè)，依托自治區(qū)功能基因組生物信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)3-5名品德優(yōu)良、有一定學(xué)術(shù)造詣，理論知識(shí)廣博，科技創(chuàng)新、協(xié)調(diào)協(xié)作能力突出，學(xué)術(shù)視野開(kāi)闊的生物信息學(xué)人才；立足已有教師隊(duì)伍，采用送出去的等方式培養(yǎng)1-2名自治區(qū)乃至全國(guó)有一定影響的教學(xué)或?qū)W術(shù)帶頭人；培養(yǎng)一支知識(shí)、年齡、職稱結(jié)構(gòu)合理，充滿活力，勇于創(chuàng)新，愛(ài)崗敬業(yè)，團(tuán)結(jié)協(xié)作的師資隊(duì)伍。

(4) 教學(xué)平臺(tái)的搭建 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建是正常開(kāi)展本科教學(xué)和保證教學(xué)質(zhì)量的前提條件，也是達(dá)成人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。生物信息學(xué)專業(yè)能力的培養(yǎng)極大的依賴計(jì)算機(jī)能力的提高，計(jì)算機(jī)機(jī)房的作用凸顯。為培養(yǎng)生物信息學(xué)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)挖掘方面的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，需大力推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)基地和機(jī)房建設(shè)。在未來(lái)專業(yè)建設(shè)過(guò)程中，首要解決的問(wèn)題是建立2個(gè)用于開(kāi)展本科生日常教學(xué)工作的計(jì)算機(jī)機(jī)房及一個(gè)高性能服務(wù)器機(jī)房。同時(shí)，完善分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)室等濕實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

(5) 開(kāi)拓實(shí)習(xí)基地和就業(yè)市場(chǎng) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)是提高學(xué)生動(dòng)手能力的重要方式之一。我們將積極與生物醫(yī)藥企業(yè)、測(cè)序公司、大數(shù)據(jù)分析中心等開(kāi)展合作，建立實(shí)習(xí)基地。穩(wěn)定的就業(yè)率是專業(yè)生存的必要條件。生物信息學(xué)專業(yè)的第一屆本科生將于2023年迎來(lái)畢業(yè)季。我們將通過(guò)走訪測(cè)序公司、大數(shù)據(jù)相關(guān)企業(yè)等方式為學(xué)生開(kāi)拓就業(yè)市場(chǎng)。

4 展 望

生物信息學(xué)研究始于1960s年代Dayhoff等開(kāi)展的蛋白質(zhì)一級(jí)序列研究；隨著1970s年代Sanger雙脫氧鏈終止法的應(yīng)用，核酸序列的生物信息學(xué)研究拉開(kāi)了序幕；1980s年代后，計(jì)算機(jī)的進(jìn)步推動(dòng)了生物信息學(xué)的快速發(fā)展；隨著基因組時(shí)代的到來(lái)和組學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物信息學(xué)歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)終于進(jìn)入了快速發(fā)展期。未來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，生物信息學(xué)將繼續(xù)沿著發(fā)展快車道前進(jìn)；生物信息學(xué)與實(shí)驗(yàn)生物學(xué)的融合必將更加緊密；生物信息學(xué)人才的需求將會(huì)不斷擴(kuò)大。為適應(yīng)人才市場(chǎng)的需求，預(yù)計(jì)越來(lái)越多的高等院校將加入到中國(guó)的生物信息學(xué)本科教育事業(yè)。