生物信息專業(yè)課程體系的構(gòu)建及優(yōu)化

趙文珊 施玉華 吳亞紅

摘要：隨著社會的不斷發(fā)展，生物信息學(xué)已經(jīng)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及藥學(xué)等多個學(xué)科表現(xiàn)出了強大的作用，在解決重大科學(xué)問題和社會需求方面尤為突出，生物信息學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)至關(guān)重要。培養(yǎng)具有生物信息學(xué)專業(yè)技能又適合社會發(fā)展的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為當務(wù)之急。進一步深化生物信息課程的改革，構(gòu)建并優(yōu)化生物信息專業(yè)課程體系，對于推進基礎(chǔ)知識的應(yīng)用及拓展本科生的視野至關(guān)重要?；谌娴纳飳W(xué)、計算機信息科學(xué)和生物信息學(xué)方面的課程配置，通過優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)和實習(xí)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了合理的實習(xí)體系，并優(yōu)化實習(xí)的結(jié)構(gòu)，逐步加強學(xué)生對于專業(yè)的認知深度，意識到所學(xué)專業(yè)在國家需求和行業(yè)需求中的作用，合理規(guī)劃自己的職業(yè)生涯。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)? 課程體系? 計算機信息科學(xué)? 實習(xí)

中圖分類號：Q811.4-4;G643? ? 文獻標識碼：A

Abstract：With the continuous development of society， bioinformatics has shown an important role in biology， medicine and pharmacy， particularly prominent in solving major scientific issues and social needs. The cultivation of bioinformatics professionals is crucial， and it has become a top priority to cultivate compound talents with professional skills in bioinformatics who are suitable for social development. Further deepening the reform of bioinformatics curriculum， and building and optimizing the curriculum system of bioinformatics are essential to promote the application of basic knowledge and broaden the perspective of undergraduate students. Based on the comprehensive curriculum configuration of biology， computer information science and bioinformatics， a reasonable practice system is constructed by optimizing the experimental link and the practice link， and the structure of the practice is optimized， so as to gradually strengthens students' cognitive of the specialty， realizing the role of the major in the needs of the country and the industry? and plan their career reasonably.

Key Words：Bioinformatics; Curriculum system; Computer information science; Internship;

隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，生物信息學(xué)飛速發(fā)展，逐步滲透進了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、制藥及農(nóng)業(yè)等多種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域[1]。生物信息學(xué)在數(shù)據(jù)的獲取與挖掘、生物軟件的開發(fā)與應(yīng)用、生物數(shù)據(jù)庫的建立與管理等方面具有交叉學(xué)科綜合優(yōu)勢，在“精準醫(yī)學(xué)”的時代，以生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)研究為核心的生物信息學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代重大疾病研究的核心力量，生物信息學(xué)已經(jīng)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及藥學(xué)等多個學(xué)科表現(xiàn)出了強大的作用[2]，在解決重大科學(xué)問題和社會需求方面尤為突出。目前，對于生物信息學(xué)人才的需求缺口越來越大，而生物信息學(xué)人才匱乏，已成為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及制藥生物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展的一個瓶頸[3]。因此，培養(yǎng)具有生物信息學(xué)專業(yè)技能又適合社會發(fā)展的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為當務(wù)之急，這就要求進一步優(yōu)化生物信息學(xué)專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)具有創(chuàng)造力的高端人才[4]。目前，生物信息學(xué)方面人才的培養(yǎng)已經(jīng)在中學(xué)進行了探索和嘗試[5]。生命科學(xué)學(xué)院生物信息學(xué)專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生需要具有扎實的生命科學(xué)理論基礎(chǔ)和計算機技術(shù)，系統(tǒng)的生物信息學(xué)方法和實驗技能，適應(yīng)生命科學(xué)領(lǐng)域與生物信息學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，爭取成為在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及創(chuàng)新藥物設(shè)計等相關(guān)領(lǐng)域從事教學(xué)、科研、技術(shù)開發(fā)和管理等工作的復(fù)合型人才。

1 生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的設(shè)置

生物信息學(xué)的主干學(xué)科包含了生物學(xué)、計算機信息科學(xué)和生物信息學(xué)。本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)數(shù)理科學(xué)、計算機科學(xué)、生命科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等方面的基本理論和基礎(chǔ)知識，接受生物信息學(xué)理論與應(yīng)用研究的科學(xué)思維培養(yǎng)和基本技能訓(xùn)練，具有一定的生物信息處理和研發(fā)能力[6]。作為一個交叉學(xué)科，生物信息學(xué)對各個分屬的領(lǐng)域具有較高的要求，學(xué)生需要掌握各個學(xué)科的基礎(chǔ)知識，才能獲得更好的教學(xué)成果[7]。這就要求對生物信息學(xué)本科的課程進行合理的設(shè)置，以期更好的引領(lǐng)學(xué)生掌握更多的知識。生命科學(xué)學(xué)院在生物信息學(xué)專業(yè)課程設(shè)置方面，除了專業(yè)公修課之外，通過多年的探索，專業(yè)課主要針對3個方向進行，其中主要包括生物學(xué)基礎(chǔ)課程、計算機信息科學(xué)基礎(chǔ)課程和生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程。

1.1 生物學(xué)基礎(chǔ)課程

生物學(xué)是生物信息學(xué)的基礎(chǔ)，旨在向?qū)W生傳授基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，讓學(xué)生掌握生物學(xué)主要包含的學(xué)科。生物學(xué)基礎(chǔ)方面，主要課程涵蓋了植物生物學(xué)、動物生物學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、生物統(tǒng)計學(xué)等。生物信息學(xué)的主要目的是使用計算的手段解決生命科學(xué)的問題，這就要求生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生充分掌握生物學(xué)各個方面的基礎(chǔ)知識，這些課程是生物學(xué)課程的基礎(chǔ)，旨在從宏觀層面到微觀層面提高學(xué)生對于生物學(xué)的認知，引導(dǎo)學(xué)生在各個不同領(lǐng)域的興趣，為學(xué)生從事生命科學(xué)各個基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域的工作奠定基礎(chǔ)。

1.2 計算機信息科學(xué)基礎(chǔ)課程

本部分課程的主要目的是讓學(xué)生充分掌握計算機語言，以更好地利用計算機解決生物學(xué)問題。計算機信息科學(xué)的課程設(shè)置方面，涵蓋了計算生物學(xué)、LINUX操作系統(tǒng)、R語言、Python編程語言、計算生物學(xué)、數(shù)據(jù)庫原理及Perl語言等；生物信息學(xué)的目的是采用計算科學(xué)的手段來解決生物學(xué)的問題，這就要求學(xué)生掌握扎實的計算機信息科學(xué)基礎(chǔ)，熟練地運用計算機來處理和分析數(shù)據(jù)。隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展，各種類型的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫持續(xù)更新，數(shù)據(jù)量不斷被擴充，這就要求學(xué)生熟練掌握計算機編程的技術(shù)，使用計算機腳本在高功率的計算機集群中進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析和處理。

1.3 生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程

生物信息學(xué)方面涵蓋了生物信息學(xué)導(dǎo)論、基因組學(xué)、藥物信息學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和大數(shù)據(jù)挖掘等。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨和測序技術(shù)的不斷進步，目前的測序已經(jīng)發(fā)展到了單細胞測序，基因組、蛋白組及轉(zhuǎn)錄組等的數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)庫更加充實[2]，這就要求學(xué)生進一步掌握生物信息學(xué)的未來發(fā)展方向，了解生物信息學(xué)專業(yè)的發(fā)展目標。這部分課程設(shè)置的目的主要是為了讓學(xué)生從多個層面了解到生物信息學(xué)的發(fā)展歷史和應(yīng)用范圍，為以后學(xué)生進行科學(xué)研究和職業(yè)規(guī)劃指明方向。

2 生物信息學(xué)專業(yè)實踐環(huán)節(jié)

作為一個新興的學(xué)科，與傳統(tǒng)的生物學(xué)學(xué)科不同，生物信息學(xué)專業(yè)發(fā)展迅速，知識體系更新較快，學(xué)生除了掌握生物學(xué)和計算科學(xué)的基礎(chǔ)知識以外，還需要進一步提升自身的學(xué)習(xí)能力和批判性思維能力，這就要求課程設(shè)置過程中充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。生物信息學(xué)是一個交叉學(xué)科，在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，一方面需要學(xué)生掌握基本的生物學(xué)專業(yè)知識，另一方面，需要學(xué)生掌握計算生物學(xué)的知識。對于學(xué)生來說，學(xué)習(xí)任務(wù)相對繁重，在這個前提下，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)掌握大量知識點，成為教學(xué)的難點，這就督促進一步完善生物信息學(xué)專業(yè)本科生的培養(yǎng)模式，引導(dǎo)學(xué)生意識到專業(yè)的發(fā)展前景和就業(yè)前景，在教學(xué)過程中，注意教學(xué)和實踐的有效結(jié)合，幫助學(xué)生更好地認識專業(yè)性質(zhì)[8]。鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物信息學(xué)系在逐步完善課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加實踐教學(xué)部分，主要包括實驗環(huán)節(jié)和實習(xí)環(huán)節(jié)。

2.1 生物學(xué)和計算機信息科學(xué)基礎(chǔ)實驗

實驗環(huán)節(jié)為生物學(xué)基礎(chǔ)實驗及計算機信息科學(xué)部分課程對應(yīng)的上機實驗，其中生物學(xué)基礎(chǔ)實驗主要包含了動物生物學(xué)實驗、基礎(chǔ)生物化學(xué)實驗、遺傳學(xué)實驗、細胞生物學(xué)實驗、分子生物學(xué)綜合實驗等，在于培養(yǎng)生物信息學(xué)專業(yè)本科生在生物學(xué)實驗中的基本操作能力，掌握基礎(chǔ)生物學(xué)實驗的基本原理，熟悉生物學(xué)實驗技能。計算機科學(xué)基礎(chǔ)實驗主要是針對計算機操作系統(tǒng)和各種不同的語言，在授課的過程中添加上機部分，指導(dǎo)學(xué)生充分掌握所學(xué)的內(nèi)容，熟練掌握系統(tǒng)操作和編程語言。為充分保障學(xué)生掌握這些基本技能，學(xué)院針對計算機硬件設(shè)備進行升級，從硬件設(shè)施上保障教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的順利進行。

2.2 生物信息學(xué)專業(yè)實習(xí)部分

生物信息專業(yè)實習(xí)部分，通過具體項目的實施，在于逐步加強學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題，加強學(xué)生對于專業(yè)的認知深度，意識到本專業(yè)在國家需求和行業(yè)需求中的作用。在專業(yè)實習(xí)方面，通過構(gòu)建合理的實習(xí)體系，逐漸優(yōu)化實習(xí)的結(jié)構(gòu)，為本科生設(shè)立目標，拓寬學(xué)生的視野。目前，在實習(xí)過程中，通過與行業(yè)領(lǐng)先的公司和科研領(lǐng)域較為資深的研究人員合作，指導(dǎo)學(xué)生完成公司項目和自主設(shè)計科研課題，真正將所學(xué)知識進行利用，激發(fā)學(xué)生對于本專業(yè)應(yīng)用前景的認知，在督促學(xué)生完成工作的基礎(chǔ)上，進一步激發(fā)學(xué)生的興趣，有效的促進教學(xué)質(zhì)量的提升。

鄭州大學(xué)生物信息專業(yè)成立較晚，距離國內(nèi)一級的生物信息學(xué)專業(yè)還有一定的差距，這就需要在借鑒別人的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進一步摸索出適合自身學(xué)科發(fā)展的道路。生物信息學(xué)是一門應(yīng)用性極強的學(xué)科，充足的實踐機會和實踐時間能有效的保證專業(yè)的學(xué)生對于專業(yè)技能的掌握[9]。為了保證學(xué)生能更好地參與到實踐過程，多年來，通過不斷地探索實習(xí)方式，并基于不同的實習(xí)方式產(chǎn)生的結(jié)果進行合理的評價，主要是綜合考量實習(xí)結(jié)束之后學(xué)生對于專業(yè)的認識深度、學(xué)生掌握實習(xí)內(nèi)容的程度和實習(xí)過程中任課教師對學(xué)生的整體評價等方面。通過多年的探索，目前主要設(shè)置了以下實習(xí)的環(huán)節(jié)，通過這些環(huán)節(jié)的合理教學(xué)與引導(dǎo)，目前來說，師生對于實習(xí)效果均有較好的反響。

在本專業(yè)學(xué)生實習(xí)的過程中，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)進度設(shè)立了以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）基礎(chǔ)上機語言的教學(xué)與復(fù)習(xí)；（2）學(xué)科方向的發(fā)展與認識；（3）具體項目的實施；（4）實習(xí)結(jié)果的考察。

2.2.1 計算機語言的教學(xué)與復(fù)習(xí)

生物信息專業(yè)本科暑期實習(xí)，主要是基于本科生已掌握了基本的操作系統(tǒng)和計算機語言。本科生課程負擔較重，課程知識點瑣碎，在不斷的教學(xué)過程中，學(xué)生容易遺忘已掌握的知識點。因此，在實習(xí)開始的時候，先進行了操作系統(tǒng)和計算機上機常用語言的復(fù)習(xí)，主要包括Linux操作系統(tǒng)和常用命令、R語言及Python語言基礎(chǔ)編程等，旨在保證之后實習(xí)過程中的學(xué)習(xí)和實際操作過程中，學(xué)生能有效地使用基礎(chǔ)的語言知識解決編碼過程中遇到的難題，保障后續(xù)項目的順利實施。

2.2.2 學(xué)科方向的發(fā)展與認識

本科生培養(yǎng)的目標主要是為社會各行業(yè)輸送專業(yè)人才，提高學(xué)生對于專業(yè)和學(xué)科的認識至關(guān)重要。國家籌建了多個超算中心，將超性能計算應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理，在人工智能、物理化學(xué)材料及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域做出了突出貢獻。為了擴展學(xué)生對于計算機學(xué)科和大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的認識，帶領(lǐng)學(xué)生進入鄭州超算中心實地參觀，了解超算中心的硬件和軟件設(shè)施，充分認識到超級計算機在各個行業(yè)中的應(yīng)用，如生物醫(yī)藥、基因技術(shù)、新材料和新能源、航空航天、氣候預(yù)測以及腦科學(xué)等；生物信息學(xué)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域取得了較好的研究成果，為了讓學(xué)生更好的認識到專業(yè)價值，與精準醫(yī)療中心合作，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)疾病生物信息學(xué)分析、基因檢測在腫瘤精準用藥中的應(yīng)用及單基因遺傳病從血樣采集到診斷報告等方面的知識，認識到生物信息學(xué)在疾病診斷和治療方面的應(yīng)用，并對實驗室進行參觀，了解如何將生物學(xué)或醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)知識與生物信息學(xué)進行有效的結(jié)合，進行疾病的干預(yù)和治療；目前來說，學(xué)生普遍對于畢業(yè)之后的就業(yè)前景沒有充分的認知，與行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的測序公司進行合作，如貝瑞基因和諾禾致源，可邀請公司資深的項目工程師進行講授，帶領(lǐng)學(xué)生認識目前生物信息學(xué)相關(guān)專業(yè)的人才需要具備的知識和技能，并通過講述各種不同測序的原理、樣品準備和實驗流程，主要包括全基因組測序、全外顯子測序及轉(zhuǎn)錄組測序等，完善了學(xué)生對于專業(yè)領(lǐng)域在行業(yè)應(yīng)用上的理解，從就業(yè)前景方面激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣。此外，還可邀請高校中具有豐富研究經(jīng)驗的科研人員進行授課，講述生物信息學(xué)在科學(xué)研究方面的應(yīng)用，從科學(xué)研究方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2.3 具體項目的實施

可通過與行業(yè)中領(lǐng)先的公司如諾禾致源及貝瑞基因等合作開展項目，學(xué)習(xí)如何進行基因組的組裝和注釋、群體基因組學(xué)重測序/GWAS分析等；通過與中山大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)及河南大學(xué)等在生物信息學(xué)領(lǐng)域具有重大研究發(fā)現(xiàn)的專家合作，向?qū)W生講授生物醫(yī)學(xué)常用數(shù)據(jù)庫的使用，學(xué)習(xí)如何利用數(shù)據(jù)庫研究疾病的發(fā)生發(fā)展等，主要包括GEO數(shù)據(jù)庫、TCGA數(shù)據(jù)庫、Cosmic數(shù)據(jù)庫及蛋白的翻譯后修飾數(shù)據(jù)庫等。通過這些，可以讓學(xué)生意識生物信息學(xué)專業(yè)在科研方面的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對于科研的興趣和研究熱情。

2.2.4 實習(xí)結(jié)果的考察

在實習(xí)過程中，通過與具體項目的負責人進行對接，設(shè)置特定的實習(xí)項目，讓學(xué)生利用實習(xí)過程中所掌握的知識，選擇感興趣的實習(xí)項目自行操作練習(xí)，待項目完成后，進行項目總結(jié)并撰寫項目總結(jié)報告，通過針對項目報告進行查看，掌握學(xué)生的實習(xí)效果并對其中出現(xiàn)的問題進行修改點評。

基于基礎(chǔ)的教學(xué)課程，通過優(yōu)化實踐環(huán)節(jié)，邀請行業(yè)公司和科學(xué)研究領(lǐng)域頂尖人才進行線下線上相結(jié)合的方式進行授課，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到普遍的提高，對于專業(yè)的認知進一步加強，對于職業(yè)生涯規(guī)劃更加清晰，取得了較好的教學(xué)效果。

總而言之，生物信息學(xué)的學(xué)科起步較晚，學(xué)科發(fā)展時間相對較短。近年來，隨著生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，各大高校培養(yǎng)的生物信息學(xué)人才逐漸增多，學(xué)校積極引進生物信息學(xué)專業(yè)的優(yōu)秀人才，師資力量得到了充分的保障，在教師的帶領(lǐng)下，學(xué)生可以基于學(xué)科的前沿知識對于專業(yè)課程有更好的理解和應(yīng)用。在生物信息學(xué)本科生的教學(xué)中，一方面，進一步強化專業(yè)內(nèi)部知識體系，完善學(xué)生的基礎(chǔ)知識體系，督促專業(yè)教師加強學(xué)生的基礎(chǔ)知識教學(xué)，保證學(xué)生掌握生物學(xué)和計算科學(xué)的基礎(chǔ)知識，并與鄭州大學(xué)其他院系積極尋求合作，如基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、農(nóng)學(xué)院及鄭州大學(xué)附屬醫(yī)院等，通過增強生物信息專業(yè)實習(xí)的多樣性和系統(tǒng)性，尋求鄭州大學(xué)生物信息學(xué)的共同發(fā)展與強化；另一方面，通過聯(lián)合外部行業(yè)頂尖和科研院所，主動與生物信息行業(yè)公司及其他高校和科研院所的專家加強交流，加強培養(yǎng)自身的人才和為國家行業(yè)輸送人才的基礎(chǔ)上。

3 結(jié)語

在生物信息學(xué)專業(yè)本科生的培養(yǎng)過程中，基于良好的課程體系設(shè)置，通過多年的探索，進一步優(yōu)化了本科生的實踐環(huán)節(jié)，通過提高教學(xué)模式的多元化，構(gòu)建了比較合理的生物信息學(xué)專業(yè)課程體系。通過優(yōu)化實習(xí)方式和實習(xí)內(nèi)容，教師與學(xué)生全面地參與到生物信息相關(guān)研究領(lǐng)域和行業(yè)領(lǐng)域的項目中，深化學(xué)生對于生物信息專業(yè)發(fā)展方向和應(yīng)用前景的認識。同時，在課程體系的優(yōu)化中，通過不斷更新師生的學(xué)習(xí)理念，讓生物信息學(xué)專業(yè)實習(xí)教學(xué)緊跟時代的技術(shù)發(fā)展的步伐，深化本專業(yè)與行業(yè)領(lǐng)域和高等院?？蒲蓄I(lǐng)域的交流合作，在強化自身發(fā)展的同時，聯(lián)合外部共同發(fā)展，促進了學(xué)科的共同進步。

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基金項目：鄭州大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究與實踐項目（項目編號：2021ZZUJGLX177）；鄭州大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究與實踐項目（項目編號：2021ZZUJGLX175）。

作者簡介：趙文珊（1989—），女，博士，副教授，研究方向為腫瘤免疫。

施玉華（1971—），女，碩士，高級實驗師，研究方向為腫瘤免疫。

通信作者：吳亞紅（1986—），女，博士，副教授，研究方向為腫瘤免疫，E-mail：yahongwu@zzu.edu.cn