以iGEM為平臺(tái)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的探索和體會(huì)

王貝貝

［摘 要］iGEM作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際頂尖賽事，可以并已經(jīng)成為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的有效載體。本文介紹了電子科技大學(xué)iGEM軟件隊(duì)（UESTC?Software）在具體實(shí)踐過(guò)程中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索和體會(huì)。首先是項(xiàng)目選題以學(xué)生為主，選擇“寬而淺”的課題以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性；其次是在項(xiàng)目的開(kāi)展過(guò)程中，從學(xué)術(shù)態(tài)度和學(xué)術(shù)規(guī)范、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)合作的精神和交流的能力、科學(xué)思維、閱讀和寫作能力等具體方面挖掘和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

［關(guān)鍵詞］合成生物學(xué)；iGEM軟件組；本科教育；交叉學(xué)科；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

［中圖分類號(hào)］ G640 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）03-0130-03

合成生物學(xué)是21世紀(jì)崛起的新興交叉學(xué)科[1-2]，其將工程學(xué)原理和方法引入對(duì)生物體系的改造和構(gòu)建中，綜合運(yùn)用生物學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等各學(xué)科知識(shí)。國(guó)際基因工程機(jī)器大賽iGEM（International Genetically Engineered Machine Competition）[3]是合成生物學(xué)的頂尖賽事，設(shè)立了診斷 （Diagnostics）、能源（Energy）、環(huán)境（Environment）、食品和營(yíng)養(yǎng) （Food & Nutrition）、信息處理（Information Processing）、基礎(chǔ)設(shè)施（Foundational Advance）、醫(yī)療（Therapeutics）等基本項(xiàng)目組，以及兩個(gè)特殊的項(xiàng)目組：軟件組（Software Track）和開(kāi)放組（Open Track）。國(guó)內(nèi)很多高校都已經(jīng)將iGEM作為培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)[4-5]，電子科技大學(xué)也不例外。

電子科技大學(xué)自2012年參加iGEM大賽以來(lái)，均以兩支隊(duì)伍（軟件隊(duì)和實(shí)驗(yàn)隊(duì)）的形式參賽，共獲得13塊金牌、4次單項(xiàng)獎(jiǎng)和5次單項(xiàng)獎(jiǎng)提名。其中電子科技大學(xué)iGEM軟件隊(duì)（UESTC?Software）參加過(guò)6次競(jìng)賽，成績(jī)優(yōu)異，獲得了2次全球軟件項(xiàng)目組最佳（Best Software Project）、2次提名軟件項(xiàng)目組最佳，以及1次提名產(chǎn)品設(shè)計(jì)組最佳（Best Product Design）。筆者在2018—2020年擔(dān)任UESTC?Software的主教練，對(duì)以iGEM為平臺(tái)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行探索和嘗試，以期為交叉學(xué)科創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提供一點(diǎn)幫助。

一、iGEM軟件組簡(jiǎn)介

iGEM軟件組（https：//igem.org/Software）在iGEM眾多的分組中比較特殊，于2008年引入，其宗旨是通過(guò)建立開(kāi)源軟件工具的存儲(chǔ)庫(kù)、社區(qū)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、專門為合成生物學(xué)構(gòu)建的特定軟件框架或者標(biāo)準(zhǔn)生物部件注冊(cè)表中的部分信息等，幫助合成生物學(xué)更有效更經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)新的功能組件。經(jīng)常參加該組項(xiàng)目的學(xué)校包括密歇根大學(xué)、帝國(guó)理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、電子科技大學(xué)等知名國(guó)內(nèi)外高校。而在2020年全球新冠疫情的特殊環(huán)境下，更多的參賽隊(duì)伍選擇了軟件組，極大地豐富了運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)解決和探索合成生物學(xué)問(wèn)題的思路和嘗試。

二、iGEM軟件組項(xiàng)目選題的思考

iGEM軟件組的要求是參賽項(xiàng)目要對(duì)合成生物學(xué)或者iGEM社區(qū)真正有用。

選題內(nèi)容方面，自2003年iGEM創(chuàng)建以來(lái)，iGEM軟件組的項(xiàng)目大致可以分為四類：輔助設(shè)計(jì)、資料共享、合作交流和數(shù)據(jù)分析，我們?cè)诰C述中詳細(xì)介紹和總結(jié)了各類項(xiàng)目的特色和案例[6]。當(dāng)然，我們不能被以往的項(xiàng)目所局限，可以從不同層次（分子、網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞等層次）設(shè)計(jì)相關(guān)軟件，以服務(wù)于合成生物學(xué)[7]。比如在2020年的比賽中，電子科技大學(xué)iGEM軟件隊(duì)就創(chuàng)新性地根據(jù)結(jié)構(gòu)域的表面形狀對(duì)已有數(shù)據(jù)庫(kù)中超過(guò)13萬(wàn)條的結(jié)構(gòu)域信息進(jìn)行分類，旨在構(gòu)建一套以結(jié)構(gòu)域?yàn)閱挝坏臉?biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)磚（https：//2020.igem.org/Team：UESTC?Software）。

選題范圍方面，以電子科技大學(xué)iGEM軟件隊(duì)為例，主要遵循兩個(gè)原則：（1）在深度上宜淺。根據(jù)學(xué)校的培養(yǎng)方案的安排，隊(duì)伍中的隊(duì)員基本都是大學(xué)二年級(jí)的學(xué)生，很多專業(yè)課都還沒(méi)有學(xué)過(guò)，而且隊(duì)員也來(lái)自于不同的專業(yè)，所以不宜選擇過(guò)于深的課題，最好選擇隊(duì)員“跳一跳就可以夠得到”的課題，否則隊(duì)員們需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，而且也會(huì)在一定程度上削弱學(xué)生的積極性。（2）在廣度上宜寬。iGEM的項(xiàng)目涉及與之相關(guān)的教育、科普和人類實(shí)踐等活動(dòng)，如果涉及范圍過(guò)窄，項(xiàng)目相關(guān)的人群就會(huì)比較小，這些活動(dòng)也將很難展開(kāi)。另外，廣度較寬的項(xiàng)目可以盡量多地應(yīng)用隊(duì)員們已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)，這能增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性?？傊?，相對(duì)于研究生的科研課題，寬而淺的課題更適宜本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

具體操作方面，首先以iGEM校賽為載體，讓學(xué)生們自由組隊(duì)、自由選題，重點(diǎn)要求有想法，對(duì)項(xiàng)目的完成度不做明確要求。如果在iGEM校賽中有比較適合的項(xiàng)目就會(huì)將其選為UESTC?Software的參賽項(xiàng)目。但是軟件組項(xiàng)目多學(xué)科交叉的特性以及校賽準(zhǔn)備的時(shí)限，使得本科生很難有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備以提出合適的項(xiàng)目，因此大部分情況是，在完成隊(duì)員的選拔之后，教練和所有隊(duì)員一起進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，先選出2～3個(gè)項(xiàng)目，隊(duì)員們分組利用兩周時(shí)間進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容包括項(xiàng)目的背景、內(nèi)容、所需技術(shù)等。之后，師生再通過(guò)集體討論，從中選出參賽項(xiàng)目。為了從各個(gè)角度審視項(xiàng)目選題的意義和實(shí)施方案，軟件組還會(huì)邀請(qǐng)校內(nèi)外相關(guān)專家參與開(kāi)題、中期和結(jié)題的相關(guān)討論。

三、iGEM軟件組隊(duì)員的選擇

iGEM的比賽內(nèi)容主要包括四部分：項(xiàng)目主體、數(shù)據(jù)建模、人類實(shí)踐（Human Practices）以及美工和Wiki網(wǎng)頁(yè)。加上軟件組的特殊性質(zhì)，UESTC?Software每年由12～15名隊(duì)員組成。經(jīng)多年的摸索，我們認(rèn)為合理的成員分配為：6～8名隊(duì)員負(fù)責(zé)項(xiàng)目主體和數(shù)據(jù)建模，根據(jù)每年初步選題需要的技術(shù)而選定；2～3名隊(duì)員負(fù)責(zé)美工和Wiki網(wǎng)頁(yè)，根據(jù)申請(qǐng)學(xué)生提供的獨(dú)創(chuàng)作品而定；選定1～2名英文較好的隊(duì)員；2～3名隊(duì)員負(fù)責(zé)人類實(shí)踐和組織工作。UESTC?Software 6次參賽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和成果證實(shí)了這種成員搭配的有效性。我們這支多學(xué)科交叉的隊(duì)伍由生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、信息與軟件工程學(xué)院、格拉斯哥學(xué)院、光電科學(xué)與工程學(xué)院以及外語(yǔ)學(xué)院等的本科生組成。

四、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

根據(jù)iGEM的賽制要求，參賽項(xiàng)目要對(duì)社會(huì)有意義，并易于推廣，也就是要有完整的項(xiàng)目相關(guān)工作，一般包括科普、教育、HP、網(wǎng)頁(yè)撰寫等。因而，iGEM的備賽過(guò)程和參賽過(guò)程，相對(duì)其他一些學(xué)科競(jìng)賽來(lái)說(shuō)，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)是全過(guò)程、全方位的。UESTC?Software 在多年的實(shí)踐中主要從以下幾個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（一）學(xué)術(shù)態(tài)度和學(xué)術(shù)規(guī)范

這一點(diǎn)是重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。本科生還沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，平時(shí)為了完成課程作業(yè)，往往會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上查資料，然后不加整理地將其作為作業(yè)提交給教師。在整個(gè)iGEM的備賽過(guò)程，教練和輔導(dǎo)教師會(huì)一再?gòu)?qiáng)調(diào)杜絕任何形式的抄襲。

引導(dǎo)學(xué)生要實(shí)事求是，不急功近利。本科生受過(guò)的訓(xùn)練都是對(duì)已知結(jié)果實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，得到的結(jié)果往往都是“完美的”。而科研本是對(duì)未知世界的探索，沒(méi)有預(yù)定實(shí)驗(yàn)方案，沒(méi)有預(yù)定結(jié)果，需要不停地探索和試錯(cuò)。在不斷重復(fù)的過(guò)程中，教練就要不斷告訴學(xué)生這就是真實(shí)的科研過(guò)程，得到的結(jié)果是怎樣就是怎樣，要有耐心不停地做嘗試。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠理想，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析原因后調(diào)整方案，繼續(xù)嘗試；如果把所有想到的方案都試過(guò)之后也沒(méi)有理想的結(jié)果，那就應(yīng)如實(shí)報(bào)道。

（二）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力

學(xué)生主導(dǎo)。整個(gè)備賽過(guò)程包括選題、可行性分析、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施、不同方法之間的比較和選擇、Wiki撰寫、人類實(shí)踐和科普活動(dòng)的設(shè)計(jì)等都由隊(duì)員們主導(dǎo)完成，教練只是從旁給予相關(guān)的建議和引領(lǐng)。學(xué)生主動(dòng)去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、記錄并展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教練只是作為普通的隊(duì)員參與討論，鼓勵(lì)隊(duì)員們?nèi)?shí)踐自己的想法，而不會(huì)給出所謂“正確”的方法和方案，這充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀積極性。

學(xué)以致用。根據(jù)上文闡述過(guò)的項(xiàng)目選題的標(biāo)準(zhǔn)，確定項(xiàng)目的實(shí)施一般可以盡量多地用到隊(duì)員們已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)。我們?cè)陧?xiàng)目實(shí)施過(guò)程中盡量啟發(fā)學(xué)生用學(xué)過(guò)的知識(shí)思考或者解決項(xiàng)目中的問(wèn)題，幫助他們建立課堂與實(shí)踐的橋梁。隊(duì)員們真正把學(xué)到的知識(shí)用到解決實(shí)際問(wèn)題中，可讓他們更加深刻地理解所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，增加他們學(xué)習(xí)的動(dòng)力，激發(fā)他們的求知欲，引導(dǎo)其構(gòu)建自己的知識(shí)框架。

快速學(xué)習(xí)的能力。很多學(xué)生在參加iGEM隊(duì)伍之前都會(huì)問(wèn)：“老師我需要會(huì)什么??？我會(huì)一點(diǎn)Python，夠嗎？”筆者都會(huì)回答他：“需要你會(huì)學(xué)習(xí)！”在信息爆炸的時(shí)代，做任何事之前都不可能準(zhǔn)備好了所需的所有知識(shí)，大部分時(shí)候都是在需要的時(shí)候現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，因此快速掌握并應(yīng)用新知識(shí)的能力是現(xiàn)代社會(huì)人才亟須的。

理想與現(xiàn)實(shí)的差距。學(xué)生們很少有將在課堂學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)，因而往往對(duì)于用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題有著“美好的幻想”。在做iGEM項(xiàng)目的時(shí)候，學(xué)生們就會(huì)遇到嘗試了很多方法后發(fā)現(xiàn)都不適用或者結(jié)果都不理想的情況，有些學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生沮喪情緒。教練這時(shí)就應(yīng)提醒：不適用、不理想也是一種結(jié)果，要么繼續(xù)尋找合適的方法，要么在所有方法中選出最有效的那一個(gè)，結(jié)果是怎樣的就如實(shí)地報(bào)道，這就是現(xiàn)實(shí)。

（三）團(tuán)隊(duì)合作的精神和交流的能力

UESTC?Software每年的隊(duì)員人數(shù)為10～15人，隊(duì)員難免有意見(jiàn)想法不一致的時(shí)候。教練不僅不會(huì)阻止不同意見(jiàn)想法之間的碰撞，反而鼓勵(lì)隊(duì)員各抒己見(jiàn)，不過(guò)會(huì)事先在隊(duì)內(nèi)申明：“君子和而不同”，每個(gè)人都可以說(shuō)出自己的想法，接受他人不同的想法，可以為觀點(diǎn)和想法辯論，但是不針對(duì)個(gè)人。另外，iGEM的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是鼓勵(lì)不同參賽隊(duì)伍之間的合作，也就是強(qiáng)調(diào)iGEM的目標(biāo)是學(xué)術(shù)交流，而不是競(jìng)爭(zhēng)。團(tuán)隊(duì)之間合作的目的是共贏，UESTC?Software就曾經(jīng)與UESTC?China、USTC?Software、NWU?China?A、Tongji?Software、SJTC?Software等iGEM團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了不同程度的合作。另外，項(xiàng)目進(jìn)行到不同階段還會(huì)以面談或者郵件的形式去求教國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者，這些都要求隊(duì)員們自己去聯(lián)系、安排，教練會(huì)從旁指導(dǎo)。比如寫郵件，往往存在格式上不合要求，內(nèi)容上表達(dá)不清楚，語(yǔ)言上出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)、中式英語(yǔ)泛濫等情況，這時(shí)教練應(yīng)耐心指導(dǎo)隊(duì)員解決這些交流中的問(wèn)題。

（四）科學(xué)思維

批判性思維。要明確的是：首先，批判性思維不是批判，不是事事都要吹毛求疵。其次，需要大量的系統(tǒng)性的知識(shí)框架作為支撐。針對(duì)這兩點(diǎn)，每一年的參賽項(xiàng)目確定之后，我們都會(huì)要求所有隊(duì)員有針對(duì)性地分工學(xué)習(xí)項(xiàng)目相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，并在每周組會(huì)上進(jìn)行交流融合，必要的時(shí)候還可由教練或者邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家，給隊(duì)員們系統(tǒng)地介紹相關(guān)背景知識(shí)。

判斷力?？鬃诱f(shuō)：“知者不惑，仁者不憂，勇者不懼?！贝髮W(xué)最主要的教育就是教授知識(shí)，教授知識(shí)的目的是為了不惑。如何不惑？最重要的是培養(yǎng)學(xué)生的判斷力，尤其在信息爆炸的今天，這不僅關(guān)乎項(xiàng)目的具體實(shí)施，也關(guān)乎學(xué)生對(duì)社會(huì)、對(duì)生活、對(duì)科學(xué)的態(tài)度和看法。首先，引導(dǎo)學(xué)生把粗糙的想法磨煉成細(xì)密、踏實(shí)、有條理的具體操作方法；其次，遇到問(wèn)題時(shí)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)框架去思考和解決問(wèn)題，使得問(wèn)題變得明朗；最后，以史為鑒，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)框架，從科學(xué)發(fā)展的角度去分析與項(xiàng)目有關(guān)的一些社會(huì)現(xiàn)象。

（五）閱讀和寫作能力

閱讀和寫作能力是使人終身受益的能力。學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)期間的閱讀和寫作訓(xùn)練大多是考試導(dǎo)向的，較少涉及科技方面的閱讀和寫作，而科技方面的閱讀和寫作最需要的邏輯性思維能力是大多數(shù)學(xué)生缺乏的。所以在大學(xué)教育中，培養(yǎng)學(xué)生科技方面的閱讀和寫作能力成為理工科教育的重點(diǎn)之一。iGEM項(xiàng)目是始終由學(xué)生主導(dǎo)的，在項(xiàng)目實(shí)施伊始，學(xué)生需要閱讀大量的中英文文獻(xiàn)，極大地鍛煉了學(xué)生閱讀和分析文獻(xiàn)以及歸納和總結(jié)問(wèn)題的能力，使學(xué)生完成了從被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)探求知識(shí)的轉(zhuǎn)換。在項(xiàng)目實(shí)施的最后，學(xué)生需要撰寫摘要、制作Wiki網(wǎng)頁(yè)、做項(xiàng)目匯報(bào)、準(zhǔn)備海報(bào)等，鍛煉了學(xué)生寫作和展示的能力。

（六）揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短

本科生甚至研究生，都普遍存在一個(gè)問(wèn)題：不知道自己擅長(zhǎng)什么、喜歡什么。大學(xué)之前的教育，幾乎都是優(yōu)先給學(xué)生補(bǔ)短而較少幫助學(xué)生揚(yáng)長(zhǎng)。而iGEM這個(gè)綜合性的平臺(tái)需要各種能力，如學(xué)習(xí)能力、溝通能力、組織能力、鉆研能力、思辨能力等，因此隊(duì)員們很容易在做項(xiàng)目的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自己的長(zhǎng)處，教練也會(huì)相應(yīng)地做出任務(wù)分配上的調(diào)整，鼓勵(lì)隊(duì)員們更多地?fù)P長(zhǎng)，找到自己真正喜歡和熱愛(ài)的方向。真正的熱愛(ài)才是創(chuàng)新的原動(dòng)力。

五、結(jié)語(yǔ)

電子科技大學(xué)iGEM軟件隊(duì)通過(guò)7年6次參賽的實(shí)踐，完成了好幾項(xiàng)極具科研價(jià)值的項(xiàng)目，部分項(xiàng)目結(jié)果已經(jīng)以論文的形式發(fā)表在國(guó)際知名期刊[8-9]，同時(shí)培養(yǎng)了一批基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、創(chuàng)新意識(shí)突出、綜合能力強(qiáng)的本科生，促進(jìn)了電子科技大學(xué)廣大工科學(xué)生甚至普通市民對(duì)于合成生物學(xué)的認(rèn)識(shí)和興趣。歷屆UESTC?Software隊(duì)員已進(jìn)入如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等知名高校深造。

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［責(zé)任編輯：雷 艷］