生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)科交叉型人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐

李永海，李 萌，趙興華

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453003）

當(dāng)前，學(xué)科交叉已經(jīng)逐漸成為科技創(chuàng)新的源泉，學(xué)科交叉、學(xué)科交叉融合逐漸形成一批交叉學(xué)科，如化學(xué)與物理學(xué)的交叉形成了物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)，化學(xué)與生物學(xué)的交叉形成了生物化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)，物理學(xué)與生物學(xué)交叉形成了生物物理學(xué)，生物學(xué)與計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等交叉形成了生物信息學(xué)。學(xué)科交叉融合是未來科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是加速科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在《促進(jìn)跨學(xué)科研究》（2005）中解釋，“不只是將兩門學(xué)科粘在一起來制造一個(gè)產(chǎn)品，而是思想和方法的整合、綜合，這樣的研究才真正是跨學(xué)科研究”[1]。針對(duì)中國(guó)高等教育的現(xiàn)狀，教育部提出探索符合新時(shí)代需求的新醫(yī)科人才培養(yǎng)體系，新醫(yī)科的實(shí)施對(duì)于適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，培養(yǎng)能夠運(yùn)用交叉學(xué)科知識(shí)解決未來醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)域難題的醫(yī)學(xué)創(chuàng)新人才至關(guān)重要[2]。

生物信息學(xué)是一門新興的交叉科學(xué)，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具和知識(shí)，來闡明和挖掘大量生物數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義，其研究?jī)?nèi)容包括生物信息的獲取、加工、存儲(chǔ)、分配、分析和解釋等多個(gè)方面。隨著人類基因組計(jì)劃（HGP）的實(shí)施和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物信息學(xué)現(xiàn)已成為當(dāng)今生命科學(xué)中最有吸引力的前沿研究領(lǐng)域，同時(shí)也為生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和信息科學(xué)等專業(yè)的學(xué)科交叉型人才提供了廣闊的發(fā)展空間。

生物信息學(xué)的研究對(duì)象是與生物學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括醫(yī)學(xué)實(shí)踐過程中患者的病史、病況、治療手段和療效等數(shù)據(jù)。學(xué)科目標(biāo)是能夠在生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中挖掘解釋疾病機(jī)理、提示治療策略、證明臨床效用的證據(jù)，用來指導(dǎo)生物基礎(chǔ)研究及醫(yī)療實(shí)踐的提升和改進(jìn)。

生物信息學(xué)專業(yè)是目前國(guó)內(nèi)外非常熱門的專業(yè)之一，一方面人才緊缺，社會(huì)需求量巨大，不論是就業(yè)還是做學(xué)術(shù)研究，前景都非常好。國(guó)外的很多大學(xué)都建有自己的基因測(cè)序中心，國(guó)內(nèi)高校自己擁有獨(dú)立測(cè)序中心的相對(duì)較少，但是國(guó)內(nèi)相關(guān)的測(cè)序公司很多，吸引了大批生物信息學(xué)專業(yè)人才。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展以及成本降低，現(xiàn)在各大藥廠都已經(jīng)有相對(duì)完備的測(cè)序中心以及生物信息學(xué)轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊(duì)。很多公司開始嘗試基于多種樣式的生物數(shù)據(jù)研發(fā)藥物或者治療方法。近年來很多個(gè)人級(jí)基因消費(fèi)產(chǎn)品開始涌現(xiàn)，這些產(chǎn)品將服務(wù)于將來個(gè)體化的精準(zhǔn)醫(yī)療，同時(shí)也要求將來的醫(yī)務(wù)人員具有一定的生物信息學(xué)的專業(yè)知識(shí)背景，才能更好地做好個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)。另一方面該專業(yè)發(fā)展迅速，目前的培養(yǎng)體系大多存在教學(xué)培養(yǎng)內(nèi)容知識(shí)老舊、與用人單位或者工作崗位的實(shí)際需求脫節(jié)等問題。如何在教學(xué)實(shí)踐中根據(jù)不同學(xué)科專業(yè)的人才培養(yǎng)需求，制訂合適的人才培養(yǎng)方案，成為一個(gè)新的研究課題。

1 醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)專業(yè)開設(shè)情況

由于生物信息學(xué)專業(yè)交叉學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)使其在生物醫(yī)藥相關(guān)科研及醫(yī)療實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣泛。國(guó)內(nèi)外眾多高校近年來都非常重視生物信息學(xué)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)是2022 年國(guó)內(nèi)第一個(gè)經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立生物信息學(xué)專業(yè)的大學(xué)，目前國(guó)內(nèi)開設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)的高校有三十余所，這些高校中，醫(yī)藥類高校占到30%以上[3]，其中北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中山大學(xué)、武漢大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)和廈門大學(xué)等在生物信息學(xué)學(xué)科建設(shè)和本科人才培養(yǎng)方面都具有非常強(qiáng)的實(shí)力。據(jù)美國(guó)國(guó)家教育統(tǒng)計(jì)中心的數(shù)據(jù)顯示，截止到2022 年，美國(guó)有將近60 所高校開設(shè)了生物信息學(xué)本科專業(yè)。

生物信息學(xué)研究生專業(yè)是生物信息學(xué)人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)的北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中山大學(xué)、南開大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)和武漢大學(xué)等在生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)和研究領(lǐng)域的綜合實(shí)力都處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，具有很強(qiáng)的實(shí)力和知名度，在本專業(yè)研究生培養(yǎng)方面也走在國(guó)內(nèi)眾多高校的前列；國(guó)外的一些高校，如美國(guó)的約翰霍普金斯、南加大、波士頓大學(xué)等開設(shè)的生物信息學(xué)，康奈爾、卡耐基梅隆等開設(shè)的科學(xué)和計(jì)算生物學(xué)，加州戴維斯、康奈爾等開設(shè)的科學(xué)和健康信息學(xué)等碩士專業(yè)都致力于培養(yǎng)生物信息學(xué)相關(guān)的專業(yè)人才。

2 新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物信息學(xué)課程開設(shè)及人才培養(yǎng)情況

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院自2011 年起，在本科生和研究生培養(yǎng)方案中開設(shè)了生物信息學(xué)課程，并把它作為本科生物技術(shù)、生物工程和生物制藥專業(yè)的專業(yè)必修課，十多年來新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院眾多本科和研究生畢業(yè)以后從事生物信息學(xué)相關(guān)的研究工作，成為行業(yè)或?qū)I(yè)領(lǐng)軍人才。隨著學(xué)校的不斷發(fā)展，在臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中也開始加入了生物信息學(xué)的課程教學(xué)內(nèi)容。生科院生物技術(shù)、生物工程和生物制藥三個(gè)專業(yè)的課程體系主要包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課程和專業(yè)選修課。生物信息學(xué)作為專業(yè)核心課程，將生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等融合在一起，充分體現(xiàn)交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)和特色，然而目前的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)方案還存在一些不足之處。

新形勢(shì)下，在臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，研究和探索新醫(yī)科背景下生物和醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)對(duì)生物信息學(xué)人才需求的新特點(diǎn)，立足醫(yī)學(xué)院校實(shí)際，從課程體系、培養(yǎng)方案等環(huán)節(jié)入手，亟待我們?cè)O(shè)計(jì)合適的教學(xué)方案、選擇具有醫(yī)學(xué)特色的教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)不斷發(fā)展的學(xué)科內(nèi)容，將生物信息學(xué)與醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容相融合，將生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容與醫(yī)療實(shí)踐中的具體科學(xué)問題相結(jié)合，積極探索醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)跨學(xué)科交叉型人才培養(yǎng)方案顯得尤為重要。

3 醫(yī)學(xué)院校的生物信息學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及改革措施

生物醫(yī)學(xué)專業(yè)本科階段的核心課程主要有三大類：生命科學(xué)核心課程、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)核心課程和信息科學(xué)核心課程。生命科學(xué)核心課程主要是生物學(xué)基礎(chǔ)類的課程，如生命科學(xué)基礎(chǔ)、細(xì)胞與生物分子、遺傳與發(fā)育等；基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)核心課程主要是涉及人體的一些基礎(chǔ)課程，如人體結(jié)構(gòu)與功能學(xué)、疾病基礎(chǔ)、感染與免疫學(xué)、藥理學(xué)與藥物研發(fā)、神經(jīng)科學(xué)等；信息科學(xué)核心課程主要涉及如何收集、處理、分析、評(píng)價(jià)生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，如Python使用、生物序列分析、自然語言及人工智能等。

3.1 優(yōu)化教學(xué)時(shí)間和內(nèi)容

生物信息學(xué)是一門交叉學(xué)科，需要在學(xué)生掌握一定的生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此，學(xué)院在新修訂的培養(yǎng)方案中把教學(xué)實(shí)踐安排在第四學(xué)期。同時(shí)針對(duì)教學(xué)內(nèi)容老舊、新穎度不足、教學(xué)與實(shí)際研究相脫節(jié)的問題，酌情增加理論和實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，以涵蓋主要知識(shí)內(nèi)容，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，讓學(xué)生掌握科研和工作過程中解決問題的知識(shí)和方法。針對(duì)醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生，在生物信息學(xué)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面結(jié)合醫(yī)學(xué)院校學(xué)生的專業(yè)實(shí)際來確定，讓學(xué)生具備結(jié)合醫(yī)學(xué)理論解決臨床實(shí)際問題的能力。

3.2 改進(jìn)教學(xué)方法

通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外高校的生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，筆者發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)高校在教學(xué)過程中科研訓(xùn)練做得不夠深入，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不足。為改變教學(xué)過程中傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方法，課程組在教學(xué)過程中設(shè)置學(xué)術(shù)研討課，采用案例式和問題式教學(xué)，對(duì)教學(xué)效果采用形成性評(píng)價(jià)，注重考查學(xué)生的學(xué)習(xí)過程；在實(shí)踐教學(xué)中通過設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中接受實(shí)際的科研訓(xùn)練，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法解決實(shí)際問題的能力。

3.3 加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

教師的授課水平和能力直接影響教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，生物信息學(xué)交叉學(xué)科的特性決定了其在教學(xué)團(tuán)隊(duì)的組建上要充分考慮教師的學(xué)科背景，目前突出的問題之一是跨學(xué)科的師資力量缺乏[4]。選擇具有生物學(xué)和信息科學(xué)專業(yè)背景的教師加入，適當(dāng)提高生物信息學(xué)專業(yè)教師的比例，建立一支高水平的多學(xué)科交叉的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。同時(shí)充分利用學(xué)校的師資培訓(xùn)及校外專題培訓(xùn)機(jī)會(huì)，讓課程組老師積極參與學(xué)習(xí)和進(jìn)修，同時(shí)與設(shè)有生物信息學(xué)課程的高校建立聯(lián)系，加強(qiáng)溝通和學(xué)習(xí)，提高教師的綜合教學(xué)水平。

3.4 加強(qiáng)軟硬件建設(shè)

生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，只有通過實(shí)踐教學(xué)，才能培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容存在與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問題。而且實(shí)踐教學(xué)過程對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的依賴程度非常高[5]。為此學(xué)校設(shè)置專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)建設(shè)了專門的計(jì)算機(jī)教室，購買服務(wù)器和生物信息學(xué)軟件，架設(shè)網(wǎng)絡(luò)專線，提高軟硬件質(zhì)量。同時(shí)在教學(xué)過程中與教師的科研成果結(jié)合設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生興趣，將學(xué)生沉浸式帶入教師研究課題中的具體問題，將自己學(xué)習(xí)到的知識(shí)和技能應(yīng)用于科研實(shí)踐，在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，以培養(yǎng)滿足工作崗位實(shí)際需求的生物信息學(xué)專業(yè)人才。

3.5 在課程教學(xué)中融入思政元素

在專業(yè)課的教學(xué)過程中，應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容融入一定的思政元素，來引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀，如在講述生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫的過程中，舉出國(guó)家科技部對(duì)深圳華大基因科技服務(wù)有限公司等6 家生物公司在人類遺傳資源樣本保存、運(yùn)輸以及人類遺傳資源信息的網(wǎng)上傳遞等方面因?yàn)檫`反《人類遺傳資源管理暫行辦法》中的若干規(guī)定，受到處罰的案例，引導(dǎo)學(xué)生樹立保護(hù)遺傳資源和維護(hù)國(guó)家生物安全的意識(shí)。

4 展望

自然科學(xué)的發(fā)展越來越凸顯出學(xué)科交叉的發(fā)展趨勢(shì)和優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的很多重大突破，往往是在多學(xué)科彼此交叉和融合過程中產(chǎn)生的。生物信息學(xué)交叉學(xué)科的發(fā)展可以解決傳統(tǒng)生物學(xué)方法無法解決的科學(xué)問題，也有助于解決醫(yī)療實(shí)踐中常規(guī)醫(yī)療手段無法有效治愈的疾病，社會(huì)對(duì)擁有生物信息學(xué)專業(yè)知識(shí)背景的醫(yī)療從業(yè)者或科研人員的需求日益強(qiáng)烈。眾多高校也在不斷調(diào)整自己的專業(yè)設(shè)置，以適應(yīng)新形勢(shì)下社會(huì)對(duì)人才的需求。

在教育部發(fā)布的普通高等學(xué)校自主設(shè)置的交叉學(xué)科名單中，北京大學(xué)的整合生命科學(xué)、清華大學(xué)的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與公共健康、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)信息學(xué)、南開大學(xué)的生物信息學(xué)、天津大學(xué)的合成生物學(xué)、華北理工大學(xué)的醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)等都或多或少地融入了生物信息學(xué)的內(nèi)涵。交叉學(xué)科已逐漸成為高校和科研院所科技創(chuàng)新的源泉，也必將成為科學(xué)時(shí)代一個(gè)新的不可或缺的研究范式。醫(yī)學(xué)的發(fā)展也同樣伴隨著科技的進(jìn)步和創(chuàng)新，醫(yī)療科技的創(chuàng)新需要從業(yè)者具備醫(yī)學(xué)思維和其他學(xué)科的科學(xué)思維，作為醫(yī)學(xué)院校，做好交叉性學(xué)科人才培養(yǎng)顯得尤為重要。在具體的課程教學(xué)內(nèi)容及人才培養(yǎng)方案中充分考慮交叉學(xué)科的特點(diǎn)和社會(huì)的實(shí)際人才需求狀況來設(shè)置培養(yǎng)體系，使學(xué)生掌握的知識(shí)融合成為一個(gè)有機(jī)的整體，不同的學(xué)科相互促進(jìn)，交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新工作能力。

當(dāng)前，眾多高校都開設(shè)了生物信息學(xué)課程，但是在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上還有很多不足之處，有待于在教學(xué)實(shí)踐過程中不斷探索，不斷完善，結(jié)合學(xué)校的專業(yè)實(shí)際，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、師資隊(duì)伍和硬件建設(shè)等多個(gè)方面進(jìn)行改革和優(yōu)化，整合多種教學(xué)資源和融入多種教學(xué)手段，提升醫(yī)學(xué)院校生物信息學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)具備生物信息學(xué)交叉學(xué)科知識(shí)和能力的新型專業(yè)人才服務(wù)。