我國生物信息學教育的發展與挑戰

鐘　揚　王　莉　李作峰

十多年來，生命科學和技術迅猛發展，特別是人類基因組計劃等科學研究計劃取得了舉世矚目的成就，也隨之產生出海量的生物學數據。人們已經充分認識到，如果不能及時分析和有效利用這些信息，那么這些耗費巨資所獲得的數據將變成一堆垃圾。所幸的是，生命科學與信息科學及計算機技術相結合的產物──生物信息學應運而生，并已逐漸成為當代生命科學研究的一個前沿領域和重要的方法論工具。目前，世界上越來越多的政府部門、教育機構和企業都呼吁加快培養各類生物信息學人才。然而，當前的生物信息學教育從經費支持到師資隊伍等諸多方面都還面臨著不少困難與挑戰。

作為唯一一個參加人類基因組計劃的發展中國家，我國成功地完成了人類全基因組1%的測序任務。隨后，從水稻基因組到家蠶基因組測序，從功能基因組分析到蛋白質組計劃實施， 眾多研究項目推動了生物信息學在我國的蓬勃發展。同時， 許多大學和研究所也敏銳地把握到這一發展良機，積極開展生物信息學相關的教育與人才培養工作。2003年，筆者應邀在英國出版的《生物教育雜志》（Journal of Biological Education）上撰文介紹了我國生物信息學教育快速發展的狀況與趨勢，著重比較了一些重點大學中的相關本科生課程與研究生培養計劃。時隔三年，我們進一步對這一領域的發展作了簡要的回顧，并指出了我國現階段生物信息學教育中存在的若干問題，以期引起廣泛的注意與深入的討論。

一、本科生教育

自上世紀90年代后期起，許多大學都為生命科學領域的本科生開設了《計算機在生物學中的應用》一類的課程。近年來，相當大一部分學校直接將其轉為《生物信息學》課程。目前，我國生物學本科教育主要圍繞兩個專業——生物科學和生物技術進行，而生物信息學相關課程通常作為這兩個專業高年級學生的選修課，且要求學生們已修完大部分專業必修課以及一些計算機課程，如《C++語言》等。教學實踐表明，這一安排基本上符合國內本科生教育的實際情況，有利于本科生們掌握生物信息學的基本知識和工作原理，激發他們今后深入研究的興趣。在復旦大學，“計算機在生物學中的應用——生物信息學基礎”這門課程是大學三年級下學期的選修課，至今已有近十年的歷史，前五年選修人數逐年遞增，至2002年達到了規定的最大選課人數（約140人）?，F在每年穩定在110人左右，從2003年起該課程也向復旦大學數學系和計算機科學與工程系的本科生開放。課程內容包括生物信息學的基本概念、原理和方法（占課程總學時的50%）、邀請國內外生物信息學家專題報告（25%）以及計算機軟件練習（如美國國家生物信息技術研究中心提供的BLAST服務工具和華盛頓大學的PHYLIP軟件包等占25%學時）。問卷調查表明，學生們認為大多數邀請專題報告信息量大，對他們了解生物信息學的全貌很有幫助，而一些基本概念則可以簡化或在其他課程（如“分子生物學”）中予以介紹。

從2002年起，我國一些高等院校開始向教育部申請設立生物信息學本科專業，如浙江大學、同濟大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、上海交通大學、西南交通大學、鄭州大學等校先后獲得批準。有些學校（如哈爾濱醫科大學和上海交通大學等）已新建了生物信息學系，旨在培養跨生命科學、計算科學、醫學、化學、數理科學等不同領域、具備“大科學” 素質的復合型人才。

二、研究生教育

2003年之前， 生物信息學碩士和博士研究生教育只能以掛靠在不同的二級學科下面或由不同的學科聯合組成校內交叉項目的形式來實施。例如，北京大學于2000年在國內率先建立了第一個生物信息學研究生項目。在這個交叉學科項目中，導師來自9個院系（如生命科學學院、數學學院和化學系等），不同院系的在讀研究生可以選擇在碩士或博士第二年加入該項目。2001年，浙江大學和北京基因組研究所開始組建了一個生物信息學聯合研究生項目。其他一些大學則在已有的研究生專業中設立與生物信息學相關的研究方向以及相應的研究生課程，如復旦大學在“遺傳學”專業中設置“功能基因組學”方向，在“生態學”專業中設置“生物多樣性信息學”等，以滿足過渡時期內培養生物信息學人才之所需。

自2004年起，生物信息學成為了自主設置博士點試點專業之一，當年即有13個一級學科博士授予點獲批自主設置生物信息學二級學科博士點。2005年， 生物信息學博士點有了更大發展。據不完全統計，目前約有60余所高校和研究所招收生物信息學專業研究生，其所屬一級學科包括生物學、醫學、農學、數學（統計學）、信息科學以及化學（化工）等。此外，一些學校 （如同濟大學等）已開始嘗試利用專業學位（如工程碩士）來加快培養社會急需的生物信息學應用型人才。

三、網絡與服務器條件

生物信息學教育對網絡與服務器條件的要求較高。國內目前主要是通過中國教育和科研網（CERNET）來開展相關教學與科研活動的。CERNET由國家投資建設，教育部負責管理，清華大學等高等學校承擔建設和管理運行的全國性學術計算機互聯網絡。CERNET分四級管理：（1）全國網絡中心，設在清華大學（北京），負責全國主干網的運行和管理；（2）地區網絡中心，設在清華大學、上海交通大學和西安交通大學等10所著名大學；（3）省教育科研網，分布于全國范圍內的36個城市中的38所大學；（4）校園網。國內絕大多數教育機構已被授權使用CERNET。目前，其主干網網寬已提升到2.5Gbps，地區網的傳輸速率已達155Mbps。CERNET已有12條國際和地區性信道，與美國、加拿大、英國、德國、日本和香港特區聯網，總帶寬在100Mbps以上。

北京大學在CERNET和校園網的基礎上于1996年建立了中國第一個生物信息中心，該中心也是EMBnet（歐洲分子生物學網）和APBioNet（亞洲──太平洋生物信息學網）的中國節點。北京大學生物信息中心可向全國提供生物信息學網絡服務，并有許多用于學術和教育資源的鏡像數據，如分子數據庫和軟件等。CERNET用戶可通過匿名文件傳輸協議（FTP）免費獲取，該FTP服務器每天平均被點擊5000次以上。在復旦大學內，與生物信息學相關的本科生和研究生教育及實踐活動均在校園網和CERNET基礎上進行，如用BLAST工具進行數據庫搜索和用PHYLIP軟件包進行系統發育分析等。

四、教材

最初，Baxevanis和Ouellette《Bioinformatics--A Practical Guide to the Analysis of Genes and Proteins》（1998）以及Attwood和Parry-Smith《Introduction to Bioinformatics》（1999）兩本書被翻譯成中文后用作教材。郝柏林和張淑譽出版了一本《生物信息學手冊》（2000），也被選為教學閱讀材料。2001年，高等教育出版社出版了筆者編著的教材──《簡明生物信息學》。在正式出版前，該教材已在復旦大學高年級本科生和研究生教學中采用。隨后，在高等教育出版社的支持下，我們又分別于2002和2003年翻譯了兩本生物信息學相關的專業書籍──Nei和Kumar《Molecular Evolution and Phylogenetics》（2000） 以及Mount的《Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis》（2001），后者的英文版被美國許多高校選為生物信息學教材。近來，生物信息學書籍呈快速增長的趨勢，已不下百種，其中授權影印國外原版教科書和翻譯書籍仍占主導地位。值得指出的是，生物信息學教材編寫工作較為困難，主要原因是學科本身發展太快， 新的知識不斷涌現， 相關領域拓展迅速，編寫工作常常跟不上內容變動。例如，我們在教學實踐中已深感到《簡明生物信息學》一書已不能滿足實際教學工作的需要，但由于種種原因，修訂版遲遲未能完成。此外，系統性也是目前生物信息學教材中普遍存在的一個問題。

除常規教材外，網絡業已成為一個重要的教育資源。中國生物信息網（http://www.biosino.org/）、中國醫學生物信息網（http://cmbi.bjmu.edu.cn/）、上海生物信息技術研究中心（http://www.scbit.org/）以及北京大學生物信息中心（http://www.cbi.pku.edu.cn/）等均提供生物信息學教育的公共在線課程和閱讀材料，其中的中文輔導材料為國內研究人員和學生學習生物信息學提供了方便。

五、問題與挑戰

目前，我國生物信息學教育發展呈迅速增長趨勢，必將為我國生命科學研究趕上國際先進水平提供新的機遇，但其自身也面臨著種種困難與挑戰?，F階段存在的主要問題有：

（1） 缺乏合格的生物信息學師資，教師隊伍的整體數量和質量與我國生物信息學教育快速發展的規模極不相稱。目前，大多數開設生物信息學專業高校的師資隊伍靠新近畢業的博士補充。由于歐美等發達國家的生物信息學正處于方興未艾之際，薪資待遇等多方面的條件較為優越，回國從事生物信息學教學和科研的人才不多，而國內自行培養的博士生有些剛剛畢業，大多數還在學習階段，這樣一來勢必出現一些學校的生物信息學專業匆忙上馬，而具有良好專業背景的教師匱乏的現象。有些學校問題還相當嚴重，合格教師寥寥無幾，這將對生物信息學在我國持續健康地發展造成不利的影響，學校本身也難以通過嚴格的教學評估。

（2）對生物信息學專業人才培養的認識各異，造成課程設置不合理。事實上，國外在生物信息學專業的課程設置方面也缺乏成功的經驗，圍繞“哪些是生物信息學專業的必修課程”和“生物信息學專業的研究生需要哪些基本背景”之類的問題爭議頗多。我國高等教育的傳統模式在創新性人才和交叉學科人才的培養方面本身就存在不少薄弱環節，如何通過生物信息學專業課程教學與實踐加強學生的研究能力，從而加快培養不同專業背景的“復合型”人才是擺在我們面前的一項艱巨任務。

（3） 生物信息學教育與其他專業的合作還有待加強。盡管生物信息學是一門新型學科，但與其他學科專業之間存在不少聯系。舉例來說，統計學（包括生物統計學和醫學統計學）專業在我國已有較長的歷史，也具有一定優勢。生物信息學與統計學的關系極為密切，如能整合統計學教學資源，勢必提升生物信息學教育水準。現階段的問題是不少學校將統計學專業劃歸管理學院等，不同學院的教師之間又缺乏交流與合作，難以滿足生物信息學教育的需求。

有鑒于此，筆者認為解決我國目前生物信息學教育問題的關鍵在于，適當控制發展規模，調整師資隊伍，在不同專業內、不同學校間乃至高校和研究所之間共享專家資源。此外，加強國際合作，引進國外智力，借鑒先進國家的成功經驗也將促進我國生物信息學教育的發展。

作者簡介：

鐘 揚，博士，教授，生物信息學博士生導師，現任復旦大學生命科學學院常務副院長，上海生物信息技術研究中心副主任，研究方向為分子進化與生物信息學。

王 莉，博士，現在復旦大學和上海生物信息技術研究中心工作，研究方向為分子進化與生物信息學。

李作峰，博士，現在上海生物信息技術研究中心工作，研究方向為生物信息學。