面向實踐能力培養的生物信息學課程體系建設

摘 要：生物信息學是新興的多學科交叉科學，它的發展和人才培養對于我國未來生物醫藥產業發展具有重大影響。在教學實踐基礎上，介紹生物信息學專業課程體系建設方面的開創性工作，并探討本科生培養的辦學模式及培養經驗。對于全面推廣和提升生物信息學教育理論，提高我國計算生物學人才培養質量具有重要的指導意義。

關鍵詞：生物信息學 實踐能力 課程體系 培養模式

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）07（a）-0047-02

1 生物信息學概述

伴隨現代高通量分子生物學技術的快速發展，生物信息學在生物醫藥領域的應用日益深入[1]。作為數學理論、計算機技術和生物醫藥研究的整合學科，生物信息學在生物進化、生理功能、疾病治療、藥物開發、農林產業等眾多領域均具有重要的應用價值，是研究生命科學、醫藥科學內在定量規律的重大交叉前沿學科。鑒于生物信息學的重要研究價值和廣闊的產業化前景，發展生物信息學專業教育，有計劃的建設生物信息學專業課程體系，開展面向實踐能力的生物信息學人才培養對促進現代生物醫學發展有重要的意義[2]。

2 生物信息學教育發展現狀

生物信息學發展起步于20世紀末，在短短的十幾年中，生物信息學已經發展成為了橫跨多個研究領域的朝陽專業，國內眾多高等學府、科研院所相繼開設了生物信息本科和研究生專業[3]。但是，在實際的教學和研究過程中，絕大數單位依托于單一的數學、計算機或生物學專業開展，人才培養模式尚處于探索階段，在培養過程存在生物信學理論基礎薄弱、課程體系不健全、課程內容不完善、專業教材匱乏、專業師資隊伍缺乏等問題。

哈爾濱醫科大學生物信息科學與技術學院是全國領先創辦生物信息學專業的單位之一，多年來致力于生物信息學的科學研究和本、碩、博各類人才培養，堅持以學生為本，以培養高素質生物信息學專門人才為目標，深化教學改革，以滿足日益發展的生物信息學高端人才需要[4]。為解決生物信息學的教育教學問題，培養高水平的現代生物信息學人才，我們提出立足國內高等生命科學與醫學教育，建立面向實踐能力培養的生物信息學專業課程體系，以實現高質量培養具有理工科創新思維能力的生物醫學人才，為我國生命科學—醫藥學科教育教學、科學研究和產業化輸送大批專門人才。

3 生物信息課程體系建設

3.1 課程建設目標和指導方針

結合生物信息學才培養目標，經過數十名骨干教師十余年生物信息學教學實踐及人才培養成果經驗反饋，我們適時調整本科生課程及教學內容，逐步建立起面向實踐能力培養的生物信息學專業課程體系。奠定了本科生的人文素養與科學素養并重，公共基礎理論及專業理論相輔相乘，重視學生理工生物醫學全方面素質提高，重點突出學生實踐能力的人才培養方針，并在實踐中培養了大批具有創新思維能力的優秀高端生物信息學專業人才。

3.2 生物信息學課程體系建設方案

考慮到生物信息學多學科交叉特點和國家大學生培養要求，及學生未來就業深造所必需的基礎和專業能力，我們在國內率先開創了生物信息學專業人才培養課程體系，并在醫學院校獨立開展近40余門數理基礎課程和生物信息學專業課程。主要的課程建設情況如下：

（1）公共基礎課程（國家限修課）：政治理論課程、公共外語、體育。

（2）生物醫學基礎課程：解剖生理學、發育生物學、生物化學、細胞生物學、分子生物學、生物技術實驗、分子藥理學等。

（3）計算機基礎課程：計算機基礎、高級語言程序設計（C++JAVA）、數據結構、Perl語言程序設計、數據庫系統原理、Linux操作系統與程序設計等（上述課程均含上機實踐）。

（4）數學基礎課程：數學分析、高等代數、概率論與數理統計、數理邏輯、組合數學與圖論、微分動力學方程、運籌學等（上述課程均含上機實踐）。

（5）專業基礎課程：信息論基礎、生物統計學、生物醫學圖像處理、模式識別、優化算法、隨機過程、生物信息學概論、生物信息數據挖掘、生物信息軟件設計與開發、分子生物軟件工程、生物信息學數據可視化、專業外語等（上述課程均含實驗）。

（6）專業課程：生物芯片技術、結構生物學、分子進化、分子生物網絡、基因組信息學、蛋白質組信息學、藥物基因組信息學、統計遺傳學、計算表觀遺傳學、計算機輔助藥物設計等（上述課程均含實驗）。

（7）綜合實踐課程：課題標書設計、科研論文寫作、生物信息學進展等。

我們在實踐基礎上開創的面向實踐能力培養的生物信息學專業課程體系不同于其他院校，具有明顯的跨專業交叉性教學計劃特色。該課程體系著眼于基礎理論與實踐應用相結合、素質培養與專業培養相結合、扎實穩妥與創新思維相結合。注重學生在醫學、生物學、數學、計算機科學方面的基礎性教育，同時，強調了創新型人才培養、高精尖人才培養、特色化人才培養。厚基礎、寬口徑，使學生在本科階段不但打好將來從事生物信息學、系統生物學、生物醫藥等相關領域創新性研究工作基礎，更重要的是該專業課程體系與實踐密切聯系，切合相關研究開發與產業實際，能夠培養學生從事原始創新研究與產業開發的能力。

4 生物信息學本科生培養模式建設

4.1 五年制分段培養與多學科教育體系

目前，我們根據生物信息學交叉學科人才培養特點，考慮到基礎課程多，實踐能力要求高等因素，采取“2+2+1”的五年制本科人才培養模式，包括兩年理論基礎課程、兩年專業課程與一年實踐應用課程培養（含科研訓練+畢業設計）。此模式在學生就業和用人單位反饋中證實具有顯著的人才培養效果。

課程體系建設依托于生物醫學綜合優勢及深厚的數學、計算機科學功底，通過理論教學與實踐訓練中的知識技能交叉、滲透，培養適應21世紀生命學科與轉化醫學領域急需的生物信息學復合型人才。在此基礎上，從學科的交叉性出發，進一步加強不同類別課程之間的有機融合，加大相關領域知識的整合力度，建立更為緊密、完善，符合生物信息學學科特點的課程體系，將進一步推動學科的發展和系統性教育理論體系的建立。

4.2 面向實踐能力培養的本科生教育模式

在本科學生的培養過程中，我們特別重視學生實踐能力的培養，通過教研一體化、學業導師制、報告研討制等先進的教學方法，引導學生早期接觸生物信息學應用領域和科學研究，在鞏固學習知識的同時，加強對學科的認識和對未來的把握。

“教研一體化”的實踐教學模式：面向實踐能力培養的課程體系建設，要求教學模式上的改革，使得人才培養模式由注重多數學生基礎理論知識培養的大眾教育，向注重少數高精尖創新能力培養的精英式教育轉變。充分利用骨干教師在生物信息學領域的研究經驗，將科學研究成果快速轉化成優秀的教學素材，培養學生動手、實踐、創新能力，注重培養學生實際產業化的認知水平和實踐能力。

本科生學業導師制：本科生進入專業課教學階段，實行學業導師制。采取學生與一線骨干教師雙向選擇方式，使每名學生擁有自己的學業指導教師。導師為學生提供思想教育和專業輔導，并通過指導大學生數學建模競賽、創新創業科研訓練、早期科學研究等方法促進學生的學習盡頭和對專業的深入認識。

專題報告與研討制度：本科生畢業設計階段，強調學生的“主體”學習地位，使學生選擇感興趣的學科方向，在導師指導下進行科研訓練與實踐。要求學生自主利用網絡等各方面資源，獲取學科前沿信息，并以專題報告形式展示學習成果，通過提問、研討、總結，提升自身專業素養及專業技能，獨立完成達到核心期刊發表水平的生物信息這科研課題。

5 生物信息學課程體系建設的意義

在全體師生的努力下，經過多年的實踐探索，我們對生物信息學課程體系從基礎到實踐的不同階段進行分段式、推進式的改革與建設。在政策措施、人員配備、經費匹配等各方面給予鼎力支持。優先保證面向實踐能力培養的生物信息學課程體系快速、有效的建設，已經形成國內頂尖的生物信息學本科教育理論和實踐團隊，并為國家輸送著大批高水平生物信息學人才。

面向實踐能力培養的生物信息學課程體系建設，一方面能夠完善生物醫學本科生、研究生的知識結構，提高運用理工科思維和技能解決復雜生命科學問題的綜合科研能力，更為有效的實現生命科學攻關和創新研究理論形成；另一方面，生物醫藥是我國科技研發的薄弱環節，在課程體系建設基礎上，培養適用于現代高通量分子生物學技術的創新型生物信息學人才，將為我國的醫藥物研發提供強有力的推動作用，并有利于創新臨床診斷技術開發和個性化醫療的實現，促進科技轉化，產生潛在的、不可估量的經濟價值。

6 致謝

本文研究內容是在黑龍江省高等教育教學改革專項項目，黑龍江省高教學會重點課題創新型生物醫學信息學人才培養模式研究，黑龍省創新創業人才培養項目面向生物信息產業開發的創新型專業人才培養模式研究與實踐，哈爾濱醫科大學醫學教育研究課題面向實踐能力培養的生物信息學專業課程整合設計研究資助下完成的，課程體系的建設得到哈爾濱醫科大學學校領導的支持，并得到兄弟院校相關領域專家、學者的幫助，在此一并感謝。

參考文獻

[1]Ned Wingreen and David Botstein. Back to the Future：Education for Systems-level Biologists[J].Nature Review Molecular Cell Biology，2006，7（11）：829-832.

[2]徐良德，馬曄，孫紅梅，等.八年制醫學教育中開展《生物信息學》教學的實踐探討[J].素質教育，2011，11：33-34.

[3]Wei Liping and Yu Jun；Bioinformatics in China：A Personal Perspective[J].Plos Computational Biology，2008，4（4）.

[4]李霞，主編.生物信息學[M].北京：人民衛生出版社，2010：13-25.