本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索*
——以交叉學(xué)科生物信息學(xué)為例

◆謝尚潛 季凱凱 邢劍鋒 趙瑩 宋希強(qiáng)

0 引言

隨著我國(guó)改革開(kāi)放的深入和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，如何結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，促進(jìn)科技創(chuàng)新，是各個(gè)領(lǐng)域面臨的新課題。技術(shù)創(chuàng)新以高等教育為基礎(chǔ)，所以本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)越來(lái)越引發(fā)關(guān)注。歐美國(guó)家的本科生教育強(qiáng)調(diào)自由化和多樣化，采用以學(xué)習(xí)為中心，以教學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新為重點(diǎn)的雙中心教學(xué)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力[1]。雖然近年來(lái)我國(guó)高等教育改革取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但大部分高校仍然采用以教學(xué)為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式[2]。在這種模式下，教師的任務(wù)是向?qū)W生灌輸知識(shí)，學(xué)生的任務(wù)是理解、消化和吸收教師傳授的知識(shí)，忽視了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于充分培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力。

在海南自貿(mào)區(qū)、自貿(mào)港建設(shè)新時(shí)期，加快補(bǔ)齊海南人才短缺，培養(yǎng)適應(yīng)型、緊缺型創(chuàng)新人才是海南自貿(mào)港建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵[3]。本科教育是培養(yǎng)專業(yè)性創(chuàng)新型人才的重要途徑，本科生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)。生物信息學(xué)是一門生物學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉而形成的新興學(xué)科，培養(yǎng)具有交叉學(xué)科背景的復(fù)合型人才是滿足緊缺型創(chuàng)新人才需求的重要舉措[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)新興的交叉學(xué)科人才培養(yǎng)模式有待進(jìn)一步深入探索。本文以交叉學(xué)科生物信息學(xué)為例，依托于海南大學(xué)林學(xué)院生物信息平臺(tái)，探索如何培養(yǎng)具有交叉學(xué)科背景的本科生的科研創(chuàng)新能力。

1 交叉學(xué)科背景的本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

生物信息學(xué)是生物學(xué)研究模式革命的標(biāo)志，正如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者吉爾伯特（W.Gilbert）所言：“基于全部基因都將知曉并以電子技術(shù)可操作的方式駐留在數(shù)據(jù)庫(kù)中，新的生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是理論的。科學(xué)家將從理論推測(cè)出發(fā)，再返回到實(shí)驗(yàn)中去，追蹤或驗(yàn)證這些理論假設(shè)。生物學(xué)家不僅必須成為計(jì)算機(jī)學(xué)者，而且也要改變他們研究生命現(xiàn)象的途徑。”[5]目前幾乎每一所美國(guó)和歐洲的綜合性大學(xué)均開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)課程。我國(guó)各高等院校也逐漸意識(shí)到交叉學(xué)科生物信息學(xué)課程學(xué)習(xí)的重要性，目前一般開(kāi)設(shè)生物學(xué)或生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)校都在努力建設(shè)生物信息學(xué)課程。然而交叉學(xué)科的課程學(xué)習(xí)以及學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)非常特殊，存在一些共性問(wèn)題。

1）專業(yè)背景單一，缺少真正的學(xué)科融合。生物信息學(xué)是一門交叉學(xué)科，僅有生物學(xué)背景遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)方面的背景，但傳統(tǒng)生物學(xué)或農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)方面的基礎(chǔ)較為薄弱。

2）實(shí)踐操作能力相對(duì)不足。由于涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，操作性比較強(qiáng)。比如：從“序列比對(duì)分析”到“分子進(jìn)化分析”，再到“分子結(jié)構(gòu)分析”，都需要在計(jì)算服務(wù)器上實(shí)踐操作，才能鍛煉本科生的數(shù)據(jù)分析以及動(dòng)手能力。

3）國(guó)際視野不足，前沿技術(shù)接觸機(jī)會(huì)較少，僅能通過(guò)為數(shù)不多的講座和已發(fā)表的論文了解相關(guān)前沿知識(shí)，論文的閱讀又受限于學(xué)生的英文水平與知識(shí)背景[6]。

目前已提出許多關(guān)于生物信息學(xué)交叉學(xué)科本科生的培養(yǎng)模式和思路，比如案例式教學(xué)、問(wèn)題式教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)等[7-10]，這些模式和思路為海南大學(xué)構(gòu)建生物信息學(xué)本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式提供了重要的借鑒和學(xué)習(xí)案例。

2 提高本科生科研創(chuàng)新能力的具體措施

對(duì)于生物信息學(xué)方向的本科生教育，確定其培養(yǎng)目標(biāo)為：具備扎實(shí)、多學(xué)科的基礎(chǔ)理論和較強(qiáng)的上機(jī)操作能力，能積極拓寬知識(shí)面，注重學(xué)科前沿發(fā)展和知識(shí)交叉應(yīng)用，提高綜合能力，具備進(jìn)行科研創(chuàng)新的能力，比如具有數(shù)據(jù)檢索收集、分析流程拆分和構(gòu)建、結(jié)果分析和學(xué)術(shù)論文撰寫等能力。為培養(yǎng)交叉學(xué)科背景本科生的相關(guān)能力，進(jìn)行從理論到實(shí)踐的一些嘗試，具體包括以下舉措。

小班式教學(xué) 小班式班級(jí)教學(xué)模式基于多元化、個(gè)別化、興趣化的培養(yǎng)理念，這種理念相對(duì)于傳統(tǒng)模式具有因材施教、探究性學(xué)習(xí)、個(gè)性發(fā)展、密切聯(lián)系師生等優(yōu)勢(shì)。目前，小班式本科生人數(shù)共有16人，包括林學(xué)五人、生物學(xué)三人、農(nóng)學(xué)五人、醫(yī)學(xué)一人、信息學(xué)二人。根據(jù)不同學(xué)生的專業(yè)特色，小班教學(xué)可以采取更多樣化的教學(xué)形式和方式，考慮不同專業(yè)之間的差異，教師靈活掌握教學(xué)要求和進(jìn)度并及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。教師引導(dǎo)，學(xué)生相互討論學(xué)習(xí)，發(fā)揮出不同學(xué)科特長(zhǎng)，最終將本專業(yè)特色應(yīng)用到生物信息學(xué)教學(xué)中。總之，小班化教學(xué)強(qiáng)調(diào)讓每一名學(xué)生受到充分關(guān)注，享用最大化的教育資源。

項(xiàng)目式培養(yǎng)實(shí)踐操作能力 實(shí)踐操作能力培養(yǎng)主要分為兩個(gè)階段。

1）臨摹式學(xué)習(xí)，主要是對(duì)發(fā)表在Nature、Science、Cell等高水平雜志上的熱點(diǎn)文章進(jìn)行解讀，并且結(jié)合講述植物基因組學(xué)的研究進(jìn)展、數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇、多序列比對(duì)等方面的腳本要點(diǎn)。由學(xué)生依照論文重新臨摹式地做一次數(shù)據(jù)分析和挖掘，并對(duì)照論文結(jié)果發(fā)現(xiàn)自身存在的問(wèn)題，及時(shí)糾正和提高。

2）以賽代練式學(xué)習(xí)。通過(guò)給定某個(gè)小項(xiàng)目，如非編碼區(qū)RNA的甲基化修飾模式解析等，指導(dǎo)導(dǎo)師在不同關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行把控指導(dǎo)，其他時(shí)間由學(xué)生探索開(kāi)展具體項(xiàng)目研究，具體流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目式科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)流程圖

3 生物信息學(xué)方向本科生培養(yǎng)的特色與成效

依托海南大學(xué)林學(xué)院生物信息學(xué)平臺(tái)，在交叉復(fù)合型學(xué)科背景創(chuàng)新教學(xué)模式環(huán)境下，本科生積極學(xué)習(xí)多學(xué)科基礎(chǔ)理論知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，營(yíng)造濃郁的科研氛圍。該創(chuàng)新方式強(qiáng)化了本科生的科研創(chuàng)新意識(shí)，提高了本科生科研創(chuàng)新的能力，取得一系列相應(yīng)成果。例如：四名本科學(xué)生各自以第一作者身份在園藝領(lǐng)域Top期刊Horti-culture Research、蛋白領(lǐng)域Top期刊Journal of Proteomics、Frontiers in Genetics（中科院2區(qū)）等專業(yè)領(lǐng)域雜志上發(fā)表SCI論文，并且參與完成兩個(gè)生物信息專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)（http://mdr.xieslab.org/；http://isodb.xieslab.org）， 申 請(qǐng) 發(fā)明專利兩項(xiàng)。由于采用小班制及教學(xué)以興趣為導(dǎo)向，突破專業(yè)年級(jí)界限，目前四名本科生已畢業(yè)，其中三名考上研究生，兩名獲校級(jí)優(yōu)秀本科論文獎(jiǎng)。未畢業(yè)的學(xué)生正投入于項(xiàng)目研究中，均有望以第一作者發(fā)表SCI論文。培養(yǎng)的本科生與碩士、博士研究生均已加入海南大學(xué)林學(xué)院生物信息學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)目前已成為海南大學(xué)林學(xué)院熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海南省熱帶特色花木資源生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成之一。

4 總結(jié)

自由貿(mào)易港建設(shè)為科研創(chuàng)新帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，大量交叉復(fù)合型人才是推進(jìn)海南自由貿(mào)易港建設(shè)的關(guān)鍵。海南大學(xué)林學(xué)院以服務(wù)海南自由貿(mào)易港發(fā)展為核心，以人才需求為導(dǎo)向，突出熱帶林學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)與特色，合理構(gòu)建新時(shí)期人才培養(yǎng)的新模式，加強(qiáng)專業(yè)教師隊(duì)伍引導(dǎo)作用，優(yōu)化專業(yè)教師的科研、教學(xué)方案，不斷培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型的科技人才。