魏煒 許小娟 趙云
摘? ? 要:針對現(xiàn)代生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)海量化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢,四川大學(xué)率先在國內(nèi)開展了計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)的建設(shè),培養(yǎng)能夠解析、研究并處理超復(fù)雜性生命數(shù)據(jù)的交叉復(fù)合型人才。文章探討了四川大學(xué)計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)建設(shè)的一系列舉措,以期為其他交叉專業(yè)建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:計(jì)算生物學(xué);交叉;專業(yè)建設(shè);探索實(shí)踐
中圖分類號:G642? ? ? ? ? 文章標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? 文章編號:1002-4107(2022)01-0042-03
一、引言
生命科學(xué)已發(fā)展到后基因組時代,從分子生物學(xué)到進(jìn)化生物學(xué)、從微生物學(xué)到林學(xué)、從醫(yī)學(xué)到全球氣候變化生物學(xué),面對如此海量的“組學(xué)”數(shù)據(jù)集,利用計(jì)算生物學(xué)的研究手段來解析生命就顯得尤為重要。計(jì)算生物學(xué)是一門以生命科學(xué)中的現(xiàn)象和規(guī)律作為研究對象,以數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)作為解決問題的主要工具和手段,以解決生物學(xué)問題為最終目標(biāo)的典型交叉學(xué)科。
計(jì)算生物學(xué)在國際上受到高度重視,美國和歐洲一直走在該研究領(lǐng)域的前列,成立了多家計(jì)算生物學(xué)中心以及計(jì)算生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)。1997年,國際計(jì)算生物學(xué)學(xué)會ISCB在美國成立,如今發(fā)展成為一個擁有來自70多個國家2 500多名會員的龐大組織。我國計(jì)算生物學(xué)起步較晚,與其他國家相比,在研究機(jī)構(gòu)的數(shù)量和規(guī)模、研究人員的組成與培養(yǎng)等方面存在一定差距。特別是現(xiàn)階段我國高校還未設(shè)立計(jì)算生物學(xué)本科專業(yè),在面對當(dāng)今社會對生命科學(xué)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)處理分析的專業(yè)人才需求時,這一矛盾尤為突出。
在這樣一個時代背景下,筆者所在的四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與軟件學(xué)院在2014年率先提出要充分利用四川大學(xué)多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢,瞄準(zhǔn)大數(shù)據(jù)時代生命科學(xué)領(lǐng)域的教育資源缺口,建設(shè)一個國家亟需、前景廣闊的新興交叉專業(yè)——計(jì)算生物學(xué),以專門培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)、生物學(xué)方面具有扎實(shí)基礎(chǔ),能夠從生物學(xué)的需要和特點(diǎn)出發(fā),進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析處理的復(fù)合型人才。經(jīng)過7年的不懈努力,該專業(yè)日趨成熟,已經(jīng)呈現(xiàn)出良好的人才培養(yǎng)成效。
二、計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)建設(shè)舉措
(一)構(gòu)建計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)人才培養(yǎng)體系
在交叉專業(yè)的建設(shè)過程中,專業(yè)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)體系應(yīng)避免兩個專業(yè)的簡單疊加。作為理工交叉培養(yǎng)的計(jì)算生物學(xué)專業(yè)學(xué)生,不僅要系統(tǒng)掌握數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)和生命科學(xué)的基本知識,更重要的是具有挖掘、處理、解析超復(fù)雜性大數(shù)據(jù)的能力。針對該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo),我們構(gòu)建了全新的人才培養(yǎng)體系。
計(jì)算生物學(xué)人才培養(yǎng)體系除了包括公共基礎(chǔ)課和通識模塊課以外,主要由學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課和專業(yè)選修課三個版塊組成。在學(xué)科基礎(chǔ)課版塊中不僅開設(shè)有“微積分”“概率統(tǒng)計(jì)”“線性代數(shù)”等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課,還開設(shè)有“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論”“普通生物學(xué)”等課程,意在夯實(shí)學(xué)生的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)及生物學(xué)基礎(chǔ)。專業(yè)核心課則由“離散數(shù)學(xué)”“統(tǒng)計(jì)模型與模擬”“隨機(jī)過程”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”“大數(shù)據(jù)技術(shù)原理與應(yīng)用”“數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)”“生物化學(xué)與分子生物學(xué)”“遺傳學(xué)”等課程組成。為滿足學(xué)生個性化發(fā)展的需求,專業(yè)選修課版塊設(shè)立了兩個備選方向,方向一主要是針對基因組和轉(zhuǎn)錄組等微觀生物學(xué)海量數(shù)據(jù)的挖掘、處理與分析,方向二則偏重于生態(tài)學(xué)等宏觀生物學(xué)方向的信息挖掘與分析。
計(jì)算生物學(xué)專業(yè)培養(yǎng)的是理工交叉的應(yīng)用型人才,要求畢業(yè)生要具有大數(shù)據(jù)分析處理方面的實(shí)踐能力、創(chuàng)業(yè)能力和創(chuàng)新精神,因此我們有意識地加大了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)分,使得實(shí)踐環(huán)節(jié)總學(xué)分達(dá)到畢業(yè)總學(xué)分的32%。
(二)建設(shè)計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)全新課程資源
為達(dá)到計(jì)算生物學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo),更為重要的是建設(shè)與完善優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。對生命學(xué)院、軟件學(xué)院有關(guān)大數(shù)據(jù)處理的核心課程進(jìn)行重組和整合,在軟件學(xué)院的“操作系統(tǒng)”“編程”“服務(wù)器建設(shè)和維護(hù)”等課程基礎(chǔ)上,重點(diǎn)發(fā)展和提升適合生物學(xué)大數(shù)據(jù)處理的各類編程技術(shù)、操作系統(tǒng)、服務(wù)器建設(shè)維護(hù)等課程。對于生命學(xué)院相關(guān)課程,如“生態(tài)學(xué)”“基因組學(xué)”“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測”“全球變化生態(tài)學(xué)”等課程,重新精選教學(xué)內(nèi)容,突出對生命學(xué)基本原理的講授。
實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的課程也是我們重點(diǎn)建設(shè)的課程之一。我們不僅建設(shè)了“操作系統(tǒng)和系統(tǒng)編程”“生物信息學(xué)原理和操作”“軟件開發(fā)環(huán)境與工具”“數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)”等側(cè)重于基礎(chǔ)的實(shí)踐課程,奠定學(xué)生扎實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)和基本的科學(xué)素養(yǎng)。并且開設(shè)了“程序設(shè)計(jì)實(shí)踐-1”“程序設(shè)計(jì)實(shí)踐-2”等進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)課程,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力。我們與生物技術(shù)公司、軟件公司等高新企業(yè)合作,開設(shè)了IT企業(yè)實(shí)訓(xùn),保證學(xué)生在學(xué)—研—產(chǎn)結(jié)構(gòu)鏈上的鍛煉。
此外,鼓勵教師積極建設(shè)精品資源共享課和公開視頻課,充分利用國內(nèi)外的教學(xué)資源,加強(qiáng)協(xié)同開發(fā),促進(jìn)開放共享,形成與計(jì)算生物學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、人才培養(yǎng)方案和人才培養(yǎng)模式相適應(yīng)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。
(三)搭建計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺
充分利用“國家級生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”“信息數(shù)學(xué)技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等軟硬件條件建立基礎(chǔ)實(shí)踐課程教學(xué)平臺。重點(diǎn)建設(shè)了全新的“大數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺”,為學(xué)生的綜合實(shí)踐訓(xùn)練提供校內(nèi)實(shí)踐平臺。讓學(xué)生參與“大數(shù)據(jù)平臺”的日常維護(hù)工作,為將來工作奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。
進(jìn)一步加強(qiáng)與國內(nèi)知名高新生物技術(shù)企業(yè)、生態(tài)資源站以及軟件公司的合作,利用企業(yè)所提供的實(shí)訓(xùn)場所,建立起穩(wěn)定的實(shí)訓(xùn)基地,為學(xué)生提供多樣化的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。我們先后與中國生物技術(shù)集團(tuán)成都生物制品研究所、華大基因研究院、上海應(yīng)用物理所、中軟國際集團(tuán)、衛(wèi)士通信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司、四川華迪信息技術(shù)有限公司等建立聯(lián)合實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地。聘請企業(yè)中優(yōu)秀的管理、技術(shù)開發(fā)、營銷等專業(yè)人員作為兼職教師,建立起實(shí)踐應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)團(tuán)隊(duì),結(jié)合企業(yè)案例,向?qū)W生講授大數(shù)據(jù)應(yīng)用等技能需求和特點(diǎn),進(jìn)行研發(fā)訓(xùn)練、企業(yè)實(shí)訓(xùn)等,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉知識的學(xué)習(xí)和延伸,培養(yǎng)滿足社會需求的計(jì)算生物學(xué)交叉復(fù)合型人才。
(四)組建一流跨學(xué)科教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)
計(jì)算生物學(xué)是依托生命學(xué)院和軟件學(xué)院成立的一個交叉專業(yè),在實(shí)際運(yùn)行過程中需要兩個學(xué)院的多方協(xié)調(diào)與長期磨合。因此從課程團(tuán)隊(duì)入手,以各類核心課程為中心分別組建了10個教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)打破了學(xué)院之間的界限,每個團(tuán)隊(duì)的成員不僅有生命學(xué)院和軟件學(xué)院的教師,有些還有來自企業(yè)的“雙師”型教師。教學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)行首席教師負(fù)責(zé)制,負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)、相關(guān)課程的建設(shè)以及定期組織開展各類教學(xué)研討與經(jīng)驗(yàn)交流活動。
通過持續(xù)的教研活動,對計(jì)算生物學(xué)的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式不斷進(jìn)行改進(jìn)與完善,促進(jìn)了生命學(xué)院和軟件學(xué)院教師之間的科研合作,兩個學(xué)院教師聯(lián)合申報(bào)各類研究課題數(shù)量逐年增加,為計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)學(xué)生的科研訓(xùn)練、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的申報(bào)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成奠定了良好的基礎(chǔ)。
此外,因?yàn)楸緦I(yè)與高新生物技術(shù)企業(yè)合作密切,所以我們十分重視“雙師型”教師的引進(jìn)與培養(yǎng)。我們堅(jiān)持選擇具有較高專業(yè)理論水平以及較強(qiáng)的教學(xué)、科研能力,同時具備組織生產(chǎn)經(jīng)營和科技推廣能力的企業(yè)家和創(chuàng)業(yè)者作為“雙師型”教師充實(shí)到教學(xué)團(tuán)隊(duì)里,為學(xué)生開設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)課和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課,加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力的訓(xùn)練,保證學(xué)生在學(xué)—研—產(chǎn)結(jié)構(gòu)鏈上的鍛煉。
(五)創(chuàng)新計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)人才培養(yǎng)模式
對于計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng),需要重視其科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng),因此采取校內(nèi)學(xué)科之間的交叉培養(yǎng),在加強(qiáng)生命科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件等核心基礎(chǔ)知識的教育基礎(chǔ)之上,重點(diǎn)進(jìn)行“生物大數(shù)據(jù)”挖掘、分析、處理等核心專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。同時注重實(shí)踐實(shí)訓(xùn),開展學(xué)校與企業(yè)之間、生物大數(shù)據(jù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)上游與下游間的結(jié)合,力求提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。
強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)模式,突出學(xué)生在課堂上的主體地位。堅(jiān)持啟發(fā)式、自由討論式、自主研究式和共同參與式的教學(xué)方法, 使學(xué)生在教師的引導(dǎo)下主動參與教學(xué)過程,在充分交流中激發(fā)探索興趣,建構(gòu)知識,發(fā)展思維,了解學(xué)科前沿問題和本質(zhì)問題,培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。
全面實(shí)行導(dǎo)師制及助教制。每一級計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)試驗(yàn)班均配備一位班主任,負(fù)責(zé)班級的建設(shè)、日常班級活動的開展。每位計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)學(xué)生配備有專業(yè)指導(dǎo)教師,指導(dǎo)教師與學(xué)生之間實(shí)行雙向選擇制度,指導(dǎo)教師不僅在學(xué)生課程選修、專業(yè)方向確定以及人生規(guī)劃方面提供參考意見,而且重點(diǎn)負(fù)責(zé)學(xué)生的科研訓(xùn)練、指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目的開展等。
改革考試制度,建立綜合考評體系。綜合考評體系的特點(diǎn)是注重過程考核,減少期末考試在最終總成績中所占比例,占比原則上不高于40%,避免期末考試一考定成績。教師通過日常考勤、課堂研討、課后作業(yè)、隨堂測驗(yàn)、學(xué)期小論文等多種形式加強(qiáng)平時考核,及時反饋學(xué)生學(xué)習(xí)狀況,幫助學(xué)生及時調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)。督促學(xué)生重視日常學(xué)習(xí),避免學(xué)生考前突擊,更加全面、客觀地考評學(xué)生的課程學(xué)習(xí)成效。
學(xué)院倡導(dǎo)在課程考核過程中將標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)考核相結(jié)合、靈活考查與基礎(chǔ)考核相結(jié)合、動態(tài)與靜態(tài)考核相結(jié)合、個人與團(tuán)隊(duì)考核相結(jié)合。積極探索開放式考核標(biāo)準(zhǔn),側(cè)重考察學(xué)生對課程基本概念、基本原理和研究方法的理解,過渡到對學(xué)生批判性思維能力、表達(dá)能力、學(xué)習(xí)能力、探索精神、合作精神的考核。試題以啟發(fā)學(xué)生思維的開放式、創(chuàng)作型題目為主。
對實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),構(gòu)建多層次、多角度、分階段適宜學(xué)生的個性化課程體系。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程的考核也一改以往僅僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為主要評分標(biāo)準(zhǔn)的模式,而是強(qiáng)調(diào)過程與結(jié)果并重。每門實(shí)驗(yàn)課程均要求學(xué)生完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(預(yù)習(xí))設(shè)計(jì)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及總結(jié)分析等,再結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作等構(gòu)成其實(shí)驗(yàn)成績。新的評價(jià)機(jī)制激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,提高了其分析解決問題和實(shí)踐動手能力,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識。
(六)深化教學(xué)管理體制改革
遵循高等教育發(fā)展和人才成長基本規(guī)律,積極探索交叉專業(yè)學(xué)生的管理模式。建立健全嚴(yán)格的教學(xué)管理制度,積極落實(shí)“全面發(fā)展”的人才培養(yǎng)理念、“全員育人”的人才培養(yǎng)機(jī)制、“全方位服務(wù)”的育人管理體系,形成有利于學(xué)生全面發(fā)展和個性發(fā)展相輔相成的管理制度和評價(jià)辦法,形成科學(xué)合理的本科教學(xué)質(zhì)量跟蹤評價(jià)體系。
為滿足學(xué)生個性化發(fā)展的需求,在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)增加學(xué)生選課的靈活度與自由度,探索實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分替代辦法。鼓勵學(xué)生積極參與到科研導(dǎo)師的課題組開展研究性學(xué)習(xí),學(xué)生參與各類科研訓(xùn)練項(xiàng)目獲得的階段性成果、申請的專利以及省級學(xué)科競賽獎項(xiàng)等替代專業(yè)綜合實(shí)踐課程的學(xué)分。
開展畢業(yè)設(shè)計(jì)多樣化改革,改變傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)的寫作與評審模式,建立以創(chuàng)新思維和動手能力為主要考核指標(biāo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)認(rèn)定評價(jià)體系。擬定了《四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科高質(zhì)量多樣化畢業(yè)設(shè)計(jì)改革工作管理辦法》,將實(shí)習(xí)、實(shí)踐、科技創(chuàng)新活動中取得的研究成果、科研訓(xùn)練成果、發(fā)明專利以及大數(shù)據(jù)分析平臺的建立、大數(shù)據(jù)利用案例等均納入畢業(yè)論文的考核范圍。同時,對學(xué)生申請多樣化畢業(yè)設(shè)計(jì)的認(rèn)定工作進(jìn)行更為靈活且詳細(xì)的規(guī)定。
在計(jì)算生命學(xué)交叉人才培養(yǎng)過程中,涉及到不同學(xué)院、不同部門,甚至是校外師資的管理。對于校內(nèi)不同學(xué)院的教師,由其歸屬學(xué)院對其工作業(yè)績進(jìn)行考核認(rèn)定。對于校外聘請導(dǎo)師,則利用試點(diǎn)學(xué)院和交叉專業(yè)建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)予以支持。
三、專業(yè)建設(shè)成效
四川大學(xué)計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)的創(chuàng)建在國內(nèi)屬于首例,依托生命學(xué)院和軟件學(xué)院的優(yōu)質(zhì)教學(xué)與科研資源以及與校外多家高新生物技術(shù)企業(yè)的合作,以培養(yǎng)專長解析超復(fù)雜性生命科學(xué)數(shù)據(jù),并能從事復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算、處理和研究的復(fù)合型高素質(zhì)人才為目標(biāo),經(jīng)過探索與實(shí)踐,形成了集教學(xué)、實(shí)踐、產(chǎn)業(yè)化功能于一體的人才培養(yǎng)體系,建設(shè)了一批與人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)了生物、計(jì)算機(jī)之間的跨學(xué)科聯(lián)合辦學(xué),人才培養(yǎng)成效比較顯著,同時也為其他交叉專業(yè)的建設(shè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
計(jì)算生物學(xué)交叉試驗(yàn)班學(xué)生普遍表現(xiàn)出很強(qiáng)的創(chuàng)新意識和實(shí)踐動手意識,本科生在校期間發(fā)表SCI論文11篇,其中以第一作者身份發(fā)表6篇,燕蕊同學(xué)作為共同第一作者的研究論文發(fā)表在Nature主刊上。本專業(yè)學(xué)生積極參加各類學(xué)科競賽并取得了比較豐碩的成果,近三年累計(jì)獲得省級以上各類獎項(xiàng)23項(xiàng)。
目前,計(jì)算生物學(xué)交叉試驗(yàn)班已有三屆畢業(yè)生,共計(jì)68人全部畢業(yè)并順利取得雙學(xué)位,繼續(xù)深造比例為91.2%。由于培養(yǎng)特色鮮明,畢業(yè)生受到國內(nèi)頂級高校及研究所的青睞,絕大多數(shù)保送至清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院等與大數(shù)據(jù)研究應(yīng)用相關(guān)的生物信息、計(jì)算生物學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全等專業(yè)繼續(xù)深造。部分學(xué)生成功申請出國繼續(xù)深造,分別前往哥倫比亞大學(xué)、紐約大學(xué)、新加坡國立大學(xué)等世界名校。
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收稿日期:2021-05-07
作者簡介:魏煒(1969—),女,江蘇南京人,四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授,博士,主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。
基金項(xiàng)目:中國高等教育學(xué)會理科教育專業(yè)委員會高等理科教育研究課題“計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)建設(shè)研究與實(shí)踐”(18-1007);四川省2018-2020年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目“計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)建設(shè)研究與實(shí)踐”(JG2018-61);四川大學(xué)新世紀(jì)教育教學(xué)改革工程(第八期)研究項(xiàng)目“計(jì)算生物學(xué)交叉專業(yè)建設(shè)研究與實(shí)踐”(SCU8032)