生物信息專業課程體系的構建及優化

趙文珊 施玉華 吳亞紅

摘要：隨著社會的不斷發展，生物信息學已經在生物學、醫學及藥學等多個學科表現出了強大的作用，在解決重大科學問題和社會需求方面尤為突出，生物信息學專業的人才培養至關重要。培養具有生物信息學專業技能又適合社會發展的復合型人才，已經成為當務之急。進一步深化生物信息課程的改革，構建并優化生物信息專業課程體系，對于推進基礎知識的應用及拓展本科生的視野至關重要。基于全面的生物學、計算機信息科學和生物信息學方面的課程配置，通過優化實驗環節和實習環節，構建了合理的實習體系，并優化實習的結構，逐步加強學生對于專業的認知深度，意識到所學專業在國家需求和行業需求中的作用，合理規劃自己的職業生涯。

關鍵詞：生物信息學? 課程體系? 計算機信息科學? 實習

中圖分類號：Q811.4-4;G643? ? 文獻標識碼：A

Abstract：With the continuous development of society， bioinformatics has shown an important role in biology， medicine and pharmacy， particularly prominent in solving major scientific issues and social needs. The cultivation of bioinformatics professionals is crucial， and it has become a top priority to cultivate compound talents with professional skills in bioinformatics who are suitable for social development. Further deepening the reform of bioinformatics curriculum， and building and optimizing the curriculum system of bioinformatics are essential to promote the application of basic knowledge and broaden the perspective of undergraduate students. Based on the comprehensive curriculum configuration of biology， computer information science and bioinformatics， a reasonable practice system is constructed by optimizing the experimental link and the practice link， and the structure of the practice is optimized， so as to gradually strengthens students' cognitive of the specialty， realizing the role of the major in the needs of the country and the industry? and plan their career reasonably.

Key Words：Bioinformatics; Curriculum system; Computer information science; Internship;

隨著計算機科學的不斷發展，生物信息學飛速發展，逐步滲透進了生物學、醫學、制藥及農業等多種基礎研究和應用研究領域[1]。生物信息學在數據的獲取與挖掘、生物軟件的開發與應用、生物數據庫的建立與管理等方面具有交叉學科綜合優勢，在“精準醫學”的時代，以生物醫學大數據研究為核心的生物信息學技術已經成為現代重大疾病研究的核心力量，生物信息學已經在生物學、醫學及藥學等多個學科表現出了強大的作用[2]，在解決重大科學問題和社會需求方面尤為突出。目前，對于生物信息學人才的需求缺口越來越大，而生物信息學人才匱乏，已成為生物學、醫學及制藥生物學等領域發展的一個瓶頸[3]。因此，培養具有生物信息學專業技能又適合社會發展的復合型人才，已經成為當務之急，這就要求進一步優化生物信息學專業的知識結構，培養具有創造力的高端人才[4]。目前，生物信息學方面人才的培養已經在中學進行了探索和嘗試[5]。生命科學學院生物信息學專業培養的學生需要具有扎實的生命科學理論基礎和計算機技術，系統的生物信息學方法和實驗技能，適應生命科學領域與生物信息學相關產業的發展需要，爭取成為在基因組學、蛋白質組學及創新藥物設計等相關領域從事教學、科研、技術開發和管理等工作的復合型人才。

1 生物信息學基礎課程內容的設置

生物信息學的主干學科包含了生物學、計算機信息科學和生物信息學。本專業學生主要學習數理科學、計算機科學、生命科學、統計學等方面的基本理論和基礎知識，接受生物信息學理論與應用研究的科學思維培養和基本技能訓練，具有一定的生物信息處理和研發能力[6]。作為一個交叉學科，生物信息學對各個分屬的領域具有較高的要求，學生需要掌握各個學科的基礎知識，才能獲得更好的教學成果[7]。這就要求對生物信息學本科的課程進行合理的設置，以期更好的引領學生掌握更多的知識。生命科學學院在生物信息學專業課程設置方面，除了專業公修課之外，通過多年的探索，專業課主要針對3個方向進行，其中主要包括生物學基礎課程、計算機信息科學基礎課程和生物信息學基礎課程。

1.1 生物學基礎課程

生物學是生物信息學的基礎，旨在向學生傳授基礎的生物學知識，讓學生掌握生物學主要包含的學科。生物學基礎方面，主要課程涵蓋了植物生物學、動物生物學、分子生物學、細胞生物學、遺傳學、生物化學、生物統計學等。生物信息學的主要目的是使用計算的手段解決生命科學的問題，這就要求生物信息學專業的學生充分掌握生物學各個方面的基礎知識，這些課程是生物學課程的基礎，旨在從宏觀層面到微觀層面提高學生對于生物學的認知，引導學生在各個不同領域的興趣，為學生從事生命科學各個基礎研究和應用研究領域的工作奠定基礎。

1.2 計算機信息科學基礎課程

本部分課程的主要目的是讓學生充分掌握計算機語言，以更好地利用計算機解決生物學問題。計算機信息科學的課程設置方面，涵蓋了計算生物學、LINUX操作系統、R語言、Python編程語言、計算生物學、數據庫原理及Perl語言等；生物信息學的目的是采用計算科學的手段來解決生物學的問題，這就要求學生掌握扎實的計算機信息科學基礎，熟練地運用計算機來處理和分析數據。隨著測序技術的不斷發展，各種類型的生物學數據庫持續更新，數據量不斷被擴充，這就要求學生熟練掌握計算機編程的技術，使用計算機腳本在高功率的計算機集群中進行大規模數據的分析和處理。

1.3 生物信息學基礎課程

生物信息學方面涵蓋了生物信息學導論、基因組學、藥物信息學、蛋白質組學和大數據挖掘等。隨著大數據時代的來臨和測序技術的不斷進步，目前的測序已經發展到了單細胞測序，基因組、蛋白組及轉錄組等的數據量越來越大，數據庫更加充實[2]，這就要求學生進一步掌握生物信息學的未來發展方向，了解生物信息學專業的發展目標。這部分課程設置的目的主要是為了讓學生從多個層面了解到生物信息學的發展歷史和應用范圍，為以后學生進行科學研究和職業規劃指明方向。

2 生物信息學專業實踐環節

作為一個新興的學科，與傳統的生物學學科不同，生物信息學專業發展迅速，知識體系更新較快，學生除了掌握生物學和計算科學的基礎知識以外，還需要進一步提升自身的學習能力和批判性思維能力，這就要求課程設置過程中充分激發學生的學習興趣。生物信息學是一個交叉學科，在培養學生的過程中，一方面需要學生掌握基本的生物學專業知識，另一方面，需要學生掌握計算生物學的知識。對于學生來說，學習任務相對繁重，在這個前提下，讓學生在輕松愉快的氛圍中學習掌握大量知識點，成為教學的難點，這就督促進一步完善生物信息學專業本科生的培養模式，引導學生意識到專業的發展前景和就業前景，在教學過程中，注意教學和實踐的有效結合，幫助學生更好地認識專業性質[8]。鄭州大學生命科學學院生物信息學系在逐步完善課程教學的基礎上，增加實踐教學部分，主要包括實驗環節和實習環節。

2.1 生物學和計算機信息科學基礎實驗

實驗環節為生物學基礎實驗及計算機信息科學部分課程對應的上機實驗，其中生物學基礎實驗主要包含了動物生物學實驗、基礎生物化學實驗、遺傳學實驗、細胞生物學實驗、分子生物學綜合實驗等，在于培養生物信息學專業本科生在生物學實驗中的基本操作能力，掌握基礎生物學實驗的基本原理，熟悉生物學實驗技能。計算機科學基礎實驗主要是針對計算機操作系統和各種不同的語言，在授課的過程中添加上機部分，指導學生充分掌握所學的內容，熟練掌握系統操作和編程語言。為充分保障學生掌握這些基本技能，學院針對計算機硬件設備進行升級，從硬件設施上保障教師教學和學生學習的順利進行。

2.2 生物信息學專業實習部分

生物信息專業實習部分，通過具體項目的實施，在于逐步加強學生綜合運用所學知識解決實際問題，加強學生對于專業的認知深度，意識到本專業在國家需求和行業需求中的作用。在專業實習方面，通過構建合理的實習體系，逐漸優化實習的結構，為本科生設立目標，拓寬學生的視野。目前，在實習過程中，通過與行業領先的公司和科研領域較為資深的研究人員合作，指導學生完成公司項目和自主設計科研課題，真正將所學知識進行利用，激發學生對于本專業應用前景的認知，在督促學生完成工作的基礎上，進一步激發學生的興趣，有效的促進教學質量的提升。

鄭州大學生物信息專業成立較晚，距離國內一級的生物信息學專業還有一定的差距，這就需要在借鑒別人的經驗的基礎上，進一步摸索出適合自身學科發展的道路。生物信息學是一門應用性極強的學科，充足的實踐機會和實踐時間能有效的保證專業的學生對于專業技能的掌握[9]。為了保證學生能更好地參與到實踐過程，多年來，通過不斷地探索實習方式，并基于不同的實習方式產生的結果進行合理的評價，主要是綜合考量實習結束之后學生對于專業的認識深度、學生掌握實習內容的程度和實習過程中任課教師對學生的整體評價等方面。通過多年的探索，目前主要設置了以下實習的環節，通過這些環節的合理教學與引導，目前來說，師生對于實習效果均有較好的反響。

在本專業學生實習的過程中，針對學生的學習進度設立了以下關鍵環節：（1）基礎上機語言的教學與復習；（2）學科方向的發展與認識；（3）具體項目的實施；（4）實習結果的考察。

2.2.1 計算機語言的教學與復習

生物信息專業本科暑期實習，主要是基于本科生已掌握了基本的操作系統和計算機語言。本科生課程負擔較重，課程知識點瑣碎，在不斷的教學過程中，學生容易遺忘已掌握的知識點。因此，在實習開始的時候，先進行了操作系統和計算機上機常用語言的復習，主要包括Linux操作系統和常用命令、R語言及Python語言基礎編程等，旨在保證之后實習過程中的學習和實際操作過程中，學生能有效地使用基礎的語言知識解決編碼過程中遇到的難題，保障后續項目的順利實施。

2.2.2 學科方向的發展與認識

本科生培養的目標主要是為社會各行業輸送專業人才，提高學生對于專業和學科的認識至關重要。國家籌建了多個超算中心，將超性能計算應用于大數據處理，在人工智能、物理化學材料及生物醫藥等領域做出了突出貢獻。為了擴展學生對于計算機學科和大數據時代發展的認識，帶領學生進入鄭州超算中心實地參觀，了解超算中心的硬件和軟件設施，充分認識到超級計算機在各個行業中的應用，如生物醫藥、基因技術、新材料和新能源、航空航天、氣候預測以及腦科學等；生物信息學已經在醫療領域取得了較好的研究成果，為了讓學生更好的認識到專業價值，與精準醫療中心合作，帶領學生學習疾病生物信息學分析、基因檢測在腫瘤精準用藥中的應用及單基因遺傳病從血樣采集到診斷報告等方面的知識，認識到生物信息學在疾病診斷和治療方面的應用，并對實驗室進行參觀，了解如何將生物學或醫學的基礎知識與生物信息學進行有效的結合，進行疾病的干預和治療；目前來說，學生普遍對于畢業之后的就業前景沒有充分的認知，與行業內領先的測序公司進行合作，如貝瑞基因和諾禾致源，可邀請公司資深的項目工程師進行講授，帶領學生認識目前生物信息學相關專業的人才需要具備的知識和技能，并通過講述各種不同測序的原理、樣品準備和實驗流程，主要包括全基因組測序、全外顯子測序及轉錄組測序等，完善了學生對于專業領域在行業應用上的理解，從就業前景方面激發學生的專業興趣。此外，還可邀請高校中具有豐富研究經驗的科研人員進行授課，講述生物信息學在科學研究方面的應用，從科學研究方面激發學生的學習興趣。

2.2.3 具體項目的實施

可通過與行業中領先的公司如諾禾致源及貝瑞基因等合作開展項目，學習如何進行基因組的組裝和注釋、群體基因組學重測序/GWAS分析等；通過與中山大學、華中農業大學及河南大學等在生物信息學領域具有重大研究發現的專家合作，向學生講授生物醫學常用數據庫的使用，學習如何利用數據庫研究疾病的發生發展等，主要包括GEO數據庫、TCGA數據庫、Cosmic數據庫及蛋白的翻譯后修飾數據庫等。通過這些，可以讓學生意識生物信息學專業在科研方面的應用，激發學生對于科研的興趣和研究熱情。

2.2.4 實習結果的考察

在實習過程中，通過與具體項目的負責人進行對接，設置特定的實習項目，讓學生利用實習過程中所掌握的知識，選擇感興趣的實習項目自行操作練習，待項目完成后，進行項目總結并撰寫項目總結報告，通過針對項目報告進行查看，掌握學生的實習效果并對其中出現的問題進行修改點評。

基于基礎的教學課程，通過優化實踐環節，邀請行業公司和科學研究領域頂尖人才進行線下線上相結合的方式進行授課，學生的學習興趣得到普遍的提高，對于專業的認知進一步加強，對于職業生涯規劃更加清晰，取得了較好的教學效果。

總而言之，生物信息學的學科起步較晚，學科發展時間相對較短。近年來，隨著生物信息學的不斷發展，各大高校培養的生物信息學人才逐漸增多，學校積極引進生物信息學專業的優秀人才，師資力量得到了充分的保障，在教師的帶領下，學生可以基于學科的前沿知識對于專業課程有更好的理解和應用。在生物信息學本科生的教學中，一方面，進一步強化專業內部知識體系，完善學生的基礎知識體系，督促專業教師加強學生的基礎知識教學，保證學生掌握生物學和計算科學的基礎知識，并與鄭州大學其他院系積極尋求合作，如基礎醫學院、農學院及鄭州大學附屬醫院等，通過增強生物信息專業實習的多樣性和系統性，尋求鄭州大學生物信息學的共同發展與強化；另一方面，通過聯合外部行業頂尖和科研院所，主動與生物信息行業公司及其他高校和科研院所的專家加強交流，加強培養自身的人才和為國家行業輸送人才的基礎上。

3 結語

在生物信息學專業本科生的培養過程中，基于良好的課程體系設置，通過多年的探索，進一步優化了本科生的實踐環節，通過提高教學模式的多元化，構建了比較合理的生物信息學專業課程體系。通過優化實習方式和實習內容，教師與學生全面地參與到生物信息相關研究領域和行業領域的項目中，深化學生對于生物信息專業發展方向和應用前景的認識。同時，在課程體系的優化中，通過不斷更新師生的學習理念，讓生物信息學專業實習教學緊跟時代的技術發展的步伐，深化本專業與行業領域和高等院校科研領域的交流合作，在強化自身發展的同時，聯合外部共同發展，促進了學科的共同進步。

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基金項目：鄭州大學校級教育教學改革研究與實踐項目（項目編號：2021ZZUJGLX177）；鄭州大學校級教育教學改革研究與實踐項目（項目編號：2021ZZUJGLX175）。

作者簡介：趙文珊（1989—），女，博士，副教授，研究方向為腫瘤免疫。

施玉華（1971—），女，碩士，高級實驗師，研究方向為腫瘤免疫。

通信作者：吳亞紅（1986—），女，博士，副教授，研究方向為腫瘤免疫，E-mail：yahongwu@zzu.edu.cn