以iGEM为平台培养大学生创新能力的探索和体会

王贝贝

［摘 要］iGEM作为合成生物学领域的国际顶尖赛事，可以并已经成为培养大学生创新能力的有效载体。本文介绍了电子科技大学iGEM软件队（UESTC?Software）在具体实践过程中对学生创新能力培养的探索和体会。首先是项目选题以学生为主，选择“宽而浅”的课题以调动学生的积极主动性；其次是在项目的开展过程中，从学术态度和学术规范、发现问题和解决问题的能力、团队合作的精神和交流的能力、科学思维、阅读和写作能力等具体方面挖掘和培养学生的创新意识。

［关键词］合成生物学；iGEM软件组；本科教育；交叉学科；创新能力培养

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）03-0130-03

合成生物学是21世纪崛起的新兴交叉学科[1-2]，其将工程学原理和方法引入对生物体系的改造和构建中，综合运用生物学、工程学、数学、物理、计算机等各学科知识。国际基因工程机器大赛iGEM（International Genetically Engineered Machine Competition）[3]是合成生物学的顶尖赛事，设立了诊断 （Diagnostics）、能源（Energy）、环境（Environment）、食品和营养 （Food & Nutrition）、信息处理（Information Processing）、基础设施（Foundational Advance）、医疗（Therapeutics）等基本项目组，以及两个特殊的项目组：软件组（Software Track）和开放组（Open Track）。国内很多高校都已经将iGEM作为培养本科生创新能力的重要平台[4-5]，电子科技大学也不例外。

电子科技大学自2012年参加iGEM大赛以来，均以两支队伍（软件队和实验队）的形式参赛，共获得13块金牌、4次单项奖和5次单项奖提名。其中电子科技大学iGEM软件队（UESTC?Software）参加过6次竞赛，成绩优异，获得了2次全球软件项目组最佳（Best Software Project）、2次提名软件项目组最佳，以及1次提名产品设计组最佳（Best Product Design）。笔者在2018—2020年担任UESTC?Software的主教练，对以iGEM为平台培养大学生创新能力进行探索和尝试，以期为交叉学科创新性人才的培养提供一点帮助。

一、iGEM软件组简介

iGEM软件组（https：//igem.org/Software）在iGEM众多的分组中比较特殊，于2008年引入，其宗旨是通过建立开源软件工具的存储库、社区驱动的数据交换标准、专门为合成生物学构建的特定软件框架或者标准生物部件注册表中的部分信息等，帮助合成生物学更有效更经济地设计新的功能组件。经常参加该组项目的学校包括密歇根大学、帝国理工学院、中国科学技术大学、上海交通大学、中山大学、同济大学、电子科技大学等知名国内外高校。而在2020年全球新冠疫情的特殊环境下，更多的参赛队伍选择了软件组，极大地丰富了运用计算机来解决和探索合成生物学问题的思路和尝试。

二、iGEM软件组项目选题的思考

iGEM软件组的要求是参赛项目要对合成生物学或者iGEM社区真正有用。

选题内容方面，自2003年iGEM创建以来，iGEM软件组的项目大致可以分为四类：辅助设计、资料共享、合作交流和数据分析，我们曾在综述中详细介绍和总结了各类项目的特色和案例[6]。当然，我们不能被以往的项目所局限，可以从不同层次（分子、网络、细胞等层次）设计相关软件，以服务于合成生物学[7]。比如在2020年的比赛中，电子科技大学iGEM软件队就创新性地根据结构域的表面形状对已有数据库中超过13万条的结构域信息进行分类，旨在构建一套以结构域为单位的标准蛋白质砖（https：//2020.igem.org/Team：UESTC?Software）。

选题范围方面，以电子科技大学iGEM软件队为例，主要遵循两个原则：（1）在深度上宜浅。根据学校的培养方案的安排，队伍中的队员基本都是大学二年级的学生，很多专业课都还没有学过，而且队员也来自于不同的专业，所以不宜选择过于深的课题，最好选择队员“跳一跳就可以够得到”的课题，否则队员们需要花费大量的精力和时间学习相关知识，而且也会在一定程度上削弱学生的积极性。（2）在广度上宜宽。iGEM的项目涉及与之相关的教育、科普和人类实践等活动，如果涉及范围过窄，项目相关的人群就会比较小，这些活动也将很难展开。另外，广度较宽的项目可以尽量多地应用队员们已经学过的知识，这能增强其学习的主动性。总之，相对于研究生的科研课题，宽而浅的课题更适宜本科生创新能力的培养。

具体操作方面，首先以iGEM校赛为载体，让学生们自由组队、自由选题，重点要求有想法，对项目的完成度不做明确要求。如果在iGEM校赛中有比較适合的项目就会将其选为UESTC?Software的参赛项目。但是软件组项目多学科交叉的特性以及校赛准备的时限，使得本科生很难有足够的知识储备以提出合适的项目，因此大部分情况是，在完成队员的选拔之后，教练和所有队员一起进行头脑风暴，先选出2～3个项目，队员们分组利用两周时间进行调研，调研内容包括项目的背景、内容、所需技术等。之后，师生再通过集体讨论，从中选出参赛项目。为了从各个角度审视项目选题的意义和实施方案，软件组还会邀请校内外相关专家参与开题、中期和结题的相关讨论。

三、iGEM软件组队员的选择

iGEM的比赛内容主要包括四部分：项目主体、数据建模、人类实践（Human Practices）以及美工和Wiki网页。加上软件组的特殊性质，UESTC?Software每年由12～15名队员组成。经多年的摸索，我们认为合理的成员分配为：6～8名队员负责项目主体和数据建模，根据每年初步选题需要的技术而选定；2～3名队员负责美工和Wiki网页，根据申请学生提供的独创作品而定；选定1～2名英文较好的队员；2～3名队员负责人类实践和组织工作。UESTC?Software 6次参赛的实践经验和成果证实了这种成员搭配的有效性。我们这支多学科交叉的队伍由生命科学与技术学院、信息与软件工程学院、格拉斯哥学院、光电科学与工程学院以及外语学院等的本科生组成。

四、学生创新能力的培养

根据iGEM的赛制要求，参赛项目要对社会有意义，并易于推广，也就是要有完整的项目相关工作，一般包括科普、教育、HP、网页撰写等。因而，iGEM的备赛过程和参赛过程，相对其他一些学科竞赛来说，对学生能力的培养是全过程、全方位的。UESTC?Software 在多年的实践中主要从以下几个方面培养学生的创新能力。

（一）学术态度和学术规范

这一点是重点强调的内容。本科生还没有经过系统的科研训练，平时为了完成课程作业，往往会在网络上查资料，然后不加整理地将其作为作业提交给教师。在整个iGEM的备赛过程，教练和辅导教师会一再强调杜绝任何形式的抄袭。

引导学生要实事求是，不急功近利。本科生受过的训练都是对已知结果实验的验证，得到的结果往往都是“完美的”。而科研本是对未知世界的探索，没有预定实验方案，没有预定结果，需要不停地探索和试错。在不断重复的过程中，教练就要不断告诉学生这就是真实的科研过程，得到的结果是怎样就是怎样，要有耐心不停地做尝试。如果实验结果不够理想，应引导学生分析原因后调整方案，继续尝试；如果把所有想到的方案都试过之后也没有理想的结果，那就应如实报道。

（二）发现问题、解决问题的能力

学生主导。整个备赛过程包括选题、可行性分析、实验方案设计和实施、不同方法之间的比较和选择、Wiki撰写、人类实践和科普活动的设计等都由队员们主导完成，教练只是从旁给予相关的建议和引领。学生主动去设计实验、记录并展示实验结果，教练只是作为普通的队员参与讨论，鼓励队员们去实践自己的想法，而不会给出所谓“正确”的方法和方案，这充分调动了学生的主观积极性。

学以致用。根据上文阐述过的项目选题的标准，确定项目的实施一般可以尽量多地用到队员们已经学过的知识。我们在项目实施过程中尽量启发学生用学过的知识思考或者解决项目中的问题，帮助他们建立课堂与实践的桥梁。队员们真正把学到的知识用到解决实际问题中，可让他们更加深刻地理解所学的基础知识，增加他们学习的动力，激发他们的求知欲，引导其构建自己的知识框架。

快速学习的能力。很多学生在参加iGEM队伍之前都会问：“老师我需要会什么啊？我会一点Python，够吗？”笔者都会回答他：“需要你会学习！”在信息爆炸的时代，做任何事之前都不可能准备好了所需的所有知识，大部分时候都是在需要的时候现学现用，因此快速掌握并应用新知识的能力是现代社会人才亟须的。

理想与现实的差距。学生们很少有将在课堂学到的知识运用于实践的机会，因而往往对于用所学的知识解决实际问题有着“美好的幻想”。在做iGEM项目的时候，学生们就会遇到尝试了很多方法后发现都不适用或者结果都不理想的情况，有些学生就会产生沮丧情绪。教练这时就应提醒：不适用、不理想也是一种结果，要么继续寻找合适的方法，要么在所有方法中选出最有效的那一个，结果是怎样的就如实地报道，这就是现实。

（三）团队合作的精神和交流的能力

UESTC?Software每年的队员人数为10～15人，队员难免有意见想法不一致的时候。教练不仅不会阻止不同意见想法之间的碰撞，反而鼓励队员各抒己见，不过会事先在队内申明：“君子和而不同”，每个人都可以说出自己的想法，接受他人不同的想法，可以为观点和想法辩论，但是不针对个人。另外，iGEM的评判标准是鼓励不同参赛队伍之间的合作，也就是强调iGEM的目标是学术交流，而不是竞争。团队之间合作的目的是共赢，UESTC?Software就曾经与UESTC?China、USTC?Software、NWU?China?A、Tongji?Software、SJTC?Software等iGEM团队开展了不同程度的合作。另外，项目进行到不同阶段还会以面谈或者邮件的形式去求教国内外相关专家学者，这些都要求队员们自己去联系、安排，教练会从旁指导。比如写邮件，往往存在格式上不合要求，内容上表达不清楚，语言上出现网络语、中式英语泛滥等情况，这时教练应耐心指导队员解决这些交流中的问题。

（四）科学思维

批判性思维。要明确的是：首先，批判性思维不是批判，不是事事都要吹毛求疵。其次，需要大量的系统性的知识框架作为支撑。针对这两点，每一年的参赛项目确定之后，我们都会要求所有队员有针对性地分工学习项目相关的基础知识，并在每周组会上进行交流融合，必要的时候还可由教练或者邀请相关领域的专家，给队员们系统地介绍相关背景知识。

判断力。孔子说：“知者不惑，仁者不忧，勇者不惧。”大学最主要的教育就是教授知识，教授知识的目的是为了不惑。如何不惑？最重要的是培养学生的判断力，尤其在信息爆炸的今天，这不仅关乎项目的具体实施，也关乎学生对社会、对生活、对科学的态度和看法。首先，引导学生把粗糙的想法磨炼成细密、踏实、有条理的具体操作方法；其次，遇到问题时引导学生运用已有的知识框架去思考和解决问题，使得问题变得明朗；最后，以史为鉴，引导学生运用已有的知识框架，从科学发展的角度去分析与项目有关的一些社会现象。

（五）阅读和写作能力

阅读和写作能力是使人终身受益的能力。学生在进入大学期间的阅读和写作训练大多是考试导向的，较少涉及科技方面的阅读和写作，而科技方面的阅读和写作最需要的逻辑性思维能力是大多数学生缺乏的。所以在大学教育中，培养学生科技方面的阅读和写作能力成为理工科教育的重点之一。iGEM项目是始终由学生主导的，在项目实施伊始，学生需要阅读大量的中英文文献，极大地锻炼了学生阅读和分析文献以及归纳和总结问题的能力，使学生完成了从被动接受知识到主动探求知识的转换。在项目实施的最后，学生需要撰写摘要、制作Wiki网页、做项目汇报、准备海报等，锻炼了学生写作和展示的能力。

（六）扬长补短

本科生甚至研究生，都普遍存在一个问题：不知道自己擅长什么、喜欢什么。大学之前的教育，幾乎都是优先给学生补短而较少帮助学生扬长。而iGEM这个综合性的平台需要各种能力，如学习能力、沟通能力、组织能力、钻研能力、思辨能力等，因此队员们很容易在做项目的过程中发现自己的长处，教练也会相应地做出任务分配上的调整，鼓励队员们更多地扬长，找到自己真正喜欢和热爱的方向。真正的热爱才是创新的原动力。

五、结语

电子科技大学iGEM软件队通过7年6次参赛的实践，完成了好几项极具科研价值的项目，部分项目结果已经以论文的形式发表在国际知名期刊[8-9]，同时培养了一批基础知识扎实、创新意识突出、综合能力强的本科生，促进了电子科技大学广大工科学生甚至普通市民对于合成生物学的认识和兴趣。历届UESTC?Software队员已进入如清华大学、浙江大学、上海交通大学等知名高校深造。

［ 参 考 文 献 ］

［1］ CAMERON D E， BASHOR C J， COLLINS J J. A brief history of synthetic biology[J]. Nature reviews microbiology，2014，12（5）：381-390.

［2］ MENG F， ELLIS T. The second decade of synthetic biology：2010-2020[J]. Nature communications，2020，11（1）： 5174.

［3］ VILANOVA， C， PORCAR， M. iGEM 2.0?refoundations for engineering biology[J]. Nature biotechnology，2014，32（5）：420-424.

［4］ 李燕，连俊，陈铭.GEM浙江大学培养拔尖人才教育中的模式与启示[J].高等工程教育研究，2014（1）：119-123.

［5］ 田六，罗旭东，张红雨，等. iGEM竞教结合提升学生科研创新能力及综合素质[J].高校生物学教学研究，2016（6）：57-62.

［6］ 伍克煜，劉峰江，许浩，等.合成生物学基因设计软件：iＧＥＭ 设计综述[J].生物信息学，2020（18）：8-15.

［7］ 刘海燕，黄斌. 生物体系的多层次计算设计与合成生物学[J].中国科学：生命科学[J].2015，45（10）：943-949.

［8］ WANG B， YANG H， SUN J， et al. BioMaster：an integrated database and analytic platform to provide comprehensive information about BioBrick parts[J].Frontiers in microbiology，2021，12（4）：593979.

［9］ YANG Z， LIU M， WANG B， et al. Classification of protein domains based on their three?dimensional shapes （CPD3DS）[J]. Synthetic and systems biotechnology，2021，6（3）：224-230.

［责任编辑：雷 艳］