生物信息学专业学科交叉型人才培养探索与实践

李永海，李 萌，赵兴华

（1.新乡医学院生命科学技术学院 河南 新乡 453003；2.新乡医学院基础医学院 河南 新乡 453003）

当前，学科交叉已经逐渐成为科技创新的源泉，学科交叉、学科交叉融合逐渐形成一批交叉学科，如化学与物理学的交叉形成了物理化学和化学物理学，化学与生物学的交叉形成了生物化学和化学生物学，物理学与生物学交叉形成了生物物理学，生物学与计算机、数学等交叉形成了生物信息学。学科交叉融合是未来科学发展的必然趋势，是加速科技创新的重要驱动力。美国国家科学院在《促进跨学科研究》（2005）中解释，“不只是将两门学科粘在一起来制造一个产品，而是思想和方法的整合、综合，这样的研究才真正是跨学科研究”[1]。针对中国高等教育的现状，教育部提出探索符合新时代需求的新医科人才培养体系，新医科的实施对于适应新一轮科技革命和产业变革，培养能够运用交叉学科知识解决未来医学前沿领域难题的医学创新人才至关重要[2]。

生物信息学是一门新兴的交叉科学，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具和知识，来阐明和挖掘大量生物数据所包含的生物学意义，其研究内容包括生物信息的获取、加工、存储、分配、分析和解释等多个方面。随着人类基因组计划（HGP）的实施和信息技术的迅猛发展，生物信息学现已成为当今生命科学中最有吸引力的前沿研究领域，同时也为生物学、计算机科学、数学和信息科学等专业的学科交叉型人才提供了广阔的发展空间。

生物信息学的研究对象是与生物学和医学相关的数据，包括医学实践过程中患者的病史、病况、治疗手段和疗效等数据。学科目标是能够在生物医学大数据中挖掘解释疾病机理、提示治疗策略、证明临床效用的证据，用来指导生物基础研究及医疗实践的提升和改进。

生物信息学专业是目前国内外非常热门的专业之一，一方面人才紧缺，社会需求量巨大，不论是就业还是做学术研究，前景都非常好。国外的很多大学都建有自己的基因测序中心，国内高校自己拥有独立测序中心的相对较少，但是国内相关的测序公司很多，吸引了大批生物信息学专业人才。随着测序技术的发展以及成本降低，现在各大药厂都已经有相对完备的测序中心以及生物信息学转化研究团队。很多公司开始尝试基于多种样式的生物数据研发药物或者治疗方法。近年来很多个人级基因消费产品开始涌现，这些产品将服务于将来个体化的精准医疗，同时也要求将来的医务人员具有一定的生物信息学的专业知识背景，才能更好地做好个体化精准医疗服务。另一方面该专业发展迅速，目前的培养体系大多存在教学培养内容知识老旧、与用人单位或者工作岗位的实际需求脱节等问题。如何在教学实践中根据不同学科专业的人才培养需求，制订合适的人才培养方案，成为一个新的研究课题。

1 医学院校生物信息学专业开设情况

由于生物信息学专业交叉学科的学科特点使其在生物医药相关科研及医疗实践中的应用越来越广泛。国内外众多高校近年来都非常重视生物信息学相关专业的人才培养。哈尔滨工业大学是2022 年国内第一个经教育部批准设立生物信息学专业的大学，目前国内开设生物信息学本科专业的高校有三十余所，这些高校中，医药类高校占到30%以上[3]，其中北京大学、清华大学、上海交通大学、复旦大学、中山大学、武汉大学、中国农业大学、浙江大学、南京大学和厦门大学等在生物信息学学科建设和本科人才培养方面都具有非常强的实力。据美国国家教育统计中心的数据显示，截止到2022 年，美国有将近60 所高校开设了生物信息学本科专业。

生物信息学研究生专业是生物信息学人才培养中的重要环节，国内的北京大学、中国科学技术大学、上海交通大学、清华大学、复旦大学、中山大学、南开大学、华中科技大学、浙江大学和武汉大学等在生物信息学专业教学和研究领域的综合实力都处于国内领先地位，具有很强的实力和知名度，在本专业研究生培养方面也走在国内众多高校的前列；国外的一些高校，如美国的约翰霍普金斯、南加大、波士顿大学等开设的生物信息学，康奈尔、卡耐基梅隆等开设的科学和计算生物学，加州戴维斯、康奈尔等开设的科学和健康信息学等硕士专业都致力于培养生物信息学相关的专业人才。

2 新乡医学院生物信息学课程开设及人才培养情况

新乡医学院生命科学技术学院自2011 年起，在本科生和研究生培养方案中开设了生物信息学课程，并把它作为本科生物技术、生物工程和生物制药专业的专业必修课，十多年来新乡医学院生命科学技术学院众多本科和研究生毕业以后从事生物信息学相关的研究工作，成为行业或专业领军人才。随着学校的不断发展，在临床医学等专业的人才培养方案中也开始加入了生物信息学的课程教学内容。生科院生物技术、生物工程和生物制药三个专业的课程体系主要包括专业基础课、专业核心课程和专业选修课。生物信息学作为专业核心课程，将生物信息学、计算生物学、系统生物学等融合在一起，充分体现交叉学科的优势和特色，然而目前的教学内容和培养方案还存在一些不足之处。

新形势下，在临床医学等专业的人才培养过程中，研究和探索新医科背景下生物和医学相关专业对生物信息学人才需求的新特点，立足医学院校实际，从课程体系、培养方案等环节入手，亟待我们设计合适的教学方案、选择具有医学特色的教学内容，以适应不断发展的学科内容，将生物信息学与医学的学习内容相融合，将生物信息学的学习内容与医疗实践中的具体科学问题相结合，积极探索医学院校生物信息学跨学科交叉型人才培养方案显得尤为重要。

3 医学院校的生物信息学课程教学现状及改革措施

生物医学专业本科阶段的核心课程主要有三大类：生命科学核心课程、基础医学核心课程和信息科学核心课程。生命科学核心课程主要是生物学基础类的课程，如生命科学基础、细胞与生物分子、遗传与发育等；基础医学核心课程主要是涉及人体的一些基础课程，如人体结构与功能学、疾病基础、感染与免疫学、药理学与药物研发、神经科学等；信息科学核心课程主要涉及如何收集、处理、分析、评价生物医学数据，如Python使用、生物序列分析、自然语言及人工智能等。

3.1 优化教学时间和内容

生物信息学是一门交叉学科，需要在学生掌握一定的生物学、遗传学、化学、数学和计算机科学等多个学科知识内容的基础上进行学习，因此，学院在新修订的培养方案中把教学实践安排在第四学期。同时针对教学内容老旧、新颖度不足、教学与实际研究相脱节的问题，酌情增加理论和实验的学时，以涵盖主要知识内容，对课程内容进行优化，让学生掌握科研和工作过程中解决问题的知识和方法。针对医学院校的学生，在生物信息学的教学内容设置方面结合医学院校学生的专业实际来确定，让学生具备结合医学理论解决临床实际问题的能力。

3.2 改进教学方法

通过对比国内外高校的生物信息学教学内容和教学方法，笔者发现国内高校在教学过程中科研训练做得不够深入，学生学习的主动性不足。为改变教学过程中传统的填鸭式教学方法，课程组在教学过程中设置学术研讨课，采用案例式和问题式教学，对教学效果采用形成性评价，注重考查学生的学习过程；在实践教学中通过设计综合性实验，充分激发学生的学习兴趣，使学生在学习过程中接受实际的科研训练，提高学生运用所学知识和方法解决实际问题的能力。

3.3 加强师资队伍建设

教师的授课水平和能力直接影响教学质量和学生的学习效果，生物信息学交叉学科的特性决定了其在教学团队的组建上要充分考虑教师的学科背景，目前突出的问题之一是跨学科的师资力量缺乏[4]。选择具有生物学和信息科学专业背景的教师加入，适当提高生物信息学专业教师的比例，建立一支高水平的多学科交叉的教学团队。同时充分利用学校的师资培训及校外专题培训机会，让课程组老师积极参与学习和进修，同时与设有生物信息学课程的高校建立联系，加强沟通和学习，提高教师的综合教学水平。

3.4 加强软硬件建设

生物信息学是一门实践性非常强的学科，只有通过实践教学，才能培养学生动手解决实际问题的能力，传统的实践教学内容存在与实际应用脱节的问题。而且实践教学过程对网络资源的依赖程度非常高[5]。为此学校设置专项经费建设了专门的计算机教室，购买服务器和生物信息学软件，架设网络专线，提高软硬件质量。同时在教学过程中与教师的科研成果结合设计教学内容，根据学生兴趣，将学生沉浸式带入教师研究课题中的具体问题，将自己学习到的知识和技能应用于科研实践，在实践过程中发现问题和解决问题，提高学生的实际动手能力，以培养满足工作岗位实际需求的生物信息学专业人才。

3.5 在课程教学中融入思政元素

在专业课的教学过程中，应根据教学内容融入一定的思政元素，来引导和培养学生树立正确的人生观和价值观，如在讲述生物信息学数据库的过程中，举出国家科技部对深圳华大基因科技服务有限公司等6 家生物公司在人类遗传资源样本保存、运输以及人类遗传资源信息的网上传递等方面因为违反《人类遗传资源管理暂行办法》中的若干规定，受到处罚的案例，引导学生树立保护遗传资源和维护国家生物安全的意识。

4 展望

自然科学的发展越来越凸显出学科交叉的发展趋势和优势，现代科学技术的很多重大突破，往往是在多学科彼此交叉和融合过程中产生的。生物信息学交叉学科的发展可以解决传统生物学方法无法解决的科学问题，也有助于解决医疗实践中常规医疗手段无法有效治愈的疾病，社会对拥有生物信息学专业知识背景的医疗从业者或科研人员的需求日益强烈。众多高校也在不断调整自己的专业设置，以适应新形势下社会对人才的需求。

在教育部发布的普通高等学校自主设置的交叉学科名单中，北京大学的整合生命科学、清华大学的精准医学与公共健康、北京协和医学院的医学信息学、南开大学的生物信息学、天津大学的合成生物学、华北理工大学的医学生物信息学等都或多或少地融入了生物信息学的内涵。交叉学科已逐渐成为高校和科研院所科技创新的源泉，也必将成为科学时代一个新的不可或缺的研究范式。医学的发展也同样伴随着科技的进步和创新，医疗科技的创新需要从业者具备医学思维和其他学科的科学思维，作为医学院校，做好交叉性学科人才培养显得尤为重要。在具体的课程教学内容及人才培养方案中充分考虑交叉学科的特点和社会的实际人才需求状况来设置培养体系，使学生掌握的知识融合成为一个有机的整体，不同的学科相互促进，交叉融合，培养学生的创新思维和创新工作能力。

当前，众多高校都开设了生物信息学课程，但是在教学内容和教学方法上还有很多不足之处，有待于在教学实践过程中不断探索，不断完善，结合学校的专业实际，从教学内容、教学方法、师资队伍和硬件建设等多个方面进行改革和优化，整合多种教学资源和融入多种教学手段，提升医学院校生物信息学课程教学质量，为培养具备生物信息学交叉学科知识和能力的新型专业人才服务。