生物信息专业课程体系的构建及优化

赵文珊 施玉华 吴亚红

摘要：随着社会的不断发展，生物信息学已经在生物学、医学及药学等多个学科表现出了强大的作用，在解决重大科学问题和社会需求方面尤为突出，生物信息学专业的人才培养至关重要。培养具有生物信息学专业技能又适合社会发展的复合型人才，已经成为当务之急。进一步深化生物信息课程的改革，构建并优化生物信息专业课程体系，对于推进基础知识的应用及拓展本科生的视野至关重要。基于全面的生物学、计算机信息科学和生物信息学方面的课程配置，通过优化实验环节和实习环节，构建了合理的实习体系，并优化实习的结构，逐步加强学生对于专业的认知深度，意识到所学专业在国家需求和行业需求中的作用，合理规划自己的职业生涯。

关键词：生物信息学  课程体系  计算机信息科学  实习

中图分类号：Q811.4-4;G643    文献标识码：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;

隨着计算机科学的不断发展，生物信息学飞速发展，逐步渗透进了生物学、医学、制药及农业等多种基础研究和应用研究领域[1]。生物信息学在数据的获取与挖掘、生物软件的开发与应用、生物数据库的建立与管理等方面具有交叉学科综合优势，在“精准医学”的时代，以生物医学大数据研究为核心的生物信息学技术已经成为现代重大疾病研究的核心力量，生物信息学已经在生物学、医学及药学等多个学科表现出了强大的作用[2]，在解决重大科学问题和社会需求方面尤为突出。目前，对于生物信息学人才的需求缺口越来越大，而生物信息学人才匮乏，已成为生物学、医学及制药生物学等领域发展的一个瓶颈[3]。因此，培养具有生物信息学专业技能又适合社会发展的复合型人才，已经成为当务之急，这就要求进一步优化生物信息学专业的知识结构，培养具有创造力的高端人才[4]。目前，生物信息学方面人才的培养已经在中学进行了探索和尝试[5]。生命科学学院生物信息学专业培养的学生需要具有扎实的生命科学理论基础和计算机技术，系统的生物信息学方法和实验技能，适应生命科学领域与生物信息学相关产业的发展需要，争取成为在基因组学、蛋白质组学及创新药物设计等相关领域从事教学、科研、技术开发和管理等工作的复合型人才。

1 生物信息学基础课程内容的设置

生物信息学的主干学科包含了生物学、计算机信息科学和生物信息学。本专业学生主要学习数理科学、计算机科学、生命科学、统计学等方面的基本理论和基础知识，接受生物信息学理论与应用研究的科学思维培养和基本技能训练，具有一定的生物信息处理和研发能力[6]。作为一个交叉学科，生物信息学对各个分属的领域具有较高的要求，学生需要掌握各个学科的基础知识，才能获得更好的教学成果[7]。这就要求对生物信息学本科的课程进行合理的设置，以期更好的引领学生掌握更多的知识。生命科学学院在生物信息学专业课程设置方面，除了专业公修课之外，通过多年的探索，专业课主要针对3个方向进行，其中主要包括生物学基础课程、计算机信息科学基础课程和生物信息学基础课程。

1.1 生物学基础课程

生物学是生物信息学的基础，旨在向学生传授基础的生物学知识，让学生掌握生物学主要包含的学科。生物学基础方面，主要课程涵盖了植物生物学、动物生物学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学、生物统计学等。生物信息学的主要目的是使用计算的手段解决生命科学的问题，这就要求生物信息学专业的学生充分掌握生物学各个方面的基础知识，这些课程是生物学课程的基础，旨在从宏观层面到微观层面提高学生对于生物学的认知，引导学生在各个不同领域的兴趣，为学生从事生命科学各个基础研究和应用研究领域的工作奠定基础。

1.2 计算机信息科学基础课程

本部分课程的主要目的是让学生充分掌握计算机语言，以更好地利用计算机解决生物学问题。计算机信息科学的课程设置方面，涵盖了计算生物学、LINUX操作系统、R语言、Python编程语言、计算生物学、数据库原理及Perl语言等；生物信息学的目的是采用计算科学的手段来解决生物学的问题，这就要求学生掌握扎实的计算机信息科学基础，熟练地运用计算机来处理和分析数据。随着测序技术的不断发展，各种类型的生物学数据库持续更新，数据量不断被扩充，这就要求学生熟练掌握计算机编程的技术，使用计算机脚本在高功率的计算机集群中进行大规模数据的分析和处理。

1.3 生物信息学基础课程

生物信息学方面涵盖了生物信息学导论、基因组学、药物信息学、蛋白质组学和大数据挖掘等。随着大数据时代的来临和测序技术的不断进步，目前的测序已经发展到了单细胞测序，基因组、蛋白组及转录组等的数据量越来越大，数据库更加充实[2]，这就要求学生进一步掌握生物信息学的未来发展方向，了解生物信息学专业的发展目标。这部分课程设置的目的主要是为了让学生从多个层面了解到生物信息学的发展历史和应用范围，为以后学生进行科学研究和职业规划指明方向。

2 生物信息学专业实践环节

作为一个新兴的学科，与传统的生物学学科不同，生物信息学专业发展迅速，知识体系更新较快，学生除了掌握生物学和计算科学的基础知识以外，还需要进一步提升自身的学习能力和批判性思维能力，这就要求课程设置过程中充分激发学生的学习兴趣。生物信息学是一个交叉学科，在培养学生的过程中，一方面需要学生掌握基本的生物学专业知识，另一方面，需要学生掌握计算生物学的知识。对于学生来说，学习任务相对繁重，在这个前提下，让学生在轻松愉快的氛围中学习掌握大量知识点，成为教学的难点，这就督促进一步完善生物信息学专业本科生的培养模式，引导学生意识到专业的发展前景和就业前景，在教学过程中，注意教学和实践的有效结合，帮助学生更好地认识专业性质[8]。郑州大学生命科学学院生物信息学系在逐步完善课程教学的基础上，增加实践教学部分，主要包括实验环节和实习环节。

2.1 生物学和计算机信息科学基础实验

实验环节为生物学基础实验及计算机信息科学部分课程对应的上机实验，其中生物学基础实验主要包含了动物生物学实验、基础生物化学实验、遗传学实验、细胞生物学实验、分子生物学综合实验等，在于培养生物信息学专业本科生在生物学实验中的基本操作能力，掌握基础生物学实验的基本原理，熟悉生物学实验技能。计算机科学基础实验主要是针对计算机操作系统和各种不同的语言，在授课的过程中添加上机部分，指导学生充分掌握所学的内容，熟练掌握系统操作和编程语言。为充分保障学生掌握这些基本技能，学院针对计算机硬件设备进行升级，从硬件设施上保障教师教学和学生学习的顺利进行。

2.2 生物信息学专业实习部分

生物信息专业实习部分，通过具体项目的实施，在于逐步加强学生综合运用所学知识解决实际问题，加强学生对于专业的认知深度，意识到本专业在国家需求和行业需求中的作用。在专业实习方面，通过构建合理的实习体系，逐渐优化实习的结构，为本科生设立目标，拓宽学生的视野。目前，在实习过程中，通过与行业领先的公司和科研领域较为资深的研究人员合作，指导学生完成公司项目和自主设计科研课题，真正将所学知识进行利用，激发学生对于本专业应用前景的认知，在督促学生完成工作的基础上，进一步激发学生的兴趣，有效的促进教学质量的提升。

郑州大学生物信息专业成立较晚，距离国内一级的生物信息学专业还有一定的差距，这就需要在借鉴别人的经验的基础上，进一步摸索出适合自身学科发展的道路。生物信息学是一门应用性极强的学科，充足的实践机会和实践时间能有效的保证专业的学生对于专業技能的掌握[9]。为了保证学生能更好地参与到实践过程，多年来，通过不断地探索实习方式，并基于不同的实习方式产生的结果进行合理的评价，主要是综合考量实习结束之后学生对于专业的认识深度、学生掌握实习内容的程度和实习过程中任课教师对学生的整体评价等方面。通过多年的探索，目前主要设置了以下实习的环节，通过这些环节的合理教学与引导，目前来说，师生对于实习效果均有较好的反响。

在本专业学生实习的过程中，针对学生的学习进度设立了以下关键环节：（1）基础上机语言的教学与复习；（2）学科方向的发展与认识；（3）具体项目的实施；（4）实习结果的考察。

2.2.1 计算机语言的教学与复习

生物信息专业本科暑期实习，主要是基于本科生已掌握了基本的操作系统和计算机语言。本科生课程负担较重，课程知识点琐碎，在不断的教学过程中，学生容易遗忘已掌握的知识点。因此，在实习开始的时候，先进行了操作系统和计算机上机常用语言的复习，主要包括Linux操作系统和常用命令、R语言及Python语言基础编程等，旨在保证之后实习过程中的学习和实际操作过程中，学生能有效地使用基础的语言知识解决编码过程中遇到的难题，保障后续项目的顺利实施。

2.2.2 学科方向的发展与认识

本科生培养的目标主要是为社会各行业输送专业人才，提高学生对于专业和学科的认识至关重要。国家筹建了多个超算中心，将超性能计算应用于大数据处理，在人工智能、物理化学材料及生物医药等领域做出了突出贡献。为了扩展学生对于计算机学科和大数据时代发展的认识，带领学生进入郑州超算中心实地参观，了解超算中心的硬件和软件设施，充分认识到超级计算机在各个行业中的应用，如生物医药、基因技术、新材料和新能源、航空航天、气候预测以及脑科学等；生物信息学已经在医疗领域取得了较好的研究成果，为了让学生更好的认识到专业价值，与精准医疗中心合作，带领学生学习疾病生物信息学分析、基因检测在肿瘤精准用药中的应用及单基因遗传病从血样采集到诊断报告等方面的知识，认识到生物信息学在疾病诊断和治疗方面的应用，并对实验室进行参观，了解如何将生物学或医学的基础知识与生物信息学进行有效的结合，进行疾病的干预和治疗；目前来说，学生普遍对于毕业之后的就业前景没有充分的认知，与行业内领先的测序公司进行合作，如贝瑞基因和诺禾致源，可邀请公司资深的项目工程师进行讲授，带领学生认识目前生物信息学相关专业的人才需要具备的知识和技能，并通过讲述各种不同测序的原理、样品准备和实验流程，主要包括全基因组测序、全外显子测序及转录组测序等，完善了学生对于专业领域在行业应用上的理解，从就业前景方面激发学生的专业兴趣。此外，还可邀请高校中具有丰富研究经验的科研人员进行授课，讲述生物信息学在科学研究方面的应用，从科学研究方面激发学生的学习兴趣。

2.2.3 具体项目的实施

可通过与行业中领先的公司如诺禾致源及贝瑞基因等合作开展项目，学习如何进行基因组的组装和注释、群体基因组学重测序/GWAS分析等；通过与中山大学、华中农业大学及河南大学等在生物信息学领域具有重大研究发现的专家合作，向学生讲授生物医学常用数据库的使用，学习如何利用数据库研究疾病的发生发展等，主要包括GEO数据库、TCGA数据库、Cosmic数据库及蛋白的翻译后修饰数据库等。通过这些，可以让学生意识生物信息学专业在科研方面的应用，激发学生对于科研的兴趣和研究热情。

2.2.4 实习结果的考察

在实习过程中，通过与具体项目的负责人进行对接，设置特定的实习项目，让学生利用实习过程中所掌握的知识，选择感兴趣的实习项目自行操作练习，待项目完成后，进行项目总结并撰写项目总结报告，通过针对项目报告进行查看，掌握学生的实习效果并对其中出现的问题进行修改点评。

基于基础的教学课程，通过优化实践环节，邀请行业公司和科学研究领域顶尖人才进行线下线上相结合的方式进行授课，学生的学习兴趣得到普遍的提高，对于专业的认知进一步加强，对于职业生涯规划更加清晰，取得了较好的教学效果。

总而言之，生物信息学的学科起步较晚，学科发展时间相对较短。近年来，随着生物信息学的不断发展，各大高校培养的生物信息学人才逐渐增多，学校积极引进生物信息学专业的优秀人才，师资力量得到了充分的保障，在教师的带领下，学生可以基于学科的前沿知识对于专业课程有更好的理解和应用。在生物信息学本科生的教学中，一方面，进一步强化专业内部知识体系，完善学生的基础知识体系，督促专业教师加强学生的基础知识教学，保证学生掌握生物学和计算科学的基础知识，并与郑州大学其他院系积极寻求合作，如基础医学院、农学院及郑州大学附属医院等，通过增强生物信息专业实习的多样性和系统性，寻求郑州大学生物信息学的共同发展与强化；另一方面，通过联合外部行业顶尖和科研院所，主动与生物信息行业公司及其他高校和科研院所的专家加强交流，加强培养自身的人才和为国家行业输送人才的基础上。

3 结语

在生物信息学专业本科生的培养過程中，基于良好的课程体系设置，通过多年的探索，进一步优化了本科生的实践环节，通过提高教学模式的多元化，构建了比较合理的生物信息学专业课程体系。通过优化实习方式和实习内容，教师与学生全面地参与到生物信息相关研究领域和行业领域的项目中，深化学生对于生物信息专业发展方向和应用前景的认识。同时，在课程体系的优化中，通过不断更新师生的学习理念，让生物信息学专业实习教学紧跟时代的技术发展的步伐，深化本专业与行业领域和高等院校科研领域的交流合作，在强化自身发展的同时，联合外部共同发展，促进了学科的共同进步。

参考文献

[1] 郝爱平，国会艳，薛巨坤，等.大数据时代提高生物专业研究生科研创新实践能力教学改革探索：以《生物信息学》课程为例[J].安徽农学通报，2017，23（17）：140-141.

[2] 王欣凯，王硕.探究生物信息学的研究进展[J].科技资讯，2020，18（14）：228-229.

[3] 明文龙，李晟，罗幸，等.生物信息学本科人才培养的调研与思考[J].生物信息学，2018，16（2）：65-71.

[4] 尤琪.生物信息学创新教学模式的探究[J].科技创新导报，2019，16（29）：187-190.

[5] 陈梅.STEAM教育理念下中学生物信息学教学研究[D].南昌：江西师范大学，2021.

[6] 陈宇杰，吴江鸿，丽春，等.大数据时代下的生物信息学教学探究[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2021，36（5）：455-457.

[7] 王慧，张培培，蔡润林，等.《生物信息学》课程的跨学科教学模式探索与实践[J].汕头大学学报（自然科学版），2022，37（2）：75-80.

[8] 孟盈，孟然，聂泽龙.生物科学专业生物信息学课程教学模式的探讨[J].教育现代化，2018，5（47）：190-191.

[9] 马磊，张婷婷.以实践为主的生物信息学教学改革及成效[J].教育现代化，2019，6（61）：32-33.

基金项目：郑州大学校级教育教学改革研究与实践项目（项目编号：2021ZZUJGLX177）；郑州大学校级教育教学改革研究与实践项目（项目编号：2021ZZUJGLX175）。

作者简介：赵文珊（1989—），女，博士，副教授，研究方向为肿瘤免疫。

施玉华（1971—），女，硕士，高级实验师，研究方向为肿瘤免疫。

通信作者：吴亚红（1986—），女，博士，副教授，研究方向为肿瘤免疫，E-mail：yahongwu@zzu.edu.cn