国外生物信息学教育研究概述及其启示

张一名，褚卓栋，侯志敏，韩晓光

（廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

0 引言

生物信息学（Bioinformatics）是解决生命科学领域实际问题的工具学科，其定义为：“研究生物系统中的信息和信息流的科学分支”。［1］早期的生物信息学伴随计算机技术的发展，主要对小规模的数据进行处理。［2-4］而近年来，在“互联网+”、“大数据”以及“高通量技术”的大背景下，生物信息学随着 基 因 组 学（genomics）［5］、转 录 组 学（transcrip⁃tomics）［6-7］、蛋白质组学（proteomics）［8］、代谢组学（metabolomics）［9-10］以 及 微 生 物 组 分 析（microbi⁃ome analyses）［11］等组学（omics）技术的发展，进入了一个崭新的阶段。

通过美国国立生物技术信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）数据库PubMed索引的文献计量数据来看，生物信息学相关检索论文数量在全部论文总数中的占比逐年上升，逐步超过了模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）与主要作物大豆（Glycine max）、小麦（Triticum aesti⁃vum）相关论文检索数量的总和，2005年甚至超过了模式生物大肠杆菌（Escherichia coli）与酵母（Sac⁃charomyces cerevisiae）的检索数量之和。直至2017年，大约每20 篇生命科学领域的论文中就有1 篇应用了生物信息学相关技术。加之近几年生物信息获取技术产业化发展迅速，研究成本逐年降低。越来越多的生命科学工作者在较少的经费支持下就可以与生物公司合作进行独立的生物组学研究。［12］由此不难看出，生物信息学研究手段在生命科学研究领域已经进入了普及阶段，掌握生物信息学技术也成了从事生命科学研究的基本要求［13］，同时也给生命科学的教育领域带来了革命性的改变［14］。

1 国际生物信息学教育的发展

由于对专业深度、知识广度等方面有着较高要求，生物信息学教育一直属于高等教育的范畴，从广义上可定义为：利用计算机和信息技术，收集、存储、分析、解释和整合数据以解决生物学问题的教学和学习活动。［15］最早的生物信息学教育已难以考证，有报道显示，在上世纪80年代，以计算机技术著称的美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon Universi⁃ty）就已经开设了“计算生物学”（computational biolo⁃gy）本科专业。［16］当时，“生物信息学”的概念尚未形成，“计算生物学”在技术水平的限制下，其学科体系难与现今的生物信息学相提并论。当时的“计算生物学教育”已经在“应用计算机技术解决生物学问题”的领域内开始了教学和学习的实践探索。因此，上个世纪末的“计算生物学”教育就是现今生物信息学教育的前身。

1998 年，当人们还在争论生物信息学的学科定义时，罗斯·奥特曼（Russ Altman）就提出了生物信息学教育的根本问题：如何设置课程来适应生物信息学人才的培养［17］，同时也是生物信息学教育步入正规化的开始［18］。2001年，“国际计算生物学学会”（International Society for Computational Biology, IS⁃CB）“教育委员会”（Education Committee of ISCB）从“理论与方法”“技术适用范围”“数据类型”三个方面，首次指导性地推荐了生物信息学教育应包含的核心内容，2001 年4 月在其网站（http://www.iscb.org/iscb-edu.shtml）发布。［15］同年六月，首届生物信息学教育研讨会（Workshop on Education in Bioinformat⁃ics, WEB）作为国际分子生物学智能系统会议（In⁃ternational Conference on Intelligent Systems for Mo⁃lecular Biology, ISMB）的分会议在丹麦哥本哈根召开。［19］WEB 开创了首个生物信息学教育国际交流平台，其致力于基本的生物信息学教育教学问题，探讨各教育层次的性质、程度、内容以及传播工具，并提供指导建议。［18］2002 年，英国的生物信息学教育在当时已经处于领先地位，全国有25所高校开设了相关课程，达米·康塞尔（Damian Counsel）在对这些院校进行调研后，归纳出了当时以研究生教育为主的生物信息学教育特点（表1）［20］，该成果至今仍具有重要意义。

表1 生物信息学教育的主要特点

随着技术的快速发展，仅凭研究生阶段的课程建设已经不能弥合生命科学领域日益明显的信息学“技能裂隙”（skills gap）［15］。在德国，在“国家研究基金会”（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）以及“联邦教育与研究部”（Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF）资助和倡议下，经生命科学、计算机科学、数学、化学等领域的研究人员共同努力，从1998到2007年间，已有17所大学和科研机构新开设了生物信息学课程。其教学主要针对硕士或博士研究生，并且已有少数机构同时开设了面向本科学生的生物信息学课程。［21］在美国，较早的有斯坦福大学的“生物医药信息学培训计划”（Biomedical Informatics training program）以及耶鲁大学的“生物信息学跨学科博士”（Interdepartmental Ph.D. program in computational biology and bioinfor⁃matics），都是在研究生水平展开的专业教育，能够授予生物信息学学位。而且两者都在消除了学科壁垒的前提下，又强调了根据不同学生的知识背景，分别设置不同课程的教育策略。［22-23］

这样，从上世纪末到在本世纪初，随着生物信息学技术进入成熟期［24］，生物信息学教育也迅速发展起来。生物信息学的课程和学位建设已经覆盖了包括硕、博士研究生以及本科的各个高等教育层次，［25］甚至在以色列，已经开始尝试在高中阶段中融入生物信息学教育内容的探索。［26］时至今日，除西方发达国家以外，许多发展中国家，也开展了不同形式的生物信息学教育工作，形成了全球范围内百花齐放、共同繁荣的局面。

2 生物信息学教育研究现状

2.1 聚焦学科核心素养的教育目标分类方案

作为包含生物学、计算机科学、数学和统计学等众多领域内容的交叉学科，生物信息学内容覆盖范围极其广泛，学习个体难以同时掌握所有相关领域的全部内容。因此，根据不同人群对生物信息学教育的个性化需求，归纳学科核心素养，进而构建教育目标分类方案，是当下该学科教育研究工作的主流方向之一。

有研究指出，对于科研机构的生物信息分析岗位和专门从事生物信息分析的中心机构，其技术人员的生物信息学能力应该包括：（1）熟悉基于UNIX的操作系统；（2）熟悉各种编程语言，以及命令脚本的应用；（3）了解UNIX 集群的并行计算环境；（4）了解基于网络的数据存储；（5）了解生物学和生物组学的一般知识；（6）能与非IT背景的研究人员无障碍交流；（7）能够开发新的软件、工具或分析方法；（8）了解相关数据库和数据库体系结构；（9）能够发现、制定和测试新的生物信息学软件和分析规程。［27］从中可以看出，此类岗位的技能需求偏重于信息技术（Information Technology,IT）领域。对于生命科学背景的学生或科学家，几乎不可能全面掌握以上内容，他们寻求生物信息学培训大多是为了实现个人的研究构想，或者从现有数据中发掘新的潜在研究方向。作为“普通用户”的一般生命科学研究人员，生物信息学多限于“计算机分子生物学”，与之相适应的培训项目也更多侧重软件工具的使用，而非分析工具的开发。［15］

面对不同学习群体在知识背景和应用领域方面的巨大差异，生物信息学教育急需一个指导性解决方案。为此，“国际计算生物学学会教育委员会课程工作组”（ISCB’s Education Committee Curricu⁃lum Task Force,CTF）对世界范围内的研究机构以及从业人员进行了大量调查、研究。基于调研结果，概括性地将需求类型分为：“生物信息学用户”（Bio⁃informatics users）、“生物信息学科学家”（Bioinfor⁃matics scientists）以及“生物信息学工程师”（Bioin⁃formatics engineers）三个群体（表2）［28］；此外，CTF 以多年前期工作为基础［29］，兼顾概括性和精准性两方面考虑，归纳出了包含16项内容的生物信息学核心素养框架（表3）［16］，涵盖了目前从事该领域相关工作的全部内容，并依据“布卢姆教育目标模型”（Bloom′s Taxonomy），对常见的目标群体进行了针对性的教育目标分类（图1）。该成果是现今最新、最全面的开放式生物信息学教育指导方案。以此方案为框架，教育工作者可以通过有针对性的调研结果，对其内容进行调整和完善，以适合不同社会背景。依据该方案的指导，可以为不同目标群体精准划定教育内容，从而最大程度上满足生物信息学教育的个性化需求。

2.2 生物信息学融入现有教育体系

在认识到生物信息学教育的重要性并广泛展开相关展教育工作之后，该领域的教学探索一直没有中断，虽然也积累了一定的经验，但是如何将生物信息学教育更加有效地融入目前已经成熟的高等教育体系仍是当前教研工作的一个重要方向。

国外在生物信息学课程教育的融合方面，应用最多的方式是通过开设一门或者一系列相关课程来实现。但是，当前越来越多的高校和机构开始在原有的课程基础上，融入生物信息学的相关学习模块，并且已经得到了更好的教学效果。在课程建设过程中，西方更重视将生物信息学内容融入生命科学相关专业的教学体系中，［30］提倡“问题导向式学习”和“探究式学习”的教学模式，不仅易于调动学生的积极性，而且契合生物信息学作为工具学科解决生物学问题的初衷。此外，由于生物信息学的网络特性，使得远程教学一直是生物信息学科课程教学的重要手段之一。［31］

表2 生物信息学应用需求分类

表3 CTF归纳的生物信息学核心素养

图1 生物信息学部分应用群体的核心素养教育目标分类（布卢姆模型热力图；根据文献［16］数据绘制）

当生物信息学作为一个独立专业融入高等教育时，多数高校开设的学历教育都是面向研究生层次；或者在开设研究生专业的同时，设置相应的本科专业；极少有院校单独开设生物信息学的本科专业。这种现象也印证了一般新兴学科的教育首先出现在研究生水平，而其对应的本科教育是随着该学科的进一步发展逐渐建立起来的。［31］此外，对于新专业的学院归属问题，许多高校根据不同的自身定位和特点将生物信息学专业归口于生命科学学院或计算机学院［20］，除此之外，有的高校开始打破学科和专业界限，使生物信息学的专业教育独立于具体的某一个学院，专门为其创建全新的跨学科课程体系［22-23］。

在教育工作者的努力下，生物信息学教育在正规教育体系中的融合已日趋成熟，但在个别领域依旧存在障碍。比如，美国生物信息学与生命科学教育整合网（Network for Integrating Bioinformatics into Life Sciences Education,NIBLSE）针对生物信息学在目前生命科学本科教育体系中的融合问题，对目前美国全国的大学生命科学教育体系进行了考察，结果表明：缺乏教职人员是生物信息学融入当前教育体系的主要障碍，而接受生物信息学训练最多的新进博士教师往往面临着大量的科研任务，而不能成为生物信息学教学的主力军。此外，学生学习兴趣低迷，缺乏前期知识储备以及难以获得教学所需的软、硬件支持等情况也不同程度地阻碍了生物信息学在当前教育体系中的融合。［32］该结果虽然仅仅代表了美国国内的教育经验，但为世界范围内的类似问题解决提供了参考，也为今后的生物信息学的教育融合研究指明了努力的方向。

2.3 网络资源与社会团体的重要作用

鉴于生物信息学教育内容的复杂、庞大，以及生命科学和相关信息技术的迅速发展，使生物信息学的教育方案必须不断完善，以保持其时效性［28］，但即便如此，目前的高等教育体系也难以完成生物信息学全部的教育内容［13］。NIBLSE 的一项调查显示，在从事生命科学领域的研究人员中，“自学”超过“大学教育”（或“正规教育”），成为了获取生物信息学技能的最主要途径。此外，研究人员对生物信息学短期培训（In-time training or short courses,1-5 days;Extended bioinformatics courses, 2-3 weeks.）的需求一直十分强劲。而通过网络是“自学”和“短期培训”的主要途径。［32-35］

由于生物信息学的计算机及网络技术背景，网络资源一直是生物信息学教育的重要组成部分，许多国外高校也在网络上共享自己的课程资源［20］，除此之外，专门的社会团体网站也提供了大量资源。总部设在美国的ISCB 一直专注于全球范围内的生物信息学教育事业，其下设的“教育委员会”通过其网站（https://www.iscb.org/professional-devel⁃opment-training-and-education）为所有对生物信息学感兴趣的群体提供培训和教学支持，并致力于将生物信息学教育推广到所有与生命科学相关的教育项目中。该网站资源面向全世界受众，涵盖从新手到高级实践者的各级培训资源，此外，还针对准备投身于生物信息学专业领域的人群提供了更进一步的提高学习资料。“欧洲分子生物学网”（"The European Molecular Biology Network" or "The Global Bioinformatics Network",EMBnet）是欧洲乃至全世界最重要的生物信息中心和网路节点之一（https://www.embnet.org），是最早通过网路提供生物信息学专门课程以及相关训练的欧洲生物信息学组织。“生物信息学培训网”（Bioinformatics Training Net⁃work,BTN）是专门应对广大科研人员对生物信息学短期培训的旺盛需求而设立的。该网站（http://www.biotnet.org/，国内访问困难）为生物信息学的专业知识、教学材料和教学经验提供交流平台，并对一些实际的问题提出解决方案。［36］2012 年，EMBnet牵头，联合ISCB、BTN等9家机构，合作成立“全球生物信息学学习、教育和培训组织”（The Global Organ⁃isation for Bioinformatics Learning, Education and Training,GOBLET），其是首个专门关注生物信息学教育的全球性合作组织。GOBLET 以“包容、共享、开放、创新”为宗旨，通过网络（https://www.mygoblet.org/training-portal）为世界范围内的教师和学员提供持续、可靠的生物信息学教育支持。此外GOBLET还致力于促进各国生物信息学能力发展，制定生物信息学教育标准和准则，以及帮助学校教师培养下一代生物信息学人才等相关工作［13］。此外，还有其他诸多网站可获取教学资源。

3 结论与启示

我国的生物信息学教育起步并不晚，上世纪90年代末，我国部分高校就已经开设了生物信息学领域相关课程。［37］从2002 年，哈尔滨工业大学开设我国最早的生物信息学本科专业，［38］到2018 年高考招生，全国已有24所大学在招收生物信息学专业本科学生。而在2019年的研究生招生目录中，开设生物信息学相关专业硕、博士教育的高校总共也只有20所，这与西方发达国家的生物信息学学历教育集中于研究生阶段的情况完全相反。此类现象可能一定程度上与我国的硕、博士点审定制度有关，但考虑到“一般的新兴学科教育，都是从研究生阶段向本科逐步发展”的趋势，使我们不得不开始警惕我国生物信息学本科阶段的学历教育建设是否存在一定程度的盲目性。

当前，我国多数高校对于生物信息学教育的培养目标尚缺乏明确的定位。在相关课程建设中，主要以统一的教材为基础，再结合教师自身经验来确定课程内容。缺乏对于生物信息学技术在不同领域，比如育种、制药或临床诊断等应用场景的专门内容设置。学历教育方面，我国大多数高校更是定位模糊，只是一味追求将生物信息学相关的各学科内容尽可能多地纳入到教学当中，［39］没有针对性，而是堆砌大量传统课程，致使讲授内容臃肿、缺乏衔接，从而影响学生知识体系的形成和未来的专业发展。因此，推进我国的生物信息学教育建设，应当借鉴国外经验，在广泛调研的基础上，针对不同应用领域对学科核心素养的不同要求，建立符合本国国情的生物信息学教育目标分类方案。［40］在未来新方案的指导下，各高校以及相关教育机构再根据自身特色条件，对各自的生物信息学课程或专业的教育目标乃至建设方针进行精准定位，进而优化课程结构，提高教学效率。

目前，在我国已经广泛开展了对生物学和医学相关专业学生的生物信息学教育，但是，作为解决生物学问题的重要工具学科，生物信息学在生命科学领域的教育融合仍不理想。绝大多数高等院校的生物信息学教育还是以专门课程的形式开展，而且多数生物信息学课程在教学体系中尚属于选修课的范畴。［37］这样的课程设置，要么在讲授内容上浅尝辄止，难以为学生提供适应未来需求的生物信息学能力；要么让学生猛然面对学科差异巨大的海量陌生知识，致使学生积极性普遍较低，教学过程中难以形成有效知识网络。在国外，对于生物信息学课程设置更为灵活多变，越来越多的院校开始将本科阶段的生物信息学内容化整为零，在专业内已经成熟的传统课程中增设生物信息学内容模块，通过“问题解决”等教学模式调动学习积极性，逐步、稳健地向学生传递生物信息学的思维方式和研究理念。这为我国未来的生物信息教育改革提供了思路。