本科生科研创新能力培养模式探索*——以交叉学科生物信息学为例

◆谢尚潜 季凯凯 邢剑锋 赵莹 宋希强

0 引言

随着我国改革开放的深入和经济的快速发展，如何结合国内实际情况，促进科技创新，是各个领域面临的新课题。技术创新以高等教育为基础，所以本科生创新能力的培养越来越引发关注。欧美国家的本科生教育强调自由化和多样化，采用以学习为中心，以教学和技术创新为重点的双中心教学模式，注重培养学生的创新能力、自学能力和独立解决问题的能力[1]。虽然近年来我国高等教育改革取得长足进步，但大部分高校仍然采用以教学为中心的传统教学模式[2]。在这种模式下，教师的任务是向学生灌输知识，学生的任务是理解、消化和吸收教师传授的知识，忽视了学生的主观能动性，不利于充分培养学生的科研和创新能力。

在海南自贸区、自贸港建设新时期，加快补齐海南人才短缺，培养适应型、紧缺型创新人才是海南自贸港建设发展的关键[3]。本科教育是培养专业性创新型人才的重要途径，本科生科研创新能力的培养是培养高层次创新人才的重要环节。生物信息学是一门生物学、数学以及计算机科学交叉而形成的新兴学科，培养具有交叉学科背景的复合型人才是满足紧缺型创新人才需求的重要举措[4]。随着科学技术的发展，近年来新兴的交叉学科人才培养模式有待进一步深入探索。本文以交叉学科生物信息学为例，依托于海南大学林学院生物信息平台，探索如何培养具有交叉学科背景的本科生的科研创新能力。

1 交叉学科背景的本科生创新能力培养现状

生物信息学是生物学研究模式革命的标志，正如诺贝尔奖获得者吉尔伯特（W.Gilbert）所言：“基于全部基因都将知晓并以电子技术可操作的方式驻留在数据库中，新的生物学研究模式的出发点应该是理论的。科学家将从理论推测出发，再返回到实验中去，追踪或验证这些理论假设。生物学家不仅必须成为计算机学者，而且也要改变他们研究生命现象的途径。”[5]目前几乎每一所美国和欧洲的综合性大学均开设生物信息学课程。我国各高等院校也逐渐意识到交叉学科生物信息学课程学习的重要性，目前一般开设生物学或生物技术专业的学校都在努力建设生物信息学课程。然而交叉学科的课程学习以及学生的创新能力培养非常特殊，存在一些共性问题。

1）专业背景单一，缺少真正的学科融合。生物信息学是一门交叉学科，仅有生物学背景远远不够，还需要数学和计算机方面的背景，但传统生物学或农学相关专业的学生在计算机和数学方面的基础较为薄弱。

2）实践操作能力相对不足。由于涉及计算机领域，操作性比较强。比如：从“序列比对分析”到“分子进化分析”，再到“分子结构分析”，都需要在计算服务器上实践操作，才能锻炼本科生的数据分析以及动手能力。

3）国际视野不足，前沿技术接触机会较少，仅能通过为数不多的讲座和已发表的论文了解相关前沿知识，论文的阅读又受限于学生的英文水平与知识背景[6]。

目前已提出许多关于生物信息学交叉学科本科生的培养模式和思路，比如案例式教学、问题式教学、任务驱动式教学等[7-10]，这些模式和思路为海南大学构建生物信息学本科生科研创新能力培养模式提供了重要的借鉴和学习案例。

2 提高本科生科研创新能力的具体措施

对于生物信息学方向的本科生教育，确定其培养目标为：具备扎实、多学科的基础理论和较强的上机操作能力，能积极拓宽知识面，注重学科前沿发展和知识交叉应用，提高综合能力，具备进行科研创新的能力，比如具有数据检索收集、分析流程拆分和构建、结果分析和学术论文撰写等能力。为培养交叉学科背景本科生的相关能力，进行从理论到实践的一些尝试，具体包括以下举措。

小班式教学 小班式班级教学模式基于多元化、个别化、兴趣化的培养理念，这种理念相对于传统模式具有因材施教、探究性学习、个性发展、密切联系师生等优势。目前，小班式本科生人数共有16人，包括林学五人、生物学三人、农学五人、医学一人、信息学二人。根据不同学生的专业特色，小班教学可以采取更多样化的教学形式和方式，考虑不同专业之间的差异，教师灵活掌握教学要求和进度并及时调整教学内容。教师引导，学生相互讨论学习，发挥出不同学科特长，最终将本专业特色应用到生物信息学教学中。总之，小班化教学强调让每一名学生受到充分关注，享用最大化的教育资源。

项目式培养实践操作能力 实践操作能力培养主要分为两个阶段。

1）临摹式学习，主要是对发表在Nature、Science、Cell等高水平杂志上的热点文章进行解读，并且结合讲述植物基因组学的研究进展、数据库的选择、多序列比对等方面的脚本要点。由学生依照论文重新临摹式地做一次数据分析和挖掘，并对照论文结果发现自身存在的问题，及时纠正和提高。

2）以赛代练式学习。通过给定某个小项目，如非编码区RNA的甲基化修饰模式解析等，指导导师在不同关键时间节点进行把控指导，其他时间由学生探索开展具体项目研究，具体流程如图1所示。

图1 项目式科研创新能力培养流程图

3 生物信息学方向本科生培养的特色与成效

依托海南大学林学院生物信息学平台，在交叉复合型学科背景创新教学模式环境下，本科生积极学习多学科基础理论知识，发挥主观能动性，营造浓郁的科研氛围。该创新方式强化了本科生的科研创新意识，提高了本科生科研创新的能力，取得一系列相应成果。例如：四名本科学生各自以第一作者身份在园艺领域Top期刊Horti-culture Research、蛋白领域Top期刊Journal of Proteomics、Frontiers in Genetics（中科院2区）等专业领域杂志上发表SCI论文，并且参与完成两个生物信息专业数据库建设（http://mdr.xieslab.org/；http://isodb.xieslab.org）， 申 请 发明专利两项。由于采用小班制及教学以兴趣为导向，突破专业年级界限，目前四名本科生已毕业，其中三名考上研究生，两名获校级优秀本科论文奖。未毕业的学生正投入于项目研究中，均有望以第一作者发表SCI论文。培养的本科生与硕士、博士研究生均已加入海南大学林学院生物信息学平台，该平台目前已成为海南大学林学院热带特色林木花卉遗传与种质创新教育部重点实验室、海南省热带特色花木资源生物学重点实验室的组成之一。

4 总结

自由贸易港建设为科研创新带来机遇和挑战，大量交叉复合型人才是推进海南自由贸易港建设的关键。海南大学林学院以服务海南自由贸易港发展为核心，以人才需求为导向，突出热带林学研究的优势与特色，合理构建新时期人才培养的新模式，加强专业教师队伍引导作用，优化专业教师的科研、教学方案，不断培养高素质创新型的科技人才。