生物信息學本科專業建設現狀

邢永強,劉國慶,蔡 祿*

(1.內蒙古科技大學 生命科學與技術學院，內蒙古 包頭 014010； 2.內蒙古自治區功能基因組生物信息學重點實驗室，內蒙古 包頭 014010)

生物信息學(Bioinformatics)是生物學與計算機科學、應用數學、信息學以及物理學等學科相互交叉融合而形成的一門新興學科。它的主要任務是通過對生物學實驗數據的獲取、加工、存儲、檢索與分析，去挖掘數據背后所蘊含的生物學意義，并服務于人類健康等領域。隨著后基因組時代組學技術的快速發展，生成了海量的生物學實驗數據，生物學對大量實驗數據處理和分析的需求驅動著生物信息學快速發展期的到來[1-4]。

2010年以來，隨著測序成本的反摩爾定律式下降，RNA-seq、CHiP-seq、HiC等組學研究手段已走進了“千家萬戶”。《2018年中國基因測序行業市場現狀與發展趨勢》顯示2018年全國共有617家基因測序服務機構，基因測序市場規模約為94億元，占全球基因測序市場份額的12.24%，預計2019年將超過100億元。大量組學數據的產生推動了數據存儲、數據傳播、數據分析、模型建立、工具開發等生物信息學方向的加速發展。相應地，就業市場對生物信息學人才的需求也持續增長。全球最頂尖管理咨詢公司McKinsey報告顯示，2018年利用大數據做決策的人才崗位缺口達150萬。充分顯示了加強生物信息學學科建設、培養相關人才的緊迫性。與此同時，生物信息學人才的就業市場呈樂觀向好態勢。《2019高校應屆生專業就業競爭力觀察報告》顯示生物信息學專業位列“2019高校應屆生專業就業競爭力“第六位”；位列“2019年平均起薪最高的15個本科專業”之一(第14位)。人才的持續輸入是生物信息學持續快速發展的基本條件，而系統的生物信息學本科教育體系的建立是培養生物信息學人才的搖籃。本文系統分析了國際、國內以及內蒙古自治區的生物信息學本科專業建設現狀，并探討了內蒙古科技大學的生物信息學專業建設思路。

1 國內外生物信息學本科教育現狀

生物信息學是迅猛發展的新興交叉學科。生物信息學本科專業是我國《普通高校本科專業目錄( 2012年) 》中生物科學大類下屬的四大專業之一(其它三個：生物技術、生命科學、生態學)，可授予理學或工學學士學位。目前，大多數生物信息學研究人員來自計算機、物理學、數學、生物學等學科，本科教育背景并非生物信息學專業。本科-碩士-博士完整的生物信息學人才培養體系的建立和發展壯大是該學科可持續發展的根本保證。一直以來，國內外生物信息學人才的培養多數是從研究生階段開始。生物信息學本科教育的發展是生物信息學人才質量和數量持續輸出的基本條件[5-6]。目前，國際和國內的生物信息學本科專業建設仍處于起始階段。通過查詢北美學校指南(Petersons Guide)和中國高考志愿填報數據庫，統計分析了北美和中國的生物信息學本科專業教育現狀(見圖1)。美國本土51個州共有65所高校開設了生物信息學本科專業；加拿大13個省共有9所高校開設了生物信息學本科專業。美國的加利福尼亞州、馬薩諸塞州、賓夕法尼亞州、紐約州、新澤西州開設生物信息學本科專業的高校數量位列前五(見圖1a)。顯然，這五個州都具有經濟發達、高校云集等特征，反映出生物信息學專業的開設受經濟發展的驅動，也是高等教育發展為社會經濟服務的體現。2019年，我國大陸地區31個省級行政區中共有40所高校開設了生物信息學本科專業(不包括高考錄取時為其他專業，但入學后的研究方向為生物信息學)，且具備高考招生資格，數量明顯少于北美地區，有超過1/3的省級行政區未開設生物信息學本科專業(見圖1b)。江蘇省、河北省、湖北省、廣東省、福建省開設生物信息學本科專業的高校數量位列前五。可以看出，我國該專業的建設與地區的經濟和教育的發展水平不嚴格成正比，折射出國內的生物信息學專業建設仍處在探索階段。

為深度剖析我國生物信息學本科專業建設的現狀，詳細分析了我國生物信息學專業所屬的院校類型和高校層次特征(見圖2)。從院校類型來看，綜合類院校占比最高(42.5%)、其次分別是醫藥類(25%)、理工類(20%)和農林類(12.5%)。綜合類和理工類院校已具備完備的生命科學和計算機科學課程體系，為生物信息學本科專業建設過程中的生物學和計算機基礎課程的教學提供了極大便利。因此，綜合類和理工類院校開設生物信息學本科專業的難度較低，圖2(a)中綜合型和理工類院校的高占比特征也映證了這一特點。生物信息學是一門工具性學科，醫藥類和農林類院校開設該專業，可以有機的與本校的主流學科融合，制定出更加符合學校特色的培養方案，并培養出獨具特色的生物信息學人才。哈爾濱醫科大學作為醫藥類高校開設生物信息學專業的代表，是國內最早招收生物信息學本科生的高校之一，依托學校的醫學特色，打造了獨具特色的生物信息學教育體系，已成為國內生物信息學本科教育的樣板。作為農林類高校開設生物信息學專業的代表，華中農業大學依托學校農業相關的優勢學科平臺，以國家亟待解決的水稻等農業領域的生物學問題為導向，形成了一支具有農業特色的生物信息學教師隊伍，并為社會持續輸出了生物信息學領域的高質量本科人才。需要指出的是，由于中美高等院校教育理念、教育體制、培養模式等差異，美國開設生物信息學本科專業的65所高等院校中綜合類和理工類分別為55所和10所。

從高校層次來看，普通高校開設生物信息學本科專業的占比最高(70%)、其次是同時入選985和211工程院校(20%)和僅入選211工程院校(10%)。目前，雖然包括同濟大學、上海交通大學、浙江大學、武漢大學、東南大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、蘭州大學、華中農業大學、蘇州大學、鄭州大學、天津醫科大學在內共12所入選985或211工程的優質院校開設了生物信息學本科專業，但普通高校仍是興辦生物信息學本科專業的主力軍。需要指出：12所入選985或211工程的優質院校中有9所院校入選雙一流建設高校。再一次影射出我國的生物信息學本科教育仍處在初級階段。

圖1 美國和中國開設生物信息學本科專業的高校數量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of the number of universities in United Statesand China setting up undergraduate programs in bioinformatics

從院校的辦學類型來看，開設生物信息學本科專業院校中95%為普通本科院校，獨立學院(安徽大學江淮學院)和中外合作辦學(西交利物浦大學)分別占2.5%。隨著國家“一帶一路”倡議的實施，與“一帶一路”沿線國家的多領域合作日趨成熟，可以“借此東風”，嘗試擴大生物信息學等學科的中外合作辦學規模，從而進一步提升我國基礎教育體系的質量。

未來，在中國生命科學研究的不斷進步和基因測序行業上、中、下游產業的快速發展等因素的推動下，對生物信息學人才的需求將不斷攀升，這將驅動更多的優質院校加入到生物信息學本科人才培養隊伍中。

圖2 我國生物信息學專業的院校類型和高校層次特征Fig.2 Types and levels of Universities setting up undergraduate programs in bioinformatics in China

2 內蒙古自治區生物信息學本科教育現狀

自1980s年代，在羅遼復先生的帶領下內蒙古自治區的科研人員已開展了30余年的生物信息研究工作，形成了一支發祥早、研究特色鮮明、科研能力扎實的生物信息學研究隊伍，并為國家培養了一批生物信息學人才[7]。然而，由于內蒙古自治區的地理位置偏遠、經濟發展相對滯后、沿海地區等一線城市優越的待遇等因素的影響，2010年以來內蒙古自治區的生物信息學發展遇到了瓶頸問題-缺乏人才。一方面，生物信息學研究生招生數量和質量逐年下降；另一方面，很難引進自治區外高質量的生物信息學人才。人才的缺乏阻礙了內蒙古自治區生物信息的快速發展，使得近幾年內蒙古自治區的生物信息學研究水平呈現滯后現象。破解這一難題的有效辦法之一是開設生物信息學本科專業，為研究生教育提供充足的優質生源，進而暢通生物信息學人才培養通道，推動自治區生物信息學的快速發展。

生物信息學本科專業的開設需要依托完備的生命科學課程體系，才能保證學生掌握扎實的分子生物學、遺傳學、細胞生物學、生物化學等生物學基礎知識。內蒙古大學、內蒙古工業大學等高校的生物信息學研究小組均依托物理學院組建，不具備開設生物信息學本科專業的條件。截至2018年，內蒙古自治區仍沒有生物信息學本科專業。內蒙古科技大學的生物信息學研究隊伍隸屬于生命科學與技術學院，研究人員均有扎實的生物信息學基礎和較強的科研能力。該學院已成功開設了生物技術、生物工程、食品科學與工程三個本科專業，具備開設生物信息學本科專業的基礎條件。調查該學院已有本科專業在全國高校的開設情況顯示：356所院校開設了生物技術專業；328所院校開設了生物工程專業；319所院校開設了食品科學與工程專業(見圖3)。相比之下，只有40所院校開設生物信息學本科專業的現狀則體現了我國生物信息本科教育剛剛開始，該專業的學生有著很大的發展前景和就業市場。鑒于此，2018年內蒙古科技大學申報了內蒙古自治區的首個生物信息學本科專業，并于2019年4月順利獲得教育部批準成立。

3 內蒙古科技大學生物信息學本科專業建設規劃

2019年9月內蒙古科技大學招收了生物信息學專業的第一屆本科生。擬定了“立足內蒙古，面向全國，培養具有人文科學素養、職業道德和一定的生物學基礎知識，掌握扎實的生物信息學理論與算法，具備較強的編程與數據分析實踐能力，適應國家與地區生物醫學大數據產業發展需要的高素質應用型人才”的人才培養目標。人才培養方案是培養人才的頂層設計，是實現人才培養目標的書面保證，更是教師開展教學活動的依據和建立專業標準的載體。我們將以培養方案的修訂為抓手，結合國家和自治區經濟發展需求，以及學校的學科建設定位，建設我校生物信息本科專業[8-9]。具體講，主要通過以下五個環節實施完成。

圖3 生物技術等本科專業在全國高等院校的開設情況Fig.3 Status of biotechnology and other undergraduateprograms in Universities of China

(1) 專業特色與方向的進一步凝煉 結合國家和內蒙古自治區經濟發展需求，以及學校的學科建設定位，進一步凝煉我校生物信息專業的特色與方向將是生物信息學本科專業建設的首要任務。

(2)課程體系建設 課程體系建設是保證本科教學環節順利進行的關鍵。擬基于凝煉的專業特色和方向建立一套既能發揮自身優勢、又適應國家和自治區產業發展需求的課程體系。為培養具備扎實的生物信息學理論知識和較強的實踐能力的復合應用型人才的培養目標提供課程體系和知識結構上的保障。課程體系的建立同時要考慮充分發揮學院生命科學領域師資力量優勢，夯實學生的生物學和醫學基礎[10-11]。

(3) 師資隊伍建設 完備的師資隊伍是培養方案貫徹實施的保證。擬立足生物信息學專業建設，依托自治區功能基因組生物信息學重點實驗室，引進3-5名品德優良、有一定學術造詣，理論知識廣博，科技創新、協調協作能力突出，學術視野開闊的生物信息學人才；立足已有教師隊伍，采用送出去的等方式培養1-2名自治區乃至全國有一定影響的教學或學術帶頭人；培養一支知識、年齡、職稱結構合理，充滿活力，勇于創新，愛崗敬業，團結協作的師資隊伍。

(4) 教學平臺的搭建 實驗平臺的搭建是正常開展本科教學和保證教學質量的前提條件，也是達成人才培養目標的關鍵。生物信息學專業能力的培養極大的依賴計算機能力的提高，計算機機房的作用凸顯。為培養生物信息學理論基礎扎實、實踐能力強的數據挖掘方面的高素質應用型人才，需大力推進實踐教學基地和機房建設。在未來專業建設過程中，首要解決的問題是建立2個用于開展本科生日常教學工作的計算機機房及一個高性能服務器機房。同時，完善分子生物學實驗室、動物細胞培養室等濕實驗教學平臺。

(5) 開拓實習基地和就業市場 現場實習是提高學生動手能力的重要方式之一。我們將積極與生物醫藥企業、測序公司、大數據分析中心等開展合作，建立實習基地。穩定的就業率是專業生存的必要條件。生物信息學專業的第一屆本科生將于2023年迎來畢業季。我們將通過走訪測序公司、大數據相關企業等方式為學生開拓就業市場。

4 展 望

生物信息學研究始于1960s年代Dayhoff等開展的蛋白質一級序列研究；隨著1970s年代Sanger雙脫氧鏈終止法的應用，核酸序列的生物信息學研究拉開了序幕；1980s年代后，計算機的進步推動了生物信息學的快速發展；隨著基因組時代的到來和組學實驗技術的飛速發展，生物信息學歷經半個世紀終于進入了快速發展期。未來，隨著測序技術、計算機技術等的發展，生物信息學將繼續沿著發展快車道前進；生物信息學與實驗生物學的融合必將更加緊密；生物信息學人才的需求將會不斷擴大。為適應人才市場的需求，預計越來越多的高等院校將加入到中國的生物信息學本科教育事業。