“人工智能+X”背景下生物信息學(xué)方向科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系探索與實(shí)踐

　　【摘要】 生物信息學(xué)的學(xué)科前沿性、交叉性極強(qiáng)，且處在迅速發(fā)展中。在“人工智能+X”背景下，建立有效的生物信息學(xué)交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)體系對(duì)生物信息學(xué)領(lǐng)域科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)至關(guān)重要。中南大學(xué)以科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，通過計(jì)算機(jī)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的深入交叉融合，對(duì)“人工智能+X”背景下計(jì)算機(jī)學(xué)科生物信息學(xué)方向科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系建設(shè)進(jìn)行了系統(tǒng)探索與實(shí)踐。該培養(yǎng)體系依托國家級(jí)和省級(jí)平臺(tái)，結(jié)合中南大學(xué)工科和醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢資源，建立了跨學(xué)科的復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提出“學(xué)科交叉+個(gè)性定制+創(chuàng)新訓(xùn)練”的教學(xué)方法，建立多學(xué)科交叉融合的層次化創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練體系，培養(yǎng)了一批高水平研究生，為新興、交叉學(xué)科人才培養(yǎng)探索了一條成功的道路。

　　李敏; 項(xiàng)炬; 李洪東; 曾敏; 段桂華; 王建新， 工業(yè)和信息化教育 發(fā)表時(shí)間：2021-10-22

　　【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī);生物信息學(xué);交叉學(xué)科;研究生教育;人才培養(yǎng);教學(xué)改革;人工智能

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息理論方法的快速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，生物信息學(xué)已成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，其在科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的作用越來越重要。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)生物信息學(xué)人才的需求量也越來越大。

　　生物信息學(xué)一流人才的培養(yǎng)對(duì)于我國搶占生命科學(xué)的制高點(diǎn)至關(guān)重要，因此生物信息學(xué)教育受到越來越多的關(guān)注。生物信息學(xué)作為生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科交叉融合形成的新興學(xué)科，涉及的知識(shí)面非常廣，并且其知識(shí)體量隨著現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而快速增長，同時(shí)其教育對(duì)象通常來自生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、統(tǒng)計(jì)學(xué)等不同領(lǐng)域，知識(shí)背景差異大。在新時(shí)代背景下，針對(duì)不同教育對(duì)象如何有效開展生物信息學(xué)教育，培養(yǎng)新型高素質(zhì)交叉復(fù)合型人才，是國內(nèi)外的熱點(diǎn)課題。

　　中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院依托于醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)國家級(jí)和省級(jí)平臺(tái)，在湖南省研究生教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目等教研課題、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等科研課題的支持下，以科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，在“人工智能+X”背景下對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科生物信息學(xué)方向科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系進(jìn)行了系統(tǒng)的探索與實(shí)踐，建立了跨學(xué)科的復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。該模式建設(shè)面向國家戰(zhàn)略，聚焦國際前沿，體現(xiàn)了學(xué)科交叉融合的新時(shí)代人才培養(yǎng)特色，推動(dòng)科技創(chuàng)新發(fā)展，全方位地培養(yǎng)了研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，有效地促進(jìn)了科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

　　1 生物信息學(xué)教育現(xiàn)狀

　　從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，生物信息學(xué)理論方法和技術(shù)日趨成熟并獲得廣泛應(yīng)用，生物信息學(xué)教育也隨之進(jìn)入快速發(fā)展階段[1-2]。當(dāng)前，世界各國，尤其是發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都在開展不同形式的生物信息學(xué)或計(jì)算生物學(xué)人才培養(yǎng)，其課程和學(xué)位建設(shè)已涵蓋本科、碩士、博士。生物信息學(xué)教育在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)欣欣向榮的良好局面[3-4]。

　　與美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國的生物信息學(xué)研究與教育起步較晚，但發(fā)展速度很快。國內(nèi)外交叉學(xué)科生物信息學(xué)教育情況研究顯示，盡管國內(nèi)外高校都對(duì)交叉學(xué)科生物信息學(xué)研究生培養(yǎng)進(jìn)行了長期的理論研究與實(shí)踐探索，但是由于生物信息學(xué)的交叉學(xué)科特點(diǎn)及其知識(shí)體量的爆炸式增長，學(xué)生通常很難同時(shí)掌握該研究領(lǐng)域的所有內(nèi)容。在計(jì)算機(jī)專業(yè)開展生物信息學(xué)方向研究生教育是全新而又大膽的嘗試，但當(dāng)前計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的交叉學(xué)科生物信息學(xué)研究生教育仍存在很多現(xiàn)實(shí)問題[5-8]。例如，作為新興學(xué)科，生物信息學(xué)專業(yè)師資力量依舊薄弱，各高校課程設(shè)置差異較大、缺乏規(guī)范，缺乏合適教材等[9-10]。在研究生選拔、課程設(shè)置、教材選擇、教學(xué)方式等方面都存在很多需要深入探討的問題。如何歸納該領(lǐng)域核心素養(yǎng)，結(jié)合不同教育對(duì)象的個(gè)性化需求，建立有效的教育培養(yǎng)模式和課程體系，是當(dāng)前生物信息學(xué)教育研究面臨的重要課題。目前，在很多學(xué)科都有生物信息學(xué)方向的研究生培養(yǎng)，如生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理和醫(yī)學(xué)等。不同學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)各異，課程設(shè)置重復(fù)，且很難滿足國家和社會(huì)對(duì)生物信息學(xué)領(lǐng)域的復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求，亟須突破學(xué)科之間的壁壘，統(tǒng)籌安排，通過計(jì)算機(jī)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的深入交叉融合，逐步建立起系統(tǒng)的跨學(xué)科的復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

　　2 生物信息學(xué)交叉復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系建設(shè)

　　為培養(yǎng)新型高素質(zhì)生物信息學(xué)交叉復(fù)合型科技創(chuàng)新人才，中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院開展了以科技創(chuàng)新為導(dǎo)向的生物信息學(xué)交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的建設(shè);通過整合校內(nèi)外優(yōu)勢資源，組建跨學(xué)科師資隊(duì)伍，創(chuàng)建跨學(xué)科的生物信息學(xué)復(fù)合型人才培養(yǎng)體系。

　　2.1  跨學(xué)科課程體系構(gòu)建

　　該人才培養(yǎng)體系以生物信息學(xué)領(lǐng)域的交叉復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，緊跟計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物信息學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢，打破學(xué)科壁壘，打造包含基礎(chǔ)課程、核心課程、專題課程、前沿課程4個(gè)模塊的跨學(xué)科課程體系;學(xué)生可以跨層次、跨學(xué)科/學(xué)院選課，跨學(xué)院的課程均按選修課計(jì)入選修學(xué)分。通過改革和優(yōu)化培養(yǎng)方案，實(shí)現(xiàn)碩士、博士培養(yǎng)方案相互呼應(yīng)、目標(biāo)統(tǒng)一，課程設(shè)置相互銜接、層層遞進(jìn)。

　　2.2  “學(xué)科交叉+個(gè)性定制+創(chuàng)新訓(xùn)練”的教學(xué)方法

　　針對(duì)生物信息學(xué)的多學(xué)科交叉特性，從基礎(chǔ)課程到核心課程、專題課程，任課教師都注重教學(xué)內(nèi)容的延展和交叉融合，通過教學(xué)方式、方法的改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。教師將生物信息學(xué)涉及的不同學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)融合，設(shè)計(jì)交叉融合型教學(xué)案例，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容。該培養(yǎng)體系面向生物信息學(xué)領(lǐng)域的重要科研問題，建立以學(xué)生為中心、以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向、融合思政教育的“學(xué)科交叉+個(gè)性定制+創(chuàng)新訓(xùn)練”教學(xué)方法。教師組織以學(xué)生為主導(dǎo)的創(chuàng)新思維訓(xùn)練課題和討論活動(dòng)，拓展學(xué)生的創(chuàng)新性思維。例如，筆者在講解生物網(wǎng)絡(luò)的模塊分析時(shí)，設(shè)計(jì)了教學(xué)案例“生物網(wǎng)絡(luò)中的‘悲歡離合’——功能模塊的動(dòng)態(tài)演化”，融合了生物數(shù)據(jù)處理、生物網(wǎng)絡(luò)建模、功能模塊挖掘、演化分析等方面的知識(shí)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)蛋白質(zhì)相互作用、基因表達(dá)、基因調(diào)控等多元生物數(shù)據(jù)及其處理方法的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、生物信息學(xué)分析工具等多學(xué)科專業(yè)知識(shí)的理解與應(yīng)用，提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和解決實(shí)際問題的能力。

　　2.3  多學(xué)科交叉融合的層次化創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練體系

　　針對(duì)生物信息學(xué)方向?qū)W生背景差異大及實(shí)踐技能參差不齊的問題，該培養(yǎng)體系以“資源整合、項(xiàng)目導(dǎo)向、分層培訓(xùn)、技能積累、創(chuàng)新引領(lǐng)”為宗旨，結(jié)合生物信息學(xué)研究生的多學(xué)科背景及個(gè)性化實(shí)踐訓(xùn)練需求，建立多學(xué)科交叉融合的層次化創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練體系。該創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練體系打破了“千人一面”的實(shí)踐訓(xùn)練程序，強(qiáng)化學(xué)科交叉融合，通過企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)、競賽項(xiàng)目、研究生自由探索計(jì)劃創(chuàng)新項(xiàng)目等多種實(shí)踐方式，對(duì)每種實(shí)踐方式精心設(shè)計(jì)不同層次的入口，對(duì)研究生實(shí)行分層的實(shí)踐訓(xùn)練，循序漸進(jìn)，按需學(xué)習(xí)。中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院與湖南科創(chuàng)信息技術(shù)股份有限公司、深圳早知道科技有限公司等企業(yè)，通過深度合作建立研究生培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐基地，為研究生開展科技創(chuàng)新、社會(huì)實(shí)踐等提供優(yōu)秀的軟硬件平臺(tái)。

　　3 生物信息學(xué)交叉復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的建設(shè)成效

　　該人才培養(yǎng)體系建設(shè)以科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，以培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞慕徊鎻?fù)合型創(chuàng)新人才為核心，以多學(xué)科交叉融合和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練為抓手，組建了一支多學(xué)科交叉的高水平教師隊(duì)伍，搭建了面向全校學(xué)生的開放式的層次化創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)，培養(yǎng)了一批一流的復(fù)合型科技創(chuàng)新人才，取得了顯著的建設(shè)成效。

　　(1)通過建立跨學(xué)科的科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，提升了生物信息學(xué)方向研究生的科技創(chuàng)新能力。學(xué)生主持湖南省和中南大學(xué)等創(chuàng)新項(xiàng)目30 余項(xiàng)，在國內(nèi)外生物信息學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，研究成果得到國內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)和認(rèn)可，研發(fā)的生物信息學(xué)工具軟件在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域被廣泛使用。

　　(2)校企深度合作，打造一流研究生創(chuàng)新實(shí)踐基地，推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。通過與湖南科創(chuàng)信息技術(shù)股份有限公司、深圳早知道科技有限公司等企業(yè)開展深入合作，中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院先后建立了生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)與人工智能研究生培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐基地和中南大學(xué)—WeGene研究生培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐基地，建立了層次化創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練體系，使學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力穩(wěn)步提高，成為解決企業(yè)科技難題的主力軍。通過校企深度合作，研究生參與申請(qǐng)國家發(fā)明專利50余項(xiàng)(已獲授權(quán)26項(xiàng))，其中4項(xiàng)發(fā)明專利成功進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，解決了企業(yè)難題。產(chǎn)學(xué)研的深度融合，不僅有效提高了學(xué)生的科技創(chuàng)新實(shí)踐能力，也促進(jìn)了企業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

　　(3)培養(yǎng)杰出的科技創(chuàng)新人才，服務(wù)社會(huì)。

　　該人才培養(yǎng)體系的建設(shè)為社會(huì)輸送了大批學(xué)術(shù)潛力大、創(chuàng)新能力突出的研究生，其中20余名博士畢業(yè)后到高校任職。碩士畢業(yè)生去向多為亞馬遜、百度、阿里巴巴、騰訊、工商銀行、招商銀行等大型企事業(yè)單位，多學(xué)科交叉的知識(shí)背景和全方位的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練使學(xué)生受到企業(yè)好評(píng)，留學(xué)生回國后發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過多年努力，生物信息學(xué)方向研究生培養(yǎng)質(zhì)量逐年提高，并在國內(nèi)外生物信息學(xué)組織里發(fā)揮著重要作用。

　　4 結(jié)語

　　生物信息學(xué)的前沿性、交叉性強(qiáng)，且仍處在快速發(fā)展之中，國內(nèi)外均尚未形成系統(tǒng)的人才培養(yǎng)體系。在“人工智能+X”背景下，建立更有效的生物信息學(xué)交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，對(duì)生物信息學(xué)領(lǐng)域科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)至關(guān)重要。筆者介紹了中南大學(xué)針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科生物信息學(xué)方向交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)體系建設(shè)開展的系統(tǒng)探索與實(shí)踐，以及取得的系列成果。該培養(yǎng)體系建設(shè)依托多個(gè)國家級(jí)和省級(jí)平臺(tái)，結(jié)合中南大學(xué)在工科和醫(yī)學(xué)方面的優(yōu)勢資源，通過計(jì)算機(jī)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的深入交叉融合，逐步建立起了系統(tǒng)的跨學(xué)科的復(fù)合型科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)了一批高水平研究生，在國內(nèi)外形成了較大影響，并為新興、交叉學(xué)科人才培養(yǎng)探索了一條成功的道路。