“人工智能+X”背景下生物信息學方向科技創新人才培養體系探索與實踐

　　【摘要】 生物信息學的學科前沿性、交叉性極強，且處在迅速發展中。在“人工智能+X”背景下，建立有效的生物信息學交叉復合型人才培養體系對生物信息學領域科技創新人才培養至關重要。中南大學以科技創新為導向，通過計算機與生物學、醫學的深入交叉融合，對“人工智能+X”背景下計算機學科生物信息學方向科技創新人才培養體系建設進行了系統探索與實踐。該培養體系依托國家級和省級平臺，結合中南大學工科和醫學的優勢資源，建立了跨學科的復合型科技創新人才培養模式，提出“學科交叉+個性定制+創新訓練”的教學方法，建立多學科交叉融合的層次化創新實踐訓練體系，培養了一批高水平研究生，為新興、交叉學科人才培養探索了一條成功的道路。

　　李敏; 項炬; 李洪東; 曾敏; 段桂華; 王建新， 工業和信息化教育 發表時間：2021-10-22

　　【關鍵詞】計算機;生物信息學;交叉學科;研究生教育;人才培養;教學改革;人工智能

　　0 引言

　　隨著現代生物技術、計算機技術、信息理論方法的快速發展，生物醫學數據呈現爆炸式增長，生物信息學已成為當前國內外的研究熱點，其在科學研究和產業應用中的作用越來越重要。國內外學術界和產業界對生物信息學人才的需求量也越來越大。

　　生物信息學一流人才的培養對于我國搶占生命科學的制高點至關重要，因此生物信息學教育受到越來越多的關注。生物信息學作為生物醫學、計算機等學科交叉融合形成的新興學科，涉及的知識面非常廣，并且其知識體量隨著現代生命科學技術和計算機技術的發展而快速增長，同時其教育對象通常來自生物醫學、計算機科學、數學、物理、統計學等不同領域，知識背景差異大。在新時代背景下，針對不同教育對象如何有效開展生物信息學教育，培養新型高素質交叉復合型人才，是國內外的熱點課題。

　　中南大學計算機學院依托于醫療大數據應用技術國家工程實驗室等多個國家級和省級平臺，在湖南省研究生教育教學改革研究重點項目等教研課題、科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金重點項目等科研課題的支持下，以科技創新為導向，在“人工智能+X”背景下對計算機學科生物信息學方向科技創新人才培養體系進行了系統的探索與實踐，建立了跨學科的復合型科技創新人才培養模式。該模式建設面向國家戰略，聚焦國際前沿，體現了學科交叉融合的新時代人才培養特色，推動科技創新發展，全方位地培養了研究生的實踐創新能力，有效地促進了科技創新人才培養質量的提升。

　　1 生物信息學教育現狀

　　從20世紀末到21世紀初，生物信息學理論方法和技術日趨成熟并獲得廣泛應用，生物信息學教育也隨之進入快速發展階段[1-2]。當前，世界各國，尤其是發達國家和地區都在開展不同形式的生物信息學或計算生物學人才培養，其課程和學位建設已涵蓋本科、碩士、博士。生物信息學教育在世界范圍內呈現欣欣向榮的良好局面[3-4]。

　　與美國和歐洲等發達國家和地區相比，我國的生物信息學研究與教育起步較晚，但發展速度很快。國內外交叉學科生物信息學教育情況研究顯示，盡管國內外高校都對交叉學科生物信息學研究生培養進行了長期的理論研究與實踐探索，但是由于生物信息學的交叉學科特點及其知識體量的爆炸式增長，學生通常很難同時掌握該研究領域的所有內容。在計算機專業開展生物信息學方向研究生教育是全新而又大膽的嘗試，但當前計算機及相關學科的交叉學科生物信息學研究生教育仍存在很多現實問題[5-8]。例如，作為新興學科，生物信息學專業師資力量依舊薄弱，各高校課程設置差異較大、缺乏規范，缺乏合適教材等[9-10]。在研究生選拔、課程設置、教材選擇、教學方式等方面都存在很多需要深入探討的問題。如何歸納該領域核心素養，結合不同教育對象的個性化需求，建立有效的教育培養模式和課程體系，是當前生物信息學教育研究面臨的重要課題。目前，在很多學科都有生物信息學方向的研究生培養，如生命科學、計算機科學、數學、物理和醫學等。不同學科的培養目標各異，課程設置重復，且很難滿足國家和社會對生物信息學領域的復合型創新人才的需求，亟須突破學科之間的壁壘，統籌安排，通過計算機與生物學、醫學的深入交叉融合，逐步建立起系統的跨學科的復合型科技創新人才培養模式。

　　2 生物信息學交叉復合型科技創新人才培養體系建設

　　為培養新型高素質生物信息學交叉復合型科技創新人才，中南大學計算機學院開展了以科技創新為導向的生物信息學交叉復合型人才培養體系的建設;通過整合校內外優勢資源，組建跨學科師資隊伍，創建跨學科的生物信息學復合型人才培養體系。

　　2.1  跨學科課程體系構建

　　該人才培養體系以生物信息學領域的交叉復合型科技創新人才培養為目標，緊跟計算機科學和生物信息學領域的最新發展趨勢，打破學科壁壘，打造包含基礎課程、核心課程、專題課程、前沿課程4個模塊的跨學科課程體系;學生可以跨層次、跨學科/學院選課，跨學院的課程均按選修課計入選修學分。通過改革和優化培養方案，實現碩士、博士培養方案相互呼應、目標統一，課程設置相互銜接、層層遞進。

　　2.2  “學科交叉+個性定制+創新訓練”的教學方法

　　針對生物信息學的多學科交叉特性，從基礎課程到核心課程、專題課程，任課教師都注重教學內容的延展和交叉融合，通過教學方式、方法的改革，激發學生的學習興趣，培養學生的創新性思維。教師將生物信息學涉及的不同學科的知識點進行有機融合，設計交叉融合型教學案例，創新教學內容。該培養體系面向生物信息學領域的重要科研問題，建立以學生為中心、以創新能力培養為導向、融合思政教育的“學科交叉+個性定制+創新訓練”教學方法。教師組織以學生為主導的創新思維訓練課題和討論活動，拓展學生的創新性思維。例如，筆者在講解生物網絡的模塊分析時，設計了教學案例“生物網絡中的‘悲歡離合’——功能模塊的動態演化”，融合了生物數據處理、生物網絡建模、功能模塊挖掘、演化分析等方面的知識，以促進學生對蛋白質相互作用、基因表達、基因調控等多元生物數據及其處理方法的認識，加強學生對數理統計理論、機器學習方法、生物信息學分析工具等多學科專業知識的理解與應用，提高學生的理論知識水平和解決實際問題的能力。

　　2.3  多學科交叉融合的層次化創新實踐訓練體系

　　針對生物信息學方向學生背景差異大及實踐技能參差不齊的問題，該培養體系以“資源整合、項目導向、分層培訓、技能積累、創新引領”為宗旨，結合生物信息學研究生的多學科背景及個性化實踐訓練需求，建立多學科交叉融合的層次化創新實踐訓練體系。該創新實踐訓練體系打破了“千人一面”的實踐訓練程序，強化學科交叉融合，通過企業聯合培養、競賽項目、研究生自由探索計劃創新項目等多種實踐方式，對每種實踐方式精心設計不同層次的入口，對研究生實行分層的實踐訓練，循序漸進，按需學習。中南大學計算機學院與湖南科創信息技術股份有限公司、深圳早知道科技有限公司等企業，通過深度合作建立研究生培養創新實踐基地，為研究生開展科技創新、社會實踐等提供優秀的軟硬件平臺。

　　3 生物信息學交叉復合型科技創新人才培養體系的建設成效

　　該人才培養體系建設以科技創新為導向，以培養德才兼備的交叉復合型創新人才為核心，以多學科交叉融合和創新實踐訓練為抓手，組建了一支多學科交叉的高水平教師隊伍，搭建了面向全校學生的開放式的層次化創新實踐訓練平臺，培養了一批一流的復合型科技創新人才，取得了顯著的建設成效。

　　(1)通過建立跨學科的科技創新人才培養體系，提升了生物信息學方向研究生的科技創新能力。學生主持湖南省和中南大學等創新項目30 余項，在國內外生物信息學領域的權威期刊發表學術論文100余篇，研究成果得到國內外同行的高度評價和認可，研發的生物信息學工具軟件在醫學、生物學等領域被廣泛使用。

　　(2)校企深度合作，打造一流研究生創新實踐基地，推動企業產業化發展。通過與湖南科創信息技術股份有限公司、深圳早知道科技有限公司等企業開展深入合作，中南大學計算機學院先后建立了生物醫學大數據與人工智能研究生培養創新實踐基地和中南大學—WeGene研究生培養創新實踐基地，建立了層次化創新實踐訓練體系，使學生創新實踐能力穩步提高，成為解決企業科技難題的主力軍。通過校企深度合作，研究生參與申請國家發明專利50余項(已獲授權26項)，其中4項發明專利成功進行成果轉化，解決了企業難題。產學研的深度融合，不僅有效提高了學生的科技創新實踐能力，也促進了企業產業化發展。

　　(3)培養杰出的科技創新人才，服務社會。

　　該人才培養體系的建設為社會輸送了大批學術潛力大、創新能力突出的研究生，其中20余名博士畢業后到高校任職。碩士畢業生去向多為亞馬遜、百度、阿里巴巴、騰訊、工商銀行、招商銀行等大型企事業單位，多學科交叉的知識背景和全方位的創新實踐訓練使學生受到企業好評，留學生回國后發揮了重要作用。經過多年努力，生物信息學方向研究生培養質量逐年提高，并在國內外生物信息學組織里發揮著重要作用。

　　4 結語

　　生物信息學的前沿性、交叉性強，且仍處在快速發展之中，國內外均尚未形成系統的人才培養體系。在“人工智能+X”背景下，建立更有效的生物信息學交叉復合型人才培養模式，對生物信息學領域科技創新人才培養至關重要。筆者介紹了中南大學針對計算機學科生物信息學方向交叉學科研究生培養體系建設開展的系統探索與實踐，以及取得的系列成果。該培養體系建設依托多個國家級和省級平臺，結合中南大學在工科和醫學方面的優勢資源，通過計算機與生物學、醫學的深入交叉融合，逐步建立起了系統的跨學科的復合型科技創新人才培養模式，培養了一批高水平研究生，在國內外形成了較大影響，并為新興、交叉學科人才培養探索了一條成功的道路。