大学生命科学教育面临的新挑战与要求

清华大学生命科学学院院长　王宏伟

今天我将从生物学专业的角度来分享一些个人观点，我想谈谈我们应该做什么，面对当前的挑战和要求，现代生命科学何去何从。我接下来要讲的大部分内容都是关于生命科学的未来，有很多我们还未做到的事情，我希望可以借此机会向大家学习，未来也可以一起讨论如何促进生物学教育发展，培养更多生命科学、生物医药领域的科学家。

我担任清华大学生命科学学院院长，过去几年我一直在思考生命科学的现状，高等教育为生命科学改革提供了怎样的动力，尤其是在中国的高校中。以下几件事情可以与大家共同思考并探讨：第一，从整个生物学到生物学科各分支，从理论描述过渡到量化和精确分析；第二，加强子学科之间的整合；第三，加强跨学科研究，包括生物与数学、计算机、物理等领域的交叉；第四，生物学公众和社会影响力；第五，新媒介和新技术的应用。接下来，我将就这五个方面，谈谈应该怎样把握生物学发展趋势。

首先，从理论描述过渡到量化和精确的分析这一部分主要是基于数学、物理学、统计学和计算机科学来讨论。举个例子，我两年前看到一篇关于系统生物学的论文，这篇论文中使用了很多数学、物理学、统计学、大数据分析和计算机科学知识，现代生物学不再仅是描述性的，而更多的是我们对数据进行数字化的认知，以便更准确地分析数据。数理归纳法在现代生物学研究当中越来越重要，例如把米氏方程应用于生物学数据分析中，很多生物学学生第一次碰到这个等式，他们的大脑就当机了，但在现代生物学领域需要更多数学的运用，这就要求我们加入更多的诸如数学计算技能和电脑计算机编程技能。编写代码也是生物学研究的基本技能，比如计算机程序设计语言（Phytow）是一个非常简单并且是很多生物项目日常应用的。基于定量分析的逻辑推理也是正在发生的，还有类似更多这样生物学问题的定量观点。

另一篇论文是我应用在本科和研究生教学中，关于如何使用定量的方法来分析随机基因组输血中的细菌理论，这篇论文的背后包含了很多新科学。这是我们大学一位叫Sunny Xie十年前提出的，对于我们用定量的方法来思考生物概念和随机事件现象仍然非常有用。现在我们很多高校也开始注重生物科学和不同学科的交叉，强调数学、物理、计算机科学等学科课程设计的更新，引入统计学、概率论、线性代数、随机过程、非线性动力学等。虽然在本科一二年级的生物学学习中，需要学习数学、物理学、化学知识，但是很多老师仍在使用百年之前古老的教学理论，而不是现代生物学的发现。因此，不仅仅是生物学，生命科学中也需要应用到更多新概念，例如统计学、概率论、随机过程和非线性动力学。我们应该在课程设计中引入更多的生物问题，让老师教授数学、物理、化学、计算机的同时，也使用生物学研究的内容进行教学，不仅是使用常见的数理教学的例子，同时也在生物学课程中引入数学推导和定量分析。

第二个我想强调的是当代生物学是各学科的整合，因此我们开始尝试在生物学中使用更多从微观到宏观的全谱。科学问题从分子到个体甚至全体都是不同层次的，同时要共同开展体内和体外的研究。在生物学中，我们会使用还原论与整体论结合作为一种方法论，推进各种方法的全面广泛的应用，也希望实现各种方式关系中的创新。

我们学院的同事在使用单细胞技术来研究单分子抗体受体，他们从研究全球人类中不同人群基因组差别开始，来定义不同种群可能有的不同的进化，然后他们进一步细化到分子级别，来看看为什么不同群体对人体免疫有不同的反应。理解人类进化对人类有很多帮助，生命的研究已经跟随着人口，甚至进化和生态前进的尺度不断发展，这些都是在我们研究范围之内。

现代生物学课程也引入进化论、物种多样性和生态学的新概念，这也是分子生物学和生物化学方面需要涉及的内容，同时分子生物学、细胞生物学的最新进展和发现也需要在普通生物学与生态学课程中加以介绍，这对于从分子水平理解生态学也非常重要。同时，随着该领域越来越多的合作机会，我们还需要努力去减少学科和专业间的限制，解释生物学重大发现背后的逻辑和推理过程，而不仅仅只告诉学生“这些是你需要记住的发现”，要让学生了解背后的历史，科学是如何形成的，这也有助于学生理解逻辑和背后的故事。我还清晰地记得我在大学时，从一位物理学教授那里学过一门课，讲20世纪现代物理学发现，我从那里得到的不仅仅是记住了发现的最终结论，还了解了关于宇宙力学以及相关理论的重大发现是如何产生的。

第三，跨学科研究是现代生命科学发展的动力，如果你了解现在生命科学的构建，会发现尤其在二十世纪四五十年代，很多科学家来自物理和化学背景，他们的研究是当代生命科学的主要驱动力。现在生命科学使用的工具很多是由物理学家、化学家、计算机科学家所研究出来的，甚至是工程师开发的。现代生命科学一方面是由跨学科研究领域推动的，另一方面是非常复杂的现象，甚至是最复杂的现象。生命科学也成为许多其他学科的主要推动力，包括物理学、化学、甚至向一些数学家展示我们如何用数学理论和方程解释复杂的生物现象，并且创造新的理论。在生命科学领域，我们也需要其他专业专长，比如在清华生科院，大概有70个研究员，有三分之一本科都不是生物背景，而是来自物理学、化学、甚至机械工程、计算机科学。因此，生命科学领域需要招募各行业人才，也需要创造新的学科概念。

在化学生物学、物理生物学这些生命科学领域发展起来的前沿学科的出现，意味着需要具有跨学科沟通能力的生物专业学生，所以我总是鼓励学生去与其他学院或者隔壁宿舍不同专业的学生讨论。在清华，相同学院的研究生不住在一起，反而同宿舍的同学可能来自计算机或者人文学科，以此鼓励学生互相交流，这点很重要。当我试图向一些非生物专业的学生或科学家传递一些信息时，比如向他们传递我的想法，同时也要能理解他们说的是什么，这样才可以达成共同的价值观，共同进行头脑风暴，为生物科学创造新的内容，这就是跨学科交流的意义。(www.xing528.com)

冷冻电镜技术在过去的几年已经成为生物学研究中一个非常强大的工具，它不仅能解决生物模型细节问题，也能帮助我们看清堆积在非常复杂的生物分子中的项目。这项技术是经过许多物理学家、数学家、计算机科学家和工程师多年来不断研发。这是一个过去五年里彻底改革的冷冻电镜的例子，它被称为新探测器，是高能粒子物理科学家和半导体工程师共同完成，这个工具可以拍摄冷冻标本图像中的小分子。所有这些硬件和软件都是由物理学家、工程师、计算机科学家和数学家开发的，而不是生物学家。这也进一步说明生物学是跨学科的。在2017年冷冻电镜的诺贝尔奖获得者中，三位先驱都没有生物学背景，他们受过物理和化学专业训练，但是他们在生物领域做出了先驱性贡献，应用于许多重要的生物学机制和理论学科，让所有生物学家都能从中受益。

我的学生统计了过去30年与生物学相关的诺贝尔奖得主，他们中的许多人在四五十年前上过大学，一半本科学习生物或医学，另一半来自数学、物理学、化学和跨学科背景，尤其是当你想做基础诺贝尔发现，不得不说生命科学是一个跨学科的领域。在生物学教育中，我们应该为生物专业的学生量身定制与其他学科相关的课程，为生物学和非生物学的学生提供跨学科的课程，搭建一个广泛而深入的跨学科交流和讨论平台。现在我们确实有一些非生物背景的老师来教生物学生学习数学、物理学、化学课程，而且要求他们首先要以第一专业的教学方式，其次也要以使用生物学背景的教学方式，这就需要其他学科老师更多地跟生物学老师沟通、讨论和制定课程内容，以更高效的教学方式教育学生，让生物学的学生了解为什么要学习数学、物理学、化学这些学科。

第四点，生物学已经成为更具有公众影响力和社会关注度的学科，包括当代生物技术产业化。我们开始意识到生物学的重要是因为大众对于健康、食品安全和环境质量的认识提高，需要我们进行生物科学方面的公众教育，对生物学专业人员的社会、人道、法律能力也有更多要求。

几年前有个关于转基因作物的课题，转基因对于小鼠肿瘤增长有促进作用，甚至公众开始讨论可以饿死癌细胞。所以现在有很多相应的话题与人类健康及食品安全相关，也经常成为媒体关注的头条。有些公众因为其不具备专业知识来评判新闻的真伪，很容易被误导。随着生物学在社会上的影响力越来越大，生物学应该成为通识教育的一部分。我也向清华大学校长传达了这一信息，现在清华也正在努力将生物教育纳入通识教育当中。我们鼓励生物学背景的学生进入到不同的专业领域，包括政府、立法、甚至媒体。我们也需要推进大众生物学教育，希望能引入新媒体和新技术，比如应用在线媒体、在线技术、动画技术、虚拟现实技术（VR）来进行教学和学习。举两个例子：第一个是在清华慕课推出的“普通生物学”课程，同时我本人也参与到VR技术开发，我们开发了一个用VR来进行微分子层面观察的技术，好比把自己放在整个分子世界中观察，通过这种方法来进行本科和研究生教学。现在我们正在做一些试点测试，希望将来能在课程中采用这些方法。

在清华，本科教学过程大多数仍然以教师为中心，很少讨论和互动，课程设计上也缺乏最新的发现和突破。对此，清华开始试点，其中一个清华学堂生命科学项目，与交大致远学院类似，我们招收了一批对研究特别感兴趣的学生，课程的设计和选择不局限于学校规定的课程，有更多灵活性。学生需要学习四门主要课程：《生命科学研究的逻辑学》《学术方法》《科学英文写作》和《科研培训》，在实验室第一年或者本科第二年开始做研究，学生可要求豁免课程，我们也鼓励他们选择跨学科课程。学生有机会去国际顶尖高校交流，例如密西根大学、斯坦福大学、多伦多大学和剑桥大学参加实习项目或者论坛，我们也邀请到诺贝尔奖获得者来清华讲课，通过参加开放的实验室会议和期刊俱乐部，让本科生参与真正的科学研究。同时，我们也设计一些创新型课程，比如数学、物理学和生物化学，还有癌症生物学、干细胞生物学、化学生物学和现代生物技术，这些课程向本科生和研究生都开放。

清华有代表队参加国际基因工程机器大赛，近几十年来，我们的本科生积极主动地学习生物学课程，掌握了一些研究技能。我们也不断开拓联合办学项目，与哈佛大学、剑桥大学建立暑期实习项目，鼓励学生去对方高校实验室进行科研实习。毕业前有的学生已经累积了三到四年的研究技能，整体研究可以做得非常好，能够以第一作者或者共同作者发表文章。

清华大学还有一个项目，虽然不是新项目，但是我们两年前才迎来第一批毕业生，实际上这个项目大约十年前就开始了，这就是清华大学的医学教育项目。在八年长学制医学教育过程中引入两年海外科研训练的课程体系：从大一开始在清华学习三年，之后两年在国外学习，有些还会去澳大利亚实习，最后一年返校进行临床培训，最终获得医学博士学位。这个项目能够帮助学生获得医学教育经验和研究背景，我们希望能培养出下一代优秀的中国医学科学家。

（译者：林依洁）