卓越生物医药本科创新人才培养新模式探索与实践

Abstract

随着现代生物医药技术产业的飞速发展，单一学科知识背景将无法满足前沿技术研发的需求。如何在本科生教育中培养具有学科交叉背景的科研创新人才是高校面临的难题。国家级的科研创新基地，例如国家重点实验室、国家临床研究中心等，具有丰富的科技人力资源和科研教学资源，对本科生创新人才的培养有重要意义。本文以四川大学生物治疗国家重点实验室自2016年创立的“华西生物国重创新班”为例，对以国家级科研机构为主导的、多学科交叉的本科生科研创新人才培养新模式进行了探讨与实践。

1. 生物医药类本科科研创新人才的培养需求及困境

近几年，国际关注的突发公共卫生事件严重威胁人类的生命健康。生物医药产业受到了前所未有的关注，展现出了极强的生命力和成长性^[1-2]。全球知名科技媒体《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）公布了2022年“全球十大突破性技术”，生物医药领域独占四席，包括AI预测蛋白质折叠、疟疾疫苗研发、新冠口服药物研发等。现代生物医药领域的飞越性发展，对生物医药类研发人员的体量和素质都提出了新的要求。生物医药高新尖技术的出现，得益于多学科交叉的关键技术链的高速发展。按单一学科划分的人才培养模式正在被日益频繁的学科融合挑战。多学科交叉的教学模式将为人才培养带来新的思路，也为现代生物医药的研发工作注入新力量^[3]。如何在本科生教育阶段培养出能适应未来生物医药前沿技术需求的科研创新人才是现今高校面临的挑战^[4-5]。

1.1. 生物医药类本科科研创新人才的培养需求

根据《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，在未来十年，科技前沿领域攻关，将作为强化国家战略科技力量的主要工作，例如基因与生物技术等前沿领域技术攻关^[6]。未来的生物医药产业将以创新领域为焦点，以前沿技术为核心竞争力。近年来一系列前沿生物技术的突破，让我们认识到，任一关键技术的重大突破离不开多学科交叉的融合汇聚和创新^[7]。例如，近年来受到关注的生物治疗技术、组织工程与再生医学、小分子靶向药物、mRNA疫苗等，都涉及多学科交叉及技术融合创新。以mRNA疫苗技术为例，mRNA序列的设计和优化需要细胞生物学背景知识；mRNA疫苗的纳米载体的脂质材料合成需要化学、材料学相关知识；mRNA疫苗的脂质纳米载体的体内表征需要药学知识；mRNA疫苗的临床前安全性评价和药效评价还需要临床医生等的支持。不难看出，单一学科知识背景的研究者/团队很难支撑前沿生物医药的研发工作。如何在高等教育最早期的本科阶段培养出具有多学科背景交叉的科研创新人才，适应未来生物医药领域的研发工作，是值得思考的问题。

1.2. 生物医药类本科科研创新人才的培养困境

该形势下，生物医药类本科科研创新人才培养存在以下四个困境。第一个困境是：具有学科交叉背景的本科人才培养不足。现代生物医药的发展对于科研创新人才的素质提出了更高要求。在单一专业领域深入钻研的精神固然可贵，但科学技术腾飞和科学研究者综合能力的提升，往往离不开学科交融的助推。随着生物医药技术的发展，社会更需要具有交叉学科背景的科研创新人才。高等教育如何规模化地培养创新科研人才已有许多的探讨，而本科教育是高等教育中人才培养关键性的阶段，具有启蒙作用。传统的本科教育依赖于基础学科划分学生，学生最终获得的知识结构较为单一。在更早期，若本科学生想学习另一专业知识，只有通过自学、旁听、转专业或修习双学位等，获得跨学科知识的途径十分有限。生物医药专业的本科生，若只有单一的知识体系，例如生物学或药学，毕业了若选择直接就业，将难以满足飞速发展的生物医药产业对从业者提出的更高要求；若选择继续深造，本科教育学科专业设置和培养制度的局限性也会使其在迈入研究生阶段时，受到一定的限制。从单一的学科知识体系，跨入到以探索和创新实践为主的综合性培养阶段，他们的背景知识和实践能力往往不能迅速支撑起研究生阶段的研究，也很难快速适应教育模式的转变。因此，本科教育单学科的局限，不仅会让他们错过培养学科交叉知识体系的启蒙期，也为今后的就业和深造留下了需要填补的空白。

第二个困境是：现阶段本科生教育中科研资源投入过少。创新力提升的核心是人才培养。但现阶段本科教育主要以学院为单位进行传统教学，学生在课堂上更多的是被动地接受知识。近年来，也有许多高校意识到了本科阶段的科研经历对于学生创新力的提升的重要性，逐渐开始开设面向本科生的科研创新课程。理论的学习固然重要，然而科研活动不同于传统的教学，科研能力的培养需要实践的过程，需要学生从中去学会加工和再创造^[8]。同时，面向本科生的科研创新课程，通常是以大班教学、短期培养的形式开设，然而科研思维的培养是一个长期、循序渐进的过程，这也是短期的“填鸭式”教育收效甚微的原因。当然，我们也不能忽视多数高校中生物医药相关学院的科研资源的局限性。尽管现在大力提倡引进海内外高层次人才，许多研究型高校的师资力量得到了壮大，但一定程度上，高校教师要同时兼顾本科教学、研究生教学和科研任务，精力过于分散。同时，本科生的大班教育对于教师来说体量过于庞大，没有机会像培养研究生那样因材施教，点对点地进行指导。

第三个困境是：现阶段本科生早期接触科研的途径有限。大多本科生接触科研的方式是在大学期间的各种竞赛，例如大学生创新创业竞赛，鼓励本科生主动参与科研创新，提升自己的综合能力^[9]。然而，如何提升本科生和指导教师的积极性和主动性是现今存在的难题。许多高校推出了相应的硬性政策将本科生创新竞赛与毕业、保研等挂钩，但忽略了制定指导教师的奖励机制，导致了学生敷衍完成任务，指导教师意兴阑珊的局面，没有起到实质性的作用。最终，大部分的生物医药类本科生的科研启蒙依赖于毕业设计，这也是绝大多数本科生第一次正式接触到科研工作的机会。届时，距离本科生涯的结束已经不远了，迫于本科毕业论文的提交审核等时间点，很难静下心去钻研和探索。基于现有的体系，本科创新科研人才起步较晚，错过了培养科研兴趣和科研思维的关键节点。

第四个困境是：在本科人才培养阶段，重量级科研机构的缺席。各高校的省部级重点实验室、国家重点实验室、国家临床医学研究中心等，都是国家级的重要科研创新平台，是国家重要的战略科技力量。这类科研机构面向前沿科学开展基础研究、应用基础研究等，发挥原始创新能力的引领带动作用，也是多学科高层次科技人才的聚集地^[10]。以四川大学生物治疗国家重点实验室（以下简称“国重实验室”）为例，该平台汇聚了生物医药领域多学科交叉的集成攻关大团队，其中包括75位国家高端人才引领的研究队伍，有高级职称的研究人员200余人，各类研发人员1000余人（包括研究生和技术人员等）。如何有效发挥国家重点实验室、临床医学研究中心等机构在本科教育阶段科研育人的引领作用是值得思考的问题。

如何在实践中培养高水平的具有多学科背景的本科生，适应前沿生物医药研发的人才？如前所述，根据对困境的分析，本科生教育应更多推进多学科交叉教学、增加科研资源投入、丰富科研活动途径。国家级科研机构在培养具有学科交叉背景的本科创新科研人才方面应发挥重要的作用。自2016年起，国重实验室在这方面积极开展了探索与实践。

2. 依托国家级科研基地和学科交叉模式培养本科创新科研人才的实践

国重实验室汇聚了基础医学、临床医学、药学、生物技术、纳米技术、生物材料等多学科交叉团队，拥有从靶点发现到生物治疗产品研发及转化一整套完整的技术链。现有200余位高级职称的科研人员在该平台从事前沿科学研究。在四川大学给予充分的办学自主权的政策支持下，实验室自2016年创立了华西生物国重创新班（以下简称“创新班”），在选拔机制、课程设置及培养模式等方面进行了多年的探索和创新。近年来，培养出学科交叉背景的本科创新科研人才得到了国内外著名学府/研究机构的广泛认可。具体的培养方案和实践如下。

2.1. 严格的人才选拔机制

创新班设立了严格的人才选拔制度。创新班的选拔在新生入学半年后开展，其选拔机制有如下特点：第一，不完全依赖于高考入学成绩或专业成绩排名，采取自主报名、现场面试考核的方式进行筛选；第二，不限制专业，面向全校文理工医所有专业，即所有对生物医药领域有兴趣的学生均可参加选拔；第三，参与选拔面试的专家基本上为国重实验室的国家高端人才，具有不同的生物医药学科背景和研究方向。创新班每年的选拔规模在50人左右。2016–2022年的统计数据显示，先后入选的学生来自全校文理医工科管史哲，覆盖了近70个专业，录取率在60%左右。每一年的选拔面试评委团由20位以上的教授团队组成，精心设置选拔考核问题，让被选拔者无法提前准备，对每一位参加的学生的科研潜质进行全面、公正的判断。

2.2. 具有学科交叉特点的课程设置

国重实验室对创新班开展实体化办学，设置有四个专业方向，分别为化学、生物科学、药学、基础医学。其专业方向根据国重实验室对前沿技术研究类的主要聚焦点来进行设置，在生物医学学科交叉融合的科研平台中，对学生后续选择轮转制导师的时候具有指导作用。培养方案的课程设置为：第一部分，公共课、专业基础课和专业课，约占总学分的85%，与专业学院同专业学生相同；第二部分，特设课程，约占总学分的15%，由国重实验室为学生开设，特设课程分为必选、限选和任选三种。必选课，即为创新班所有专业方向开设，如《生物医学前沿》；限选课为创新班特定专业方向开设，相应专业方向的学生必选，其他专业方向的学生则任选，如《蛋白质结构》专门为生物科学和基础医学的学生开设，又如《蛋白质结构与药物设计》专门为药学和化学的学生开设。

2.3. “一对一”科研导师实验室轮转制度等组织管理

创新班推行“一对一”科研导师制，以学科深度交叉融合的优质科研平台和出类拔萃的导师资源为支撑，通过“实验室轮转”创新实践科研训练、进课题组开展专题研究等创新人才培养活动。每位入选创新班的同学在进入大三之前，都会经历三轮实验室轮转，从大三开始，经导师-学生双向选择后，则进入导师课题组，开展专题研究。每一次轮转都可以在国重实验室的平台上选择不同的导师，聚焦不同的前沿领域。学生在进入导师的课题组后，采取与研究生同等的培养方式，由导师直接指导和管理。在学习专业课理论知识的同时，学生可利用任何时间，随时参与课题组的学术研究，根据自己的节奏，多方式地体验科学研究的魅力。例如，根据学生的兴趣和能力，可以通过阅读文献，参加组会讨论的方式学习前沿技术理论知识；也可以与研究生一起参与学习实验操作，中高年级学生后期甚至能获得独立的课题。待一个轮转期满，导师将从学习态度、研究潜力、沟通合作能力三方面对本科生进行综合测评，按百分制计算轮转成绩。下一次轮转，学生可在“一对一”导师指导原则下，自由选择是更换轮转导师还是继续留在课题组。轮转制度中没有教条的产出要求，在这种开放、自由的学习氛围中，学生能充分发挥自身的主观能动性，找到合适的方式参与科学研究。除70多位国家高端人才担任“一对一”指导教师之外，实验室还配有专职辅导员、专职教务干事、班主任、名誉班主任及针对性配备的学工书记和教学副院长。

2.4. 开展以培养科研综合素质为目的学术活动

为发挥国重实验室出类拔萃的导师资源，国重实验室为创新班举办丰富的学术活动。例如，举办“生物医药前沿”系列讲座，通常邀请国重平台上高层次的海外引进人才，介绍自己研究领域的前沿技术。讲座范围控制在小班范围，让学生在科研初期就与科研“大牛”有零距离接触的机会，充分对自己感兴趣的问题进行头脑风暴和问答；又例如，实验室每周五都会举办“国重系列论坛”，大多是新入职的研究员或是年轻的科学家来分享自己所做的工作，体现出国重平台科学研究的差异化发展，拓展学生的眼界。另外，每一届创新班的学生之间也体现出了科学精神的传承，每年都会举行优秀学生代表的分享会，例如，有的创新班学长已在国重实验室攻读博士，在国际高水平顶级期刊发表了论文，他们的经验对于创新班的学生具有激励作用。

另一项具有特色的活动是在大三下学期开展的《生物医学前沿课程》，该课程的分数会在研究生推免的评估中作为科研素质评价的重要的参考。《生物医学前沿课程》每学年共32节课，由31位来自生物医药不同领域的教授担任讲师，范围涵盖“创新免疫制剂”“CART细胞治疗”“基因编辑技术”“纳米靶向递送技术”“新冠疫苗研发”等前沿关键技术。在最后一节课中，创新班的同学将分成4～5人的科研团队，对任一生物医药领域中尚未解决的科学问题提出天马行空的科学假设和实验设计。由相关领域的教授担任该课程的指导教师，帮助学生团队完成从立论到实验设计，到可能获得的结果及讨论等环节。学生需要综合各学科背景知识，自己提出科学问题再寻求解决科学问题的方法，是从“获取信息”到“消化信息”并“再创造信息”的过程。笔者有幸担任了数年的《生物医学前沿课程》的期末评委，几乎每次都会惊叹于创新班本科生如此丰富的想象力和极高的科学素养。显而易见，这是“填鸭式”教育无法实现的，它来源于长期的实验室育人模式的熏陶，来源于国重平台对于其辩证科研思维的锻炼，也来源于学生发挥主观能动性，积极学习和思考的结果。

2.5. “华西生物国重创新班”培养成果

创新班自2016年创立，截至2022年6月，已有共368位同学经过选拔，进入创新班接受培养。每届均有约80%的学生本科毕业后获得深造机会。其培养成果可从以下三个方面进行阐述。

首先是实验室轮转制度对于学生科研素质的培养。从大一大二开始就能在实验室亲眼目睹导师和研究生们是如何从事科学研究，即如何发现科学问题，遇到挫折，又如何解决问题，这对于科研素质的训练是至关重要的。学生很早就能明白科学研究的艰辛和不确定性，同时也能感知对于真理的探索需要执着和实事求是的学术态度，这对于他们未来在科研道路上的成长来说非常珍贵。相比于没有长期在实验室经历熏陶的学生，创新班的学生拥有更为成熟的心智去面对和从事科学研究。

其次，对于学科交叉知识体系的培养成果显而易见。虽然创新班分为四个专业方向，但每一次的科研锻炼都是多学科交叉融合的。在国家级生物医药前沿的科研基地中，没有任何的研究者是依靠单一学科背景从事科学研究。例如，创新班中化学专业方向的学生，不仅在选修课中能学到蛋白质结构解析相关知识，还能在实验室轮转中，有机会接触到肿瘤基因治疗相关的课题。经过本科阶段的锻炼，化学专业方向的学生也能对免疫治疗现状略通一二，而生物专业方向的学生也有可能参与过计算机药物设计和化学合成的工作。学生可根据自己的研究兴趣获得个性化的多学科交叉的知识体系。

再者，创新班为学生们提供了科研资源宝库。国重平台上有200余名高级职称的研究者，每个研究团队都有不同的研究方向，这对于学生未来国内外深造，或从事生物医药研发，都是珍贵的学术资源。许多优秀的创新班学生选择了继续深造，取得了很好的成绩，例如有毕业生在深造期间加入了国重新冠疫苗关键技术攻关大团队，参与重组蛋白新冠疫苗的研发工作，相关论文于2022年发表于Nature Communications，参与研究的重组蛋白疫苗也已获得临床批件，完成了Ⅲ期临床试验；另有毕业生在国重室深造期间，基于对肺癌机制研究的成果于2022年发表于Nature Cancer。

3. 结语

生物医药类创新研发人才的培养任重而道远。传统学科的单一知识体系下培养的人才将难以承担未来的研发任务。如何在本科教育阶段加强学生的学科交叉和科研素质培养是高校面临的难题。近年来，生物治疗国家重点实验室的实践和成果，充分体现出了国家级的科研创新基地在本科生培养中的重要作用。让本科生在理论学习的同时，更早期地主动去接触科研、感知科研、从事科研的教学方式，将对本科生物医药类研发创新人才的培养提供一定的借鉴。

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