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篇1

摘要從教學內(nèi)容、教學過程和考核方式等方面介紹了研究生細胞分子生物學課程的教學開展與體會，為適應多研究方向的研究生培養(yǎng)要求、提高教學效果提供參考。

關鍵詞研究生;細胞分子生物學;教學;內(nèi)容;考核

揚州大學碩士研究生培養(yǎng)方案課程設置將細胞分子生物學作為生物學一級學科的學位課程，包含植物學、動物學、生理學、水生生物學、微生物學、遺傳學、發(fā)育生物學、細胞生物學、生物化學與分子生物學、生物物理學、生態(tài)學等11個生物學二級學科。揚州大學是江蘇省屬重點綜合性大學，目前設有27個學院，11個生物學二級學科分散在生物科學與技術學院、農(nóng)學院、獸醫(yī)學院、醫(yī)學院，各二級學科的研究方向也較廣泛，如何適應這種多學院、多學科和多研究方向的碩士研究生培養(yǎng)要求，提高教學效果，揚州大學不斷進行嘗試、改革，構建了適合各二級學科培養(yǎng)目標要求的細胞分子生物學教學體系，現(xiàn)將這門課程的教學內(nèi)容、教學過程和考核方式介紹如下。

1細胞分子生物學的教學內(nèi)容

細胞分子生物學是隨著細胞生物學和分子生物學發(fā)展而興起的一門較新的學科，是一門在分子水平上研究基因?qū)毎顒诱{(diào)控以及各種細胞結(jié)構的形成和功能執(zhí)行的科學[1]。對生物學專業(yè)的研究生來講，本科階段都學過細胞生物學和分子生物學這2門課程，因此研究生所開設的細胞分子生物學課程體系應該和本科生的課程體系有所區(qū)別。由于傳統(tǒng)的細胞分子生物學教材與細胞生物學和分子生物學在內(nèi)容上有很多雷同，若采用這些教材，很容易使研究生對該門課程失去興趣。揚州大學將該門課程的教學內(nèi)容分為4個部分:細胞結(jié)構、細胞遺傳、細胞代謝與調(diào)控、細胞發(fā)育，該校沒有選擇任何固定教材，僅僅指定少數(shù)最新出版的教材作為參考書，如韓貽仁主編的分子細胞生物學[2]、Gerald Karp主編的Cell and Molecular Biology:Concepts and Experi-ments等[3]。

2細胞分子生物學的教學過程

揚州大學細胞分子生物學的授課對象差異比較大，學生的來源和專業(yè)背景也不同，在教學過程中，筆者嘗試使用開放式教師、開放式教學和開放式課堂的教學方法。

2.1開放式教師

以往的研究生課程都是由固定的教師一上到底，由于教師的精力有限，不可能對細胞生物學各個領域的前沿知識都熟悉。為了解決這一問題，揚州大學采用不固定教師上課的制度，跨學科跨學院請資深教師進行授課，確保學生能夠了解該領域的基本知識與前沿動態(tài)。設置的4個部分教學內(nèi)容中，每一部分由1~2位專業(yè)教師負責主講，教師可結(jié)合自己的專業(yè)背景，根據(jù)不同教學模塊，設置具體的教學內(nèi)容，不拘泥于任何教科書進行授課。有些教師的研究方向是植物，對植物細胞分子生物學的研究進展和前沿動態(tài)比較熟悉，講授植物細胞分子生物學可以做到深入淺出，而對動物細胞分子生物學的講授效果會比較差，因此主講教師可選擇來自植物、動物、微生物、病毒等研究方向的老師。對于學生，有些是來源于農(nóng)學院，其背景知識和興趣側(cè)重在植物方面，而有些來源于醫(yī)學院或獸醫(yī)學院，其背景知識和興趣側(cè)重在動物方面，這就要求選擇具有不同學科背景的教師。開展開放式的教學方式，滿足不同學生的要求。

2.2開放式教學

由于細胞生物學是生命科學的前沿學科之一，因此在把握現(xiàn)有教材和參考資料的基礎上，教學過程中要結(jié)合實際將細胞生物學相關領域的新進展、新知識、新方法介紹給學生，拓寬學生知識的深度、廣度，培養(yǎng)其對未來工作的適應能力。

在每一個教學模塊中，教師可通過不同的教學方式講解不同側(cè)重點的專題。如細胞結(jié)構部分包括講了2個專題，一個是細胞內(nèi)膜系統(tǒng):結(jié)構、功能、蛋白質(zhì)分選和膜泡運輸，另一個是細胞骨架與細胞運動。內(nèi)膜系統(tǒng)一般是指內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、細胞核、溶酶體和液泡(包括內(nèi)體和分泌泡)5類細胞器膜的總稱，而廣義的內(nèi)膜系統(tǒng)概念也包括線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核等細胞內(nèi)所有細胞器膜的總稱。在本科細胞生物學教學過程中，這些細胞器的形態(tài)結(jié)構、功能和發(fā)生是分別獨立介紹。雖然這些細胞器具有各自獨立的結(jié)構和功能[4]，但它們又是密切相關的，尤其是它們的膜結(jié)構是可以相互轉(zhuǎn)換的，轉(zhuǎn)換的機制則是通過蛋白質(zhì)分選和膜泡運輸來實現(xiàn)的。在講授內(nèi)膜系統(tǒng)時，可通過蛋白質(zhì)合成這條線將這些相關內(nèi)容串聯(lián)起來講述。由于核糖體在蛋白質(zhì)合成上與內(nèi)膜系統(tǒng)互為一體，因此將核糖體也加入進來，同時向上講可以提及細胞核中核糖體大小亞基及mRNA的合成，向下還可講述細胞膜上的蛋白功能，從而用蛋白質(zhì)合成一條線將細胞的三大結(jié)構即細胞膜、細胞質(zhì)和細胞核聯(lián)系了起來。同時，也啟迪研究生自己去找線索，找出一根主干，將盡可能多的內(nèi)容串起來。又如細胞骨架對于維持細胞的形態(tài)結(jié)構及內(nèi)部結(jié)構的有序性以及在細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞和細胞分化分裂等一系列方面起重要作用，因此對細胞骨架的研究是近代生命科學中最活躍的研究領域之一，它的快速發(fā)展主要得益于大型分析儀器的應用和實驗方法技術的改進。在這一部分內(nèi)容的教學中，可重點向?qū)W生講解細胞骨架的研究方法，包括每種方法的原理、基本過程和結(jié)果分析，以最新的國外權威期刊上發(fā)表的細胞骨架方面的論文為例，向?qū)W生介紹細胞骨架的研究是如何開展的。

2.3開放式課堂

研究生課堂和本科生課堂相比，講授內(nèi)容量非常大。筆者一般會在課后將課件提供給學生，使他們在課堂上不用花太多精力記筆記，而是將主要精力集中到聽課上，跟著教師的引導考慮問題，這樣使其思維保持很高的興奮度，且感到疲勞。在嚴格遵守課堂紀律的前提下，在上課時要盡量調(diào)動學生的積極性，以開拓學生的思維，培養(yǎng)創(chuàng)造性。課后要讓學生自己閱讀指定或推薦的原始文獻，或者讓他們自己到網(wǎng)上查閱自己感興趣的問題，以此可培養(yǎng)學生閱讀文獻、查找資料、進行科研的能力。

3細胞分子生物學的考核方式

作為生物學一級學科碩士研究生的學位課程，細胞分子生物學的考核以考試為主，考慮到研究生學習細胞分子生物學課的目的主要是為了提高學生利用學到的細胞生物學知識解決課題研究中的問題，實用性較強，因此筆者選用開卷考試的形式，所出的試題都是綜合性的分析題，在考場內(nèi)學生可以查閱任何參考資料，但參考資料中沒有現(xiàn)成的答案，促使學生綜合運用所學知識，通過仔細分析才能得出答案。這種考核方式一方面提高了學生獨立思考問題和解決問題的能力，另一方面也使教師了解了學生對這門課程的掌握情況，檢驗教學質(zhì)量，很大程度上促進了以后教學的開展。

4參考文獻

[1] 王石平，金安江.分子細胞生物學研究性教學模式的改革實踐與思考[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報:社會科學版，2008(2):134-137.

[2] 韓貽仁.分子細胞生物學[M].2版.北京:科學出版社，2001.

篇2

關鍵詞：創(chuàng)新；細胞生物學；科研；實踐；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0114-02

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，努力提高大學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是增強學生綜合素質(zhì)的需要，也是一個民族進步和國家興旺發(fā)達的不竭動力。作為生命科學的基礎和前沿學科，《細胞生物學》是一門實踐性、研究性很強的課程，內(nèi)容比較抽象、深奧，需要理論和實踐密切聯(lián)系。

傳統(tǒng)的教學方式是以教師、教材和課堂三者為中心的封閉式教育模式，教師在課堂上單向灌輸知識，學生被動地接受。在這種模式下，大學生主要的學習活動是通過死記硬背記住教材現(xiàn)成結(jié)論、機械地接收實驗技能，不利于學生發(fā)散性思維和自主學習能力的培養(yǎng)。另一方面，傳統(tǒng)教學中理論和實踐教學與科研相脫節(jié)。高等學校教學與科研是相互依賴、相互促進、不可分離的一體；教學是科研的基礎，科研是教學的發(fā)展和提高。沒有科研的支撐，難以實現(xiàn)旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學目的。但由于實驗設施等條件的限制，本科生參與科研項目的機會較少，不利于綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。針對傳統(tǒng)教育模式存在的問題，核心主干課程《細胞生物學》的理論和實踐教學模式改革就顯得十分必要。

一、采用多樣化的教學方法 突出學生學習的主體性

為了進一步適應當前對高層次專業(yè)復合型人才的需求，培養(yǎng)具有系統(tǒng)理論知識和分析解決問題能力的創(chuàng)新人才，我們在理論課的教學模式中推行啟發(fā)式、研究式、討論式、基于問題式等教學手段，以學生為中心代替了以教師為中心，以重能力培養(yǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)重知識傳授，以小組討論和教師指導式教學方法代替了傳統(tǒng)的課堂講授，使學生更加積極、主動參與教學活動，真正實現(xiàn)“互動式教學”。并且在保證基礎知識教學的前提下，將教學活動與科研、實踐工作緊密而有機地結(jié)合，以科研、實踐引導和促進教學，提高學生自主學習和獨立思考以及分析問題和解決問題的能力。通過豐富多樣的教學方式為學生創(chuàng)造實踐機會，激發(fā)興趣使學生不由自主地進入研究性學習，從而使教師從知識的傳輸者變?yōu)橹笇д吆痛龠M者，學生從知識的被動接受者變?yōu)橹R的主動構建者。這種以學生為主體，強調(diào)理論聯(lián)系實際的教學形式，促進了學生創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育水平的提高。

（一）基于問題的啟發(fā)式教學模式

以問題為基礎的教學方法是以學生為中心、以教師為引導的開放式教學方法，是將問題作為教學的基本因素，教師在授課時有計劃、有步驟地向?qū)W生提出問題，學生或者帶著問題聽課，或者課后根據(jù)問題進行思考，使學生在不斷的提出問題和解決問題中完成教學內(nèi)容的學習，找到問題的答案。這種基于問題式的教學方法，鼓勵學生提出更好的問題，在探索和思考中學習，可以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的綜合能力，養(yǎng)成終生獨立學習的習慣。

（二）討論式教學模式

細胞是一切生命體生長、發(fā)育、衰老和死亡過程的基礎，從遺傳到變異，從生理到病理，幾乎所有生命現(xiàn)象的原因都要到細胞中尋找答案。近年來，現(xiàn)代細胞生物學領域中的重大進展非常精彩，許多研究內(nèi)容和成果如細胞通訊、細胞增殖及其調(diào)控、細胞衰老與程序化死亡等對社會的發(fā)展影響深遠。為了提高學生對課程學習的興趣，我們增設了4個學時的討論課。討論課由教師給定一些議題，如“細胞信號傳導與環(huán)境適應性討論”、“光合作用研究與人類未來面臨的糧食問題討論”、“細胞生物學的最新研究成果與諾貝爾生理醫(yī)學獎”、“細胞學發(fā)展歷程對‘三觀’的啟示”、“獵奇與興趣在細胞生物學發(fā)展中的意義”、“人造生命――克隆人與生物倫理學”等。討論分組進行，每個小組負責一個題目的全面闡述，小組成員分工協(xié)作完成查閱文獻、制作ppt和課堂報告等工作，然后由教師做出評價。通過討論式教學可以激發(fā)學生學習的興趣和積極性，鍛煉學生口頭表達能力，并培養(yǎng)團隊合作精神。

（三）研究探索式教學模式

細胞生物學中很多重大的理論和結(jié)果都是建立在經(jīng)典實驗基礎之上的，教材中具有豐富的實驗素材。在教學中，我們注重講解實驗的設計和過程，分析、總結(jié)和歸納實驗背后的原理，啟發(fā)學生對科學問題及重大發(fā)現(xiàn)的認識和思考。課外鼓勵有興趣的學生參與到教師的植物組培科研項目中，完成一些能勝任的實驗環(huán)節(jié)，將科研中的問題帶入課堂，引導學生思考和討論，在應用、實踐和錯誤中學習，加深學生對基本理論的理解。開展研究式和探索式的教學模式，可以使學生在“學習基礎理論知識―聯(lián)系實際應用―鞏固再提高”的探究實踐中，逐步培養(yǎng)出科學的思維方式和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

二、發(fā)揮教師的主導作用 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

在高校中，科研訓練是培養(yǎng)創(chuàng)新人才和提高大學生創(chuàng)新能力的重要方法和有效手段。通過科研訓練，讓大學生系統(tǒng)地參與到科研項目當中，讓學生“做中學”，將理論知識應用到實踐，鍛煉動手能力，達到學以致用、活學活用的目的。在科研和實踐方面，我們充分發(fā)揮教師的主導作用，各位老師在獲得科研項目的基礎上，創(chuàng)造多種有利條件鼓勵有興趣、有能力的學生較早地參與教師的科研課題，并引導學生積極參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和課外學術競賽等一系列科技創(chuàng)新活動中。在專業(yè)教師指導下，學生自行查閱文獻，自主設計實驗并完成實驗內(nèi)容，最后整理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果，進而撰寫成。科研活動使學生學習了科研的知識，通過收集、整合信息構建知識，體會到科研的樂趣，進而增強了大學生的動手能力和創(chuàng)新意識，取得了較好的成果。利用科研大平臺將理論和實踐相結(jié)合，教學與科研相輔相成，這樣就形成了覆蓋課堂內(nèi)外的立體化教學模式，將學生的專業(yè)知識、創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)的提高緊密結(jié)合起來，達到了培養(yǎng)本科生工程實踐創(chuàng)新能力的教學目的，同時也可使學生盡早了解教師的研究方向和內(nèi)容，有利于大四畢業(yè)論文等環(huán)節(jié)的完成。近幾年來，學生參與數(shù)量上以及考研升學人數(shù)、比例層次都得到穩(wěn)步提高，考入上海交通大學、南京大學等名校研究生的學生比例逐年增加。

三、改革課程考試方式 推進教學改革效果

傳統(tǒng)考試制度存在諸多弊端，如考核方式單一、考試內(nèi)容單一，這種片面的評分方法不能真實反映學生理解知識和應用知識的能力，也很難達到理論與科研實踐相結(jié)合，提高學生創(chuàng)新能力的教學目的。為了更全面、科學、客觀地評價學生的綜合能力，我們將期末一卷定成績的傳統(tǒng)單一考試方式改革為多元化的綜合考核方式，進而帶動教學模式的改革。學生成績的評定由平時成績和期末考試兩部分組成，平時成績的比例增加到30%。平時成績主要包括課堂考勤、課堂測試、課后作業(yè)、期中考試以及專題討論等。課堂小測試我們采用2人一組，讓學生自主設計考題；或者采用試題抽簽、一人一題的方式，專題討論分組進行。期末考試主要考察學生對基礎知識，包括基本概念、原理和方法的掌握情況，以及對應用實例的理解，同時也增加了綜合分析題及實驗技能等試題。通過課程考核方式的改革，既調(diào)動了學生在課堂上的積極性，也建立了一個真正全面、客觀、合理的課程考核體系，效果良好。

四、結(jié)語

高等教育的發(fā)展方向是以學生為主體，重視能力培養(yǎng)，促進大學生的全面發(fā)展。在近年來的教學改革實踐中，我們遵循能力本位的理念，基礎與科研實踐并重，探索了一條立足課程體系優(yōu)化和完善、科研創(chuàng)新實踐為目標的人才培養(yǎng)模式。通過互動式、實踐性教學引導學生進行探究性學習，激發(fā)學生自主學習的興趣，從而達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新和科研能力的目的。在課堂教學過程中，我們以細胞生物學的經(jīng)典實驗為例，引導和培養(yǎng)學生進行創(chuàng)新性思維；并通過討論課等形式，調(diào)動學生學習的積極性；同時課外鼓勵那些對科研具有濃厚興趣的學生，進一步進行系統(tǒng)的科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此，教學與科研實踐相結(jié)合的教學模式，可以幫助學生更好地構建細胞生物學的知識體系，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維意識和研究能力，培養(yǎng)具有可持續(xù)發(fā)展能力的應用型生命科學人才均具有重要意義。

參考文獻：

[1]余光輝，程旺元，龔漢雨，等.基于細胞生物學教學的科研創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索[J].中國細胞生物學學報，2012，34（12）.

[2]陳安，梁文斌，，等.覆蓋課堂內(nèi)外的立體化教學改革提高本科生的創(chuàng)新能力[J].國際檢驗醫(yī)學雜志，2012，33（13）.

[3]熊德慧，胡維新.開放式教學法在分子生物學教學中的實踐[J].湘南學院學報，2006，（3）.

[4]吳學玲，劉新星，周洪波，等.細胞生物學研究性學習模式的探索和實踐[J].中國科技信息，2008，（9）.

[5]向忠志.研究型教學模式在細胞生物學中的運用[J].中國校外教育（理論），2008，（10）.

[6]馬朋，曹同濤，劉乃國，等.細胞生物學教學中PBL結(jié)合LBL的實踐研究[J].中國成人教育，2009，（1）.

[7]方瑾，于敏，張惠丹，等.構建多元化的細胞生物學PBL教學模式[J].中國細胞生物學學報，2013，35（1）.

篇3

[關鍵詞]細胞生物學實驗 教學方法 教學內(nèi)容 教學改革

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）12-0153-02

細胞生物學是生物學至關重要的一門基礎學科，發(fā)展也是日新月異，同時也是一門實驗性學科。理論教學可使學生掌握課程的基礎知識、學科框架以及學科前沿，而實驗課程的開設能使學生鞏固所學理論知識，掌握該學科基本實驗技能和研究方法，培養(yǎng)學生科學研究的思維和意識，提高學生的綜合科研素質(zhì)。細胞生物學實驗不僅是理論課程的補充，也是整個生物學實驗教學體系重要的一門課程。[1] [2]

隨著細胞生物學實驗技術方法的快速發(fā)展、教學條件的改善以及學生培養(yǎng)目標的調(diào)整，目前細胞生物學實驗教學過程中逐漸出現(xiàn)了一些不足與缺陷。例如，課程內(nèi)容較陳舊，不能與時俱進;教學方法單一，課堂氣氛沉悶;學生缺乏積極主動性，教學效果欠佳等。如何豐富和更新細胞生物學實驗內(nèi)容，提高教學效果，達到培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目的，已成為擺在教師面前亟待解決的問題。

一、優(yōu)化實驗教學內(nèi)容

細胞生物學實驗內(nèi)容廣泛，基本實驗包括細胞器結(jié)構觀察、細胞及亞細胞組分離心分離技術、細胞常規(guī)制片技術、細胞染色體標本的制備及觀察等，有些較綜合性的實驗涉及的實驗技能較多，時間較長，如動物細胞培養(yǎng)實驗等。

基本實驗所需時間較短，在課程設置時可將一些同類的實驗項目合并，合理安排時間，提高實驗效率。細胞器的觀察可歸為一個實驗，細胞核的分離與葉綠體的分離合并起來，有絲分裂和減數(shù)分裂染色體形態(tài)觀察和分析合并等。通過這些措施，可以在有限的時間里做更多的實驗，提高了效率，節(jié)約了時間。這些基本實驗教學的目的是強化細胞生物學實驗基本技能，掌握基本實驗方法和技術。[2]

為了強化學生的基本操作能力，啟迪創(chuàng)新意識，培養(yǎng)綜合運用實驗技術分析和解決問題的科研能力，應合理開設綜合性實驗，將單一驗證性的實驗項目整合為系統(tǒng)化的綜合性實驗。比如動物細胞的原代培養(yǎng)及保存與復蘇這個實驗，包含了原代培養(yǎng)、細胞計數(shù)及觀察、細胞的保存與復蘇等小的實驗項目。

二、現(xiàn)代化手段輔助教學

多媒體教學直觀生動，有利于學生對知識的理解和掌握，激發(fā)學生的興趣，提高教學效果。在實驗課中，可播放一些自己錄制或購買的實驗教學錄像，讓學生更直觀、更清楚地看到整個實驗過程。例如在動物細胞培養(yǎng)實驗時，先播放動物細胞培養(yǎng)的視頻錄像，讓學生了解前期準備的細節(jié)，了解動物細胞培養(yǎng)的過程和注意點，這樣可有效地提高學生的實驗技能和實驗的成功率，彌補傳統(tǒng)教學的不足。另外，隨著細胞生物學實驗技術的快速發(fā)展，一些重要而當前不能實際操作的實驗，在課堂上可以讓學生觀看教學錄像或網(wǎng)絡視頻資料，使學生了解其結(jié)構和用途。如流式細胞儀的使用。

通過帶有顯微成像系統(tǒng)的顯微鏡，將好的實驗結(jié)果拍攝下來，可以對圖像進行進一步的分析和長期保存，展示給學生，使學生有一個清晰、直觀的認識，老師講課的時候也更加具有針對性，內(nèi)容更具體、生動。例如在植物細胞有絲分裂和減數(shù)分裂染色體形態(tài)分析實驗中，學生常對典型分裂時期的圖像把握不好，那么就可以拍攝該種生物各個分裂時期的圖像，有針對性的講解，學生更容易理解，也有了判斷依據(jù)和標準，提高了效率。

三、逐步實施開放性實驗教學，提高學生主動性

目前細胞生物學實驗教學大多是驗證性，學生對這種被動的、按部就班的教學方法積極性不高，難以激發(fā)其學習興趣，效果也不理想。很多專家教授提出要打破細胞生物學實驗這種傳統(tǒng)教學模式，實施開放性教學，培養(yǎng)學生科研思維能力。開放性實驗教學的效果毋庸置疑，但在我們的實踐中以及調(diào)研其他院校后發(fā)現(xiàn)，開放性實驗普遍存在教學時間有限、實驗老師工作量巨大及需要較多實驗經(jīng)費等現(xiàn)實問題。另外，學生知識水平有限，難以把握實驗難度，實驗設計不夠合理，往往難以獲得理想的結(jié)果，有時會打擊學生的學習積極性。開放性實驗室的安全性和實驗室日常管理等問題也是不易解決的問題。我們在實踐中采用多層次、靈活的辦法，適當增加一些經(jīng)費和人力投入開放式教學，引導學生自己準備實驗，對實驗所用材料進行選擇，對同一實驗采用不同實驗方法等不同程度的、有限的開放，達到學生積極參與的效果。

（一）實驗材料自主選擇。實驗課中經(jīng)常是一個實驗內(nèi)容都采用同一種實驗材料，常出現(xiàn)個別同學實驗積極性不高，參考別人實驗結(jié)果的惰。有些實驗內(nèi)容，老師可以很方便的準備多種實驗材料，學生可根據(jù)興趣選取不同材料。這樣學生會相互間進行比較，思考由于材料不同引起的實驗方法和結(jié)果有哪些不同，有利于提高學習興趣，培養(yǎng)科學思維能力，豐富基礎知識。例如，在植物細胞有絲分裂染色體形態(tài)分析試驗中準備洋蔥根尖和蠶豆根尖，學生選取其中一種材料進行染色體形態(tài)觀察和分析，又如在石蠟切片制作過程中，可選用植物或動物材料。[3]這樣學生就會比較兩種材料有什么不同，分析實驗結(jié)果的差異在哪里，為什么有這樣的結(jié)果。這樣帶著問題做實驗，在實驗中尋找答案，就會調(diào)動學習積極性，提高教學效果。

（二）靈活采用實驗方法。在實驗方法上同樣可實行開放式教學，如細胞活性測定的實驗中，染料排斥法、雙色熒光檢測法和N11檢測法都可以檢測細胞的死活，而三者的原理和所需的實驗儀器試劑都是不同的。在實驗教學過程中可以讓學生根據(jù)自己的興趣選擇其中的任意一種或多種方法，只有當學生明確了實驗原理、實驗方法后，才可根據(jù)已確定的實驗方法進行儀器試劑的選擇。經(jīng)過這樣的自主選擇后，學生對實驗原理和實驗方法都有了很好的掌握。

在每一個試驗中，始終貫徹科學的思維方法和實驗方法，對于實驗指導中給出的具體的操作可做適當?shù)恼{(diào)整或改變。如在植物細胞骨架的光學顯微鏡觀察這一實驗中，細胞骨架制片效果的好壞與TritonX-100的濃度和處理時間密切相關。在上課時，講清楚在這一實驗中的TritonX-100作用和原理，可以讓學生分組后改變TritonX-100的濃度和作用時間，其余步驟不變，然后比較實驗效果，確定最佳條件。通過這個實驗，學生不僅掌握了細胞骨架的制片技術，而且能透徹理解TritonX-100的作用原理，也使學生認識到不能教條式照搬已有知識，培養(yǎng)其科學的思維和方法。

（三）逐步開放實驗內(nèi)容。依據(jù)實驗內(nèi)容和實驗條件，從驗證性實驗逐漸開展不同程度的開放性實驗。首先，可以讓有興趣的學生共同參與實驗前期準備工作，在實驗員準備實驗的時間，提前通知學生，在老師指導下學生自己準備材料，如提供給學生洋蔥、蠶豆，自己培育根尖，配置實驗所需的溶劑等。在動物細胞培養(yǎng)試驗中，讓學生和老師一起洗培養(yǎng)瓶，滅菌，配置培養(yǎng)基等，從而提高學生的實驗技能，培養(yǎng)學習興趣，理解實驗準備工作的繁瑣，培養(yǎng)吃苦耐勞的品質(zhì)。其次，可開放局部實驗方案確定環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的探索精神。最后，設置開放實驗，可讓學生自主設計實驗。老師提供多個可行的實驗項目，將學生分成幾個小組，以小組的形式完成實驗。這就要求學生主動查閱相關文獻，設計實驗，通過師生之間的討論后，制訂出可行的實驗方案并予以實施，這非常有利于引導學生積極思考，激發(fā)學生探索欲望。

（四）課堂教學與課外科研工作相結(jié)合。二年級以上的本科生絕大多數(shù)都進入了不同老師的科研實驗室，而科研實驗室的開放可讓部分感興趣的同學在實驗老師和科研實驗室共同指導下自行設計實驗，學生根據(jù)科研實驗室條件和老師研究方向，查閱文獻，提出實驗設計方案，老師根據(jù)學生的知識結(jié)構，對選題和實驗設計做出篩選，確定后在科研實驗室完成這部分工作，最后做一次實驗總結(jié)報告，計入平時成績。

四、完善成績綜合評定體系

根據(jù)實驗課程的特點，應對實驗課全程跟蹤評定，包括出勤情況，課堂紀律，規(guī)范操作，實驗態(tài)度，實驗結(jié)果，實驗報告，勞動紀律，責任心等多方位對學生做出綜合評定。[4]可分為三個方面：平時成績，包括出勤率和課堂實驗態(tài)度，操作規(guī)范情況等，培養(yǎng)學生良好的實驗作風，激發(fā)學生學習的積極性;實驗結(jié)果，實驗操作能反映學生的基本實驗素養(yǎng)與動手操作能力，主要通過考察學生的實驗表現(xiàn)得到，對于一些操作性強的實驗課可當場記錄成績并計入最后的綜合考評中;實驗報告，根據(jù)學生的實驗報告來評定成績，綜合性實驗的實驗報告可以改成論文的格式，這就要求學生對實驗原理、步驟、結(jié)果以及數(shù)據(jù)等做出總結(jié)，以提高總結(jié)能力。這樣，才能達到使學生加深理解細胞生物學基本理論知識，鍛煉學生的實際動手能力，提高實驗操作技能，培養(yǎng)學生的科技創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的目的。

[ 注 釋 ]

[1] 陳媛媛，陳付學，華子儀，等.深化細胞生物學實驗教學改革，探索開放式實驗模式[J].教育教學論壇，2012（40）：60-61.

[2] 李小燕，劉江東，鄭凌，等.深化細胞生物學實驗教學改革 培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實驗技術與管理，2011（4）：116-119，142.

篇4

關鍵詞 發(fā)育生物學；實驗實踐；教改；擬南芥

中圖分類號 G642 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）10-0326-02

Research on Experimental and Practical Teaching of Development Biology Using Arabidopsis thaliana as Material

HUANG Yong CHEN Dong-hong RUAN Ying

（College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128）

Abstract To improve the teaching quality of the experiment and practices of development biology in higher agricultural institutions，firstly this paper reviewed the achievements of this course. And then，the content of experiment and practice of developmental biology were constructed used Arabidopsis thaliana as material. It was approved that the method brought more advantage to students.

Key words development biology；experimental and practical；reform；Arabidopsis thaliana

發(fā)育生物學是在傳統(tǒng)胚胎學的基礎上，隨著生化與分子生物學、細胞生物學、遺傳學等相關學科的發(fā)展和進步，形成的一門新興學科[1]。發(fā)育生物學主要研究生物個體發(fā)育過程中的原理及調(diào)控機制，具有發(fā)展迅速、更新快等特點[2]。發(fā)育生物學是本科高年級的專業(yè)基礎課、必修課。目前，國內(nèi)使用的發(fā)育生物學教材多樣化，而且還沒有適合本科生使用的實驗教材，即使有些院校開設了一些實驗，但內(nèi)容常取決于授課老師的研究方向，隨意性較大，不夠規(guī)范合理，學科和理論體系不完備[1-3]。

湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術學院發(fā)育生物學實驗面向本部及國際學院生物科學專業(yè)，但目前為止尚無實驗教材。基于已有的教學經(jīng)驗、本校及本院的研究內(nèi)容與研究優(yōu)勢，以模式植物擬南芥為材料，建立“發(fā)育生物實驗技術”體系，充分發(fā)揮實驗課的作用與優(yōu)勢，不僅達到鞏固理論知識的目的，而且盡量發(fā)揮學生學習的主動性，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生的科研能力與創(chuàng)新意識。項目已在我校2012―2014級生物科學專業(yè)學生中連續(xù)實施3屆，取得了良好的效果。

1 發(fā)育生物學實驗實踐教材

發(fā)育生物學實驗教材較少，常參考或借用動物胚胎學、解剖學、分子生物學、細胞生物學等課程的實驗指導。適用于專業(yè)科研人員的指導書主要有吳秀山主編的《現(xiàn)育生物學實驗指南》[4]。適用于本科教學的主要有林丹軍主編的《發(fā)育生物學實驗》[5]，張蕾、趙潔主編的《植物發(fā)育生物學實驗指導》[6]。前者包括動物發(fā)育模式的形態(tài)學觀察及發(fā)育機制的實驗，后者重點介紹了發(fā)育相關的分子生物學研究方法和技術，涉及植物開花、傳粉、受精、胚胎發(fā)育及植株形成等不同發(fā)育階段的細胞和分子機理。我校發(fā)育生物學實驗已經(jīng)開課3屆，但尚未有合適的教材。

2 發(fā)育生物學實驗實踐內(nèi)容教改研究

發(fā)育生物學是一門理論性與實驗并重的學科，但目前很多學校發(fā)育生物學教學普遍存在著理論教學和實驗教學相分離的問題。開設的實驗課孤立于理論教學，甚至根本不開實驗課，純粹的理論教學使發(fā)育生物學變得更加晦澀難懂[7]。發(fā)育生物學實驗具有涵蓋面廣、綜合性強，發(fā)展速度快、架構不成熟，注重實驗設計、實驗結(jié)果不確定等特點[8]。常規(guī)實驗內(nèi)容主要包括模式動物胚胎發(fā)育過程觀察、結(jié)構解剖等部分，與動物學或胚胎學部分重疊。董 巍等將實驗分為模式動物飼養(yǎng)和胚胎早期發(fā)育、發(fā)育生物學常用基本實驗技術、發(fā)育生物學研究中的經(jīng)典和綜合性實驗3個層次，設計了一系列綜合性實驗[8]。丁乃崢等將實驗內(nèi)容設計成不同的模塊，各專業(yè)根據(jù)需要選擇性進行，實驗內(nèi)容涉及基礎性、綜合性、設計性、研究性等層次[3]。李巧峽等則以花背蟾蜍為唯一材料設計了胚胎外部形態(tài)觀察、內(nèi)部結(jié)構觀察、不同處理對胚胎發(fā)育的影響及角膜誘導及免疫組化研究4個綜合性實驗，讓學生根據(jù)自己基礎知識及興趣點選擇相應的課題，自主完成實驗設計、實施及總結(jié)過程，取得了良好的效果[9]。

植物及相關學科的研究在我校具有明顯比較優(yōu)勢，農(nóng)作物相關基礎理論與應用研究在國內(nèi)處于領先地位。緊密結(jié)合科研方向、發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，構建以植物為主的發(fā)育生物學實驗技術體系具有重要意義。本課題成員的研究方向包括植物開花發(fā)育、配子發(fā)育、表觀遺傳調(diào)控、抗性與發(fā)育等多方面，在擬南芥發(fā)育生物學領域積累了大量的經(jīng)驗，取得了較好的研究成果。項目組織課題組成員共同撰寫實驗實踐教學大綱與講義、制定教學計劃、組織實施、課程考核，建立并完善課程體系。主要實驗內(nèi)容包括擬南芥野生型及突變體表型觀察及數(shù)據(jù)統(tǒng)計；擬南芥配子發(fā)育的細胞學觀察；載體構建及擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化、篩選等。設計驗證性試驗2～4個，如擬南芥野生型及sdg8突變體表型觀察；綜合性實驗7～10個，如擬南芥野生型及sdg2突變體雄配子體發(fā)育過程觀察。

3 發(fā)育生物學實驗實踐實施方案教改研究

發(fā)育生物學實驗技術實施方式與其他生物學科實驗技術類似，每次實驗常集中在2個或4個學時內(nèi)進行，內(nèi)容多為驗證性。賈偉章等利用不同的模式生物開展實驗教學，開設了海膽、文昌魚、斑馬魚、蛙等相關實驗教學內(nèi)容，開設綜合性實驗，采用班級和分組教學的形式[10]。將教學實驗與科研實驗相結(jié)合是提高教學與科研水平的重要方式。如丁乃崢等在開放實驗室的基礎上，利用模塊教學實現(xiàn)了從基礎性實驗到研究性實驗的教學模式[3]。董 巍等在分層次實驗基礎上，與相關的課題組合作，將科研內(nèi)容充實到實驗教學中，實現(xiàn)將科研實驗向教學實驗的內(nèi)向轉(zhuǎn)化。同時在導師的指導下，讓學生承擔部分科研任務，實現(xiàn)探索性教學實驗向科研的外向轉(zhuǎn)化[8]。

傳統(tǒng)的發(fā)育生物學實驗多以大班方式進行，僅有少數(shù)學生有機會動手，效果有限。本校目前生物科學專業(yè)20～28人/班，人數(shù)相對較少，將學生進行課題分組，設置開放實驗室。發(fā)育生物學實驗周期長，但每次實驗不全需要4課時。項目將嘗試向本科學生開放實驗室，在完成既定任務的基礎上，學生可以自主安排其余時間。目前已有3個課題組在本實驗室開展實驗，并在《植物生理學報》上發(fā)表了論文[11]。

4 考核體系的改革

實驗課程傳統(tǒng)的考核體系存在考核內(nèi)容局限性大、評價方式單一等問題[12]。針對之前設計的課題，以小組形式考核。成績由3個部分構成：科研課題進展（50%）+研究報告/論文撰寫（30%）+PPT/Poster匯報（20%）。鼓勵學生發(fā)表科研論文。

5 結(jié)語

生物學實驗教學是生物學教育中重要的教學環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學生實踐和分析能力的必要手段[13]。發(fā)育生物學是當今生命科學領域中發(fā)展最快的前沿學科之一，是現(xiàn)代生物學的帶頭學科[14]。建立健全適合我校現(xiàn)狀的發(fā)育生物學實驗技術體系，對于我校生物科學專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義[15]。

6 參考文獻

[1] 張紅衛(wèi).發(fā)育生物學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 彭樹英，李俊，金顯文.對發(fā)育生物學教學模式的探討[J].安徽農(nóng)業(yè)通報，2009，15（2）：199-200.

[3] 丁乃崢，李善妮.淺論融會發(fā)育生物學知識的人體解剖生理學教學[J].生物學雜志，2011，28（1）：103-105.

[4] 吳秀山.現(xiàn)育生物學實驗指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[5] 林丹軍.發(fā)育生物學實驗[M].北京：科學出版社，2011.

[6] 張蕾，趙潔.植物發(fā)育生物學實驗指導[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[7] 周景明，祁艷華，王愛萍.生物技術專業(yè)發(fā)育生物學教學改革與研究[J].洛陽師范學院學報，2012，31（8）：66-68.

[8] 董巍，張媛，樊啟昶，等.改革創(chuàng)新發(fā)育生物學實驗教學的實踐與思考[J].高校生物學教學研究（電子版），2014，4（1）：46-50.

[9] 李巧峽，李保中.以花背蟾蜍為材料進行發(fā)育生物學綜合性實驗的設計[J].四川動物，2010，29（5）：638-639.

[10] 賈偉章，余雪松，李浩明.淺談對發(fā)育生物學教學內(nèi)容與課程體系的認識[J].科教文匯，2013（9）：69-70.

[11] 易吉明，黃婷，黃勇，等.小立碗蘚MADS-box基因家族的系統(tǒng)進化分析[J].植物生理學報，2015，51（2）：197-206.

[12] 彭安，向本瓊，張根發(fā)，等.大學生物開放性和設計性實驗教學探討[J].中國大學教學，2007（3）：55-57.

[13] 喬守怡.生物類實驗教材改革的思考與展望[J].生命世界，2009（5）：26-27.

篇5

[關鍵詞]脊髓損傷；細胞移植；治療

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷，之前的治療方法主要是局限于藥物和物理治療來改善運動功能缺陷，人們先后試用了手術吻合、手術減壓、神經(jīng)移植、大網(wǎng)膜移植、藥物治療、局部冷凍、物理康復、以及應用酶制劑來抑制和消除結(jié)締組織瘢痕等多種方法治療脊髓損傷，近年來的實驗研究著眼于干細胞移植來逆轉(zhuǎn)不利于SCI軸突功能恢復的病理過程，從而減少脊髓功能喪失并促進其功能恢復。

脊髓損傷修復的常用移植細胞

1骨髓基質(zhì)細胞（marrow stromal cells，MSCs）

MSCs的干細胞相似特點和多方向分化潛能在最近幾年引起了人們的注意。MSCs的優(yōu)點在于屬于自體同源移植，容易獲得和培養(yǎng)，通過髓內(nèi)或靜脈導入方法簡單，移植途徑有：（1）直接受損脊髓多靶點注射；（2）腰穿椎管內(nèi)植入：將擴增的BMSCs移植于蛛網(wǎng)膜下腔，使之隨腦脊液到達病變部位；（3）靜脈移植：開放血腦屏障，將擴增的BMSCs靜脈輸入，使之通過血腦屏障到達病變部位。MSCs能夠轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)，骨髓間充質(zhì)干細胞可作為填充物填補損傷部位，定向再生為神經(jīng)細胞錨靠周圍組織完成上行下傳功能的重建，移植時創(chuàng)造抑制膠質(zhì)細胞再生、保護神經(jīng)細胞胞體存活、促進自體神經(jīng)細胞再生的微環(huán)境。但是需要克服細胞融合、轉(zhuǎn)分化神經(jīng)細胞形態(tài)屬性缺失的問題。最近通過Luo Jian-dal大量的文獻調(diào)研顯示MSCs對運動性脊髓損傷的治療有較好的效果。MSCs及其分化的神經(jīng)膠質(zhì)細胞含有促進神經(jīng)再生的營養(yǎng)因子及其受體，有助于損傷的腦和脊髓組織的修復，抑制不利于神經(jīng)再生的瘢痕形成。Wu等[1]發(fā)現(xiàn)，將MSCs植入損傷的大鼠脊髓內(nèi)，通過增強組織修復可促進損傷脊髓的再生，同時與對照組相比空腔明顯縮小。雖然移植后MSCs的數(shù)量逐漸減少，但不少治療組動物仍顯示明顯的功能恢復。

2神經(jīng)干細胞（neural stemcells，NSCs）

根據(jù)LiWe等[2]的研究顯示，神經(jīng)干細胞在脊髓損傷的修復中具有重要作用，而神經(jīng)干細胞是干細胞的一種，干細胞是指同時兼具自我更新能力和產(chǎn)生分化細胞能力的一類細胞，這類細胞可經(jīng)培養(yǎng)進行不定期分化并產(chǎn)生特化細胞。依據(jù)分化潛能的大小，可將干細胞分為三種類型：一是全能干細胞，此類細胞具有分化為完整個體的能力，如胚胎干細胞（ES）；二是多能干細胞，這類細胞具有分化為多種細胞組織的潛能，但不具備發(fā)育為完整個體的能力，如骨髓間充質(zhì)干細胞；三是單能干細胞（也稱專能干細胞），這類干細胞只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化，如神經(jīng)干細胞。

NSCs是一種未分化、多潛能、具有自我更新能力的細胞。目前已經(jīng)可以分離和體外培養(yǎng)NSCs使之分化為各種神經(jīng)細胞。有研究從鼠脊髓內(nèi)取出未成熟細胞經(jīng)培養(yǎng)后，移植到脊髓損傷大鼠斷裂的脊髓中，結(jié)果癱瘓鼠在2周后均能活動，有些甚至恢復了站立和行走能力，這一研究成果引起人們對神經(jīng)干細胞移植治療脊髓損傷的廣泛興趣。

最近，有人開始研究應用基因修飾的神經(jīng)干細胞移植治療SCI，并且在動物實驗中取得了良好的效果。基因修飾的NSCs不僅具有替代損失死亡的神經(jīng)元的作用，而且還可以大量分泌各種神經(jīng)營養(yǎng)因子以促進神經(jīng)元的存活及軸突的再生。Blesch等應用神經(jīng)營養(yǎng)因子NT23基因修飾神經(jīng)干細胞，移植入大鼠C3損傷SCI動物模型中，2周后發(fā)現(xiàn)相對于未修飾的神經(jīng)干細胞移植組，NT23基因修飾組可見高水平的NGF及BDNF的分泌，以及有大量的感覺神經(jīng)投射形成，并且60%分化為神經(jīng)元，3%分化為膠質(zhì)細胞。當前，定向分化誘導是NSCs應用于臨床的一個關鍵問題。現(xiàn)在體外或體內(nèi)對干細胞的定向誘導分化還沒有得到很好解決，細胞異質(zhì)性很高，分化程度不一，不能保證植入的NSCs按預想的途徑分化，影響了移植的效果。另外，NSC移植治療SCI需克服一個特殊的問題，即脊髓的神經(jīng)元有著較長的突起，植入的NSCs能否參與并形成功能性的神經(jīng)回路都尚待研究。

綜上所述，干細胞移植治療SCI有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ枰肿由飳W、細胞生物學、組織工程學及神經(jīng)生物學等多學科的密切配合和基礎研究的不斷深入。目前，隨著神經(jīng)科學的飛速發(fā)展，尤其是在細胞和分子水平上對SCI后繼發(fā)性損傷的病理機制研究的不斷深入，今后的研究方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€方面：①由于單一細胞移植效果各有利弊，我們應該考慮聯(lián)合移植幾種細胞，或?qū)⒓毎浦才c其它方法聯(lián)合應用。②通過轉(zhuǎn)基因技術使移植細胞具有更多更有用的功能，加快NSC的定向誘導，分化及增殖的基因調(diào)控機制的研究，使之能盡快應用于臨床。③設計良好的組織工程支架材料，使之具有更有利于移植細胞的搭載和再生軸突的定向生長的生物性能。相信不久的將來，細胞移植會在SCI的治療中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

篇6

1光鑷基本原理

光是一種電磁波,在與物質(zhì)相互作用時不僅會發(fā)生能量的傳遞,也會發(fā)生動量的傳遞,也就是說光會對該物質(zhì)施加一定的力,即產(chǎn)生光的力學效應。1970年,A.Ashkin首次提出光輻射壓力(光壓)可以操縱微小微粒[14]。1986年,A.Ashkin和Chu等實驗發(fā)現(xiàn),只需要一束高度聚集的激光,就可形成穩(wěn)定的三維光學勢阱以穩(wěn)定俘獲微粒[15],由于只使用了一束激光,所以稱之為單光束梯度力光阱,簡稱光鑷。光鑷是基于光的輻射力建立的。如圖2所示,在折射率為n2的介質(zhì)中存在一個折射率為n1的微粒(n1>n2),當一束帶有動量P1的激光穿過該微粒時,經(jīng)兩次折射后,激光的動量變?yōu)镻2。根據(jù)動量守恒定律,微粒將產(chǎn)生與激光的動量變化大小相等、方向相反的動量,即Δp。由動量與沖量的關系和牛頓第二定律可知,微粒會受到一等于動量變化率的作用力,因此,當我們采用高數(shù)值孔徑(NA>1)[15]的物鏡將激光聚焦到一個焦點f(捕獲中心)時,不論微粒上、下、左、右、前、后偏離激光焦點f,微粒都會受到一個指向焦點的作用力。這個焦點就如同一個“陷阱”可以捕獲該微粒,因此在光鑷實驗中,我們通過調(diào)節(jié)激光的位置就可以像一把無形的“鑷子”達到操控微粒的目的。同時,微粒偏離捕獲中心的距離和其受到的回復力成正比[16],這決定了光鑷對微粒的操控不是剛性的,而是類似于“彈簧”,并符合胡克定律F=–kΔx。其中,F是拉力,k是光鑷的剛度系數(shù)(stiffness),Δx是微粒偏離激光中心的位移。通過微粒產(chǎn)生位移和激光的剛度系數(shù)即可計算出拉力F。因此,在操作過程中,我們可以通過實時測量微粒的位移得到微粒間的相互作用力,從而得到與微粒相連的生物分子上所受的作用力。

2光鑷實驗設計

光鑷技術的實驗環(huán)境一般為接近于生理環(huán)境的水溶液,可減少對樣品的損傷,同時實現(xiàn)在生物分子具有生理活性的條件下實時監(jiān)測分子動態(tài)行為的目的。此外,如何對樣品進行處理是光鑷實驗設計中的另一個關鍵問題。由于生物分子,例如DNA、蛋白質(zhì)等,往往在幾納米到幾十納米之間,光鑷的剛度一般不能穩(wěn)定地捕獲和操控生物分子,因此需要借助一個表面修飾的微米量級的小球(微球)作為“手柄”,將生物樣品通過化學偶聯(lián)黏附在微球上,通過直接操控微球達到間接操控生物分子的目的[17]。生物大分子尤其是蛋白分子,通常尺寸較小,因此會在生物分子的一端或兩端通過化學方法交聯(lián)上一段或兩段DNAHandle[18],使得生物分子兩側(cè)的微球間有足夠的空間距離,方便對單個生物分子進行力的測量并且減少微球間不必要的相互作用;選用的DNAHandle分子長度一般大于500bp[8]。圖2是雙光鑷技術研究生物樣品的經(jīng)典單分子實驗體系[19]示意圖(以DNAHairpin為例),兩個聚苯乙烯小球表面分別免疫修飾了Streptavidin和anti-Digoxigenin,DNAHairpin一端被標記biotin與Streptavidin修飾的微球相連,另一端則通過巰基與DNAHandle共價交聯(lián);DNAHandle則通過Digoxigenin與修飾anti-Digoxi-genin的微球相連。因此,當我們利用兩束激光分別捕獲兩個微球時,就可以對微球間的conjugates進行操作,通過移動光阱的位置,微球間的距離和力都會發(fā)生改變,我們通過測量這些數(shù)據(jù)就可以得到相關的動力學信息。

3光鑷技術在生命科學中的應用

近年來,基于光鑷技術的應用研究,證實了該技術獨到的應用價值。光鑷的應用基本分為四類,即光鑷與細胞生物學、光鑷與單分子生物學、光鑷與軟物質(zhì)膠體科學和光鑷與物理學四個領域。在這些領域中,科學家們利用光鑷技術解決了許多重要的科學問題。結(jié)合我們實驗室的研究方向,我們將主要對光鑷在單分子生物學的應用加以介紹。光鑷亞納米級的空間分辨率和飛牛頓的力分辨率使其在研究一些生物大分子(如DNA/RNA雙鏈特性[20-22]、分子馬達的分子機制和生物學功能[17,23-24]、蛋白質(zhì)折疊[25-27]以及染色質(zhì)重塑[28]等)的動態(tài)運動細節(jié)(中間態(tài)、能量、折疊速率、作用力、距離等)方面成為一項不可或缺的單分子技術,并展示出巨大的發(fā)展前景。以下我們將對一些代表性的研究成果進行簡要介紹。

3.1研究DNA力學性質(zhì)

現(xiàn)代生物學中一個最基本的生物學定律就是中心法則:即遺傳信息可由DNA流向DNA,完成DNA的自我復制過程;也可由DNA流向RNA再進一步流向蛋白質(zhì),完成轉(zhuǎn)錄翻譯過程。這是構成現(xiàn)代生物學的理論基石,因此,DNA、RNA與蛋白質(zhì)的特性以及它們之間的相互作用無疑是整個生物學研究的核心。Bustamante等[29]首先利用單分子磁鑷技術操縱長約16μm的dsDNA分子,測量了DNA的拉伸特性:在0.1~10pN范圍內(nèi),DNA的拉伸行為符合蠕蟲鏈模型(worm-likechain,WLC),持久長度為50nm;而當力增加到65pN時,DNA的結(jié)構由B型變成S型[30-31];人們用同樣的方法研究了ssDNA的力學性質(zhì),發(fā)現(xiàn)與dsDNA的拉伸曲線截然不同,ssDNA的持久長度僅有1nm。基于這些實驗結(jié)論,科學家們就可以通過研究蛋白質(zhì)對DNA拉伸特性的改變來研究DNA相關蛋白(如RNA聚合酶、核糖體、DNA異位酶等)的工作機制。細胞分裂時,DNA會發(fā)生凝縮形成高度聚集結(jié)構以維持遺傳信息的穩(wěn)定性。之前人們對DNA如何形成核小體結(jié)構已經(jīng)有了一定的認識,但是對更高級的染色體結(jié)構形成缺乏了解。Case等[32]利用光鑷技術將參與高級染色體結(jié)構形成的凝聚蛋白MuK-BEF作為研究對象解析了這一動態(tài)凝聚過程。Case等發(fā)現(xiàn),與nakedDNA的力–延伸曲線(force-extensioncurve,FEC)相比,MuKBEF-DNA復合體表現(xiàn)出更大變化率的力–延伸曲線(FEC),并且當拉力達到17pN時,MuKBEF-DNA復合體會經(jīng)歷一個鋸齒狀振蕩的平坦曲線,說明MuKBEF-DNA復合體經(jīng)歷了個別凝聚事件(MuKBEF結(jié)合到DNA上時利用“夾子”這種張合的方式來凝聚DNA)。而當力被撤回時,MuKBEF-DNA復合體重新回到原始的凝聚態(tài),Case等根據(jù)這一現(xiàn)象提出了MuKBEF復合物凝縮DNA的“夾子”模型,這一研究為DNA凝縮機制的研究提供了重要的科學依據(jù)。

3.2研究分子馬達的運動機制

生物機體的一切活動,從DNA的復制和轉(zhuǎn)錄、細胞分裂、肌肉收縮到細胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運,最終都歸結(jié)為分子馬達做功的結(jié)果。分子馬達通過運動可以快速高效地將化學能轉(zhuǎn)化為動能,執(zhí)行各種生物功能,因此,分子馬達的動力學機制成為研究者們關注的焦點。科學家利用光鑷觀察了分子馬達運動過程,發(fā)現(xiàn)分子馬達是以步進形式運動的,并測量了蛋白的運動步長,證明了單個驅(qū)動分子的力和運動速度與ATP濃度相關[17,23,33-34]。這些研究使得光鑷成為研究單酶動力學的重要手段,促使科學家利用光鑷技術研究表觀遺傳調(diào)控機制,尤其是ATP依賴的染色體重塑復合物的運動機制[35]。基因組DNA通常以染色質(zhì)的形式存在于細胞中,以維持遺傳信息的穩(wěn)定性。然而很多細胞生命活動(比如基因轉(zhuǎn)錄、DNA復制、DNA修復、DNA重組等)的正常進行都需要不同的DNA結(jié)合蛋白或者反式作用因子結(jié)合到特定的DNA區(qū)域(如啟動子、增強子等順式作用元件),進而發(fā)揮功能,因此需要染色質(zhì)重塑蛋白復合物移動、驅(qū)逐和重組核小體使得染色質(zhì)DNA從核小體上暴露出來。目前,光鑷研究染色體重塑復合物的工作已經(jīng)取得了一定的進展。Bustamante實驗室利用光鑷成功操作單個核小體并研究核小體動態(tài)行為,發(fā)現(xiàn)在2~3pN的力作用下,核小體上DNA與組蛋白八聚體的相互作用會被打破,而內(nèi)部DNA與組蛋白的相互作用被打破則需要20pN以上的力[36]。Zhang等[37]則利用光鑷在核小體水平實時監(jiān)測了RSC復合物的作用,測定了RSC轉(zhuǎn)移速率等動力學參數(shù),證實了RSC是依賴核小體的轉(zhuǎn)移酶。Hall等[38]發(fā)現(xiàn),核小體中DNA-組蛋白相互作用并不是均勻的,在空間上存在約5bp的周期,有3個強的作用區(qū)域,其中dyad區(qū)域的作用最強,另兩個較強的作用區(qū)域在離dyad約±40bp處,而核小體的進出端的相互作用較弱,這些強弱不同的相互作用形成了不同的能壘。這些能壘可能對染色體重塑復合物有著重要的影響,因為染色體重塑時可能需要克服核小體上的能壘,這些參數(shù)為以后染色體重塑復合物具體工作機制的研究提供了很好的參考。

3.3研究蛋白質(zhì)折疊的動力學機制

光鑷在單分子生物學的另一個重要應用就是研究蛋白質(zhì)折疊的動力學過程。在蛋白質(zhì)折疊研究中,人們往往最關心的問題就是一維的氨基酸序列以何種方式折疊而變成穩(wěn)定的有功能的三維結(jié)構的。眾所周知,蛋白質(zhì)的折疊態(tài)、去折疊態(tài)及錯誤折疊態(tài)在生物體系中都同時存在。這些態(tài)與態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換和生物體系的功能直接相關,同時也和疾病的形成有著密切的關系[8]。盡管人們已經(jīng)利用各種傳統(tǒng)的生物化學方法對蛋白質(zhì)反折疊過程進行了幾十年的深入研究,但對蛋白質(zhì)折疊過程中的具體動力學細節(jié)仍知之甚少。光鑷技術可以對操控單個蛋白分子并實施觀測整個折疊和去折疊的動力學過程,因此被越來越多地應用到研究生物物理的精細過程研究。最近,Gao等[26]利用雙光鑷技術對突觸SNARE蛋白的組裝機制進行了深入研究。在神經(jīng)細胞分泌過程中,SNARE蛋白介導突觸小泡與突觸前膜的融合。SNARE蛋白包括定位在靶細胞膜上的t-SNARE(syntaxin和SNAP-25)和囊泡膜上的v-SNARE,只有當t-SNARE和v-SNARE通過組裝形成“拉鏈式”復合物時才能驅(qū)動膜融合。盡管過去的二十年已經(jīng)做了大量研究,但是“拉鏈式”假說、裝配中間體、動力學和能量仍然不明。Gao等通過實時觀測單個SNARE復合體的組裝/去組裝過程,發(fā)現(xiàn)了SNARE復合體的“拉鏈式”結(jié)構和關鍵的“半拉鏈式”裝配中間體(t-SNARE和v-SNARE部分折疊到“離子層”),提出了一種效率高的“拉鏈式”組裝模型,即:SNARE復合體N末端的“拉鏈式”組裝是緩慢的,從而SNARE裝配中間體可以充當調(diào)節(jié)蛋白(如Munc18和Complexin)的結(jié)合平臺,然后在調(diào)節(jié)模式下,進一步穩(wěn)定地裝配中間體快速及強有力地進行“拉鏈式”組裝直到C末端,最終在跨膜區(qū)驅(qū)動膜融合。此外,Zhang實驗室還研究了SNARE突變體、Munc18和Complexin對SNARE組裝/去組裝動力學過程的影響[39]。該研究成果從分子水平上加深了人們對神經(jīng)分泌過程中SNARE蛋白復合體驅(qū)動融合機制的深入了解,同時為我們探索更多疾病相關性蛋白的動力學機制提供了很好的模式基礎,相信我們可以通過光鑷技術從生物物理層面解釋某些蛋白與疾病形成的關聯(lián),為開發(fā)抗癌藥物提供更精確的結(jié)構水平的信息。

4光鑷與其他技術相結(jié)合

以上關于光鑷技術應用在生命科學領域的研究僅僅是冰山一角,但已經(jīng)向我們展示了光鑷在單分子水平研究生物大分子動力學的優(yōu)越性,它的應用極大地推動了生命科學尤其是生物物理學的發(fā)展,加速了人們從單分子水平解析DNA、蛋白質(zhì)以及各種酶反應的動力學過程。然而每項實驗技術都有其一定的局限性,這就需要相關技術手段結(jié)合,克服彼此的劣勢,達到最理想的功效。光鑷也常常與其他光學技術相結(jié)合,成為性能更優(yōu)越的技術手段。

4.1光鑷與smFRET技術結(jié)合

生物大分子尤其是蛋白質(zhì)往往是三維結(jié)構,但目前光鑷僅能在一維空間研究它們結(jié)構動力學(沿光阱移動方向),存在一定的局限性。例如,馬達蛋白沿底物移動時會經(jīng)歷復雜的分子內(nèi)構象改變,超高分辨率光鑷僅能研究馬達蛋白沿底物移動的步長等動力學信息,而無法獲知蛋白的具體構象變化過程。smFRET技術即單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移檢測技術,則可通過給生物分子的不同結(jié)構域,或者相互作用的分子,比如受體與配體上分別標記donor和acceptor的染料分子,實時地觀測分子構象的變化過程,但其空間分辨率不高。因此,為實現(xiàn)在亞納米級的空間尺度上研究生物分子構象變化的目的,科學家們采用交錯分時的方法(interlacingandtimesharingmethod)將smFRET與光鑷技術相結(jié)合,并利用ssDNA與其互補序列的雜交過程證明了該方法的可行性[40]。相信隨著這種整合儀器設備的進一步完善,科學工作者將會通過熒光信號和成像技術在單分子、亞納米級空間尺度上多角度監(jiān)測生物分子的構象改變,尤其是一些蛋白復合物和大分子機器,得到更多的動力學信息。

4.2光鑷與拉曼光譜結(jié)合

當一束單色光通過振動的分子時會發(fā)生非彈性散射,入射光的能量變化與分子內(nèi)部分子鍵(molecularbond)的振動能量相一致,收集分子對入射光的拉曼散射光譜,就可以判斷分子的生物化學組成[41]。傳統(tǒng)共聚焦顯微拉曼光譜的后向散射橫切面很小,散射強度十分微弱,因此所得到的拉曼信號很弱,同時拉曼光譜探測技術通常使用化學修飾將研究對象固定在機制上,這種配置非常不利于生物分子維持其天然的生理狀態(tài),也不利于背景噪聲的去除。而結(jié)合光鑷技術的激光光鑷拉曼光譜系統(tǒng)(lasertweezersRamanspectroscopy,LTRS)則可以利用激光形成的光阱捕獲生物分子,實現(xiàn)在溶液中將其固定并同時得到光譜信號的目的,保證了生物分子天然的微環(huán)境,大大提升了光譜的信噪比[41]。近年來,激光光鑷拉曼光譜系統(tǒng)已廣泛應用于不同細胞類型的分選[42]、細菌孢子[43]、囊泡等研究。不同于熒光技術,拉曼光譜的非彈性散射使其避開了光學漂白,可以實現(xiàn)實時、連續(xù)監(jiān)測單細胞的動態(tài)過程。Moritz等[44-45]利用激光光鑷拉曼光譜控制單個大腸桿菌細胞,研究其對抗菌藥物的敏感性。首先在無藥狀態(tài)下測定大腸桿菌在生長周期的不同階段與DNA、RNA及蛋白質(zhì)相關的不同拉曼振動譜帶,然后在加藥(盤尼西林/鏈霉素、頭孢唑林)狀態(tài)下測定729cm–1、1245cm–1和1660cm–1的光譜譜帶并與無藥狀態(tài)下的拉曼光譜相比較,發(fā)現(xiàn)大腸桿菌對頭孢唑林更加敏感。激光光鑷拉曼技術無需樣品預處理,對樣品無損害,是臨床研究一個很好的切入點,相信隨著該技術的進一步發(fā)展,其在細胞分選、癌細胞檢測及細胞動力學單細胞水平研究上會越來越有發(fā)展空間。

5發(fā)展前景及展望

篇7

摘要：為探討基于團隊的學習模式TBL教學法在醫(yī)學生物學實驗課程中的具體教學模式、評價體系及存在的問題與對策，選擇南華大學船山學院2014級四年制預防醫(yī)學專業(yè)學生為研究對象，采用分組方法，將班級分為若干個團隊，然后以團隊為基礎共同學習和完成病案分析的討論式教學方法，為高等學校醫(yī)學生物學實驗課程教學研究和其他醫(yī)學課程教學研究提供重要參考依據(jù)。

關鍵詞：醫(yī)學生物學；實驗教學方法；TBL教學模式

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0173-02

醫(yī)學生物學實驗課程是一門以生命科學問題為導向，以研究內(nèi)容為主線，學習如何通過科學實驗方法來研究細胞正常結(jié)構和功能，以及細胞結(jié)構組成變化相關的與疾病發(fā)生機制的一門與臨床醫(yī)學有關的獨立性實踐課程[1]，是基礎醫(yī)學與臨床醫(yī)學之間的橋梁學科。在教學中，通過專業(yè)理論學習與適當?shù)膶嶒瀸嵺`，使學生初步理解醫(yī)學生物學的基本原理，熟悉醫(yī)學生物學的應用范圍，了解細胞化學成分等相關實驗的實驗方法，并初步認識醫(yī)學生物學在實驗工作中所起的重要作用。雖然傳統(tǒng)的教學模式是按照人的身心發(fā)展這種特殊需要而組織起來的環(huán)境。這個環(huán)境成為其自覺影響，作用于學生的身心發(fā)展，確保教師教育影響的主導性，但學生感受到的只是一種被動地學習，忽視了學生的主觀能動性[2]，也越來越難以滿足現(xiàn)代醫(yī)學人才培養(yǎng)的需要。然而，基于團隊學習（team-based learning，TBL）教學模式是以學生為主體的一種以團隊為基礎的學習模式。強調(diào)團隊協(xié)作精神，注重提高學生自主分析和解決問題的能力。目前，我國TBL教學已被廣泛應用[3-6]，在醫(yī)藥院校也取得成功[7-9]，但在醫(yī)學生物學實驗教學中應用甚少。因此，將TBL教學模式引入醫(yī)學生物學實驗課，初步取得較好的效果。

一、TBL教學法實施

1.學生分組。選擇南華大學船山學院2014級四年制預防醫(yī)學專業(yè)學生，共有6個班，每班24人，根據(jù)隨機分配的原則，每班分為4組，每組6人，每組選出一名綜合能力都較強的學生擔任小組長，其他成員積極配合完成相應的任務。

2.布置課前學習任務。提前布置學習任務，讓學生通過自主學習，讓學生結(jié)合教材、參考資料、實驗指導、圖書館數(shù)據(jù)庫等多種渠道，主動學習并掌握正常細胞包括分裂的前、中、后、末各期的有絲分裂特征。同時，通知學生將在上課時進行個人考核與實驗結(jié)束后以小組為單位進行討論。

3.課前檢測。圍繞學生實驗課前的學習內(nèi)容進行考核，以便了解學生對知識的掌握情況，從而保證實驗順利進行。

4.實驗開展。根據(jù)實驗教學大綱、實習指導以及教師實驗前的講授，由小組長安排實驗的開展，描述細胞分裂的前、中、后、末各期的有絲分裂特征，探討各期特征的不同之處，并做好筆記。教師作為旁聽者，指出實驗中存在的問題并給予指導。由小組長與組員之間的協(xié)作，培養(yǎng)學生互助互作的團隊協(xié)作能力。

5.歸納總結(jié)。實驗結(jié)束后，每個實驗小組對實驗觀測特征進行總結(jié)，每個小組成員闡述各自觀點。最終，由小組共同總結(jié)出一個一致的結(jié)論進行匯報。加入討論組的結(jié)論不一致，由帶教老師進行引導并做出解釋。

6.實驗效果評價。通過探討細胞分裂的前、中、后、末各期的有絲分裂特征顯示，通過團隊合作討論學習，學生對有絲分裂特征的掌握效果好。因此，值得高等學校醫(yī)學生物學實驗課程教學研究和其他醫(yī)學實驗課程教學研究借鑒。

二、TBL教學法評價

1.TBL教學法的優(yōu)缺點。優(yōu)點：對于學生而言，促進綜合、評鑒、創(chuàng)造等高層次思考；改變了學生的學習觀，激發(fā)主動學習熱情；培養(yǎng)團隊合作的素養(yǎng)與技巧。對于教師而言，不但能兼顧應試教育與素質(zhì)教育的需求，而且較容易由教室中心轉(zhuǎn)向?qū)W生中心以及各種程度的學生都能獲益。缺點：課前預習、查閱文獻資料要占用學生大量時間，學生學習負擔比傳統(tǒng)學習方法重，有的學生可能不愿意去做甚至容易出現(xiàn)抵觸情緒；對知識點的掌握不夠扎實甚至容易遺漏，學到的知識不夠系統(tǒng)，體系不夠清晰。

2.與傳統(tǒng)教學法的比較。絕大多數(shù)學生更熱衷于基于團隊學習的TBL教學模式。傳統(tǒng)教學法是以知識的傳授為中心，過分強調(diào)了教師的作用，扼制了學生的個性和創(chuàng)造性，忽視了學生的主動性與潛能的發(fā)揮。然而，TBL教學法則突出了學生中心地位，有利于發(fā)揮學生的主觀能動性。不僅僅提升了學生的學習興趣，提高了學習效率，而且對于學生集體協(xié)作能力與團隊合作精神的培養(yǎng)具有促進作用。TBL教學法通過課堂討論，互動增強，氣氛活躍，學生的語言和溝通能力得到很大的提高。與此同時，學生在主動學習和討論中，難免會遇到各種各樣不能解決的問題，通過提問促進教師學習和提高。通過教學，教師也可從學生的討論中得到某些啟示，真正做到教學相長[10]。

三、存在的問題與對策

1.建立完善的教學效果評價體系。參與TBL教學法的學生能夠積極主動做好課前預習，查閱文獻，并與小組成員以共同探討的方式解決課內(nèi)的大部分問題，與傳統(tǒng)授課組相比較學生問老師的次數(shù)明顯減少，課堂上W生的精神面貌也煥然一新，見不到打瞌睡、玩手機和閑聊的同學。學生的學習積極性、與小組成員的關系以及與老師的交流均明顯好于傳統(tǒng)授課組，但是考試成績與傳統(tǒng)授課組之間無明顯差別。推測可能是與目前主要評價體系還是以考試成績來評價有關，然而，TBL模式的核心目標要培養(yǎng)的是學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，并非僅僅是獲取已有的知識，如果只按考試成績來評價效果，顯然與TBL培養(yǎng)目標相背離。

2.系統(tǒng)規(guī)劃專業(yè)課程的教學模式。目前學生的專業(yè)課程大多數(shù)都是傳統(tǒng)的教學模式為主，這就導致學生大部分的時間被傳統(tǒng)模式的教學學科所占據(jù)。如果只有醫(yī)學生物學實驗這一門課程采用TBL模式，學生缺乏足夠進行自主學習的自由時間，TBL的效果將會受到極大的影響。

四、結(jié)語

從適應醫(yī)學生物學實驗教學的實際需要出發(fā)，將醫(yī)學生物學實驗教學內(nèi)容與基于團隊的學習模式（TBL）教學法結(jié)合起來，通過TBL教學法在醫(yī)學生物學實驗教學過程中的應用研究，探討TBL教學法在醫(yī)學生物學實驗課程中的具體教學模式、教學方法和評價體系，將為高等學校醫(yī)學生物學實驗課程教學研究和其他醫(yī)學課程教學研究提供重要參考依據(jù)。

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基金項目：2016年南A大學船山學院高等教育研究與改革立項重點項目（2016CZ002）

篇8

生命科學的許多學科內(nèi)容存在交叉,導致了不同課程的實驗內(nèi)容也存在不同程度重復,就有可能造成學生在不同課程的實驗課做相同的實驗。因此,在制定教學大綱之前,需要注意不同課程教師之間的溝通和交流,避免相同的實驗在不同課程之間重復做的現(xiàn)象。例如,DNA提取實驗,在生物化學、遺傳學、分子生物學等課程的實驗中都有可能開設,如果在制定教學大綱之前,相關學科的教師之間沒有交流和溝通的話,就可能在這三門課程的實驗中都開設DNA提取實驗。這樣,不但不利于學生學習獲得掌握更多實驗技能的機會,而且會造成實驗時間、資源和經(jīng)費的浪費。在實驗設置上,要適當增加一些設計性和綜合性實驗,使得一個實驗中可以用到多門課程中的實驗技術,這樣就可以使得學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得以提高。為了進一步提高學生的創(chuàng)新能力,除了上課規(guī)定的實驗內(nèi)容外,還可以讓學生多參加一些科研活動,如大學生創(chuàng)新課題、教師的科學研究等,學生可以向指導教師請教,由指導教師給予進一步的指導。通過學生積極主動地參與,就可以進一步激發(fā)學生的學習興趣,更為牢固地掌握相關實驗技能,提高其動手能力和創(chuàng)新能力。

2改革實踐教學手段

傳統(tǒng)教學所采用的教學方法通常是教師把實驗原理和方法一講,然后學生依據(jù)實驗步驟操作。因為許多實驗儀器、用品、藥品學生都是首次接觸,對其操作方法、注意事項以及實驗中會出現(xiàn)的問題等會注意不到。最終,就會導致實驗結(jié)果不理想,甚至實驗失敗。計算機技術的普及使得多媒體教學成為本科理論教學中常用的教學手段,但在實驗教學中應用還較少。生物技術專業(yè)的許多實驗,如,細胞生物學、生物化學、分子生物學、基因工程等課程的實驗,都是在分子水平進行的,實驗中的一些現(xiàn)象學生很難用肉眼觀察到,造成學生對實驗原理的理解困難和實驗操作的困難。如果利用多媒體來對相關實驗內(nèi)容和操作進行演示,上述困難就能迎刃而解。如,分子生物學實驗中的瓊脂糖凝膠電泳技術,在原理部分,教師雖然講到通過溶解瓊脂糖再降溫使得瓊脂糖凝固,就能形成具有一定網(wǎng)孔的凝膠,不同分子量的DNA通過凝膠后就可以按照分子量的不同而分離。但是學生在理解的時候還是有一定的困難,通過多媒體動畫,學生就可以直觀地看到凝膠形成的過程以及不同分子量的DNA在凝膠中泳動的情況,進而牢固掌握實驗原理。另外在加樣的技術環(huán)節(jié),教師雖然可以親身示范,但是由于每堂課的學生較多和時間限制,教師不可能對學生進行一一的示范,這樣學生在加樣時就很難掌握正確的加樣方法。而通過多媒體錄像,學生可以清晰地看到加樣過程,以及各種錯誤操作可能造成的后果,進而在實驗操作中就能夠進行正確的操作,避免錯誤的操作,達到實驗成功的目的。

3積極籌建實習實踐基地

生物技術是一個實踐性很強的專業(yè),所學知識必須同生產(chǎn)實踐聯(lián)系起來,這一點需通過實習、社會實踐等環(huán)節(jié)才能實現(xiàn)。因此,我校生物技術專業(yè)在多門課程中設立了實習環(huán)節(jié)。校外實踐教學基地是聯(lián)系學校和社會的橋梁,是培養(yǎng)學生綜合運用多學科知識去解決實際問題的紐帶,也是大學生動手能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的一個關鍵所在。目前,我校生物技術專業(yè)已在關山建立了植物學實習基地,另外,我省有一些大型的生物公司,如,洛陽市的華美生物工程公司、新鄉(xiāng)市的華蘭生物工程公司等,這些為我校生物技術的詩句基地建設提供了有利的條件。

4鼓勵學生參與科學研究

篇9

關鍵詞：地方本科院校；細胞工程；教學改革；理論教學；實踐教學

細胞工程學是應用細胞生物學和分子生物學的原理與方法，在細胞水平上研究改造生物遺傳特性，以獲得具有目標性狀的細胞系或生物體有關的理論和技術的學科。它是一門現(xiàn)代生物科學理論和工程技術相結(jié)合的綜合性學科。本課程圍繞細胞工程的主要原理與基本技術進行現(xiàn)代教學[1]，是實踐性和應用性很強的專業(yè)課。通過細胞工程的學習，學生在系統(tǒng)掌握本課程的理論、方法和技術等基礎知識的基礎上，結(jié)合最新研究動態(tài)，使學生可以全面地了解本課程。地方高校細胞工程實踐條件普遍薄弱，教師怎樣通過高效的教學方法改進教學質(zhì)量，以達到教學（包括獲得中學教師資格證后從事中學生物教學）、科研和生產(chǎn)開發(fā)各方面的要求，是擺在每位任課教師面前的一項艱巨的任務[2]。

一、細胞工程教學現(xiàn)狀及存在的問題

重慶三峽學院生物技術專業(yè)于2007年開始招生，已經(jīng)經(jīng)過5年的專業(yè)建設，目前，已經(jīng)形成了較完善的理論實踐教學體系。但畢竟生物技術專業(yè)招生較晚，細胞工程相關課程的人才儲備不足，還沒有形成知識結(jié)構完善、人才梯度合理和水平較高的師資隊伍，另外，實驗條件薄弱，特別是無菌細胞培養(yǎng)與操作室要求嚴格，運行費用較高，難以建成。為此，在借鑒其他地方本科院校經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)自身特點，構建新的教學大綱，使細胞工程教學步入正軌。

二、細胞工程課程改革的總體構想

1.理論教學改革。

（1）突出重、難點，優(yōu)化教學內(nèi)容。在教材的選用上，國內(nèi)雖然有不少版本的細胞工程的教材，但這些教材有的偏重應用、理論缺乏，有的可讀性差，不易理解。因此根據(jù)我們多年的教學經(jīng)驗，上海交通大學李志勇先生主編的《細胞工程》系統(tǒng)地介紹了細胞工程的基本原理、方法、技術和最新發(fā)展，可以作為地方本科院校的教學參考書。但細胞工程發(fā)展很快，一些新的研究進展在教材中并沒有體現(xiàn)出來，針對這個情況，一方面我們向?qū)W生推薦了一些參考書，另外自行編寫了符合教學要求的講義，下發(fā)給學生。同時，由于課時的原因，在教學過程中，不可能做到面面俱到，只能選擇性地講解。這就要求教師將教材中相對籠統(tǒng)、分散以及過時的內(nèi)容，通過總結(jié)歸納、提煉和補充等再加工，應用有效的方法手段突出重點（基本概念和基本原理）和難點（容易混淆的概念和難理解的機制），并進一步結(jié)合實驗課中的實際操作合理安排教學進度及教學方法[3]。

（2）改革教學方法。激發(fā)學生的學習興趣，發(fā)揮學生主體主動性。大學教學往往采用灌輸式教學模式（教師講，學生聽，教師寫，學生抄）。啟發(fā)式教學則注重教的目的是學，這樣教師就由知識的傳輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習的引導啟發(fā)者，激發(fā)學生學習的主動性，發(fā)揮想象力空間。在教學過程中，為了調(diào)動學生參與課堂教學的主動性、積極性，我們選擇細胞工程的某一章節(jié)，嘗試讓學生體驗課堂教學，以培養(yǎng)學生的獨立思考能力、查閱文獻能力、總結(jié)歸納能力及語言表達能力[4]。通過這種教學方式，也為準備從事中學生物教學的本科生提高鍛煉的機會，深受大家的歡迎。具體來說，提前三周布置教學內(nèi)容，要求學生在空余時間利用百度等搜索引擎及CNKI、維普、萬方、Elsevier、NCBI等專業(yè)檢索工具，選擇感興趣的內(nèi)容檢索查閱相關資料。一般選擇學生感興趣、應用性較強、與生產(chǎn)實踐聯(lián)系緊密的內(nèi)容，比如在學到動物細胞培養(yǎng)章節(jié)后，讓學生課外查閱動物細胞培養(yǎng)在醫(yī)藥、食品等領域比較成功的案例，將工廠生產(chǎn)過程做成多媒體課件，教師選擇幾個比較有代表性的課件內(nèi)容，在下次上課時讓學生課堂講解，然后教師點評，并強調(diào)本章節(jié)需要掌握的重、難點，可以作為學生部分的平時成績。

注重師生互動，積極引導學生學習，關注學生情感，建設和諧課堂，拉近學生與教師之間的距離。利用上課前的幾分鐘時間，對前面的內(nèi)容特別是上節(jié)課的內(nèi)容提出問題，讓學生思考回答，以鞏固所學內(nèi)容和檢查學生課后的復習情況，同時又可以銜接本節(jié)課的講授內(nèi)容，一舉兩得。在課堂上介紹一些重要人物科學研究的故事、實例和經(jīng)驗教訓，積極地引導學生進行科學的思維，培養(yǎng)他們的推理能力；同時鼓勵學生運用所學知識來分析一些自然現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)和解決問題[5]。

優(yōu)化多媒體教學。細胞工程是一門應用性和技術性很強的學科。理論教學過程中需要很多圖表進行講解，技術中的很多操作環(huán)節(jié)，如無菌操作、動植物細胞培養(yǎng)等操作嚴格規(guī)范，但傳統(tǒng)的板書教學難以保證教學效果。利用多媒體教學，可以很直觀地觀察操作過程，提高了學生的感官認識，利于操作技能的掌握，加深理解深奧的理論知識。運用多媒體教學時，還應該留出一段時間進行師生、學生與學生互動，有利于學生更好地消化掌握所學內(nèi)容，充分調(diào)動學生的參與意識。

2.實踐教學改革。地方本科院校細胞工程類課程實驗條件普遍薄弱，需要整合教學資源，優(yōu)化教學內(nèi)容。精選實驗教學內(nèi)容，彰顯細胞工程實驗課程的重點與難點，注重基礎實驗操作訓練，側(cè)重地方本科院校學生應用能力培養(yǎng)，顯現(xiàn)課程特色。考慮到我校細胞工程實驗室自身儀器較少，實驗室運行成本較高，不能夠完成“動物細胞原代培養(yǎng)”、“單克隆抗體制備”、“真核細胞轉(zhuǎn)基因技術和檢測技術”等技術復雜、成本高的實驗，因此選擇動、植物細胞培養(yǎng)技術作為主要的實驗內(nèi)容，有的實驗還選用演示的方法進行教學，將實驗內(nèi)容分為四個模塊，即基礎實驗、動物細胞工程、植物細胞工程、綜合設計。這樣既注重了基礎操作，利于學生畢業(yè)后工作銜接，又突出了創(chuàng)新。

總之，課程教學是實現(xiàn)本科生教育培養(yǎng)目標的重要手段[6]。在我國，細胞工程課程開設較晚，目前還沒有形成系統(tǒng)有效的教學模式，地方本科院校因其特殊性，很多細胞工程師資配備有限，實驗條件缺乏，有的學校甚至還不能開設細胞工程實驗課程。為此，我們依據(jù)生物技術專業(yè)學生的培養(yǎng)目標，根據(jù)教師在細胞工程理論和實驗課程教學中的經(jīng)驗與教訓，從教學目標、理論教學和實踐教學等方面進行了積極的探索與改革，取得了較好的效果。

參考文獻：

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基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目（編號：103157）

篇10

【關鍵詞】 光電子技術 光醫(yī)學 光保健 學科現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

一 引言

生物醫(yī)學光學與光子學是光學或者說光子學現(xiàn)展的一個分支學科。由于光學與光子學是具有極強應用背景的學科，所以“生物醫(yī)學光子技術”這一多學科交叉的新興研究領域在20世紀末葉也隨之應運而生。

激光技術作為一項重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發(fā)生、發(fā)展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動人類科學技術進入新的發(fā)展階段。

可以把與光的產(chǎn)生、傳播、操縱、探測和利用有關的物理現(xiàn)象和技術包括在內(nèi)的科學及工程籠統(tǒng)地簡稱為光學。用光學最廣的含義來概括各研究領域及其相關交叉分支時必然包括了激光和光電子技術。運用光學及其技術研究光與人體組織的相互作用問題可歸之于“組織光學”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內(nèi)的傳播規(guī)律以及有關組織光學特性的測量方法的一門新興交叉學科，是光醫(yī)學（光診斷和光治療）的理論基礎。經(jīng)過40多年的發(fā)展，激光與光電子技術在人類的保健、醫(yī)療以及生命科學中產(chǎn)生了很大影響。

在醫(yī)學領域，光電子技術使各種新療法，包括從激光心臟手術到用光學圖像系統(tǒng)的關節(jié)內(nèi)窺鏡進行微損膝關節(jié)修復等，成為可能或得以實現(xiàn)。目前，科學家們正致力于研究光學技術在非侵入式診斷和檢測上的應用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無針”監(jiān)控等。激光在醫(yī)學上的最早應用雖然集中在治療方面，然而在80年代初期起便開始了光診斷技術的探索。指望無損害地獲得診斷信息是這些研究的驅(qū)動力之一，其中在物理學中高度發(fā)展的光譜技術有望在診斷醫(yī)學中得到應用。利用光纖把光傳輸?shù)缴眢w內(nèi)部的能力，可以完成膀胱、結(jié)腸和肺等器官的檢查。隨著醫(yī)學診斷方法向無損化方向發(fā)展，利用光電子學技術對組織體進行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學模式的轉(zhuǎn)變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀80年代后期起，“激光美容術”在世界各地包括在我國各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術應用越來越活躍的領域。激光技術應用于美容外科的起步較早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治療變得簡易有效。到20世紀末，人們又開發(fā)了一種稱為光子嫩膚術的新美容技術。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質(zhì)地和彈性，達到美容的效果。之所以用激光或強脈沖光進行非消融性的嫩膚或治療越來越流行，是因為這類手術具有無損、不必住院、幾乎無副作用和無疼痛，從而使受術者容易接受的優(yōu)點。

國家自然科學基金委員會先后二次在“光子學與光子技術”以及“生物醫(yī)學光學”優(yōu)先資助領域戰(zhàn)略研究報告中分別指出：近年來生物醫(yī)學光學與光子學的迅猛興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學科－生物醫(yī)學光子學（Biomedophotonics）。研究報告選定了近期優(yōu)先研究領域包括生物光子學、醫(yī)學光子學基礎研究、醫(yī)學臨床的光學診斷和激光醫(yī)學中的重要課題等諸方面。

福建師范大學在1974年成立了“醫(yī)用激光及其應用技術”研究組，以激光與光電子技術為基礎，圍繞激光醫(yī)學應用的核心技術開展研究與開發(fā)。至二十世紀九十年代，跟隨該領域的國際走向，轉(zhuǎn)入激光醫(yī)學技術的基礎理論研究工作，在國內(nèi)率先開展了生物組織光學與光劑量學的研究。伴隨研究工作的深入開展，逐步形成了我們有特色的若干前沿研究方向，并于2005年獲準立項建設醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室。

二 國內(nèi)外現(xiàn)狀

光學在生命科學中的應用，在經(jīng)歷了一個緩慢的發(fā)展階段后，由于激光與新穎的光子技術的介入，進入了一個迅速發(fā)展的新階段。與光學有關的技術沖擊著人類健康領域，正在改變著藥物療法和常規(guī)手術的實施手段，并為醫(yī)療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來，與蓬勃的學術研究活動相對應，國際上出現(xiàn)了專門的研究性學術雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發(fā)行了“Bio-Photonics”新雜志。美國光學學會重要的會刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關生物醫(yī)學光學的論文專集。SPIE亦于1996年創(chuàng)辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達3.541。當前，發(fā)達國家普遍對生物醫(yī)學光子學學科給予了高度重視。例如，在美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）新成立的國家生物醫(yī)學影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫(yī)學光子學也成為其主要資助的領域。近三年中，美國NIH已經(jīng)召開過4次研討會，認為新的在體生物光子學方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測、診斷和治療。新一代的在體光學成像技術正處在從實驗室轉(zhuǎn)向癌癥臨床應用的重要時刻。在NIH的支持下，美國國家癌癥研究所（NCI）正在計劃5年投資1800萬美元，招標建立“在體光學成像和/或光譜技術轉(zhuǎn)化研究網(wǎng)絡（NTROI）”，其研究內(nèi)容主要包括：光學成像對比度的產(chǎn)生機理、在體光學成像技術與方法、臨床監(jiān)測、新光學成像方法的驗證、系統(tǒng)研制與集成等五個方面。2000年底，在美國NIBIB的首批支持項目中，光學成像方法約占30%。2000年7月，美國NIH投資2000萬美元，開展小動物成像方法項目（SAIRPs）研究，受到生命科學界的高度關注，其中光學成像方法是研究重點之一。美國國家科學基金會（NSF）在2000-2002年了4次關于生物醫(yī)學光子學研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標指南。“9.11”事件后，美國國防部啟動了“應激狀態(tài)下的認知活動”(Cognition under stress)項目，采用的研究方法就是光學成像技術。美國加州大學Davis分校于2002年10月宣布：未來10年內(nèi)，將投資5200萬美元建立生物醫(yī)學光子學科學技術中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬美元由NSF支持。在學術交流活動方面，國際光學界規(guī)模最大西部光子學會議（Photonics West）上，每年的四個大分會之一即是生物醫(yī)學光學會議（BiOS），論文均超過大會總數(shù)的三分之一，如，2003年關于BiOS的專題為19個，占整個會議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會議專題為20個，占整個會議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫(yī)學光子學會議。除疾病早期診斷、生理參數(shù)監(jiān)測外，在基因表達、蛋白質(zhì)―蛋白質(zhì)相互作用、新藥研發(fā)和藥效評價等研究中，特別是近年來的Science, Nature, PNAS等國際權威刊物發(fā)表的論文表明，光子學技術也正在發(fā)揮至關重要的作用。在某些領域，如眼科，光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實現(xiàn)，并以最小的無損或微損療法代替外科手術，如膝關節(jié)的修復。現(xiàn)在，用激光技術和光激勵的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監(jiān)測愛滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫(yī)學應用的試驗階段，包括控制糖尿病所進行的無損血糖監(jiān)測和乳腺癌的早期診斷等。光學技術還為生物學研究提供了新的手段，如人體內(nèi)部造影、測量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細的生物結(jié)構的三維圖象展現(xiàn)出來，在亞細胞層次監(jiān)測化學組成和蛋白質(zhì)相互作用空間和時間特征。以雙光子激發(fā)熒光技術為代表的非線性成像方法，不僅可以改善熒光成像方法的探測深度、降低對生物體的損傷，而且還開辟了在細胞內(nèi)進行高度定位的光化學療法。近場技術將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測細胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等等。激光器已成為確定DNA化學結(jié)構排序系統(tǒng)的關鍵組成部分。光學在生物技術方面的其它應用還包括采用“DNA芯片”的高級復雜系統(tǒng)，和采用傳輸探針的簡單系統(tǒng)。激光鉗提供了一種在顯微鏡下方能看見的一種新奇的、前所未有的操作方法，能夠在生物環(huán)境中實現(xiàn)細胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內(nèi)實現(xiàn)力學參數(shù)的測量。結(jié)合光子學和納米技術已經(jīng)可以探測細胞機械活動，揭示細胞水平上隱秘的生命過程，利用納米器件甚至可以檢測和操縱原子和分子，這可以應用在細胞水平的醫(yī)學領域。高技術的進步，如：微芯片極大地加速了生物光子學的發(fā)展進程。集成電路、傳感器元件和相連電路的小型化、集成化促使在體和體外測量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫(yī)學光子學技術已經(jīng)在臨床上應用于早期疾病監(jiān)測或生理參量的測量，如血壓，血液化學，pH，溫度，或測量病理生物體或臨床上有重要意義的生化物種的存在與否。描述不同光譜特性（如熒光，散射，反射和光學相干成像）的各種光學概念出現(xiàn)在功能成像的重要領域。從大腦到竇體再到腹部，精確導位和追蹤，對于精確定位醫(yī)療儀器在三維手術空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術可以識別發(fā)生疾病時產(chǎn)生的分子報警，將真正實現(xiàn)令人激動的、個人的、分子水平的醫(yī)學。

我國的研究基礎與條件雖然相對落后，研究投入不足，但生物醫(yī)學光子學是一門正在興起和不斷發(fā)展的學科，在這一新興交叉學科上國內(nèi)外處于一個起跑線上。近年來，在國家自然科學基金委、省部委以及其它基金項目的資助下，我國在生物醫(yī)學光子學的研究中取得了很大的進展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫(yī)學光子學與醫(yī)學成像若干前沿問題”、第217次主題為“生物分子光子學”的香山會議后，有許多學校和科研單位開展了生物醫(yī)學光子學的研究工作，并初步建成了幾個具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機構或?qū)嶒炇遥⒃谏镝t(yī)學光學成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發(fā)熒光成像、二次諧波成像、光學層析成像等）、組織光學理論及光子醫(yī)學診斷、分子光子學（包括成像與分析）、生物醫(yī)學光譜、X射線相襯成像、光學功能成像、認知光學成像、PDT光劑量學、高時空譜探測技術及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發(fā)表了許多研究論文，申請了許多發(fā)明專利，有些已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)化。國家自然科學基金委員會生命科學部與信息科學部聯(lián)合發(fā)起并承辦的全國光子生物學與光子醫(yī)學學術研討會已經(jīng)舉辦了六屆。這對我國生物醫(yī)學光子學學科的發(fā)展起到了積極的推動作用。在我國近年所召開的亞太地區(qū)光子學會議中，有關生物醫(yī)學光子學的內(nèi)容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國的生物醫(yī)學光子學研究和學術活動也方興未艾，呈現(xiàn)與國際同步的態(tài)勢。在基礎研究、應用基礎研究以及對新技術的掌握方面跟蹤國際先進水平，但國內(nèi)科研經(jīng)費的投入相對較小，科研隊伍規(guī)模不大，原創(chuàng)性的科研成果與國外有較大差距。和國外的發(fā)展水平相比，我國的生物醫(yī)學光子學發(fā)展還存在以下問題：

（1）盡管從事生物醫(yī)學光子學的科研單位很多，但取得突破性、創(chuàng)新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊伍在組織、組成上還不合理，過于分散、開展的內(nèi)容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國計民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復，缺乏合作，導致水平低下；

（2）和國外相比，研究經(jīng)費無論在絕對值還是相對值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產(chǎn)業(yè)化的引導機制。

三 醫(yī)學光電科學與技術（福建師范大學）教育部重點實驗室概況

“醫(yī)學光電科學與技術”教育部重點實驗室設立于福建師范大學物理與光電信息科技學院（激光與光電子技術研究所）內(nèi)，作為本學科開展科研研究和實施建設與發(fā)展的一個基礎平臺。實驗室已有30年發(fā)展歷史，1973年成立福建師范學院物理系激光實驗室，1984年成為福建師范大學激光研究所實驗室，1995年為福建省首期211重點學科《應用光子學》學科實驗室，2003年5月26日經(jīng)福建省科技廳批準成立“光子技術福建省重點實驗室”，2005年7月28日經(jīng)教育部批準立項建設教育部重點實驗室。實驗室座落于福建師范大學長安山校園內(nèi)。

30年多來，實驗室在生物組織光學、醫(yī)學光譜與光學成像技術、光診斷及光診療技術、信息技術光學及其生物醫(yī)學應用等四個主要方向上努力開拓，承擔并完成了數(shù)十項國家與省部重點、重大項目課題，取得一批代表我國本領域研究水平的科研成果，其中十五以來獲省部級科技進步一等獎1項，二等獎2項，三等獎2項，其它省級以上獎勵12項。在國內(nèi)外重要刊物發(fā)表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過100篇。

實驗室目前承擔著國家與省級重要課題50余項，科研經(jīng)費超過2000萬元。其中國家自然科學基金項目11項，國家教育部、科技部、衛(wèi)生部項目9項，福建省科技重大專項1項，其它省級重要項目近30項。

中科院半導體研究所原所長王啟明院士任重點實驗室學術委員會主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔任。另有九位國內(nèi)外著名的激光、光電子與醫(yī)學學科交叉的院士、專家或資深教授擔任委員，其中海外委員兩人。他們規(guī)劃、指導并檢查本學科實驗室的建設與發(fā)展。

重點實驗室主要學術帶頭人、實驗室學術委員會常務副主任謝樹森教授是中國光學學會副理事長、福建省光學學會理事長、國家有突出貢獻的中青年專家、光學工程專業(yè)博導、全國勞動模范，是我國醫(yī)學光電科學與技術領域的學術帶頭人與開拓者。實驗室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國務院特殊津貼專家，實驗室常務副主任陳建新教授來自于北京大學的優(yōu)秀博士后研究員。重點實驗室擁有穩(wěn)定的可持續(xù)開展高水平科研的學術梯隊，其中的中青年學術帶頭人或?qū)W術骨干包括1位閩江學者特聘教授、1位福建師范大學特聘教授、3位國務院特殊津貼專家、2位全國優(yōu)秀教師、2位福建省優(yōu)秀教師和15位博士。

重點實驗室與國內(nèi)外學術界建立了并保持著廣泛的聯(lián)系。重點實驗室已設立面向國內(nèi)外的開放課題基金。已批準并實施來自浙江大學、廈門大學、上海光機所、西安交通大學、華南師范大學、天津醫(yī)科大學、上海市激光醫(yī)學研究中心等單位知名學者的開放課題。

重點實驗室已具備良好的科研軟硬件環(huán)境。現(xiàn)有面積近5000平方米，儀器設備原值2500多萬元。重點實驗室各項管理制度健全。

“醫(yī)學光電科學與技術”重點實驗室，在我國現(xiàn)代科學技術領域特色鮮明，在我國相關學科處于領頭地位，有較大影響。重點實驗室建設將有力促進福建省科技創(chuàng)新能力建設，促使福建師范大學迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學邁進。同時，重點實驗室的建設與發(fā)展將有力促進我國醫(yī)學光電科學與相關學科的發(fā)展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會與經(jīng)濟發(fā)展做出重大貢獻。

四 發(fā)展趨勢和展望

光子學及其技術已廣泛應用或滲透到生物科學和醫(yī)學的諸多方面，被科學界所認同和重視。生物醫(yī)學光學已經(jīng)成為國際光學學科重要發(fā)展方向之一。生物醫(yī)學光子學的發(fā)展，將為現(xiàn)代醫(yī)學和生命科學帶進嶄新的時代。本學科的發(fā)展將繼續(xù)體現(xiàn)了多學科交叉的特點，研究領域涉及到了生物學、醫(yī)學、和光學，還有化學等不同大學科的方方面面。技術開發(fā)與臨床應用研究的結(jié)合將越來越密切。一般認為，光學領域未來發(fā)展的重點是將各種復雜的光學系統(tǒng)和技術更加廣泛地應用于保健和醫(yī)療。當今世界中,與光子學有關的技術沖擊著人類對生命體的認知及人類健康領域。基于現(xiàn)代激光與光電子技術的生物醫(yī)學光子學技術將為生命科學研究帶來具有原始性創(chuàng)新的重要科研成果，并可望形成有重大社會影響和經(jīng)濟效益的產(chǎn)業(yè)。

在醫(yī)學領域，光子學技術正在改變著藥物療法和常規(guī)手術的實施手段,并為醫(yī)療診斷提供了新方法。在某些領域,如眼科,光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實現(xiàn),并以無損或微損療法代替外科手術,如膝關節(jié)的修復。現(xiàn)在,用激光技術和光激勵的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監(jiān)測愛滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫(yī)學應用的試驗階段,包括控制糖尿病所進行的無損血糖監(jiān)測和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎研究方面，研究重點在于從細胞，甚至是亞細胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術開發(fā)以及應用提供理論依據(jù)。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產(chǎn)生的光化學、光熱和光機械效應。在技術的應用方面，研究重點轉(zhuǎn)向比較各種技術中光源（相干光源/非相干光源、波長、功率密度、偏振性、連續(xù)/脈沖光源、脈沖持續(xù)時間等）和個體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發(fā)病史、發(fā)病時間等）對診斷或治療結(jié)果的影響，在確定各種技術臨床適應癥的同時，進一步實用化各種技術。此外，還在不斷開發(fā)新的實用于不同疾病的診斷、治療和監(jiān)測技術。

值得關注的是，國外從事“生物醫(yī)學光學”領域研究的高校或研究機構中，來自大陸的中國學者的數(shù)量越來越多。這有助于使國內(nèi)外的學術交流更加有效，并可以預期國內(nèi)與國外在該領域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內(nèi)醫(yī)學光電科技學科需關注的重大科學問題和優(yōu)先研究領域如下：

（一）醫(yī)學光子學基礎

在組織光學方面，其中最主要的有光在組織體內(nèi)傳播的特殊方式、組織光學性質(zhì)的描述以及有關實驗技術的開發(fā)和完善等。組織光學是醫(yī)學光子技術的理論基礎。光在生物組織中的運動學（如光的傳播）問題和動力學（如光的探測）問題是研究的主要內(nèi)容，目的是要研究生物組織的光學性質(zhì)和確定某靶位單位面積上的光能流率。應優(yōu)先解決測量技術和實驗精度的問題，利用近場光學顯微技術、光鑷技術測量活體組織的光學參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數(shù)值模擬方法。具體開展的研究工作應包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復雜的理論來描述生物組織的光學性質(zhì)以及光在其中的傳播行為。建立準確的組織光學模型，使之能反映生物組織空間結(jié)構及其尺寸分布情況、組織各個部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況；改造傳輸方程，使之適應新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸?shù)幕拘再|(zhì)。2）光傳輸?shù)拿商乜_模擬：繼續(xù)開發(fā)新的更為有效的算法以適應生物組織的多樣性和復雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數(shù)字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學性質(zhì)基本參量之間的經(jīng)驗關系。另外，發(fā)展非穩(wěn)態(tài)的光傳輸?shù)拿商乜_模擬方法也是一個重要的研究方向，從中可以獲得比穩(wěn)態(tài)條件下更多的信息。

組織光學參數(shù)的測量方法和技術方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實驗數(shù)據(jù)。發(fā)展和完善活體的無損檢測尤為重要。在這方面，時間分辨率與頻率分辨率的測量方法引人注目。

（二）醫(yī)學光子學光譜診斷技術

醫(yī)學光子學光譜（非成像）診斷技術實質(zhì)上是利用從組織體反射、散射、發(fā)射出來的光，經(jīng)過適當?shù)姆糯蟆⑻綔y以及信號處理，來獲取組織內(nèi)部的病變信息，從而達到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術，內(nèi)容涉及光敏劑的吸收譜、激發(fā)與發(fā)射熒光譜以及各種波長激光激發(fā)下正常組織與病變組織內(nèi)源性熒光基團特征光譜等。現(xiàn)在人們所謂的特征熒光峰實際上只是卟啉分子的熒光峰。客觀和科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進入臨床試用，自體熒光的應用尚處于摸索之中。需要開展激光激發(fā)生物組織和細胞內(nèi)物質(zhì)的機理研究，探討激光誘發(fā)組織自體熒光與癌組織病理類型的相關性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產(chǎn)額和最佳激發(fā)波長等方面的研究，以期獲得極其穩(wěn)定、可靠的特征數(shù)據(jù)，為診斷技術的發(fā)展提供科學依據(jù)。

近年來，拉曼光譜技術應用于醫(yī)學中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優(yōu)勢。應開發(fā)并完善重要醫(yī)學物質(zhì)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內(nèi)的醫(yī)用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫(yī)學臨床獲得更廣泛的應用。

超快時間分辨光譜比穩(wěn)態(tài)光譜在技術上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫(yī)學受到廣泛重視，其一，應發(fā)展超快時間分辨熒光光譜技術，用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間，分析癌組織分子馳豫動力學性質(zhì)等，為進一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎數(shù)據(jù)；其二，應發(fā)展超快時間分辨漫反射（透射）光譜技術。以時域的角度測量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實時的測量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫(yī)學光子學中基礎測量問題開辟一條新徑。

（三）醫(yī)學光子學成像診斷技術

發(fā)展出具有無輻射損傷、高分辨率、非侵入、實時、安全的光子學成像診斷技術，并具有經(jīng)濟、小型、且能監(jiān)測活體組織內(nèi)部處于自然狀態(tài)化學成分等特點的醫(yī)療診斷設備。主要的醫(yī)學光子學成像診斷技術包括：

超快時間分辨成像技術：以超短脈沖激光作為光源，根據(jù)光脈沖在組織內(nèi)傳播時的時間分辨特性，使用門控技術分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進行成像。正在研究的典型時間門有條紋照相機、克爾門、電子全息等。

散射成像技術：包括光子密度波散射層析成像、組織深度光譜測量以及復合成像等，利用紅外光源，光子密度波在生物組織中的穿透深度可達幾個毫米，在低散射的人腦組織中甚至可達30mm。

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測器測量人體和動物的正常與病變組織的溫度差異來診斷病變及其位置，現(xiàn)已在醫(yī)學診斷中得到廣泛的應用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學相干層析成像技術：一種非侵入式無損成像技術，并且可以與顯微鏡、手持探針、內(nèi)窺鏡、醫(yī)用導管、腹腔鏡等相結(jié)合使用，從而具有廣闊的應用領域。而且，OCT能進行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術結(jié)合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發(fā)后，熒光團，包括自體熒光團如NADH、FAD等和外源熒光團，如有機熒光染料、熒光蛋白等，所發(fā)出熒光的壽命取決于熒光團的分子種類及其所處的微環(huán)境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內(nèi)窺鏡結(jié)合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期診斷，是一種很有前途的具有高靈敏度、高特異性以及高診斷準確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場在生物組織中的優(yōu)良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術和光學高靈敏度檢測技術結(jié)合,以實現(xiàn)無損傷臨床醫(yī)學的結(jié)構和功能層析診斷。預期成像深度遠好于目前的光學成像方法,對于較厚生物組織成像及臨床應用特別具有吸引力,可為及早發(fā)現(xiàn)一些特殊病變提供一種無損、有效、高準確度的方法。

非線性光學成像：雙光子激發(fā)熒光顯微成像、二次諧波等成像技術由于具有三維高空間分辨率，對比度高、對生物組織的損傷小等優(yōu)點，研究工作重點是擴展成像技術在生物醫(yī)學領域的應用范圍，重點解決研制小型化內(nèi)窺型診斷設備所面臨的相關技術問題。

人體經(jīng)絡的光學表征及其調(diào)控功能：已經(jīng)用不少事實證明了經(jīng)脈循行路線的現(xiàn)象，也初步顯示了人體體表沿十四經(jīng)脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫(yī)的形態(tài)學或生理學方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經(jīng)絡”的實質(zhì)。可以利用已發(fā)展的生物醫(yī)學光子學諸多成像技術為工具，研究這個具有中國特色的中醫(yī)學中的重大問題。

4.醫(yī)用激光治療技術（激光醫(yī)學）

強激光治療：是當前激光醫(yī)學中最成熟和最重要的領域。隨著新型醫(yī)用激光器的不時出現(xiàn)，如：鈦激光、鉺激光、準分子激光等，強激光治療技術的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問題。關于這些新型激光器及新的工作方式對人體組織的作用特點的認識還相對不足，基本沒有適合國人組織特性的治療參數(shù)。為此需加強研究激光與生物組織間的作用關系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應用的激光與生物組織間的作用關系；研究不同激光參數(shù)（包括波長、功率密度、能量密度與運轉(zhuǎn)方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時也有必要加強新型激光器及新的工作方式的臨床適應證的研究。

低強度激光治療：非熱或低強度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機理尚不清楚。對弱激光治療機理的認識有待于整個基礎醫(yī)學的提高，如充分認識細胞基因表達與調(diào)控、細胞代謝的調(diào)控、免疫反應的調(diào)控等，同時還需研究不同弱激光劑量對這些調(diào)控的影響，這才能提高弱激光治療的針對性和療效。針對目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴重混亂的局面，建議重點扶持2-3個弱激光研究中心，集中財力與人力進行弱激光的細胞生物學效應研究；弱激光生物調(diào)節(jié)作用和細胞生物學現(xiàn)象（基因調(diào)控和細胞凋亡）的量效關系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關系及其機制。尋求弱激光生物刺激效應的可能機制與量效關系；規(guī)范臨床治療參數(shù)與操作等。

光動力學治療（PDT）是當前激光醫(yī)學中最具活力且發(fā)展迅速的領域。光動力療法具備了診斷和治療腫瘤、心腦血管病等人類重大疾病的潛力。光動力療法在鮮紅斑痣、老年性眼底黃斑病變、某些頑固性皮膚病、類風濕性關節(jié)炎等常規(guī)手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進展，并結(jié)合內(nèi)鏡技術的發(fā)展等，其應用領域得到很大的延伸和擴展。這些都說明發(fā)展光動力療法具有重要的社會和經(jīng)濟效益。應當重點資助PDT相關產(chǎn)品的國產(chǎn)化，扶持新一代國產(chǎn)光敏劑的開發(fā)及相應激光器的產(chǎn)業(yè)化，資助新一代光敏劑光動力學治療的機理研究。作用機理、光動力療法各要素對光動力學效應的影響、建立數(shù)學模型、新型光敏劑光動力學效應的研究，為開拓光動力療法新的應用領域取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

激光美容與光子嫩膚術：利用激光或強脈沖光照射皮膚后的選擇性光熱解效應，即靶組織（病灶）和正常組織對光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時避免正常組織的損傷這一原則，達到去皺、去文身、脫毛和治療各種皮膚病或達到美容的效果。

五 結(jié)論

醫(yī)學光子學及其技術的學科發(fā)展，對生命科學有重要且積極的意義。在醫(yī)學領域，將為解決長期困擾人類的疑難頑疾如心血管疾病和癌癥的早期診治提供可能性，從而提高人類的生存價值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術在人類文明進步史上的重要推動作用，在知識經(jīng)濟崛起的時代還可能產(chǎn)生和帶動一批高新技術產(chǎn)業(yè)。

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課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導師，中國光學學會副理事長，福建省光學學會理事長

2.李 暉：福建師范大學 醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室

3.陳 榮：福建師范大學 醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室