生物醫(yī)學(xué)儀器課程內(nèi)容及實(shí)踐教學(xué)

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［摘要］傳統(tǒng)的儀器分析課程沒有涉及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器，因此，建設(shè)具有針對性和實(shí)用性的生物醫(yī)學(xué)儀器分析課程顯得非常必要?？梢栽?a href="http://www.articshipping.com/lunwen/swyxlw/76012.html" target="_blank">課程內(nèi)容上進(jìn)行基于基因或蛋白層面的檢測儀器、組織或細(xì)胞層面的觀察或檢測儀器、有機(jī)大分子或活性物質(zhì)層面的分析或分離儀器等三大部分的構(gòu)建，并在實(shí)踐性教學(xué)上嘗試讓學(xué)生對設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個(gè)層次的進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步對此課程建設(shè)進(jìn)行完善和系統(tǒng)化。

［關(guān)鍵詞］生物醫(yī)學(xué)儀器分析；課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)；實(shí)踐性教學(xué)

國內(nèi)外的儀器分析課程是建立在物理和化學(xué)基礎(chǔ)上的儀器分析方法，主要針對化學(xué)、材料、藥學(xué)、環(huán)境、食品等專業(yè)的學(xué)生設(shè)置。而新興的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，其研究領(lǐng)域包括生物醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)和力生物學(xué)、生物材料、組織工程等。基于生物樣品的特性，對生物醫(yī)學(xué)儀器的分析要求已深入到基因、蛋白、細(xì)胞等水平。傳統(tǒng)的儀器分析課程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)科研的要求。[1]在高校中已設(shè)置的儀器分析課程中的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)跟上生物醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展。但隨著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的迅猛發(fā)展，人們對生物醫(yī)學(xué)儀器的應(yīng)用能力的要求也越來越高，迫切需要具有針對性、實(shí)用性和先進(jìn)性的生物醫(yī)學(xué)儀器分析課程。[2][3]我們針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的研究生開設(shè)了生物醫(yī)學(xué)儀器分析這門課程。我們在對課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)及實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)等方面不斷進(jìn)行探討和改進(jìn)，為本課程進(jìn)一步特色化、系統(tǒng)化、前沿化的建設(shè)奠定了一定的基礎(chǔ)。

一、課程內(nèi)容體系建設(shè)

傳統(tǒng)的儀器分析課程主要涵蓋色譜法、電化學(xué)分析法、光學(xué)分析法、質(zhì)譜法等四大類儀器分析方法。生物醫(yī)學(xué)儀器分析課程內(nèi)容建設(shè)區(qū)別于以往普通儀器分析課程的內(nèi)容設(shè)置，重點(diǎn)突出“生物醫(yī)學(xué)”的特點(diǎn)，以滿足解決生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程領(lǐng)域的科學(xué)問題的要求。課程內(nèi)容設(shè)置既要服務(wù)于解決科學(xué)問題，避免課程設(shè)置和實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，又必須在掌握生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典的儀器和方法的同時(shí)，緊跟前沿領(lǐng)域的高端儀器和方法。因此本課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)包括以下三個(gè)部分，如圖1所示，幫助學(xué)生通過儀器手段獲取不同層面生物樣本的定性、定量、形態(tài)及分布等信息從而解決生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程領(lǐng)域的科學(xué)問題。

（一）第一部分：基因或蛋白層面的檢測儀器

該部分重點(diǎn)介紹基于基因或蛋白的生物樣品的半定量或定量的檢測儀器。基因水平的檢測儀器包括：經(jīng)典儀器———聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、RNA電泳和核酸印跡分析，前沿儀器——實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀。蛋白水平的檢測儀器包括：經(jīng)典儀器———熒光酶標(biāo)儀、蛋白質(zhì)印跡分析、酶聯(lián)免疫吸附測定分析，前沿技術(shù)——二維電泳。

（二）第二部分：組織或細(xì)胞層面的觀察或檢測儀器

該部分重點(diǎn)介紹基于組織或細(xì)胞的生物樣品的觀察或檢測儀器。組織或細(xì)胞層面的觀察儀器包括：經(jīng)典儀器———倒置顯微鏡、相差顯微鏡、微分干涉顯微鏡、熒光顯微鏡，前沿儀器———激光共聚焦掃描顯微鏡。細(xì)胞層面的檢測儀器：前沿儀器———流式細(xì)胞儀。

（三）第三部分：有機(jī)大分子或活性物質(zhì)層面的分析或分離儀器

該部分重點(diǎn)介紹基于有機(jī)大分子或活性物質(zhì)的生物樣品的分析或分離儀器。蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、多糖類等生物大分子的分離或分析儀器包括：經(jīng)典儀器———高效液相色譜法、氣相色譜法，前沿儀器———超臨界流體色譜、毛細(xì)管色譜、高效薄層色譜等技術(shù)。這三部分的學(xué)習(xí)能讓學(xué)生掌握前沿生物醫(yī)學(xué)儀器分析手段，對生物樣品進(jìn)行定量、定性分析，觀察樣品形態(tài)、分布，對樣品進(jìn)行分離等，訓(xùn)練學(xué)生解決科學(xué)問題的能力，使學(xué)生掌握必備的理論知識、科研思維和實(shí)踐技能，提高科研能力。

二、實(shí)踐性教學(xué)的建設(shè)

實(shí)踐性教學(xué)是理論教學(xué)的擴(kuò)展和延深，對于增加學(xué)生對理論知識的理解和感性體會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，具有十分重要的作用。[4]它可以彌補(bǔ)單純理論教學(xué)的不足，提高將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的能力，與理論教學(xué)環(huán)節(jié)相得益彰。而現(xiàn)有的儀器分析課程所設(shè)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法較為固定，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)和研究方向脫節(jié)，不能及時(shí)更新。因此，本課程提出了設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個(gè)層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

（一）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指給學(xué)生基于經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但不提供成熟的實(shí)驗(yàn)步驟，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不是簡單重復(fù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能機(jī)械地套用做過的實(shí)驗(yàn)來解決問題，而是讓學(xué)生必須獨(dú)立思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使其有發(fā)揮創(chuàng)造力的余地。要求學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括所用方法、原理、儀器和具體實(shí)驗(yàn)步驟，經(jīng)指導(dǎo)教師審閱后進(jìn)行上機(jī)操作，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的可行性，最后寫出規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。舉例：采用高效液相色譜法測定柑橘種子中的檸檬苦素的含量，樣品來自教師的教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目，但樣品的濃度未知。由學(xué)生來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定高效液相色譜參數(shù)，對樣品進(jìn)行定量測試。

（二）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是指不限定實(shí)驗(yàn)題目，給學(xué)生提供一個(gè)開放的實(shí)踐平臺(tái)，由學(xué)生自主提出感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，實(shí)驗(yàn)選題要求具有創(chuàng)新性、綜合性。學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱，選擇合理的儀器分析方法，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，共同討論方案的可行性，在設(shè)計(jì)好具體的實(shí)驗(yàn)方案后，上機(jī)操作，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。注重利用本學(xué)院的前沿科學(xué)研究項(xiàng)目來引領(lǐng)學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。教師可以根據(jù)自己負(fù)責(zé)或參與的科研項(xiàng)目，提供樣品或科學(xué)問題給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生研究自己導(dǎo)師的項(xiàng)目中的科學(xué)問題或是由項(xiàng)目引申出來的科學(xué)問題，緊跟學(xué)科前沿，并體現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用的特色。通過引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題。舉例：宇航員在失重情況下會(huì)產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，那么在失重條件下成骨細(xì)胞會(huì)發(fā)生什么變化？這是由教師的自然科學(xué)基金項(xiàng)目引申出來的科學(xué)問題。學(xué)生可采用多種生物醫(yī)學(xué)儀器，如流式細(xì)胞儀、實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀及激光共聚焦顯微鏡來研究成骨細(xì)胞的細(xì)胞周期、特異性基因及細(xì)胞形態(tài)等多方面的變化，綜合運(yùn)用所掌握的儀器全面地探索細(xì)胞發(fā)生的變化，深入研究科學(xué)問題。

（三）挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生挑戰(zhàn)生物醫(yī)學(xué)研究前沿領(lǐng)域或是教師的前沿科研項(xiàng)目中還沒有解決的科學(xué)問題，通過生物醫(yī)學(xué)儀器手段探索這類沒有答案的、高難度的科學(xué)問題。挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)給予學(xué)生沒有約束的思維空間，充分激發(fā)學(xué)生的潛能，為學(xué)生提供自由思索、探究的平臺(tái)，對于學(xué)生的超越性、創(chuàng)新性研究具有極大的推動(dòng)作用，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。舉例：細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三維重建是一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)問題，如何利用激光來重建細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)更是沒有現(xiàn)成的方法可供參考。學(xué)生在理解激光共聚焦顯微鏡工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案來觀察細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行細(xì)胞三維重建。通過多層次的實(shí)踐教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與程度和主動(dòng)性，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生表示不僅僅掌握了實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是建立了獨(dú)立從事科研活動(dòng)所必需的科研方法、科研思維和科研精神，對于以后課題的科研工作充滿了信心，并滿懷期望。本課程與國內(nèi)許多高校類似課程相比，針對性強(qiáng)，具有鮮明的生物醫(yī)學(xué)特色，注意引入學(xué)科前沿的科學(xué)問題，與教師的科研項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提升學(xué)生的學(xué)術(shù)研究水平，對儀器分析在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)方面的教學(xué)具有很大的意義。

［注釋］

［1］王芳群，衛(wèi)星，李天博．生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)“醫(yī)學(xué)儀器”課程教學(xué)方法分析［J］．中國電力教育，2010（184）：133－134．

［2］趙于前，湯井田，李凌云．從交叉學(xué)科角度談生物醫(yī)學(xué)工程教育改革［J］．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004（6）：239－240．

［3］王志遠(yuǎn)，陳武凡，何明娥．生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的實(shí)踐與探索［J］．中國高等醫(yī)學(xué)教育，2006（4）：42－43．

［4］馬春排，李天鋼，李自毅，周秦武．生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（4）：103－105．

作者：李萍 鄭權(quán) 賈瀟凌 牛旭鋒 宋崴 榮龍 單位：北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院