生物醫(yī)學(xué)儀器課程內(nèi)容及實踐教學(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)具有針對性和實用性的生物醫(yī)學(xué)儀器分析課程顯得非常必要。可以在課程內(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，并在實踐性教學(xué)上嘗試讓學(xué)生對設(shè)計性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個層次的進(jìn)行設(shè)計，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?；谏飿悠返奶匦裕瑢ι镝t(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，重點突出“生物醫(yī)學(xué)”的特點，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，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——實時熒光定量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：有機大分子或活性物質(zhì)層面的分析或分離儀器

該部分重點介紹基于有機大分子或活性物質(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、科研思維和實踐技能，提高科研能力。

二、實踐性教學(xué)的建設(shè)

實踐性教學(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，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，具有十分重要的作用。[4]它可以彌補單純理論教學(xué)的不足，提高將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實際應(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)立的實驗項目大多為驗證性實驗，實驗方法較為固定，實驗內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)和研究方向脫節(jié)，不能及時更新。因此，本課程提出了設(shè)計性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個層次的實踐環(huán)節(jié)。

（一）設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗是指給學(xué)生基于經(jīng)典實驗的實驗項目，但不提供成熟的實驗步驟，由學(xué)生自主設(shè)計實驗計劃。設(shè)計性實驗不是簡單重復(fù)的驗證性實驗，不能機械地套用做過的實驗來解決問題，而是讓學(xué)生必須獨立思考，設(shè)計實驗方案，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)計實驗方案，包括所用方法、原理、儀器和具體實驗步驟，經(jīng)指導(dǎo)教師審閱后進(jìn)行上機操作，完成整個實驗過程，記錄實驗結(jié)果，處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，驗證實驗方案設(shè)計的可行性，最后寫出規(guī)范的實驗報告。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)合項目，但樣品的濃度未知。由學(xué)生來設(shè)計實驗方案，確定高效液相色譜參數(shù)，對樣品進(jìn)行定量測試。

（二）創(chuàng)新性實驗

創(chuàng)新性實驗是指不限定實驗題目，給學(xué)生提供一個開放的實踐平臺，由學(xué)生自主提出感興趣的實驗題目，實驗選題要求具有創(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)計具體的實驗方案，共同討論方案的可行性，在設(shè)計好具體的實驗方案后，上機操作，獲取實驗結(jié)果。注重利用本學(xué)院的前沿科學(xué)研究項目來引領(lǐng)學(xué)生的創(chuàng)新性實驗。教師可以根據(jù)自己負(fù)責(zé)或參與的科研項目，提供樣品或科學(xué)問題給學(xué)生，鼓勵學(xué)生研究自己導(dǎo)師的項目中的科學(xué)問題或是由項目引申出來的科學(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)計創(chuàng)新性實驗，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產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，那么在失重條件下成骨細(xì)胞會發(fā)生什么變化？這是由教師的自然科學(xué)基金項目引申出來的科學(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、實時熒光定量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)性實驗

挑戰(zhàn)性實驗是指學(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)性實驗給予學(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，對于學(xué)生的超越性、創(chuàng)新性研究具有極大的推動作用，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)的三維重建是一個前沿?zé)狳c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)計詳細(xì)的實驗方案來觀察細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行細(xì)胞三維重建。通過多層次的實踐教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與程度和主動性，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生表示不僅僅掌握了實驗技能，更重要的是建立了獨立從事科研活動所必需的科研方法、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，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，與教師的科研項目有機結(jié)合，強調(diào)對學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(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)工程實踐教學(xué)體系的建設(shè)［J］．實驗室研究與探索，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