生物医学测量技术范文

导语：如何才能写好一篇生物医学测量技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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所谓生物医学，顾名思义就是将电子学的知识和生物学的相关知识以及医学的相关知识进行融合的一种新的学科领域[1]。然而，在生物医学的研究过程当中，由于生物医学的学科本身具有很高的准确性和和精准性要求，因此，微电子技术在生物医学当中得到了广泛的运用。

 

一、生物医学传感器

 

在生物医学中，生物体在通常情况下都会具有相应的生命迹象、生命性质和生命状态以及生命的成分，并且通过一定的变量表现出来，而生物医学传感器就是把生物体的这些相关的特征通过电子设备的转化，将这些信息成为一种函数关系，并通过函数关系将这些信息表现在电子设备当中[2]。在生物医学领域，主要的医学传感器主要分为以下几种，首先是电阻式的生物医学传感器，其次还有电感式的医学生物传感器，此外还有电容的医学生物传感器，除此之外还包括热电式的生物医学生物传感器，除了以上的四种传感器外，常用的医学传感器还有光电生物医学传感器和生物传感器等等。在生物医学的传感器的发展当中，集成化和微型化的发展方向是传感器发展的比较主要的趋势。这种微型化和集成化的特征能够使生物医学在最大程度上实现测量的精确化，甚至可以将这种精确度带入到分子和原子的水平和高度，使生物医学的发展步入空前繁荣的发展阶段。在传感器的发展过程当中，生物医学传感器的前进轨迹主要有四种基本的方向，首先就是将无机物作为研究材料从而进行的研究;其次是在对生物传感器研究的过程当中，根据有、无机物自身的长处从而对有、无机物材料进行融合的传感器的研究;再次，为了使传感器在使用的过程当中能够保证自身的精确度，智能化技术的传感器也是经常会运用到生物医学当中的[3]。最后，在生物传感器的运用过程当中，将纳米技术和微电子技术相融合的传感器技术进行研究，也是传感器在未来发展当中经常会遇到的。生物医学传感器如下图所示。

 

二、植入式电子系统

 

除此之外，植入式电子传感器也是在生物医学当中经常会遇到的微电子技术。由于人体的很多生物特征都是在人体的内部才能够发现的，因此，在生物医学领域，也需要在人体的内部植入一定的电子设备，从而能够顾实现对人体内部的生命特征和医学中所需要的其他的人体内部的参数进行测量，并根据测量出来的数据从而能够实现对人体疾病的判断，并相应对人体的疾病进行治疗。在这种情况下，植入式电子系统就开始在医学领域得到广泛的应用。随着电子技术的不断发展，在通常的情况下，可以采取多种方法对人体内植入一些植入式的微电子系统，最常见的是将没有任何毒性的材料植入病人的身体内，值得注意的是这种材料能够不会与生物具有相斥性[4]。

 

在生物医学微电子技术的研究当中，与植入性电子系统相关的主要技术有以下几种情况。第一种情况是对植入式电子系统的天线进行设计的技术，这种技术主要是针对将天线进行微型化处理的问题的技术。第二种情况是对射频电路进行设计的技术研究，这种技术主要是为了针对生物体的体内和体外之间的通信环节所进行的技术。第三种技术主要是低功耗植入式集成电路的生物医学微电子技术，这种技术主要是针对一些电子设备在生物体内由于长时间的工作，会给人体产生过多的热量，从而影响到生物体健康的一种技术。第四种情况是指为生物体内的电子系统提供运转所需要的能量的生物技术，这个技术主要是针对植入式电子设备需要能量的供给进行设计并运用的。第五种情况就是对电子系统设备的微弱的电子信号进行捕捉的技术，由于人所处的环境是十分复杂的，所以有时候很难捕捉到植入式微电子设备的信号，因此，在这种情况下，就需要采用这种对微弱信号进行捕捉的技术。最后一种技术是对微电子植入技术进行封装的一种技术，通过对微电子植入技术进行封装，从而实现微电子设备在人体内的健康运转，并且不会对人体造成伤害。下图为植入式电子系统图。

 

三、生物芯片技术

 

生物芯片是最近几十年才开始进行广泛使用的技术手段，二十世纪八十年代的时候，微电子技术取得了极大的发展，科学家将生物的活性分子和有机功能的分子通过装配构造一个微型的电子设备，在这种微型的电子设备内部，包含了对生物体体内的信息进行收集的系统，和对生物体内的信息进行处理的系统以及对生物体体内的信息进行传输的系统。从二十世纪九十年代开始，经过了十年的发展后，生物芯片的发展进入了另外一个高度，在这个时候，生物芯片能够对各种生物体进行工作，除此之外，电子芯片甚至还可以对生物体的细胞以及生物体内的软组织的基因信息进行读取，因此，生物芯片在这时候甚至被形象地称为“人体内的小实验室”。在目前的社会当中，生物芯片技术得到了广泛地应用，其中比较显著的生物芯片是基因芯片，如下图所示[5]。

 

结束语：

 

随着科技水平的不断提高，微电子技术已经得到了广泛地运用，尤其是在生物医学领域。生物医学传感技术、植入式电子系统技术以及芯片技术等为生物医学领域的发展注入了活力，促进了生物医学领域的发展。

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英文名称：Biomedical Engineering and Clinical Medicine

主管单位：天津市卫生局

主办单位：天津市生物医学工程学会;天津医科大学第三中心医院

出版周期：双月刊

出版地址：天津市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1009-7090

国内刊号：12-1329/R

邮发代号：6-147

发行范围：

创刊时间：1997

期刊收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

核心期刊：

期刊荣誉：

Caj-cd规范获奖期刊

联系方式

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生物医学工程学（Biomedical Engineering，BME）是综合物理学、生物学、医学和工程技术科学的理论和方法，多层次研究人体结构、功能和各种生命现象的理、工、医密切结合的边缘学科，是多种工程学科向生物医学渗透的产物。21世纪是生命科学与医学的世纪，随着知识时代的来临，生物医学工程技术得到了日新月异的发展，正以前所未有的迅猛态势渗透于社会的方方面面。如何培养“宽知识、厚基础、强能力、高素质”的医工结合人才是生物医学工程学教育迫切需要解决的重要课题，但是传统的实验授课方式与培养创新型高素质医工结合人才的目标严重冲突，只有改进实验教学方法，才能达到实验教学效果的最优化，促使学生智力和多种能力不断发展，满足时代的要求。

2.实验教学现状分析

目前，在国内开设生物医学工程专业的高校仍然主要以传统授课式讲解（Lecture-Based Learning，LBL）的实验教学模式为主，实验教学中存在如下问题：（1）实验教学由教师做主角，实验设备、实验材料、实验设计，甚至于实验记录都是老师早就准备好的，实验结果也是教师了然于胸的。学生缺少自主性，抹杀实验课的学生主体地位[1]。（2）传统实验教学内容偏重验证型实验，综合型、设计型、创新型实验较少。实验项目的设置常常是按照教学大纲的要求机械设定，忽略实验项目之间的有机结合性和连贯性，存在实验项目之间相对孤立、缺乏内在联系的缺陷。（3）传统实验教学没有考虑学生的学习兴趣，学生通常没有积极参与解决问题的意识。（4）原有实验教学大纲中设置的演示性、验证性实验比较多，不仅造成课程拥挤，而且使基础学科与实践脱节，学生对知识的运用能力差，缺乏横向思维。

因此，在生物医学工程实验教学中引入国际上先进的PBL（Problem-Based Learning）教学模式，结合传统LBL学习策略，探索PBL+LBL教学法，是一个达到师生双赢的教学设计[2]，必将在促进高等教育实验教学改革、实验室管理改革与发展、培养具有实践能力的复合型医工结合人才等方面具备重要意义。

3.实验教学改革的研究方法

温州医科大学作为浙江省省属高校里最早开设生物医学工程专业的学校，越来越重视生物医学工程专业实验课程的改革。我们在着手分析各门实验课程特点的基础上，寻找PBL与实验课程的结合点，辅以LBL实验教学模式，并在日常实验教学中进行实践，在这一框架下重新组织实验教学内容并进行实验教学模式改革。

3.1实验教学模型的构建

本课题研究组根据我校生物医学工程实验教学的师资力量和现有实验室资源，按照专业教育人才培养目标，引入PBL教学模式，结合传统LBL教学方法，分教学内容、教学目标、教学活动、教学环境、教学评价5个方面提出基于PBL+LBL生物医学工程实验教学模式的理论模型。

3.2实验课程设计及应用研究

为了使PBL+LBL教学模式在生物医学工程实验课程中实施的效果可以更直观，笔者以生物医学工程专业实验课程当中重要的一门专业基础实验课程《医学电子仪器实验》其中一个实验项目“心电信号的测量”为例，根据提出的基于PBL+LBL生物医学工程实验教学模式理论模型进行应用研究。

《医学电子仪器实验》教学内容设计：①实验的系统知识：学生进行PBL+LBL实验教学模式后，可以习得生理学、信号与系统、数字信号处理、电子技术基础、医学传感器等一系列内容，增加知识覆盖面。②实验的问题设计：在实验室现有设备基础上，如何进行心电信号测量、血压信号测量和血氧饱和度测量？

《医学电子仪器实验》教学目标设计：①实验前需要掌握的知识：导联组合方式、人体心电信号提取、过压保护电路设计、电极和导连线串入的高压信号处理、导联切换电路、前置放大电路、多级放大电路、模数转换电路，等等。②实验的能力培养：可以充分调动学生的学习热情和求知欲，培养学生的创新和自主学习能力，让学生掌握更多电路设计知识和综合检测等技术。③实验后的习惯培养：培养学生解决问题的能力、习得系统化的文化知识并培养良好的学习习惯，为终身学习奠定基础。

《医学电子仪器实验》教学活动设计：①实验前资料搜集：实验前，实验教师通过LBL教学方法讲解实验的基本原理和要求后，学生首先通过查阅有关参考书和利用图书馆资料，结合实验课程网络资源的资料，了解心电信号的特点，明确测量心电信号的临床意义，独立设计详细的实验操作方案。其次教师要求学生查阅实验有关的文献资料，让学生了解心电信号的采集过程，比较不同参考资料的实验方法，在本实验室现有条件下选择适合的仪器，设计心电信号采集电路。②实验中的小组讨论：学生分组讨论是PBL+LBL教学法的关键。笔者让学习成绩较好的与较差的学生混合编组，每组5～8人，使大家相互带动，共同提高。通过小组讨论和实验指导教师引导使学生认识实验中必须解决的关键问题。在以上问题的基础上，各小组对实验如何操作进行讨论，形成实验的初步方案。然后教师对各小组实验操作方案点评，确定最终的实验操作方案。③实验的操作与总结：各小组学生将依据讨论制订的最终方案进行实验。在实验操作结束后，由教师组织全班学生对各小组实验结果进行比较、讨论，对实验中未解决的问题和新发现的问题进行探讨、交流，将《医学电子仪器》的理论知识与实际临床问题联系起来，进一步深化学生对理论知识的掌握。

3.3实验教学考核评价机制改革

实验最后成绩包含如下几个部分：资料搜集、小组讨论情况、参与实验方案制订、实验操作、实验结果的分析处理。本课题组将以上实验成绩有关的几部分效果评价权重分配为（过程评价：资料搜集（5%）、小组讨论情况（10%）、参与实验方案制订（15%）、实验操作（20%）；结果评价：实验结果的分析处理（50%）），实施考核实验过程评价与实验结果评价并重的评价方式。这样的设计有利于对教学效果和教学目标的实现情况进行随时评估，学生根据评估结果可以随时反思自己仍存在的问题。

3.4实验教学考核方法评估

笔者选择生物医学工程专业2012级学生开展实验研究，共4个班级120名学生，在2013～2014学年第二学期和2014～2015学年第一学期进行实验课程教学中应用PBL+LBL实验教学模型，对实验前后得到的实验成绩数据进行统计，并用SPSS 10.0软件进行分析和T-student检验，P

笔者通过设计问卷调查及组织访谈的形式，在实验教学活动结束后，采用不记名的方法，从如下几个方面调查学生对PBL+LBL实验教学模式的效果评估。共发出调查问卷120份，回收率为100%。

在PBL+LBL实验教学模式给学生带来的收获方面的问卷调查中，问卷中有96.5%的同学表示解决实践问题的能力得到了提高，只有2.5%持不确定的态度，1%的同学认为自己并没有什么收获；在PBL+LBL实验教学模式对增强自学能力、拓宽知识面及增加信息量有多大影响的问卷中，95%的同学表示各方面能力得到了一定的提高，收获颇丰；在PBL+LBL实验教学模式对学生以后学习和工作的帮助方面，表明大约91%的学生认为该课程对今后学习和工作非常有帮助、有帮助和有一定帮助；大约87%的同学对应用PBL+LBL实验教学模型感到非常满意、满意和基本满意，表明实验教学模式的设计获得了学生的普遍认可；大约84%的同学对实验教学的评价方式持非常满意、满意和基本满意的态度，表明PBL+LBL实验教学模型评估方式获得了学生的认可。

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一、开设生物医学工程专业的必要性

生物医学工程专业是一门跨医学和电子工程、计算机技术的综合性学科，主要培养医疗仪器设备公司所需的设计、生产、调试和售后维修服务的技术人员，也可以向医院提供从事影像技术和设备维护的技术人员。随着计算机技术的发展，目前国内医院都在进行医疗设备的更新换代，拥有大量现代化高技术含量的医疗设备成为医院达标的重要指标。医院正需要掌握这方面技术的人员。同时，卫生部已下达文件，到2010年大医院实现医学图像数字化管理，中小型医院要逐步实现数字化管理。而我们开办的生物医学工程专业突出了影像技术和计算机课程的教学，为学生掌握医学图像的获取、传输、处理打下了良好的基础。与此同时，国家正在加大医疗仪器设备国产化的力度，扶持和发展医疗仪器设备生产的民族企业，一大批从事医疗仪器设备生产的民营企业纷纷建立，它们需要大量的生物医学工程专业的中级人才。

从以上的分析可以看出，社会对生物医学工程专业的专业人才需求还有很大的空间。我校开设生物医学工程专业，既有利于江西医疗仪器设备工业的发展，又能满足周边省份对这类人才的需求。通过我们对厂家和医院的调查，以每年招生50人计年2月中算，5年内仍不能满足人才市场需求，毕业生就业形势看好。

二、生物医学工程专业培养目标

培养目标是一个专业规定的人才培养方向和标准，是培养人才模式的重要内容。根据社会需求和我院的实际情况，我们将生物医学工程专业的培养目标定为：培养具备医学基础知识、电子技术、医疗仪器设备技术和信息系统的基础知识，掌握医学影像技术、计算机技术和各种医学仪器设备的专业知识，能在各企业从事各类医学仪器设备系统的设计、制造、调试、维修及销售的工程技术人才和在医院从事医疗设备管理、维修和应用的技术人才。要求学生主要学习医学基础知识、电子技术、计算机技术、信息科学的基础理论和基础知识，接受电子技术、信号检测与处理、计算机技术在医学中的应用等技能的基本训练。毕业生必须具有以下几个方面的专业技术和能力：掌握电子技术的基本原理及设计方法，掌握信号检测和信号处理及分析的基本理论，具有生物医学的基础知识，具有微处理器和计算机应用能力，具有医学影像诊断方面的应用能力，具有生物医学工程研究与开发的初步能力，掌握医学电子仪器和影像设备维护与管理技术，具有医院信息化管理、医学图像传输和处理、医院办公自动化、远程医疗技术，了解生物医学工程的发展动态。

三、生物医学工程专业课程设置

学科的高度分化和高度综合是现代科学技术发展的重要特征之一。生物医学工程是运用工程技术的理论与方法解决医学中的实际问题。因此，生物医学工程应在现代医学理论和工程技术理论及相关学科的基础上，建立起自己的专业学科课程）体系。要培养复合应用型生物医学工程人才，使之适应当前社会的要求，就必须对传统的教学模式进行改革。而我们教学改革的原则是“拓宽专业、加强基础、增多方向”，正确处理规模、结构、质量、效益的关系，从变革和发展内涵入手，在扩大专业基础面的同时，分类加深加细应用型人才的培养，主动适应社会的实际需求。

生物医学工程专业在我国开办较晚，没有现成的培养模式，也没有配套教材。为了达到培养目标，确保培养规格，我院对生物医学工程专业课程设置和教材选用十分慎重，尤其是课程设置方面。经过近十年的探索和实践，我系已初步形成了一套科学完整的课程体系，其中学分为170分，学时为2500个左右，课程有40多门，主要课程如下：

1.通识课模块。主要包括政治、体育、大学英语、大学物理、高等数学、计算机基础、C语言程序设计、线性代数、大学物理实验等课程。这些课程的设置是为学生的德智体全面发展和进一步学习专业基础课及专业课奠定基础。

2.医学基础课模块。主要包括基础医学概论含人体解剖学、组织胚胎学、生理学、生物化学）、临床医学概论含诊断学、内科学、外科学）等课程。通过上述课程的学习，使学生较系统地掌握基础医学的基本知识和基本技能，为学生今后进一步学习专业知识，向医学交叉学科方向发展提供知识储备。

3.专业基础课模块。包括模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电路分析基础、电子测量与工艺、单片机及其应用、汇编语言、微机原理与接口、医用传感器原理、工程制图、Matlab应用等课程。通过上述课程的学习，使学生能够掌握电子技术、计算机技术、信号检测和信号处理的基本原理及应用，为进一步学习专业课奠定牢固的基础。

4.专业课模块。主要包括超声诊断仪器原理、X射线设备、医用检验仪器、医用电子仪器、医用电动仪器、现代医学影像技术概论、医学图像处理、医用制冷设备、生物信号处理、临床医学工程技术等课程。通过这些专业课程的学习，使学生能掌握医学影像技术和各种医学仪器的专业知识，能成为在各企业从事各类医学仪器的设计、制造、调试、维修及销售的工程技术人才和在医院从事医疗设备管理和应用的技术人才。

5.实贱模块。实践教学环节包括了军训、生产劳动、社会实践、科研训练、毕业实习和设计。其中军训2周，社会实践、科研训练各安排1周，毕业实习和课程设计各安排10周。

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【关键词】生物医学工程普通化学课程教学改革

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2012）10C-0135-02

一、生物医学工程专业的特点

生物医学工程旨在运用工程技术的原理和方法，研究和解决生物学和医学问题的新兴、边缘、交叉学科。其主要任务是：从工程学角度研究、解释生物体特别是人体的生理、病理变化过程。其主要研究方向包括：生物系统的建模与仿真、生物医学信号的检测与分析、生物医学成像和图像处理、电磁场生物效应、脑科学与认知、人工器官以及相关的医疗设备的研制等。生物医学工程学是医疗卫生健康、保健性产业的重要基础和动力，它所带动的产业在国民经济中占有重要地位，世界各国都在不断加大对生物医学工程的投入。经过本专业培养的学生，不仅应能够在医学中较熟练地运用电子技术、信息处理技术、计算机技术，而且还应具备生物科学理论基础以及医工结合的研究和实验技能，以及医疗电子设备、医学信息处理的初步开发、研究、应用、维护和管理能力。本专业毕业的学生择业面宽，就业适应能力强。毕业生既可以在医疗仪器行业从事新产品的开发与应用，又可以在医院医学工程部门比如医学仪器、医学影像设备与技术，国家技术监督部门，以及其他电子技术、计算机技术、信息产业等部门从事研究、开发、维护与维修、教学及管理等方面的工作。此外，本专业的学生还可以进入生物医学工程、电子信息工程、通信工程与技术、计算机应用技术等方向继续深造。生物医学工程专业培养要求知识方面：打好坚实的数学、化学、物理学、外语、计算机与信息科学和电子技术的基础，掌握宽厚的生物医学工程专业知识，具备宽广而深远的科技视野、强烈的求知欲望、事业心和创新意识。

二、普通化学课程及其教学的基本要求

（一）课程的地位、性质和任务

化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学。在解决人类最关心的环境、材料、能源、医药保健、粮食增产、资源利用等问题中，化学科学处于中心地位。而普通化学则是化学的导言，它包含了现代化学的基本理论、基础知识和基本技能，是现代大学生应该普遍掌握的自然科学基础知识的重要部分，是高等院校非化学专业必修的一门重要的基础课。通过本课程的学习，学生在一定程度上掌握一些必需的近代化学基本理论、基本知识和基本技能，并了解这些理论、知识和技能在生物医学工程领域中的应用；培养学生具有应用化学观点分析生活、生产中的一些简单的化学问题的初步能力；为今后的专业学习和工作打下一定的化学知识基础。

（二）课程教学的基本要求

通过对普通化学课程的学习，学生应掌握化学热力学、化学动力学、化学平衡以及原子、分子结构等方面的基本理论和基础知识；掌握一定的元素化合物的基本知识；掌握重要的有机化合物结构、性能以及一些重要的有机合成反应；掌握分析化学基本原理和一些重要的化学、仪器分析方法；并了解化学在生物医学、环境保护、新材料的研究与应用、能源开发与利用以及生命科学研究等领域的作用，为生物医学工程专业课程打下化学理论基础。

三、普通化学教学改革的具体措施

（一）修改教学大纲

应根据生物医学工程专业的培养方案，修改普通化学的教学大纲，并将本课程分为理论教学和实验教学。理论课时为32学时，实验课时为16学时。首先从普通化学课程的地位、性质和任务来定位。普通化学则是化学的导言，它包含现代化学的基本理论、基础知识和基本技能，使学生掌握化学热力学、化学动力学、化学平衡；掌握一定的元素化合物的基本知识；掌握重要的有机化合物结构、性能以及一些重要的有机合成反应；掌握分析化学基本原理和一些重要的化学、仪器分析方法；并了解化学在生物医学以及生命科学研究等领域的作用，为生物医学工程专业课程打下化学理论基础。

为了培养学生的动手能力，应让学生熟悉化学实验及实验室的基本规则；培养学生认真观察实验现象、正确记录和实验数据的习惯；了解常用化学仪器的性能、使用和维护方法。同时，应培养学生正确处理实验数据，正确书写实验报告的能力；促使学生逐渐养成严谨的科学态度、实事求是的实验习惯和工作作风，并初步具有独立思考、独立设计实验、独立进行实验以及独立分析、综合问题的能力，从而为后续课程的学习和进一步的科学研究打下基础。主要实验项目如下：玻璃工操作实验（2学时）；离解平衡与沉淀一溶解平衡（2学时）；铜、锌、银、镉及其离子的鉴定（2学时）；烃的性质和鉴定（2学时）；粗盐的提纯（4学时）。

值得注意的是，理论教学大纲和实验教学大纲的修订，应体现专业特色明确、重点突出、思路清晰的教学思路。

（二）探索新的教学方法

1.理论联系实际。普通化学是非化学化工类专业学生开设的一门基础化学课，主要介绍化学学科基本情况，化学各个分支对社会发展的作用，化学学科的发展现状、发展趋势，化学与其他自然科学、工程技术学科的关系。因此，普通化学课程知识点多、内容复杂、概念跨度大，需要与学生所学专业及实际情况有机结合起来。然而，在教学实践中，本课程的教学课时不足，教学过程中，化学理论和化学与专业结合选择是，教师往往容易顾此失彼，使化学教学演变成一堆化学名词和专业术语的堆积，枯燥乏味。同时，学生重视度不够、学习兴趣不浓。但是化学知识在各种领域中不断渗透，在日常社会生活中起着越来越重要的作用。面对实际问题，针对生物医学工程专业特点，在教学过程中，教师可首先和学生进行讨论，解决如下问题：（1）学习的原动力。（2）学习的方法和习惯；告诉大学课程内容多，上课进度快、信息量大，并且辅导课和习题课少，要掌握好学习方法；设计了从实验现象一引发思考一理论内容一实验内容一在线测试的教学路线。（3）学习精神，只有更加刻苦才有可能适应大学阶段的学习。通过讨论和示范，激发学生的学习兴趣，以求达到最佳教学效果。

将普通化学中基础部分的讲授与中学化学教学良好接轨，在上课时首先回顾一下中学化学相关知识点，再引入新的知识点。在讲例题的采用为“先示例、后解析”的方式。上实验课，采用实验前提问和预习，代替实验课先讲实验原理和步骤的方式，要求、鼓励学生预习和思考。在指导实验时，及时发现问题，引导学生深入思考。建议学校平时适当开放实验室，为对化学感兴趣的学生提供实际操作平台。鼓励学生根据个人兴趣参加项目创新活动，和指导教师一起选题，查阅文献，学习相关知识，进行科研活动。当然，也可结合其他课外科技活动展开教学。

2引入实例。在实际的教学过程中，针对生物医学工程专业特点，可适当引入生活和专业应用中的具体实施例。课堂讲授时，利用具体实例，引入每一章节内容，再将每一章节的重点、难点内容在学生深入挖掘的基础上，将内容分解成若干小问题或将若干相关小问题合并起来，指导学生联想、讨论思考、联想归纳、比较总结本课程的目标是系统讲授化学基本理论和知识，加强基础，提炼基本，按需拓宽，注重实践性和应用性。

在讲到酸碱时，可把知识点延伸，把电子舌知识和酸碱性结合起来。电子舌测量酸味时就是利用酸性，检测出酸的浓度，也就是将酸的浓度通过化学传感器转化为可检测的信号，信号的强弱就能反映酸的浓度。同样，电子舌检测其他味觉，就是将其味觉物质，通过化学传感器转化为可检测的信号，通过信号的强弱来反映味觉物质的含量，进一步体现味道的内涵。

可引入直观形象的化学反应动画效果，加强学生对反应机理和抽象概念的理解；同时，可采用动态图表，充分发挥各类图形的优势。

3.突出重点，扩大信息量。根据培养方案和生物医学工程专业的特点，可将下列内容列为普通化学的教学重点和难点：热力学的基本概念；盖斯定律和标准生成焓、标准熵、标准吉布斯自由能计算方法；化学反应自发进行的判剧；化学平衡常数、化学平衡移动的规律及有关计算；分散体系的概念及分类；溶液的依数性；胶体分散体系的性质及结构；弱酸、弱碱解离平衡；溶度积规则和溶解平衡；电极电势的概念；用电极电势的数据判断氧化剂和还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度；配位体的相关概念及命名规则；核外电子运动的特殊性；四个量子数的取值及物理意义。教学难点为：化学反应等温方程式的应用；相似相溶液原理；能斯特方程式的应用；吉布斯自由能变、原电池电动势、氧化还原反应平衡常数的关系。根据重点和难点，可采取理论讲解、PPT、板书和学生互动相结合的教学模式，讲解后再让学生来回答问题，加深学生对重点知识点的印象与理解，在原有知识点的基础上扩大信息量。

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一、神灵主义的医学模式

人类文明出现的最初阶段，生产力水平极端低下，人们认识水平有限，对生老病死的现象无法找出合理的解释。这个时期的人们将人类的健康、疾病、死亡都看做是受神灵支配的，人对此无能为力，健康是神灵的赐予，疾病与死亡是神灵的惩罚，只有通过对神灵的祈求才能实现健康的保护和疾病的治疗。处在这一时期的人们，对疾病的解释和治疗都具有浓厚的迷信色彩，这一历史时期医疗活动由神职和巫卜人员兼任，并没有独立的医学行业。

二、朴素自然哲学医学模式

伴随着的生产力的发展和文明的进步，人们开始摆脱神灵迷信的束缚，对自然进行哲学思考，逐渐有了朴素的辩证整体医学观念。这一时期的人们将人类健康疾病与自然现象联系起来观察与思考，把哲学理论作为基础的思维方式来解释健康与疾病，形成了朴素自然哲学的医学模式。古代中国的五行、阴阳、精气学说，古代希腊希波克拉底体液说都是在此时期产生，这些学说都是对神灵医学观的否定，哲学思考逐渐代替了神学的解释，哲学家医生代替了神卜人员。由于生产力水平和人们的认识水平有限，使得人们对自然现象和人的生老病死无法做出更加科学的解释，但是，它为以后医学走上科学道路奠定了一定的基础。

三、唯心的僧侣医学模式

基督教在中世纪迅速发展，为抵抗其它哲学和教派发展，上层传教士汲取希腊哲学中对其有利部分与基督教原有信仰建立成新的教义体系。英、法、意等大学在此期间设置了一系列为神学服务，为神学理论及辩护的学科，所讲授理论称为经院哲学。黑暗的中世纪，自然科学知识被扭曲，成为了神学的附属物，古希腊与古罗马的科学与文明被淹没。这个时期的医学停滞不前，甚至退步。受当时奥古斯丁原罪思想的影响，人们依赖祈祷进行疾病的治疗与健康的保护，带有不切实际色彩的点金术与返老还童灵药盛行，此时的医生为僧侣医生，有限的医学知识沦为了僧侣医学模式的牺牲品。

四、生物医学模式

欧洲文艺复兴运动推动了社会生产力的发展和科学技术的进步，十五世纪下半叶到十八世纪初是自然科学发展的鼎盛时期。哥白尼的日心说，开普勒的天体运行理论以及伽利略所领导的实验科学等较为先进的科学理论，科学的进步动摇了宗教神学的自然观。牛顿力学三大定律的提出实现了近代科学的第一次综合，形成了用力和机械运动解释一切自然现象的形而上学的机械唯物主义自然观。人们用这种机械唯物主义的观点认识生命和疾病，把人体看成是许多零件组成的机器，疾病就是机器出现故障或失灵，可以修补和完善达到健康的目的。随着资本主义的兴起与发展封建权威和宗教神权的统治被彻底，为科学的进步扫清了障碍，自然科学开始迅猛的发展。近代的实验科学，特别是生物科学的巨大进步使得近代医学进入了一个新的历史时期。这个时期的人们对生命现象及其变化以及健康与疾病的认识，是建立在对生物科学认识基础上的，认为疾病从发生、发展、到治疗、预防，都是有生物学因素决定的。每种疾病都有特定的生物或理化因素，会给人的细胞、组织和器官带来形态或化学上的变化，且这种变化是可测量的。这种建立在生物科学的基础上，强调生物科学对医学的作用的医学模式称之为生物医学模式，它认为疾病的生成是因为细胞的病变引起组织结构病变进而导致器官功能障碍。建立在机械唯物主义基础上的生物医学模式极大地推动了医学的进步与发展，一直沿用至今。

五、生物———心理———社会医学模式

1755年，康德运用辩证的观点，概括综合当时的天文学、力学成就提出了太阳系起源的“星云假说”（《自然通史和天体论》）。恩格斯敏锐地预见到自然科学必然要回归到辩证思维，他在《自然辩证法》和《反杜林论》中首次提出了辩证唯物主义自然观“新的自然观的基本点是完备了：一切僵硬的东西融化了，一切固定的东西消散了，一切被当作永久存在的特殊东西变成了转瞬即逝的东西，整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着。”i20世纪20年代奥地利生物学家贝塔朗菲提出了“机体系统理论”指出“系统的定义可以确定为处于一定的相互关系中并于环境发生关系的各种组成部分（要素）的总体。”ii这个理论指出，对生命现象的解释应是整体性、系统性把握的，不应将其视为单纯的机械运动。美国罗切斯特大学精神病学和内科学教授恩格尔同样看到了生物医学模式的缺陷，于1977年在《科学》杂志上发表文章《需要新的医学模型：对生物医学的挑战》，文章提出了一种新的医学模式应替代已经不适应医学发展要求的生物医学模式，即生物———心理———社会医学模式，他指出：生物———心理———社会医学模式的基本内容是“立足于生物、心理、社会等各种学科，认识疾病和健康不仅应从生物学的变量来测定，而且必须结合心理、社会因素来说明，并且必须从生物的、心理的、社会的水平采取综合措施防治疾病、增进健康”iii。生物———心理———社会医学模式从生物学、心理学、社会学三个方面综合考察人的健康和疾病问题，它认为人的心理与生理、精神与躯体、机体内外环境是一个完整的统一体，心理和社会因素也是影响疾病发生发展的重要因素。

六、结语

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1995年5月22一26日,在美国马里兰州巴尔的摩召开的第15届“激光与光电子学(CLEO)”和第5届“量子电子学与激光科学(QELS)”会议,是世界规模最大的激光一光电子一量子电子学领域的重要的国际会议。本会议一个特别新的内容是激光在生物学与医学上的应用。同时,还举办了一个庞大的技术展览会,展览了许多与生物医学有关的新产品。会上千余篇,内容主要侧重固态与半导体激光器、非线性光学、超短脉冲激光光源、激光在医学生物学中的应用等。这些论文反映了近年来激光科学技术的进展,现分述如下。

1半导体激光

十分引人注目的是半导体激光器件研究方面的成果。其中有关新材料及其处理过程,器件工作物理机制,器件的设计思想,器件工作向短波段的延拓等,都有很大的发展。光子带隙、半导体量子电子学的理论和实验研究逐步使量子阱异质结激光器迈向实用阶段,并导致光学和光电子学用的量子阱器件以及超短脉冲半导体激光器和高速光探测器件的迅速发展。这对推动高速通讯的发展是十分重要的。垂直腔面发射激光器(VCSEL)的功率转换效率已经高于50%,阑值电流200拼A,工作体积7只7(拜m)2;半导体纳米结构材料已经可以制作出微腔激光器。一个10nm的腔体可产生1000nm波长的窄频带辐射。可见区,特别是蓝绿波段半导体激光器研制令人鼓舞,一旦进入实用阶段,势必剧烈改变小功率可见区激光器销售市场的状况,并将大大扩展激光在科技和生活领域的使用范围。长波可见段630nm,650nm和670nm的红色激光二极管(LD)制作成本较前两年已大大下降。目前可以预感到:在激光显示、激光准直、激光印刷、激光医学生物学应用等方面,半导体红光激光二极管将会迅速占领氦氖激光器的原有市场,取而代之。与此有关的蓝色发光二极管(LED)已开始以远较红、黄、绿色发光二极管高昂的价格投放市场(随着技术改进,将很快降低成本),形成了大型彩色显示屏幕蓬勃发展态势。在半导体激光领域,近年备受关注且影响着该领域进一步发展的课题是半导体纳米结构和微腔以及在这类器件中的相干现象的研究。

2固体激光

迅速发展的另一领域是固体激光器。近两年,明显看到:纤维激光和波导固体激光,可调谐固态激光,特别是用半导体激光二极管阵列泵浦的“全固态化”固体激光器的实用化,将可以达到许多目的:相对廉价、稳定性好、寿命长、波长可调谐范围宽、脉冲宽度窄,还可以具有优良的空间分布光束质量等。因此,具有广泛的应用价值。它已开始取代优质、高功率的气体激光器,用于微束打印和数据存储。尤其值得一提的是:“全固态化”的钦宝石激光器,在连续操作时.波长可调谐范围甚宽(从600~1100nm),功率很易达到瓦级水平。在锁模脉冲运转时,可以产生自锁模,脉宽达数十飞钞,平均功率已达瓦级。如此一来,再配合非线性频率变换办法,可以把激光波段扩展到很大的范围。再加这类激光器的装里有牢靠、调节简便的优点,可以做成车载、机载系统。显然,在不远的将来,有可能由它淘汰染料激光。

3非线性光学

非线性光学领域的论文最为吸引人的是一些新的无机或有机光学材料的诞生和应用。目前从紫外到中红外的实用的光学参童振荡器已商品化。此外,与高速信息公路有关的孤子激光产生和传翰问题,其成果已陆续投人实际使用。

4超短超快激光

会议中研讨的一个特殊领域是超短脉冲激光的产生与测量及其在电子学、医学、成象和超快过程控制方面的应用。钦宝石的锁模飞秒激光装置以及光纤激光器的锁模是与当前研究超短光脉冲发生技术的热点。其中有关的机理与技术已趋成熟,将会很快开辟通信、化学、生物学的应用。

5激光生物医学应用

这次会议的一个新颖论题是:激光在生物医学领域的应用。看来,由于激光技术装置的稳定、成熟、易于操作、价格下降以及其特有的难予取代的优点,将很快渗入生物学研究。以及极其审慎的临床医学应用领域。其中成效特别显著的一个方面是激光诱发荧光技术应用于细胞动力学的数字显微成象和生物学过程监测。高速时间分辨荧光光谱技术已开始成功地用于临床医学诊治。

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全国40所职技高师类院校教育情况调查报告

市场体制下的人力资源竞争与制度创新

本刊声明

美育与创造能力的培养

论先进文化的继承和创新

深刻理解“四个如何认识”为深化改革、扩大开放扫清思想障碍

学校内部人事制度改革的思考

调查研究中敏感性问题的“去敏感化”技术述评

商业银行试行客户经理制的思考

采用间接法将净利润调整为现金流量净额的探讨——现金流量表补充资料第二部分

21世纪的文献信息服务

信息时代数字化档案馆建设探讨

影响大学英语四级通过率的因素及对策

大学英语听力素质教育与应试问题

职技高师体育教学模式的发展趋势

基于几何质量和后验误差的网格优化设计

短脉冲紫外激光辐照下硅材料表面剥离过程研究

JettaGTX轿车ABS液压制动管路压力瞬态特性模型

三维直线插补算法的优化及精度分析

基于工业设计的纺织复合材料产品造型设计

基于CAN总线的冷库温度测量设计

用两种算法实现的自适应判决反馈均衡器性能比较

基于尾气分析的发动机故障诊断专家系统

基于PC机的开放式数控系统的设计

宏编程技术在数控车床上的应用

IC卡门锁的电路设计

MEMS及其在生物医学领域中的应用

以太网技术的现状及发展综述

一般二元关系下的粗糙度不等式

线性网络简化分析法的讨论

英国高等教育管理特点及其启示

美国研究生教育发展的特点与借鉴——兼论职技高师职业技术教育学硕士研究生的培养

发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践

应用语言学研究综述

在基础英语教学中培养学生的综合技能

基于几何质量和后验误差的网格优化设计

短脉冲紫外激光辐照下硅材料表面剥离过程研究

JettaGTX轿车ABS液压制动管路压力瞬态特性模型

三维直线插补算法的优化及精度分析

基于工业设计的纺织复合材料产品造型设计

基于CAN总线的冷库温度测量设计

用两种算法实现的自适应判决反馈均衡器性能比较

基于尾气分析的发动机故障诊断专家系统

基于PC机的开放式数控系统的设计

宏编程技术在数控车床上的应用

IC卡门锁的电路设计

MEMS及其在生物医学领域中的应用

以太网技术的现状及发展综述

一般二元关系下的粗糙度不等式

线性网络简化分析法的讨论

英国高等教育管理特点及其启示

美国研究生教育发展的特点与借鉴——兼论职技高师职业技术教育学硕士研究生的培养

发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践

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光镊( optical tweezers)又称为单光束梯度力光阱( single-beam optical gradient forcetrap)，是一种利用高度汇聚的激光束形成的三维梯度势阱来俘获、操纵微小粒子的技术[1]。其中，势阱是指一个包围着局部最小势能的区域，因形如陷阱而被称为势阱。光镊自 1986 年由美国科学家 Arthur Ashkin[2]发明以来，已被广泛应用于生物医学、物理、化学等领域，成为一项重要的研究工具。最初，基于光学显微镜的光镊系统满足了对生物系统同时进行操纵和观测的需要。随着研究的深入，生命科学要求能够进行单分子层次的研究，光镊配套的成像观测系统因此发展出了在秒级时间尺度上的位移测量精度为10－10m级的光镊以提高空间分辨率；为了避免光镊高强度聚焦激光束可能产生的热效应和光化学效应，近场光镊和飞秒脉冲光镊应运而生，克服了传统光镊的热效应问题，有利于保持生物分子的稳定性。为适应生物系统的复杂性，双光镊、三光镊、四光镊和全息光镊等系统的出现实现了多粒子操控。随着光镊的进一步发展，光镊将有可能走出实验室，进入制造业、临床诊断等主流产业中去。本文将综述光镊及拉曼光镊的基本原理和特点，及其在生物医学领域中的研究进展、现状和展望。

光镊的原理和特点

光镊原理简述

光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具。这里以透明电介质小球为模型来阐明光镊的基本原理。如图 1，当一束光穿过电介质小球时，将发生反射和折射，在这个过程中，光子与小球碰撞产生的动量变化将使小球受到散射力和梯度力。散射力 (Fs)正比于入射光强，方向沿光传播的方向；梯度力(Fg)正比于入射光强的梯度，方向沿光强的梯度方向。光镊是依靠光的梯度力形成的，当达到焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个稳定的三维光学势阱来稳定地捕获生物粒子。这一稳定的三维光学势阱是由一束激光通过一个短焦距透镜汇聚来实现的。如图 2 所示，无论入射光从法线之上或者法线之下入射小球，小球所受到的合力均指向焦点(f)，从而使小球被稳定“钳夹”在焦点的位置。

光镊的特点

光镊的基本功能赋予了其在生物医学研究领域中的独特优势。1) 光镊可捕获和操控数十纳米到数十微米的微粒，而大多数生物微粒，诸如细胞、细胞器甚至生物大分子，都恰好在这一尺度范围内。因此，光镊可用于操控和研究生物微粒。2) 光镊以一种温和的、非机械接触的方式完成夹持和操纵物体，捕获力是施加在整个微粒上，而不是像机械捕获那样集中在很小的面积上，不会对捕获的生物微粒造成机械损伤和污染。3) 由于光的无形性和穿透性，光镊可以在保持细胞自然生活环境的情况下对其进行捕获与操纵，而且，光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度(1000倍)，是遥控操作，几乎不干扰生物粒子周围环境和它的正常生命活动。4)光镊能产生皮牛顿量级的力，且在捕获焦点附近表现出虎克弹簧的性质，能满足单分子力学和单细胞研究的需求，是重要的传感探测工具。另外，光镊与拉曼光谱结合被称为拉曼光镊技术。拉曼光镊被广泛应用于生物医学研究中，因其具有微量检测、快速和高精度等优点，特别适合生物样品的化学成分分析[3]。单独使用拉曼光谱进行测量时需要将激光束聚焦到样品上，再探测光束焦点处样品激发的光谱信号。用拉曼光谱技术研究活细胞时，待测细胞需要固定在载玻片上，这样就改变了细胞周围的微环境，可能对细胞机能产生影响。光镊的引入避免了这种情况，因为它可以非接触地操纵活细胞。因此，拉曼光镊可以获得单个活细胞的拉曼光谱，提取单个活细胞的结构信息[4]。

光镊和拉曼光镊技术在生物医学领域中的研究进展

基于多种成像技术的发展，光镊已经从物理学领域中脱颖而出，演变为一项适用于生物医学研究的多功能工具，这是由于光镊可以从单细胞的研究中获得详细的信息。其中，多光镊应用于单细胞的分析拥有巨大潜力，利用其平行测量功能，可以为研究人员提供良好的分析数据，例如，多光镊用于细胞异质性的研究、生物力的测量用于单细胞机械性能的研究等。利用光镊对分子马达和单分子力的研究可以得到其他方法难以获得的研究结果。光镊应用于细胞信号传导和组织工程也有广阔的前景。另外，光镊与微流控系统结合时，可以精确地控制细胞的化学环境，因而可以实现对酸碱性、渗透压、药物和温度等环境因素的实时、动态研究。随着自动化及其它便于操作的光镊设备的发展和跨学科学术合作的日益频繁，光镊技术将成为生物医学领域中一种经常使用的研究工具。

应用于血细胞和血液系统疾病的研究

血细胞

由于生物细胞的多样性和复杂性，在许多情况下，为了从研究中得到相关信息，需要对大量细胞进行研究。如果对细胞一个接一个地研究，研究过程会过分耗时。为了解决这一问题，多光镊被开发出来以实现对单细胞的平行研究。Ramser 等[5]开发了双光束光镊系统来研究红细胞，并使用不同波长的激光获得了红细胞的拉曼光谱，发现波长 514.5 nm 的激光激发出的光谱质量最好，且500～1650 cm－1范围内的光谱峰随时间发生了变化，这是由于这一区域的光谱对氧从血红素中解离的光解作用较为敏感所致。Cojoc 等[6]应用多光镊技术在多个位置成功捕获了红细胞，他们使用衍射分光镜将激光分裂为多光束，使用氩离子激光探测被捕获的红细胞。多光镊技术与单光镊相比有三个独特的优势：1) 允许细胞在三维空间内排布；2)允许细胞的侧向移动，激光可从不同位置激发拉曼光谱；3)入射在细胞上的激光强度分散，降低了光损伤的可能性。国内外有许多应用拉曼光镊对血细胞进行研究的报道。拉曼光镊基于光子的非弹性散射，通过获得入射光子与散射光子的能量差异，观察分子键的振动状态，从而获得丰富的分子结构信息。因此，拉曼光镊可以快速灵敏地分析红细胞，特别是分析血红蛋白的状态。Deng 等[7]使用拉曼光镊技术研究了酒精对红细胞的作用，他们记录了细胞与 20%酒精接触过程中的拉曼光谱随时间的变化情况，发现表示血红蛋白的光谱带强度随着红细胞与酒精接触时间的延长而下降。王桂文等[8]应用拉曼光镊技术俘获形态正常和发生形变的红细胞并获得其拉曼光谱，以平均光谱、主成分分析 (principal component analysis，PCA) 等方法分析不同形态红细胞的光谱差异与胞内血红蛋白的变化，以及这些差异和变化对光谱诊断分析的影响。结果发现，在正常的生理环境下，红细胞发生皱缩甚至形成棘形细胞，都不会影响光谱判别分析。最近，该实验组应用拉曼光镊结合气体循环供给装置，收集并分析了不同氧合状态的单个红细胞的拉曼光谱[9]，发现较强功率的激光照射会导致血红蛋白凝集特征峰(1248 cm－1和 1371 cm－1)升高。I1638/I1547比值是区分氧合态与去氧合态的良好标志，经较长时间保存的红细胞氧合能力增强，但去氧能力没有显著变化；α地中海贫血 HbH-CS患者的红细胞氧合能力比正常对照强，但其去氧能力较差。由此可见，拉曼光谱特别适合分析血红蛋白。这主要因为血红蛋白的活性中心由卟啉环组成，卟啉环可以吸收几个可见光区的波长，使用接近这些波长的激光照射红细胞，就会出现共振效应，测量集中在血红蛋白分子上，而不会受到其他细胞成分和环境的干扰。由于在全血中可以检查到许多血细胞缺陷，血液细胞的分选受到关注。Grover 等[10]使用两束相反方向的激光，在光捕获的基础上，通过图像处理系统区分红细胞、白细胞和血小板，并最终将分选好的各类细胞转运到微流系统的指定容器中。该分选方法快速、精准。这说明当分选对象在大小、形状上存在较大差异时，可以利用其在光场中所受作用力的不同对其进行分选。Paterson 等[11]利用 Bessel 光产生的环形对称光场将红细胞与淋巴细胞分开，正是由于两种细胞的受力不同，在光场中的行为也不同。在该研究中，研究者发现双凹形的红细胞在Bessel 光的外环上聚集后才到达 Bessel 光中心，而球形的淋巴细胞则直接到达 Bessel 光中心。最近，Yang 等[12]使用光镊技术来测量凝血细胞之间的力，通过观察血红细胞的活动，发现凝血共经历三个阶段；通过测量血红细胞间的相互作用力，发现肝素使血细胞之间的力变小并延长了凝血时间，而氨甲环酸使凝血过程跳过前两个阶段而直接进入最后阶段。由于光镊的力范围在飞牛至纳牛，正好涵盖了许多细胞内和细胞间的生命过程，所以，可以很好地应用于测量细胞间或细胞内分子之间的相互作用力。

血液系统疾病

血液系统疾病主要表现在血细胞的异质性，由于拉曼光镊可以获得详细的生物细胞分子的结构信息，因此，可用于对细胞异质性的研究。Chan等[13]利用拉曼光镊技术获得了正常和癌变白细胞的拉曼光谱，发现癌变的白细胞 DNA 光谱带强度比正常白细胞低。Chan等[14]还通过捕获白血病病人的活体白血病细胞获得了可复制性的拉曼光谱，并应用 PCA 方法将正常和癌变白细胞的拉曼光谱进行了区分。由主元线性鉴别分析法 (principlecomponent linear discriminant analysis，PC-LDA) 进行监督分类，敏感度可达到 95%。因为使用了真实的临床病例，提高了这项研究的应用价值。Jess 等[15]应用双光镊并结合拉曼光谱和微流控芯片，获得了单个 HI60 人类早幼粒白血病细胞的拉曼光谱。微流控芯片的应用显著加快了细胞的拉曼光谱检测进程。De Luca等[16]采用拉曼光镊技术，在单细胞水平上研究了β-地中海贫血红细胞的携氧能力和细胞膜脆性，发现地中海贫血红细胞的携氧能力下降，且其对于氧分压更为敏感；测量到的膜剪切系数显示地中海贫血红细胞膜脆性增加了40%，证实主要影响血红蛋白合成的基因缺陷对于红细胞的机械性能也存在强烈的影响。王桂文等[17]应用拉曼光镊技术收集了一例重型α地中海贫血患者单个红细胞的拉曼光谱。结果发现，重型 α 地中海贫血患者红细胞的拉曼光谱信号显著低于正常对照，并检测到一定比例的有核红细胞；正常对照的红细胞拉曼光谱均一，而重型α地中海贫血患者的细胞形态和拉曼光谱均显示出多样性；中等大小、形态接近正常的一类红细胞，其细胞间光谱差异最大；可观察到部分外表形态正常的红细胞，但其血红蛋白可能发生了血红素凝集和蛋白质变性。该实验组[18]还将 PCA和反向传播 BP 网络预测模型相结合，进行了地中海贫血红细胞类型的判别。PCA 结果显示，正常对照与中间型α地中海贫血细胞(HbH-CS)基本可以区分，但正常对照与重型β地中海贫血细胞及 HbH-CS 与重型 β 地中海贫血细胞间的差异不明显。将归一化处理的前5个主成分进行 BP 网络训练及预测，结果发现，正常对照与 HbH-CS 间的预测正确率高达97.90%，正常对照与重型β地中海贫血细胞及 HbH-CS 与重型 β 地中海贫血细胞间的预测正确率分别为 90.72%和 86.28%。综上所述，通过将光镊与拉曼光谱和微流控芯片相结合，可用于检测血细胞中血红蛋白的生理状态，并对血细胞进行分选，具有很大的临床应用潜力。应用该方法，可以获得异质红细胞与正常红细胞的拉曼光谱，通过PCA 等数据分析手段实现对异质红细胞的鉴别和分选。另外，多光镊的应用明显扩大了对血细胞的研究范围，提高了研究效率。

光镊和拉曼光镊技术应用于微生物和感染性疾病的研究

微生物

大肠埃希菌

由于通过拉曼光谱可获得被分析物的分子指纹，因此，拉曼光镊也可被应用于对单个微生物细胞组分的研究。Xie和 Li[19]使用波长为 785 nm 的激光获得了大肠埃希菌的拉曼光谱，用此方法获得的光谱具有较好的信噪比(signal noise ratio，SNR)和较小的背景干扰。他们发现，大肠埃希菌在 60℃以上培养时，代表核酸的光谱带强度显著下降。该实验组进一步的研究[20]还发现，使用拉曼光镊能够区分不同培养条件下平台期的细菌。生物对激光的反应取决于激光的波长和强度。与可见光相比，近红外激光能够降低光损伤。Neuman 等[21]研究了波长为 790～1064 nm 的激光对大肠杆菌的近红外光效应，发现光损伤最小的激光波长为830 nm 和 970 nm，而光损伤最大的激光波长为 870 nm 和930 nm。Rasmussen 等[22]研究光镊捕获对大肠杆菌的生理损伤，通过测量胞膜内外pH 梯度来确定细菌的生理状态，发现，波长 1064 nm、功率 6 mV 的激光捕获大肠杆菌 60 min，其细胞膜内外的pH 梯度无显著下降，而用同样波长、功率 18 mV 的激光捕获仅几分钟，大肠杆菌细胞膜内外的pH 梯度就明显下降；他们还发现，振荡条件下培养的大肠埃希菌比非振荡条件下培养的受到的生理损伤小。Mirsaidov 等[23]对大肠杆菌的生存力进行了研究，与之前的研究结果不同，研究人员发现光损伤与近红外激光波长(840～930 nm)的关系微弱，但与激光强度呈线性相关，大肠杆菌的致死光能量为 5 J。Moritz等[24]通过拉曼光镊技术结合 PCA 方法，在单细胞水平上研究了大肠埃希菌对抗生素的反应，发现，培养 4 h，无抗生素组在 729 和 1245 cm－1出现谱峰，而在 1660 cm－1没有谱峰；1 vol%青链霉素组和 5 vol%青链霉素组在 1660 cm－1出现谱峰，但是在729 和1245 cm－1没有谱峰。头孢菌素组的光谱在 729 和 1245 cm－1与青链霉素组相似，反应了抗生素存在下细菌胞内腺嘌呤的生理变化。但是，头孢菌素组的光谱在 1660 cm－1没有谱峰，这可能与青链霉素引起70S 核糖体单体在细胞内的聚集有关。可见，通过对获得的拉曼光谱进行数据处理分析，可得知细胞内外生物大分子的变化情况，因此，拉曼光镊可用于研究环境因素对微生物的作用及其机制。

酵母菌

Xie等[25]通过拉曼光镊技术获取酵母菌的拉曼光谱，再通过与已知正常和死亡酵母菌的拉曼光谱进行比较来筛选正常酵母菌。由于伊红只能使死亡的酵母细胞着色，因此通过拉曼光镊技术分选出的酵母细胞可以通过伊红染色的方法复查。应用此方法对 6 个酵母细胞进行筛选的精确度为 100%。说明可以利用拉曼光镊对酵母菌进行筛选。然而该研究只用了6个细胞，该方法的可靠性需要更大的样本量来加以验证。Creely等[26]通过波长 785 nm 的激光获取酵母菌的光谱，研究该波长的激光对酵母菌的损伤，发现酵母菌被 785 nm 的激光捕获 2 h 未出现细胞损伤，未在拉曼光谱中观察到蛋白质构型的改变，说明 785 nm 的激光对酵母菌的光损伤很小。Eriksson等[27]将光镊与微流控芯片相结合，研究酵母细胞氧化应激的信号路径。其中，绿色荧光蛋白(green fluorescent protein，GFP)与信号路径中的蛋白相结合，可通过荧光显微镜观察细胞的反应。他们发现，转录因子 Yap1p 是在抵抗氧化应激中起主要作用的调节因子。当细胞受到氧化应激时，Yap1p-GFP 进入细胞核，而在正常情况下，Yap1p-GFP 应回到细胞胞质中。该实验组还以同样的方式研究了不同葡萄糖浓度下的 Snf1 路径。Tao 等[28]应用拉曼光镊技术探测粘红酵母细胞内的胡萝卜素、核酸及其他重要生物分子。他们发现，胡萝卜素和脂质的合成在对数期末才出现显著增加，在平台期之后总量达到最大；核酸在早期的合成增加，随着酵母菌生长逐渐平稳，核酸合成反而逐渐下降。这些实验说明拉曼光镊系统作为一种快速、便捷、可靠的方法，可以用于胡萝卜素合成过程的菌体内研究。一般来说，生物对激光的反应取决于激光的波长和强度。通过改变捕获激光的光学性质，可以实现不同的研究目的。就非损害的光学捕获而言，应该使用近红外激光。但是，由于不同的生物分子和细胞对激光的反应不同，光镊用于捕获微生物时，应该探索特定波长和强度的激光对该生物的影响。将拉曼光谱与光镊相结合，能够获得细胞内各组分和细胞外分子的详细信息，可用于鉴别不同微生物，检测其生活状态及生命过程。另外，荧光显微镜和特定荧光团的使用能够帮助检测到细胞内某些特定物质的生命活动。

感染性疾病

Mohanty 等[29]基于红细胞在光镊夹持下的旋转运动提出了疟疾的高效诊断方法。当健康红细胞与高渗缓冲液接触时，红细胞变为半月形并在光镊捕获下旋转，而疟疾感染的红细胞不旋转，受感染个体中健康的红细胞低速旋转。该特征可被用于筛查血样。通过该方法在 30 s 内可分析完成 20 个红细胞。最近，Saraogi 等[30]通过用光镊测量受到疟原虫感染的单个红细胞的布朗运动来研究红细胞物理性质的改变。光镊捕获力是该实验的一个重要参数，因为光镊捕获力与激光强度、被捕获对象的物理性质有关。测量布朗运动的功率谱是确定光镊捕获力的方法，该实验就采用测量功率谱的办法来确定光镊的捕获力，进而了解被捕获红细胞的物理性质。研究发现，正常红细胞与被感染红细胞的功率谱出现具有统计学意义的角频率不同。由于感染引起红细胞物理性质的改变，从而使角频率发生变化，但是角频率的变化与感染各个阶段的关系不大。实验中发现仅有不到 10%的红细胞受到寄生虫感染，但是，从感染病人血液中提取的未受疟原虫侵染的细胞，角频率也存在明显的增加，这说明了旁观效应的存在。由于疟原虫可以引起血红细胞性质的变化，因此，通过光镊对受感染红细胞的运动、物理性质等数据进行测量，可为诊断疟疾提供帮助，有望成为疟疾的辅助诊断工具。目前，在口腔医学领域中应用光镊或者拉曼光镊技术进行的研究不多。梁裕芳等[31]应用拉曼光镊技术比较分析了口腔毛滴虫和阴道毛滴虫的拉曼吸收峰，并寻找具有分类学鉴别价值的特征拉曼峰。通过光镊随机俘获单个大小一致、有活力的虫体并记录其拉曼光谱，收集数据并做PCA分析。通过实验发现，不同来源的虫体在 937 cm－1、1002 cm－1和1446 cm－1谱峰的强度和谱型有差异，因此，根据 1002 cm－1谱峰的信号强度，并结合937 cm－1和1002 cm－1峰强度比值(I937/I1002)及1002 cm－1和1446 cm－1峰强度比值(I1002/I1446)，可以作为区分阴道毛滴虫和口腔毛滴虫的量化指标。可见，拉曼光镊技术可以用于鉴别两种毛滴虫。

光镊和拉曼光镊技术应用于肿瘤疾病和抗癌药物的研究

肿瘤疾病

乳腺癌

由于癌细胞在生物分子构成上发生了显著变化，癌细胞的大小、物理性质等也会发生相应的改变。Guck 等[32]使用以光镊为基础设计的“光担架”研究乳腺癌细胞，发现乳腺癌细胞比正常乳腺细胞更容易发生形变。更强的形变能力被认为与恶性肿瘤细胞需要形变后进入循环系统而发生远处转移有关。这一方法可以用于微流细胞筛选，并根据细胞膜变形能力进行诊断。

前列腺癌

由于前列腺特异性抗原检测的高假阳性率，临床上迫切要求提高诊断前列腺癌的准确性。由于拉曼光谱中包含了大量的化学物质结构信息，拉曼光镊被广泛应用于肿瘤细胞与正常细胞的鉴别。Harvey 等[33]应用拉曼光镊技术结合 PCA，区分前列腺癌细胞 (PC-3) 和膀胱细胞系(MGH-U1)，发现 MGH-U1 比 PC-3 含有更多的核酸和蛋白质。这项研究显示拉曼光谱包含大量化学物质的结构信息，例如，氨基化合物Ⅰ和氨基化合物Ⅱ的光谱带分别位于 1650 cm－1和 1570 cm－1，脂质的光谱带在 1200 cm－1至 1400 cm－1的区域内占优势，含苯丙氨酸的蛋白质在1002 cm－1能被清楚地观察到，也有蛋白质在 860 cm－1的位置出现光谱带，在 800 cm－1以下区域的弱带一般代表核酸。Harvey 等[34]还采用化学方法固定前列腺癌细胞、早期前列腺良性肥大细胞和尿道细胞，并应用拉曼光镊技术对这三种细胞进行鉴别。实验结果显示，敏感性大于72%，特异性大于 90%。可见，该研究方法有可能应用于临床，通过简单的尿液检查对前列腺癌进行诊断。与活体组织检查相比，该方法对患者造成的痛苦少，但就其敏感性和特异性而言，仍无法取代活检。

结直肠癌

Zheng等[35]应用拉曼光镊技术获得了 200 个正常和 200 个癌变结直肠细胞的拉曼光谱，并使用ANN和 PCA 对光谱进行分类。结果显示：80 个光谱的单盲试验，敏感性和特异性均达到 86.3%；双盲试验，敏感性达到 85%，特异性达到 92.5%。Chen 等[36]制备了取自直结肠癌变组织的细胞悬液，用光镊捕获正常和癌变结直肠上皮细胞并获得其拉曼光谱，分析显示癌细胞包含更多的核酸和蛋白质。通过单盲试验，敏感性达到 82.5%，特异性达到92.5%。Deng等[8]使用拉曼光镊技术对正常和癌变的直结肠细胞进行研究，发现正常直结肠细胞的光谱带强度比( 1002/1300)为 1.08，而癌变直结肠细胞的光谱带强度比为 0.85。1002 cm－1的光谱带代表蛋白质，1300 cm－1的光谱带代表脂质，可见，正常的直结肠细胞比癌变的直结肠细胞含有更多的蛋白质和更少的脂质，因此通过选择合适的参数(如光谱带强度比)，可实现对细胞良、恶性的快速鉴别。

其他肿瘤

Banerjee和 Zhang[37]应用拉曼光镊来区分星形胶质细胞和它的癌变细胞，与其他肿瘤的研究结果相似：癌变细胞的蛋白质和脂质的光谱带强度比星形胶质细胞的光谱带强度高，这项研究说明拉曼光镊有在较为复杂的领域中进行研究的潜力。姚辉璐等[38]利用拉曼光镊获得了鼻咽癌细胞株和正常人鼻咽部气道上皮细胞株的单细胞拉曼光谱，结果显示：正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱有显著差异，正常细胞的光谱强度比癌细胞明显要高，正常细胞的光谱带强度比(1304/1336)为 1.05，癌细胞为 1.22。证明拉曼光镊可以成为区别正常鼻咽细胞和鼻咽癌细胞的有效手段。该实验组[39]还应用相似的实验模型获得了正常肝细胞株和肝癌细胞株的单细胞拉曼光谱，得到了类似的结果：正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱存在显著差异；癌细胞谱线强度整体变弱；正常细胞1658 cm－1处峰和 1450 cm－1处峰的强度比值为 0.63，癌细胞为 0.99；癌细胞的核酸、蛋白质、脂类等重要生物分子在结构或含量上都发生了不同的改变。用 PCA 方法对单个细胞的平均拉曼光谱进行分析，结果发现PCA 可以正确区分出正常细胞和癌细胞。

抗癌药物

国外学者使用光镊研究 DNA 插入药物与 DNA 的结合方式和亲和性。过去的研究发现喹唑酮类药(PD153035)为新型酪氨酸激酶抑制剂，还发现 PD153035 可以直接插入 DNA，说明这种多靶向定位药物具有很大的治疗人类恶性肿瘤的潜能。Cheng等[40]使用双光镊来确定 PD153035 的亲和性常数 (KA)和插入位点之间最小的碱基对数(n)。光镊系统与一个倒置的光学显微镜结合，包含两束激光，一束采用减反射镜来控制，作为固定势阱，另一束采用扫描镜来控制，作为扫描势阱。另外，用一个四象限光电二极管探测被捕获微珠的位置。为了构建 DNA- 微珠复合体，将噬菌体 DNA 片段的生物素酰化末端与 T4DNA 连接酶捆绑，末端附着于抗生蛋白链霉素包裹的平均直径为 1.87 μm 的微珠上。实验结果表明，DNA在 1 mmol/L 的甲次砷酸钠液中明显增长，在 (23±0.5)℃的环境温度下，KA= (1.18±0.09)×104mol－1L，nPD153035=11 bp。在测量 DNA 分子力的实验中，直接进行 DNA 的操作并不方便，通常需要将DNA 链的一端与微珠相连，以便于对 DNA 的操控。

光镊和拉曼光镊技术应用于亚细胞结构的研究

除了细胞水平的研究，拉曼光镊也可应用于对亚细胞结构(如染色体、线粒体、DNA、RNA等)进行研究。Ojeda 等[41]采用拉曼光镊技术，捕获操控染色体并获得即时光谱，成功鉴别了三个不同的染色体。他们使用光镊分离三个不同的染色体，获得拉曼光谱并进行GDA分析，再用光镊将染色体放置于载玻片上，通过 G 带染色来验证光谱的检测结果。实验结果表明能够根据拉曼光谱区分这三个染色体，从而证实了使用拉曼光镊技术无需染色就能够鉴定人类染色体。Reiner等[42]使用光镊技术从溶解的人 HL-60 细胞中成功提取出单个线粒体并完成线粒体 DNA 异序性的检测。用线粒体绿色荧光染料 (Mitotraker Green FM) 对线粒体染色标记，利用紫外光使细胞溶解，用荧光辨认单个线粒体，再用红外激光捕获线粒体并将其移动到微小的吸液管尖端，线粒体被吸入缓冲液，为分析线粒体 DNA (mtDNA) 做准备。使用PCR 技术 3 次 DNA 扩增后，通过基因测序的方法发现单个线粒体中 mtDNA 的异序性比率约为 50%。该研究说明，荧光显微镜及荧光染料的发展为光镊对细胞中某些特定物质的研究打下了基础。Tang 等[43]应用拉曼光镊技术研究从大鼠的肝脏、心肌和肾脏组织中提取出来的线粒体。首先记录脂质、蛋白质、核酸的拉曼谱峰，再通过拉曼光镊获得各组织中提取出来的线粒体的拉曼光谱，发现从不同组织中提取的线粒体的差异是由于各组织中线粒体组分的不同造成的，例如，肝脏线粒体和心肌线粒体的光谱差异源于脂质的结构和蛋白质的分子量不同。Tang 等还发现，当线粒体与含 100 μmol/L Ca2+的 KCl 缓冲液接触时，1602 cm－1的拉曼谱峰强度下降。这项研究说明拉曼光镊技术可以研究单个线粒体的生命活动及其与药物、毒素接触时的组分变化情况。

光镊和拉曼光镊技术应用于生物学基础研究

在一些研究中，需要以可控的方式去除某些细胞成分而又不损伤其他细胞组分。此时，可以采用脉冲紫外激光或者近红外激光作为光刀攻击细胞器，使其不可逆地失去功能。Paterson等[11]使用紫外光二极管为光源，以相对较低强度的光切细胞膜，向仓鼠卵细胞中引入外源 DNA。Stevenson 等[44]使用钛宝石激光，以同样的实验模型研究细胞的转染率和生存力，研究显示光手术非线性地依赖于光强度，作用于细胞膜上的激光强度为 1.2 μJ/cm2时，细胞转染率为 50%。光刀也可应用于研究细胞不同部分的功能。Grigaravicius 等[45]将光刀应用于老化研究。DNA 的自我修复作用在维持胞内生化反应中起着至关重要的作用，为了更多地研究 DNA 修复分子与 DNA 损伤位点之间的动力学，在时间和空间上有控制地敲除特定DNA很重要，光刀提供了卓越的空间和时间控制，因而成为该实验的理想工具。将光刀与荧光显微镜结合，他们发现，对 DNA 轻度损伤的修复发生在实际发生 DNA 损伤位点的旁边而并不直接位于该位点上，其原因需要进一步的研究。另外，紫外激光也可在细胞膜上钻孔，以观察荧光染料在细胞内的扩散，该技术被应用于研究细胞内区室之间的连接情况[46,47]。将紫外光导向相邻两个细胞的邻接点可引起两个细胞的融合，He 等[48]应用这种方法，使用1550 nm 的飞秒脉冲激光将人肝癌细胞与人子宫颈癌细胞融合，细胞融合率为37%。多光镊的出现实现了多个粒子的同时操作，而使激光穿过空间光调制器(SLM-spatiallight modulator)可得到需要的光结构。随着成像技术和计算机的发展，实现了全息计算直接与 SLM 连接，最终建立起全息光镊系统。Monnoret 等[49]将设计的储液池与全息光镊结合，引导多个橡胶微珠与 cos-7 细胞的特定区域结合，这项研究作为使包裹配合基的橡胶微珠与细胞膜密切结合的基础，可应用于细胞膜受体的动力学研究。此外，光镊在组织工程学研究中有巨大的应用潜力，Mirsaidov 等[50]通过将微流控系统与分时光镊结合，成功构建了人工合成组织。其中，微流控系统将细胞导入组织装配区；分时光镊用于将细胞组装成为复杂的培养组织，之后，这些细胞被包裹在模拟细胞外基质的可光聚合水凝胶中。通过上述过程的反复操作，该人工合成组织的体积逐渐增大。

篇10

[关键词]：基础生理实验课体系 生理信号分析与处理 研究性教学 考核评价体系

[中图分类号] TH79 [文献标识码] A

一、 引言

依据高等教育内外部环境的诸种变化，以及国家自主创新对于创新性人才培养的要求，在“卓越工程师”培养的教育理念指导下，通过对学生知识、能力与创新要素的综合分析研究，本文提出构建一种以学生为中心，以满足创新型人才培养的个性化需要，利于学生自主学习为目标的多模式开放型实验教学体系。该种实验教学体系对创新型人才培养的推动作用主要体现为实验教学的多模式化组织以及综合性开放式实验考核评估2个方面。

生物医学工程及相关仪器专业的学生在实验技术上应培养具备生物医学信息采集、传输、处理、分析新型生物医疗电子、信息与仪器等硬件知识、并具备较强的医学应用软件设计、开发的能力，能够将信息技术与医疗管理、医疗服务有机结合的高级医学信息技术人才。因此在课程内容安排上做到面和点的结合，既要保证知识面广，同时要重点突出。但现状是生物实验与仪器等软硬件平台的挂钩程度不够。目前生物学实验一方面主要涉及以细胞等微观生物信息为主的实验数据，主要以细胞生物学、遗传学、解剖学为代表；另一方面涉及以人体生理信息为主的宏观生理信号为主的实验数据，主要以医学仪器相关实验为代表，均以单一化实验结果作为实验考核依据，限制了学生主动性和创造性的发挥。所以生物学实验需要结合自身的教学经验，对教学中存在的问题进行逐步改进。通过调整实验内容、改革教学方法、完善考评体系等措施，对于生物实验分析不能以短期实验唯一结果论的定性认识为主，而应该强调以“长时程跟踪的过程启发式”为主的定量累积式分析，即在侧重得到实验结果的同时，鼓励学生自主采用各种软硬件仪器平台知识，灵活选择信号特征提取方法，加强对信号分析的能力和对结果的理性认识，发挥实验课的实践性优势，得到多样化的处理结果，最大程度地增强学生的自主性与参与性。

在以过程化为主的“一问多答”教学模式中，采用启发式的教学方法。教师根据教学内容向学生提出问题，引起学生主动思考，从而变结果灌输式的被动学习为过程启发式的主动学习，加深学生对概念、理论的理解，发现问题，敢于提出问题，渴求解决问题。而课后的各种实验数据处理结果可以直观地了解教师教学内容安排是否合理，教学效果是否明显，为教学改革提供依据，从而为创新性高素质人才的培养作出应有的贡献[1]。

二、现有模式的现状及改革途径

（一）. 微观生物实验内容由于教学条件等因素的限制，多局限于显微镜使用、或细胞膜通透性等验证性实验，对于推动微观细胞生物学快速发展的新技术新方法，缺少教学资料与手段；同时，人体生理信息等宏观医疗仪器生物实验的测试侧重于对医疗仪器面板的操作和各种简单生理信息的直接获取。

（二）. 实验教学模式单调，难以激发学生的积极性和主动性。现行的实验教学基本都先由学生预习实验指导书，实验仪器设备及试剂都由实验教师提前准备好，学生只要按照实验步骤按部就班地做，最后写出实验报告。这种实验教学模式难以很好地启发学生创造性思维，不利于培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。学生容易无精打采，注意力分散，反应迟滞，多数学生被动应付教师的要求，甚至投机取巧，如采用“配色”等方式快速完成生化实验；有的课堂学生随心所欲，各行其是，故意捣乱，师生处于一种对抗状况。在这样的课堂环境里，教学任务难以完成，传授知识、培养素质的目标难以实现[2]。

（三）. 实验教学缺乏综合性、设计性，不利于学生综合素质的培养。由于课时安排固定、实验条件的限制，现行开设的实验项目多为验证性实验，实验过程及可能出现的问题基本固定，结果也基本已知，只要按照步骤去做，基本都能达到较好效果。这种模式限制了学生思维，难以达到学生综合素质的培养[3]。

（四）. 实验课成绩评定方式需要进一步完善。实验课程由于其性质的特殊性，往往难以确定完善的考核指标和体系，从而导致学生实验报告书写的工整和完整程度决定了最终成绩，使得最终实验课成绩评定存在一定的随意性，从某种程度上影响了学生学习的动力[4]。

在此评估基础上，应实现的改革途径主要包含以下两个方面：

第一，生物学实验教学鼓励学生自主采用各种软硬件仪器平台，灵活选择信号特征提取方法，加强对信号分析的能力和对结果的理性认识，发挥实验课的实践性优势，得到多样化的处理结果，最大程度地增强学生的自主性与参与性，培养学生理论联系实际、独立思考、团队合作、自主创新的科学精神；

第二，通过施行开放式多结果的过程化实验教学模式，注重实验知识的延伸，创造和谐课堂、完善考核制度等改革措施，发挥实验课的实践性优势，努力营造和谐课堂，最大程度地增强学生的自主性与参与性，培养社会需要的创新型、应用型、复合型、外向型人才。

三、实验内容改革的模块化设置

（一）修改完善教学大纲，科学合理设置实验内容。

本专业实验本着充分利用现有资源和仪器设备的原则，综合考虑知识的难点和重点调整实验教学内容，以“综合课程设计”的2-3个相互衔接的短学期形式，对原有实验内容进行筛选和整合，依照学生的实验技能发展过程依次开设基本操作实验、验证性实验、综合性和创新设计性实验。以微观生物实验为例，基本操作实验包括显微镜的使用、显微测量、细胞形态观察等内容；设计验证性实验包括活体染色、细胞化学、核酸存在部位及检测方法、细胞膜的渗透压及细胞吞噬作用等内容；设计综合性实验需要在完成基本操作实验和验证性实验的基础上，指导学生查阅实验资料及设计实验方法，合理利用实验室资源，充分利用实验材料来完成实验，如动物细胞的原代及传代培养可作为设计综合性实验内容。相关生物实验进行后，应着重加强特定生物信号与相应软件处理的结合工作。可简单概况为将专业软件类课程打通，开设一门面向专业的软件设计课程，如“生物医学工程软件设计”，或“电子信息技术及仪器软件设计”课程，处理对象可定位为前期获得的实验数据。而以宏观的动物生理数据为例，离体培养的小鸡或蛙心肌细胞信号可通过相关动物实验获得，通过将测试的信号存储成dap数据格式，输入labVIEW软件进行锁相处理编程及特定滤波处理，实现对所弱信号的分析和相应数字信号处理工具的掌握，达到将感性数据上升到理性知识的目的。

（二）改革教学方法，变结果灌输式为过程启发引导式。

实验过程中，既要发掘实验背后的理论支持，又要培养技术意识，重视实验技术和方法。同时，鼓励师生交流，提倡师生间的问答，活跃课堂气氛。教学过程中，教师在讲清实验目的和原理的前提下，鼓励学生根据所学知识，自主设计实验过程并完成实验，实验报告可考虑通过建立在各种实验数据分析基础上的论文形式完成。

（三）完善考评体系，激发学生对科学的求知欲和对本课程的兴趣。

实验考评体系应以过程累积式考核为主，摈弃传统结果式考评。以细胞生物学实验为例，其考核应以考查学生运用理论重视、运用实验技术的能力为主要内容，可安排综合性实验要求学生利用所学的理论知识和实验技术进行综合分析、实际操作、做出实验结果。对于实验技术，以学生的直接操作作为考核方式，对于实验理论的考核，通过闭卷方式完成，也可以通过学生对实验数据的各信息化平台分析来进行多结果式考核。另外，对于能够自主设计完成实验，积极申报完成开放性实验的学生给予较大系数的鼓励性加分。实验具体路线图如下。

四、实验操作的关键性问题

（一）如何处理实验室的开放问题。

在改革过程中，实验设备资源的开放和教学方式的开放是该长期化衔接实验的重要保障。其主要实现途径为，结合生物学和仪器教学平台，实施“具体生物弱信号案例教学法”，采用学期末“首尾相连”的两个短学期和整个学期的“三明治”夹心时间实施整个实验课程，并由相关实验课的青年教师负责各实验室的公共开放时间和相互协调。这样能有效调动学生的主观能动性，加强课程内容的实践性，在知识的传授过程中渗透工程技术的内容，使学生掌握工程设计、工程实践的一般规律和基本方法，避免工科教学理科化、脱离实际的倾向。如图2所示针对在体心电信号的测试及信号处理方法，可安排在微观动物心肌细胞的培养及生物学方法观察的细胞生物学实验的短学期时间，同时合并进行在体式心肌细胞搏动的信号及噪声分析，加强定性实验及理性的定量分析实验的融合，提高相关理论知识与动手能力的结合（图2）。

（二）如何充分利用实验室资源，引导学生设计综合性实验

第一，以生理仪器平台为主的硬件实践动手能力。

当完成基础性生理实验及相关软硬件知识的授课后，以宏观人体生理信息为主的医学仪器实验，应该以设计开发性实验为主，鼓励学生自己设计开发医学仪器。同样以心电信号为例，如心电监测仪实验中，可要求根据在体式及离体式心电信号的特点（图3（a）（b）），结合理论知识，设计电信号检测原理图，用布线软件软件画出其原理图，并制作电路板、布线和焊接电路，在单片机应用开发环境中编写程序并调试。最后制作简单心电监测仪，通过相关的虚拟仪器平台，在示波器上显示被测者心电图。同时配合相关传感器知识，还可制作体温计、气体检测仪等医学仪器。在此基础上，还可设置网络数据平台，进行远程控制。

第二，以微弱生物信号实验数据分析为主的软硬件结合能力。

信息技术的发展对生物医学信号的检测、处理以及数字信号处理几个方面发挥着重要的作用。生物信号一般可以分成电信号和非电信号，如心电、肌电、脑电等属于电信号；其它如体温、血压、呼吸、血流量、脉博、心音等属于非电信号。如从处理的维数来看，可以分成一维信号和二维信号，如体温、血压、呼吸、血流量、脉博、心音等属于一维信号；而脑电图、心电图、肌电图、x光片、超声图片、CT图片、核磁等则属于二维信号。医学仪器实验采集到大量的以上一些宏观的人体生理信号数据，应利用学生的相关生物医学信号处理的知识，根据生物医学信号的特点，对所采集到的生物医学信号进行分析、解释、分类、显示、存贮和传输，其研究目的一是对生物体系结构与功能研究，二是协助对疾病进行诊断和治疗。

本学院的相关教研室教师结合labview、DSP等编程工具的实验教学案例，对于“虚拟仪器技术”及“数字信号处理”的综合做了以下研究及整合。“虚拟仪器技术”及“数字信号处理”是一门应用性较强的技术课程。随着信息化的发展，信息技术不断地渗透到科学研究等各个领域中，发挥着越来越大的作用。科学实验、测试信号的处理、工业生产中自动化生产线的测控等都以信号处理为基础。我校“数字信号处理”实验，以数字信号分析为基础，以数字滤波为手段，以数字信号处理为目的，突出谱分析和滤波的应用，加大与信号与系统、自动控制原理，以及后继的通信原理、计算机图像处理等课程之间的衔接，使其与其他课程实验融合为一个有机的整体。

以虚拟仪器中的相关控件调用为例，解决数字信号处理课程中的基本知识点“快速傅里叶变换（FFT） 数字滤波器”的实验设置，对本文提出的“多模式过程启发型实验教学体系”进行具体阐述。

该知识点通常的实验要求和目的为：①加强对labVIEW相关控件工具的使用及虚拟仪器技术编程能力的提高，加深对FFT基本原理和性质的理解；②学习利用FFT对连续或离散时间信号进行谱分析，了解可能出现问题及其原因，以便在实际应用中能够正确使用FFT。

按照基本的实验要求和目的，和多模式开放性原则，对该知识点的实验设置如下：

第一，验证性实验内容。主要通过调用labVIEW“信号分析模块”总的FFT函数，分析序列和其频谱的特点，设计产生相应的虚拟生理信号及噪声源，利用数字信号处理中各滤波器的特点去除噪声，分析去噪后结果，并利用相关原理解释其中的现象。实验目的是通过形象和具体的内容，加深对理论知识的理解。该层面的实验以直观、具体和形象化为主要特点，避免复杂化。学生不会因为陷入繁杂的具体过程，而影响对理论知识的理解和掌握

第二，综合、设计型实验内容。数字信号处理与所采集到的实验数据具有密切相关的联系。生物医学信号中的特点是微弱、噪声大，所以滤波和灵敏度是生物医学信号采集的关键。另外生物医学信号的随机性强，是随机的且非平稳的。正是因为生物医学信号的这些特点，以傅里叶理论为基础的小波变换方法成为生物医学信号分析的有力工具。利用小波变换能将原始心电信号分解为不同频率的信号，然后对信号进行重建，此方法能很好地消除心电信号中的基线漂移，抑制工频和肌电干扰，同时能获得QT间期的精确值，是本专业学生的重要编程思想。

所以，在实际的推进环节中，涉及一个短期的课程推导实践以及长期的过程启发式环节。其中短期内容包括将短学期等实践类课程，如“医学软件编程实习”和本门课程合并，其课时作为本门课程的实践环节；长期内容则包括：①将毕业设计环节和课程合并，增加实践课时；②将所有的硬件测试类课程和相关软件分析生理信号内容合并。如“C程序设计”，“数据库基础”，“面向对象程序设计”等。此时授课教师不再为单个教师，而是整个课程群的全体教师；③学生毕业严格按照“宽进严出”的理念操作。总结后的某“过程启发式”实验具体操作实例如下：

创设情境，提出问题。可安排在微观动物培养及生物学方法观察后，同时协调进行在体式动物信号及噪声分析，加强感性的定性实验及理性的定量分析实验的融合，提高相关理论知识与动手能力的结合：如细胞离体培养后的各种生物信号指标及各种混入的噪声和分类，在此基础上结合该案例讲解相关滤波器的工作原理和基本设计方法，然后将生理信号提取的设计任务作为设计性作业布置给学生。

分组研讨，设计方案。在布置设计任务后，教师组织学生分组研讨。根据学生自主学习能力的强弱和自身特点合理分组，方便学生间相互协作，共同提高。学生利用电子资料库检索，查阅相关资料，获取丰富的信息资源，通过对各种信息资源的分析研究，提出自己的解决方案。

成果展示，分析归纳。在各小组取得了初步的设计成果后，教师以课堂教学形式组织各小组的成果展示与评价。在课堂上通过虚拟实验室系统和数字投影仪，展示各种解决方案所取得的生理信号滤波效果，分析它们的优缺点，引导学生分析归纳出解决此类问题的思路与方法，并共同探讨最佳设计方案。

五、结语

“加强实验教学和实验环节，抓好综合性和创新性实验，大力培养学生实践能力”是我国高校推进自主创新，落实“高等学校教学质量与教学改革工程”，培养创新人才所需采取的重要措施[4]。本文总的改革目标是“遵循以学生为本，注重以互动式教学为核心的教学观念，构建有利于增强求知欲和创造力的课程教学模式”。本文提出的多模式开放性实验教学体系摈弃短期实验唯一结果论的定性实验，强调以“长时程跟踪的过程启发式”为主的定量累积式综合分析实验，在整个学年中分阶段构建以实验教与学为中心的综合型数字化实验教学环境；鼓励学生自主采用各种软硬件仪器平台，灵活选择信号分析方法，加强对信号分析的能力和对结果的理性认识，发挥实验课的实践性优势。通过施行开放式多结果的过程化实验教学模式，注重实验知识的延伸，完善考核制度等改革措施，最大程度地增强学生的自主性与参与性，积极响应国家“卓越工程师教育培养计划”，培养出具有专业领域特色，能够基本独立完成初级软硬件规模设计和开发工作的创新型、应用型、复合型、外向型的“卓越工程师”型储备人才。

[参考文献]

[1]张晓东.人才培养与产学研结合实践中的问题及对策[J].沈阳航空工业学院学报，2009，26：41-44.

[2]黄解军，袁艳斌。大学新生专业思想教育的思路及对策[J].教育探索与实践，2007，8：51-53.