细胞生物学的研究方向范文

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摘要从教学内容、教学过程和考核方式等方面介绍了研究生细胞分子生物学课程的教学开展与体会，为适应多研究方向的研究生培养要求、提高教学效果提供参考。

关键词研究生;细胞分子生物学;教学;内容;考核

扬州大学硕士研究生培养方案课程设置将细胞分子生物学作为生物学一级学科的学位课程，包含植物学、动物学、生理学、水生生物学、微生物学、遗传学、发育生物学、细胞生物学、生物化学与分子生物学、生物物理学、生态学等11个生物学二级学科。扬州大学是江苏省属重点综合性大学，目前设有27个学院，11个生物学二级学科分散在生物科学与技术学院、农学院、兽医学院、医学院，各二级学科的研究方向也较广泛，如何适应这种多学院、多学科和多研究方向的硕士研究生培养要求，提高教学效果，扬州大学不断进行尝试、改革，构建了适合各二级学科培养目标要求的细胞分子生物学教学体系，现将这门课程的教学内容、教学过程和考核方式介绍如下。

1细胞分子生物学的教学内容

细胞分子生物学是随着细胞生物学和分子生物学发展而兴起的一门较新的学科，是一门在分子水平上研究基因对细胞活动调控以及各种细胞结构的形成和功能执行的科学[1]。对生物学专业的研究生来讲，本科阶段都学过细胞生物学和分子生物学这2门课程，因此研究生所开设的细胞分子生物学课程体系应该和本科生的课程体系有所区别。由于传统的细胞分子生物学教材与细胞生物学和分子生物学在内容上有很多雷同，若采用这些教材，很容易使研究生对该门课程失去兴趣。扬州大学将该门课程的教学内容分为4个部分:细胞结构、细胞遗传、细胞代谢与调控、细胞发育，该校没有选择任何固定教材，仅仅指定少数最新出版的教材作为参考书，如韩贻仁主编的分子细胞生物学[2]、Gerald Karp主编的Cell and Molecular Biology:Concepts and Experi-ments等[3]。

2细胞分子生物学的教学过程

扬州大学细胞分子生物学的授课对象差异比较大，学生的来源和专业背景也不同，在教学过程中，笔者尝试使用开放式教师、开放式教学和开放式课堂的教学方法。

2.1开放式教师

以往的研究生课程都是由固定的教师一上到底，由于教师的精力有限，不可能对细胞生物学各个领域的前沿知识都熟悉。为了解决这一问题，扬州大学采用不固定教师上课的制度，跨学科跨学院请资深教师进行授课，确保学生能够了解该领域的基本知识与前沿动态。设置的4个部分教学内容中，每一部分由1~2位专业教师负责主讲，教师可结合自己的专业背景，根据不同教学模块，设置具体的教学内容，不拘泥于任何教科书进行授课。有些教师的研究方向是植物，对植物细胞分子生物学的研究进展和前沿动态比较熟悉，讲授植物细胞分子生物学可以做到深入浅出，而对动物细胞分子生物学的讲授效果会比较差，因此主讲教师可选择来自植物、动物、微生物、病毒等研究方向的老师。对于学生，有些是来源于农学院，其背景知识和兴趣侧重在植物方面，而有些来源于医学院或兽医学院，其背景知识和兴趣侧重在动物方面，这就要求选择具有不同学科背景的教师。开展开放式的教学方式，满足不同学生的要求。

2.2开放式教学

由于细胞生物学是生命科学的前沿学科之一，因此在把握现有教材和参考资料的基础上，教学过程中要结合实际将细胞生物学相关领域的新进展、新知识、新方法介绍给学生，拓宽学生知识的深度、广度，培养其对未来工作的适应能力。

在每一个教学模块中，教师可通过不同的教学方式讲解不同侧重点的专题。如细胞结构部分包括讲了2个专题，一个是细胞内膜系统:结构、功能、蛋白质分选和膜泡运输，另一个是细胞骨架与细胞运动。内膜系统一般是指内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)5类细胞器膜的总称，而广义的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有细胞器膜的总称。在本科细胞生物学教学过程中，这些细胞器的形态结构、功能和发生是分别独立介绍。虽然这些细胞器具有各自独立的结构和功能[4]，但它们又是密切相关的，尤其是它们的膜结构是可以相互转换的，转换的机制则是通过蛋白质分选和膜泡运输来实现的。在讲授内膜系统时，可通过蛋白质合成这条线将这些相关内容串联起来讲述。由于核糖体在蛋白质合成上与内膜系统互为一体，因此将核糖体也加入进来，同时向上讲可以提及细胞核中核糖体大小亚基及mRNA的合成，向下还可讲述细胞膜上的蛋白功能，从而用蛋白质合成一条线将细胞的三大结构即细胞膜、细胞质和细胞核联系了起来。同时，也启迪研究生自己去找线索，找出一根主干，将尽可能多的内容串起来。又如细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化分裂等一系列方面起重要作用，因此对细胞骨架的研究是近代生命科学中最活跃的研究领域之一，它的快速发展主要得益于大型分析仪器的应用和实验方法技术的改进。在这一部分内容的教学中，可重点向学生讲解细胞骨架的研究方法，包括每种方法的原理、基本过程和结果分析，以最新的国外权威期刊上发表的细胞骨架方面的论文为例，向学生介绍细胞骨架的研究是如何开展的。

2.3开放式课堂

研究生课堂和本科生课堂相比，讲授内容量非常大。笔者一般会在课后将课件提供给学生，使他们在课堂上不用花太多精力记笔记，而是将主要精力集中到听课上，跟着教师的引导考虑问题，这样使其思维保持很高的兴奋度，且感到疲劳。在严格遵守课堂纪律的前提下，在上课时要尽量调动学生的积极性，以开拓学生的思维，培养创造性。课后要让学生自己阅读指定或推荐的原始文献，或者让他们自己到网上查阅自己感兴趣的问题，以此可培养学生阅读文献、查找资料、进行科研的能力。

3细胞分子生物学的考核方式

作为生物学一级学科硕士研究生的学位课程，细胞分子生物学的考核以考试为主，考虑到研究生学习细胞分子生物学课的目的主要是为了提高学生利用学到的细胞生物学知识解决课题研究中的问题，实用性较强，因此笔者选用开卷考试的形式，所出的试题都是综合性的分析题，在考场内学生可以查阅任何参考资料，但参考资料中没有现成的答案，促使学生综合运用所学知识，通过仔细分析才能得出答案。这种考核方式一方面提高了学生独立思考问题和解决问题的能力，另一方面也使教师了解了学生对这门课程的掌握情况，检验教学质量，很大程度上促进了以后教学的开展。

4参考文献

[1] 王石平，金安江.分子细胞生物学研究性教学模式的改革实践与思考[J].华中农业大学学报:社会科学版，2008(2):134-137.

[2] 韩贻仁.分子细胞生物学[M].2版.北京:科学出版社，2001.

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关键词：创新；细胞生物学；科研；实践；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）29-0114-02

培养创新型人才，努力提高大学生的创新意识和创新能力，是增强学生综合素质的需要，也是一个民族进步和国家兴旺发达的不竭动力。作为生命科学的基础和前沿学科，《细胞生物学》是一门实践性、研究性很强的课程，内容比较抽象、深奥，需要理论和实践密切联系。

传统的教学方式是以教师、教材和课堂三者为中心的封闭式教育模式，教师在课堂上单向灌输知识，学生被动地接受。在这种模式下，大学生主要的学习活动是通过死记硬背记住教材现成结论、机械地接收实验技能，不利于学生发散性思维和自主学习能力的培养。另一方面，传统教学中理论和实践教学与科研相脱节。高等学校教学与科研是相互依赖、相互促进、不可分离的一体；教学是科研的基础，科研是教学的发展和提高。没有科研的支撑，难以实现旨在培养创新能力的教学目的。但由于实验设施等条件的限制，本科生参与科研项目的机会较少，不利于综合素质的培养。针对传统教育模式存在的问题，核心主干课程《细胞生物学》的理论和实践教学模式改革就显得十分必要。

一、采用多样化的教学方法 突出学生学习的主体性

为了进一步适应当前对高层次专业复合型人才的需求，培养具有系统理论知识和分析解决问题能力的创新人才，我们在理论课的教学模式中推行启发式、研究式、讨论式、基于问题式等教学手段，以学生为中心代替了以教师为中心，以重能力培养代替传统重知识传授，以小组讨论和教师指导式教学方法代替了传统的课堂讲授，使学生更加积极、主动参与教学活动，真正实现“互动式教学”。并且在保证基础知识教学的前提下，将教学活动与科研、实践工作紧密而有机地结合，以科研、实践引导和促进教学，提高学生自主学习和独立思考以及分析问题和解决问题的能力。通过丰富多样的教学方式为学生创造实践机会，激发兴趣使学生不由自主地进入研究性学习，从而使教师从知识的传输者变为指导者和促进者，学生从知识的被动接受者变为知识的主动构建者。这种以学生为主体，强调理论联系实际的教学形式，促进了学生创新教育和素质教育水平的提高。

（一）基于问题的启发式教学模式

以问题为基础的教学方法是以学生为中心、以教师为引导的开放式教学方法，是将问题作为教学的基本因素，教师在授课时有计划、有步骤地向学生提出问题，学生或者带着问题听课，或者课后根据问题进行思考，使学生在不断的提出问题和解决问题中完成教学内容的学习，找到问题的答案。这种基于问题式的教学方法，鼓励学生提出更好的问题，在探索和思考中学习，可以培养学生分析问题和解决问题的综合能力，养成终生独立学习的习惯。

（二）讨论式教学模式

细胞是一切生命体生长、发育、衰老和死亡过程的基础，从遗传到变异，从生理到病理，几乎所有生命现象的原因都要到细胞中寻找答案。近年来，现代细胞生物学领域中的重大进展非常精彩，许多研究内容和成果如细胞通讯、细胞增殖及其调控、细胞衰老与程序化死亡等对社会的发展影响深远。为了提高学生对课程学习的兴趣，我们增设了4个学时的讨论课。讨论课由教师给定一些议题，如“细胞信号传导与环境适应性讨论”、“光合作用研究与人类未来面临的粮食问题讨论”、“细胞生物学的最新研究成果与诺贝尔生理医学奖”、“细胞学发展历程对‘三观’的启示”、“猎奇与兴趣在细胞生物学发展中的意义”、“人造生命――克隆人与生物伦理学”等。讨论分组进行，每个小组负责一个题目的全面阐述，小组成员分工协作完成查阅文献、制作ppt和课堂报告等工作，然后由教师做出评价。通过讨论式教学可以激发学生学习的兴趣和积极性，锻炼学生口头表达能力，并培养团队合作精神。

（三）研究探索式教学模式

细胞生物学中很多重大的理论和结果都是建立在经典实验基础之上的，教材中具有丰富的实验素材。在教学中，我们注重讲解实验的设计和过程，分析、总结和归纳实验背后的原理，启发学生对科学问题及重大发现的认识和思考。课外鼓励有兴趣的学生参与到教师的植物组培科研项目中，完成一些能胜任的实验环节，将科研中的问题带入课堂，引导学生思考和讨论，在应用、实践和错误中学习，加深学生对基本理论的理解。开展研究式和探索式的教学模式，可以使学生在“学习基础理论知识―联系实际应用―巩固再提高”的探究实践中，逐步培养出科学的思维方式和严谨的科学态度。

二、发挥教师的主导作用 培养学生的创新能力

在高校中，科研训练是培养创新人才和提高大学生创新能力的重要方法和有效手段。通过科研训练，让大学生系统地参与到科研项目当中，让学生“做中学”，将理论知识应用到实践，锻炼动手能力，达到学以致用、活学活用的目的。在科研和实践方面，我们充分发挥教师的主导作用，各位老师在获得科研项目的基础上，创造多种有利条件鼓励有兴趣、有能力的学生较早地参与教师的科研课题，并引导学生积极参与大学生创新创业训练计划和课外学术竞赛等一系列科技创新活动中。在专业教师指导下，学生自行查阅文献，自主设计实验并完成实验内容，最后整理实验数据、分析实验结果，进而撰写成。科研活动使学生学习了科研的知识，通过收集、整合信息构建知识，体会到科研的乐趣，进而增强了大学生的动手能力和创新意识，取得了较好的成果。利用科研大平台将理论和实践相结合，教学与科研相辅相成，这样就形成了覆盖课堂内外的立体化教学模式，将学生的专业知识、创新能力和科研素质的提高紧密结合起来，达到了培养本科生工程实践创新能力的教学目的，同时也可使学生尽早了解教师的研究方向和内容，有利于大四毕业论文等环节的完成。近几年来，学生参与数量上以及考研升学人数、比例层次都得到稳步提高，考入上海交通大学、南京大学等名校研究生的学生比例逐年增加。

三、改革课程考试方式 推进教学改革效果

传统考试制度存在诸多弊端，如考核方式单一、考试内容单一，这种片面的评分方法不能真实反映学生理解知识和应用知识的能力，也很难达到理论与科研实践相结合，提高学生创新能力的教学目的。为了更全面、科学、客观地评价学生的综合能力，我们将期末一卷定成绩的传统单一考试方式改革为多元化的综合考核方式，进而带动教学模式的改革。学生成绩的评定由平时成绩和期末考试两部分组成，平时成绩的比例增加到30%。平时成绩主要包括课堂考勤、课堂测试、课后作业、期中考试以及专题讨论等。课堂小测试我们采用2人一组，让学生自主设计考题；或者采用试题抽签、一人一题的方式，专题讨论分组进行。期末考试主要考察学生对基础知识，包括基本概念、原理和方法的掌握情况，以及对应用实例的理解，同时也增加了综合分析题及实验技能等试题。通过课程考核方式的改革，既调动了学生在课堂上的积极性，也建立了一个真正全面、客观、合理的课程考核体系，效果良好。

四、结语

高等教育的发展方向是以学生为主体，重视能力培养，促进大学生的全面发展。在近年来的教学改革实践中，我们遵循能力本位的理念，基础与科研实践并重，探索了一条立足课程体系优化和完善、科研创新实践为目标的人才培养模式。通过互动式、实践性教学引导学生进行探究性学习，激发学生自主学习的兴趣，从而达到培养学生创新和科研能力的目的。在课堂教学过程中，我们以细胞生物学的经典实验为例，引导和培养学生进行创新性思维；并通过讨论课等形式，调动学生学习的积极性；同时课外鼓励那些对科研具有浓厚兴趣的学生，进一步进行系统的科研创新能力培养。因此，教学与科研实践相结合的教学模式，可以帮助学生更好地构建细胞生物学的知识体系，对于培养学生的创新思维意识和研究能力，培养具有可持续发展能力的应用型生命科学人才均具有重要意义。

参考文献：

[1]余光辉，程旺元，龚汉雨，等.基于细胞生物学教学的科研创新人才培养模式探索[J].中国细胞生物学学报，2012，34（12）.

[2]陈安，梁文斌，，等.覆盖课堂内外的立体化教学改革提高本科生的创新能力[J].国际检验医学杂志，2012，33（13）.

[3]熊德慧，胡维新.开放式教学法在分子生物学教学中的实践[J].湘南学院学报，2006，（3）.

[4]吴学玲，刘新星，周洪波，等.细胞生物学研究性学习模式的探索和实践[J].中国科技信息，2008，（9）.

[5]向忠志.研究型教学模式在细胞生物学中的运用[J].中国校外教育（理论），2008，（10）.

[6]马朋，曹同涛，刘乃国，等.细胞生物学教学中PBL结合LBL的实践研究[J].中国成人教育，2009，（1）.

[7]方瑾，于敏，张惠丹，等.构建多元化的细胞生物学PBL教学模式[J].中国细胞生物学学报，2013，35（1）.

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[关键词]细胞生物学实验 教学方法 教学内容 教学改革

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）12-0153-02

细胞生物学是生物学至关重要的一门基础学科，发展也是日新月异，同时也是一门实验性学科。理论教学可使学生掌握课程的基础知识、学科框架以及学科前沿，而实验课程的开设能使学生巩固所学理论知识，掌握该学科基本实验技能和研究方法，培养学生科学研究的思维和意识，提高学生的综合科研素质。细胞生物学实验不仅是理论课程的补充，也是整个生物学实验教学体系重要的一门课程。[1] [2]

随着细胞生物学实验技术方法的快速发展、教学条件的改善以及学生培养目标的调整，目前细胞生物学实验教学过程中逐渐出现了一些不足与缺陷。例如，课程内容较陈旧，不能与时俱进;教学方法单一，课堂气氛沉闷;学生缺乏积极主动性，教学效果欠佳等。如何丰富和更新细胞生物学实验内容，提高教学效果，达到培养创新型人才的目的，已成为摆在教师面前亟待解决的问题。

一、优化实验教学内容

细胞生物学实验内容广泛，基本实验包括细胞器结构观察、细胞及亚细胞组分离心分离技术、细胞常规制片技术、细胞染色体标本的制备及观察等，有些较综合性的实验涉及的实验技能较多，时间较长，如动物细胞培养实验等。

基本实验所需时间较短，在课程设置时可将一些同类的实验项目合并，合理安排时间，提高实验效率。细胞器的观察可归为一个实验，细胞核的分离与叶绿体的分离合并起来，有丝分裂和减数分裂染色体形态观察和分析合并等。通过这些措施，可以在有限的时间里做更多的实验，提高了效率，节约了时间。这些基本实验教学的目的是强化细胞生物学实验基本技能，掌握基本实验方法和技术。[2]

为了强化学生的基本操作能力，启迪创新意识，培养综合运用实验技术分析和解决问题的科研能力，应合理开设综合性实验，将单一验证性的实验项目整合为系统化的综合性实验。比如动物细胞的原代培养及保存与复苏这个实验，包含了原代培养、细胞计数及观察、细胞的保存与复苏等小的实验项目。

二、现代化手段辅助教学

多媒体教学直观生动，有利于学生对知识的理解和掌握，激发学生的兴趣，提高教学效果。在实验课中，可播放一些自己录制或购买的实验教学录像，让学生更直观、更清楚地看到整个实验过程。例如在动物细胞培养实验时，先播放动物细胞培养的视频录像，让学生了解前期准备的细节，了解动物细胞培养的过程和注意点，这样可有效地提高学生的实验技能和实验的成功率，弥补传统教学的不足。另外，随着细胞生物学实验技术的快速发展，一些重要而当前不能实际操作的实验，在课堂上可以让学生观看教学录像或网络视频资料，使学生了解其结构和用途。如流式细胞仪的使用。

通过带有显微成像系统的显微镜，将好的实验结果拍摄下来，可以对图像进行进一步的分析和长期保存，展示给学生，使学生有一个清晰、直观的认识，老师讲课的时候也更加具有针对性，内容更具体、生动。例如在植物细胞有丝分裂和减数分裂染色体形态分析实验中，学生常对典型分裂时期的图像把握不好，那么就可以拍摄该种生物各个分裂时期的图像，有针对性的讲解，学生更容易理解，也有了判断依据和标准，提高了效率。

三、逐步实施开放性实验教学，提高学生主动性

目前细胞生物学实验教学大多是验证性，学生对这种被动的、按部就班的教学方法积极性不高，难以激发其学习兴趣，效果也不理想。很多专家教授提出要打破细胞生物学实验这种传统教学模式，实施开放性教学，培养学生科研思维能力。开放性实验教学的效果毋庸置疑，但在我们的实践中以及调研其他院校后发现，开放性实验普遍存在教学时间有限、实验老师工作量巨大及需要较多实验经费等现实问题。另外，学生知识水平有限，难以把握实验难度，实验设计不够合理，往往难以获得理想的结果，有时会打击学生的学习积极性。开放性实验室的安全性和实验室日常管理等问题也是不易解决的问题。我们在实践中采用多层次、灵活的办法，适当增加一些经费和人力投入开放式教学，引导学生自己准备实验，对实验所用材料进行选择，对同一实验采用不同实验方法等不同程度的、有限的开放，达到学生积极参与的效果。

（一）实验材料自主选择。实验课中经常是一个实验内容都采用同一种实验材料，常出现个别同学实验积极性不高，参考别人实验结果的惰。有些实验内容，老师可以很方便的准备多种实验材料，学生可根据兴趣选取不同材料。这样学生会相互间进行比较，思考由于材料不同引起的实验方法和结果有哪些不同，有利于提高学习兴趣，培养科学思维能力，丰富基础知识。例如，在植物细胞有丝分裂染色体形态分析试验中准备洋葱根尖和蚕豆根尖，学生选取其中一种材料进行染色体形态观察和分析，又如在石蜡切片制作过程中，可选用植物或动物材料。[3]这样学生就会比较两种材料有什么不同，分析实验结果的差异在哪里，为什么有这样的结果。这样带着问题做实验，在实验中寻找答案，就会调动学习积极性，提高教学效果。

（二）灵活采用实验方法。在实验方法上同样可实行开放式教学，如细胞活性测定的实验中，染料排斥法、双色荧光检测法和N11检测法都可以检测细胞的死活，而三者的原理和所需的实验仪器试剂都是不同的。在实验教学过程中可以让学生根据自己的兴趣选择其中的任意一种或多种方法，只有当学生明确了实验原理、实验方法后，才可根据已确定的实验方法进行仪器试剂的选择。经过这样的自主选择后，学生对实验原理和实验方法都有了很好的掌握。

在每一个试验中，始终贯彻科学的思维方法和实验方法，对于实验指导中给出的具体的操作可做适当的调整或改变。如在植物细胞骨架的光学显微镜观察这一实验中，细胞骨架制片效果的好坏与TritonX-100的浓度和处理时间密切相关。在上课时，讲清楚在这一实验中的TritonX-100作用和原理，可以让学生分组后改变TritonX-100的浓度和作用时间，其余步骤不变，然后比较实验效果，确定最佳条件。通过这个实验，学生不仅掌握了细胞骨架的制片技术，而且能透彻理解TritonX-100的作用原理，也使学生认识到不能教条式照搬已有知识，培养其科学的思维和方法。

（三）逐步开放实验内容。依据实验内容和实验条件，从验证性实验逐渐开展不同程度的开放性实验。首先，可以让有兴趣的学生共同参与实验前期准备工作，在实验员准备实验的时间，提前通知学生，在老师指导下学生自己准备材料，如提供给学生洋葱、蚕豆，自己培育根尖，配置实验所需的溶剂等。在动物细胞培养试验中，让学生和老师一起洗培养瓶，灭菌，配置培养基等，从而提高学生的实验技能，培养学习兴趣，理解实验准备工作的繁琐，培养吃苦耐劳的品质。其次，可开放局部实验方案确定环节，培养学生的探索精神。最后，设置开放实验，可让学生自主设计实验。老师提供多个可行的实验项目，将学生分成几个小组，以小组的形式完成实验。这就要求学生主动查阅相关文献，设计实验，通过师生之间的讨论后，制订出可行的实验方案并予以实施，这非常有利于引导学生积极思考，激发学生探索欲望。

（四）课堂教学与课外科研工作相结合。二年级以上的本科生绝大多数都进入了不同老师的科研实验室，而科研实验室的开放可让部分感兴趣的同学在实验老师和科研实验室共同指导下自行设计实验，学生根据科研实验室条件和老师研究方向，查阅文献，提出实验设计方案，老师根据学生的知识结构，对选题和实验设计做出筛选，确定后在科研实验室完成这部分工作，最后做一次实验总结报告，计入平时成绩。

四、完善成绩综合评定体系

根据实验课程的特点，应对实验课全程跟踪评定，包括出勤情况，课堂纪律，规范操作，实验态度，实验结果，实验报告，劳动纪律，责任心等多方位对学生做出综合评定。[4]可分为三个方面：平时成绩，包括出勤率和课堂实验态度，操作规范情况等，培养学生良好的实验作风，激发学生学习的积极性;实验结果，实验操作能反映学生的基本实验素养与动手操作能力，主要通过考察学生的实验表现得到，对于一些操作性强的实验课可当场记录成绩并计入最后的综合考评中;实验报告，根据学生的实验报告来评定成绩，综合性实验的实验报告可以改成论文的格式，这就要求学生对实验原理、步骤、结果以及数据等做出总结，以提高总结能力。这样，才能达到使学生加深理解细胞生物学基本理论知识，锻炼学生的实际动手能力，提高实验操作技能，培养学生的科技创新意识和综合素质的目的。

[ 注 释 ]

[1] 陈媛媛，陈付学，华子仪，等.深化细胞生物学实验教学改革，探索开放式实验模式[J].教育教学论坛，2012（40）：60-61.

[2] 李小燕，刘江东，郑凌，等.深化细胞生物学实验教学改革 培养创新型人才[J].实验技术与管理，2011（4）：116-119，142.

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关键词 发育生物学；实验实践；教改；拟南芥

中图分类号 G642 文献标识码 A 文章编号 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

发育生物学是在传统胚胎学的基础上，随着生化与分子生物学、细胞生物学、遗传学等相关学科的发展和进步，形成的一门新兴学科[1]。发育生物学主要研究生物个体发育过程中的原理及调控机制，具有发展迅速、更新快等特点[2]。发育生物学是本科高年级的专业基础课、必修课。目前，国内使用的发育生物学教材多样化，而且还没有适合本科生使用的实验教材，即使有些院校开设了一些实验，但内容常取决于授课老师的研究方向，随意性较大，不够规范合理，学科和理论体系不完备[1-3]。

湖南农业大学生物科学技术学院发育生物学实验面向本部及国际学院生物科学专业，但目前为止尚无实验教材。基于已有的教学经验、本校及本院的研究内容与研究优势，以模式植物拟南芥为材料，建立“发育生物实验技术”体系，充分发挥实验课的作用与优势，不仅达到巩固理论知识的目的，而且尽量发挥学生学习的主动性，激发学生的学习兴趣和创造力，培养学生的科研能力与创新意识。项目已在我校2012―2014级生物科学专业学生中连续实施3届，取得了良好的效果。

1 发育生物学实验实践教材

发育生物学实验教材较少，常参考或借用动物胚胎学、解剖学、分子生物学、细胞生物学等课程的实验指导。适用于专业科研人员的指导书主要有吴秀山主编的《现育生物学实验指南》[4]。适用于本科教学的主要有林丹军主编的《发育生物学实验》[5]，张蕾、赵洁主编的《植物发育生物学实验指导》[6]。前者包括动物发育模式的形态学观察及发育机制的实验，后者重点介绍了发育相关的分子生物学研究方法和技术，涉及植物开花、传粉、受精、胚胎发育及植株形成等不同发育阶段的细胞和分子机理。我校发育生物学实验已经开课3届，但尚未有合适的教材。

2 发育生物学实验实践内容教改研究

发育生物学是一门理论性与实验并重的学科，但目前很多学校发育生物学教学普遍存在着理论教学和实验教学相分离的问题。开设的实验课孤立于理论教学，甚至根本不开实验课，纯粹的理论教学使发育生物学变得更加晦涩难懂[7]。发育生物学实验具有涵盖面广、综合性强，发展速度快、架构不成熟，注重实验设计、实验结果不确定等特点[8]。常规实验内容主要包括模式动物胚胎发育过程观察、结构解剖等部分，与动物学或胚胎学部分重叠。董 巍等将实验分为模式动物饲养和胚胎早期发育、发育生物学常用基本实验技术、发育生物学研究中的经典和综合性实验3个层次，设计了一系列综合性实验[8]。丁乃峥等将实验内容设计成不同的模块，各专业根据需要选择性进行，实验内容涉及基础性、综合性、设计性、研究性等层次[3]。李巧峡等则以花背蟾蜍为唯一材料设计了胚胎外部形态观察、内部结构观察、不同处理对胚胎发育的影响及角膜诱导及免疫组化研究4个综合性实验，让学生根据自己基础知识及兴趣点选择相应的课题，自主完成实验设计、实施及总结过程，取得了良好的效果[9]。

植物及相关学科的研究在我校具有明显比较优势，农作物相关基础理论与应用研究在国内处于领先地位。紧密结合科研方向、发挥专业优势，构建以植物为主的发育生物学实验技术体系具有重要意义。本课题成员的研究方向包括植物开花发育、配子发育、表观遗传调控、抗性与发育等多方面，在拟南芥发育生物学领域积累了大量的经验，取得了较好的研究成果。项目组织课题组成员共同撰写实验实践教学大纲与讲义、制定教学计划、组织实施、课程考核，建立并完善课程体系。主要实验内容包括拟南芥野生型及突变体表型观察及数据统计；拟南芥配子发育的细胞学观察；载体构建及拟南芥遗传转化、筛选等。设计验证性试验2～4个，如拟南芥野生型及sdg8突变体表型观察；综合性实验7～10个，如拟南芥野生型及sdg2突变体雄配子体发育过程观察。

3 发育生物学实验实践实施方案教改研究

发育生物学实验技术实施方式与其他生物学科实验技术类似，每次实验常集中在2个或4个学时内进行，内容多为验证性。贾伟章等利用不同的模式生物开展实验教学，开设了海胆、文昌鱼、斑马鱼、蛙等相关实验教学内容，开设综合性实验，采用班级和分组教学的形式[10]。将教学实验与科研实验相结合是提高教学与科研水平的重要方式。如丁乃峥等在开放实验室的基础上，利用模块教学实现了从基础性实验到研究性实验的教学模式[3]。董 巍等在分层次实验基础上，与相关的课题组合作，将科研内容充实到实验教学中，实现将科研实验向教学实验的内向转化。同时在导师的指导下，让学生承担部分科研任务，实现探索性教学实验向科研的外向转化[8]。

传统的发育生物学实验多以大班方式进行，仅有少数学生有机会动手，效果有限。本校目前生物科学专业20～28人/班，人数相对较少，将学生进行课题分组，设置开放实验室。发育生物学实验周期长，但每次实验不全需要4课时。项目将尝试向本科学生开放实验室，在完成既定任务的基础上，学生可以自主安排其余时间。目前已有3个课题组在本实验室开展实验，并在《植物生理学报》上发表了论文[11]。

4 考核体系的改革

实验课程传统的考核体系存在考核内容局限性大、评价方式单一等问题[12]。针对之前设计的课题，以小组形式考核。成绩由3个部分构成：科研课题进展（50%）+研究报告/论文撰写（30%）+PPT/Poster汇报（20%）。鼓励学生发表科研论文。

5 结语

生物学实验教学是生物学教育中重要的教学环节，也是培养学生实践和分析能力的必要手段[13]。发育生物学是当今生命科学领域中发展最快的前沿学科之一，是现代生物学的带头学科[14]。建立健全适合我校现状的发育生物学实验技术体系，对于我校生物科学专业人才培养具有重要意义[15]。

6 参考文献

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[关键词]脊髓损伤；细胞移植；治疗

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是一种严重的神经系统创伤，之前的治疗方法主要是局限于药物和物理治疗来改善运动功能缺陷，人们先后试用了手术吻合、手术减压、神经移植、大网膜移植、药物治疗、局部冷冻、物理康复、以及应用酶制剂来抑制和消除结缔组织瘢痕等多种方法治疗脊髓损伤，近年来的实验研究着眼于干细胞移植来逆转不利于SCI轴突功能恢复的病理过程，从而减少脊髓功能丧失并促进其功能恢复。

脊髓损伤修复的常用移植细胞

1骨髓基质细胞（marrow stromal cells，MSCs）

MSCs的干细胞相似特点和多方向分化潜能在最近几年引起了人们的注意。MSCs的优点在于属于自体同源移植，容易获得和培养，通过髓内或静脉导入方法简单，移植途径有：（1）直接受损脊髓多靶点注射；（2）腰穿椎管内植入：将扩增的BMSCs移植于蛛网膜下腔，使之随脑脊液到达病变部位；（3）静脉移植：开放血脑屏障，将扩增的BMSCs静脉输入，使之通过血脑屏障到达病变部位。MSCs能够转化为神经元和神经胶质，骨髓间充质干细胞可作为填充物填补损伤部位，定向再生为神经细胞锚靠周围组织完成上行下传功能的重建，移植时创造抑制胶质细胞再生、保护神经细胞胞体存活、促进自体神经细胞再生的微环境。但是需要克服细胞融合、转分化神经细胞形态属性缺失的问题。最近通过Luo Jian-dal大量的文献调研显示MSCs对运动性脊髓损伤的治疗有较好的效果。MSCs及其分化的神经胶质细胞含有促进神经再生的营养因子及其受体，有助于损伤的脑和脊髓组织的修复，抑制不利于神经再生的瘢痕形成。Wu等[1]发现，将MSCs植入损伤的大鼠脊髓内，通过增强组织修复可促进损伤脊髓的再生，同时与对照组相比空腔明显缩小。虽然移植后MSCs的数量逐渐减少，但不少治疗组动物仍显示明显的功能恢复。

2神经干细胞（neural stemcells，NSCs）

根据LiWe等[2]的研究显示，神经干细胞在脊髓损伤的修复中具有重要作用，而神经干细胞是干细胞的一种，干细胞是指同时兼具自我更新能力和产生分化细胞能力的一类细胞，这类细胞可经培养进行不定期分化并产生特化细胞。依据分化潜能的大小，可将干细胞分为三种类型：一是全能干细胞，此类细胞具有分化为完整个体的能力，如胚胎干细胞（ES）；二是多能干细胞，这类细胞具有分化为多种细胞组织的潜能，但不具备发育为完整个体的能力，如骨髓间充质干细胞；三是单能干细胞（也称专能干细胞），这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如神经干细胞。

NSCs是一种未分化、多潜能、具有自我更新能力的细胞。目前已经可以分离和体外培养NSCs使之分化为各种神经细胞。有研究从鼠脊髓内取出未成熟细胞经培养后，移植到脊髓损伤大鼠断裂的脊髓中，结果瘫痪鼠在2周后均能活动，有些甚至恢复了站立和行走能力，这一研究成果引起人们对神经干细胞移植治疗脊髓损伤的广泛兴趣。

最近，有人开始研究应用基因修饰的神经干细胞移植治疗SCI，并且在动物实验中取得了良好的效果。基因修饰的NSCs不仅具有替代损失死亡的神经元的作用，而且还可以大量分泌各种神经营养因子以促进神经元的存活及轴突的再生。Blesch等应用神经营养因子NT23基因修饰神经干细胞，移植入大鼠C3损伤SCI动物模型中，2周后发现相对于未修饰的神经干细胞移植组，NT23基因修饰组可见高水平的NGF及BDNF的分泌，以及有大量的感觉神经投射形成，并且60%分化为神经元，3%分化为胶质细胞。当前，定向分化诱导是NSCs应用于临床的一个关键问题。现在体外或体内对干细胞的定向诱导分化还没有得到很好解决，细胞异质性很高，分化程度不一，不能保证植入的NSCs按预想的途径分化，影响了移植的效果。另外，NSC移植治疗SCI需克服一个特殊的问题，即脊髓的神经元有着较长的突起，植入的NSCs能否参与并形成功能性的神经回路都尚待研究。

综上所述，干细胞移植治疗SCI有着巨大的发展潜力，需要分子生物学、细胞生物学、组织工程学及神经生物学等多学科的密切配合和基础研究的不断深入。目前，随着神经科学的飞速发展，尤其是在细胞和分子水平上对SCI后继发性损伤的病理机制研究的不断深入，今后的研究方向将主要集中在以下几个方面：①由于单一细胞移植效果各有利弊，我们应该考虑联合移植几种细胞，或将细胞移植与其它方法联合应用。②通过转基因技术使移植细胞具有更多更有用的功能，加快NSC的定向诱导，分化及增殖的基因调控机制的研究，使之能尽快应用于临床。③设计良好的组织工程支架材料，使之具有更有利于移植细胞的搭载和再生轴突的定向生长的生物性能。相信不久的将来，细胞移植会在SCI的治疗中发挥更大的作用。

参考文献：

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1光镊基本原理

光是一种电磁波,在与物质相互作用时不仅会发生能量的传递,也会发生动量的传递,也就是说光会对该物质施加一定的力,即产生光的力学效应。1970年,A.Ashkin首次提出光辐射压力(光压)可以操纵微小微粒[14]。1986年,A.Ashkin和Chu等实验发现,只需要一束高度聚集的激光,就可形成稳定的三维光学势阱以稳定俘获微粒[15],由于只使用了一束激光,所以称之为单光束梯度力光阱,简称光镊。光镊是基于光的辐射力建立的。如图2所示,在折射率为n2的介质中存在一个折射率为n1的微粒(n1>n2),当一束带有动量P1的激光穿过该微粒时,经两次折射后,激光的动量变为P2。根据动量守恒定律,微粒将产生与激光的动量变化大小相等、方向相反的动量,即Δp。由动量与冲量的关系和牛顿第二定律可知,微粒会受到一等于动量变化率的作用力,因此,当我们采用高数值孔径(NA>1)[15]的物镜将激光聚焦到一个焦点f(捕获中心)时,不论微粒上、下、左、右、前、后偏离激光焦点f,微粒都会受到一个指向焦点的作用力。这个焦点就如同一个“陷阱”可以捕获该微粒,因此在光镊实验中,我们通过调节激光的位置就可以像一把无形的“镊子”达到操控微粒的目的。同时,微粒偏离捕获中心的距离和其受到的回复力成正比[16],这决定了光镊对微粒的操控不是刚性的,而是类似于“弹簧”,并符合胡克定律F=–kΔx。其中,F是拉力,k是光镊的刚度系数(stiffness),Δx是微粒偏离激光中心的位移。通过微粒产生位移和激光的刚度系数即可计算出拉力F。因此,在操作过程中,我们可以通过实时测量微粒的位移得到微粒间的相互作用力,从而得到与微粒相连的生物分子上所受的作用力。

2光镊实验设计

光镊技术的实验环境一般为接近于生理环境的水溶液,可减少对样品的损伤,同时实现在生物分子具有生理活性的条件下实时监测分子动态行为的目的。此外,如何对样品进行处理是光镊实验设计中的另一个关键问题。由于生物分子,例如DNA、蛋白质等,往往在几纳米到几十纳米之间,光镊的刚度一般不能稳定地捕获和操控生物分子,因此需要借助一个表面修饰的微米量级的小球(微球)作为“手柄”,将生物样品通过化学偶联黏附在微球上,通过直接操控微球达到间接操控生物分子的目的[17]。生物大分子尤其是蛋白分子,通常尺寸较小,因此会在生物分子的一端或两端通过化学方法交联上一段或两段DNAHandle[18],使得生物分子两侧的微球间有足够的空间距离,方便对单个生物分子进行力的测量并且减少微球间不必要的相互作用;选用的DNAHandle分子长度一般大于500bp[8]。图2是双光镊技术研究生物样品的经典单分子实验体系[19]示意图(以DNAHairpin为例),两个聚苯乙烯小球表面分别免疫修饰了Streptavidin和anti-Digoxigenin,DNAHairpin一端被标记biotin与Streptavidin修饰的微球相连,另一端则通过巯基与DNAHandle共价交联;DNAHandle则通过Digoxigenin与修饰anti-Digoxi-genin的微球相连。因此,当我们利用两束激光分别捕获两个微球时,就可以对微球间的conjugates进行操作,通过移动光阱的位置,微球间的距离和力都会发生改变,我们通过测量这些数据就可以得到相关的动力学信息。

3光镊技术在生命科学中的应用

近年来,基于光镊技术的应用研究,证实了该技术独到的应用价值。光镊的应用基本分为四类,即光镊与细胞生物学、光镊与单分子生物学、光镊与软物质胶体科学和光镊与物理学四个领域。在这些领域中,科学家们利用光镊技术解决了许多重要的科学问题。结合我们实验室的研究方向,我们将主要对光镊在单分子生物学的应用加以介绍。光镊亚纳米级的空间分辨率和飞牛顿的力分辨率使其在研究一些生物大分子(如DNA/RNA双链特性[20-22]、分子马达的分子机制和生物学功能[17,23-24]、蛋白质折叠[25-27]以及染色质重塑[28]等)的动态运动细节(中间态、能量、折叠速率、作用力、距离等)方面成为一项不可或缺的单分子技术,并展示出巨大的发展前景。以下我们将对一些代表性的研究成果进行简要介绍。

3.1研究DNA力学性质

现代生物学中一个最基本的生物学定律就是中心法则:即遗传信息可由DNA流向DNA,完成DNA的自我复制过程;也可由DNA流向RNA再进一步流向蛋白质,完成转录翻译过程。这是构成现代生物学的理论基石,因此,DNA、RNA与蛋白质的特性以及它们之间的相互作用无疑是整个生物学研究的核心。Bustamante等[29]首先利用单分子磁镊技术操纵长约16μm的dsDNA分子,测量了DNA的拉伸特性:在0.1~10pN范围内,DNA的拉伸行为符合蠕虫链模型(worm-likechain,WLC),持久长度为50nm;而当力增加到65pN时,DNA的结构由B型变成S型[30-31];人们用同样的方法研究了ssDNA的力学性质,发现与dsDNA的拉伸曲线截然不同,ssDNA的持久长度仅有1nm。基于这些实验结论,科学家们就可以通过研究蛋白质对DNA拉伸特性的改变来研究DNA相关蛋白(如RNA聚合酶、核糖体、DNA异位酶等)的工作机制。细胞分裂时,DNA会发生凝缩形成高度聚集结构以维持遗传信息的稳定性。之前人们对DNA如何形成核小体结构已经有了一定的认识,但是对更高级的染色体结构形成缺乏了解。Case等[32]利用光镊技术将参与高级染色体结构形成的凝聚蛋白MuK-BEF作为研究对象解析了这一动态凝聚过程。Case等发现,与nakedDNA的力–延伸曲线(force-extensioncurve,FEC)相比,MuKBEF-DNA复合体表现出更大变化率的力–延伸曲线(FEC),并且当拉力达到17pN时,MuKBEF-DNA复合体会经历一个锯齿状振荡的平坦曲线,说明MuKBEF-DNA复合体经历了个别凝聚事件(MuKBEF结合到DNA上时利用“夹子”这种张合的方式来凝聚DNA)。而当力被撤回时,MuKBEF-DNA复合体重新回到原始的凝聚态,Case等根据这一现象提出了MuKBEF复合物凝缩DNA的“夹子”模型,这一研究为DNA凝缩机制的研究提供了重要的科学依据。

3.2研究分子马达的运动机制

生物机体的一切活动,从DNA的复制和转录、细胞分裂、肌肉收缩到细胞内物质转运,最终都归结为分子马达做功的结果。分子马达通过运动可以快速高效地将化学能转化为动能,执行各种生物功能,因此,分子马达的动力学机制成为研究者们关注的焦点。科学家利用光镊观察了分子马达运动过程,发现分子马达是以步进形式运动的,并测量了蛋白的运动步长,证明了单个驱动分子的力和运动速度与ATP浓度相关[17,23,33-34]。这些研究使得光镊成为研究单酶动力学的重要手段,促使科学家利用光镊技术研究表观遗传调控机制,尤其是ATP依赖的染色体重塑复合物的运动机制[35]。基因组DNA通常以染色质的形式存在于细胞中,以维持遗传信息的稳定性。然而很多细胞生命活动(比如基因转录、DNA复制、DNA修复、DNA重组等)的正常进行都需要不同的DNA结合蛋白或者反式作用因子结合到特定的DNA区域(如启动子、增强子等顺式作用元件),进而发挥功能,因此需要染色质重塑蛋白复合物移动、驱逐和重组核小体使得染色质DNA从核小体上暴露出来。目前,光镊研究染色体重塑复合物的工作已经取得了一定的进展。Bustamante实验室利用光镊成功操作单个核小体并研究核小体动态行为,发现在2~3pN的力作用下,核小体上DNA与组蛋白八聚体的相互作用会被打破,而内部DNA与组蛋白的相互作用被打破则需要20pN以上的力[36]。Zhang等[37]则利用光镊在核小体水平实时监测了RSC复合物的作用,测定了RSC转移速率等动力学参数,证实了RSC是依赖核小体的转移酶。Hall等[38]发现,核小体中DNA-组蛋白相互作用并不是均匀的,在空间上存在约5bp的周期,有3个强的作用区域,其中dyad区域的作用最强,另两个较强的作用区域在离dyad约±40bp处,而核小体的进出端的相互作用较弱,这些强弱不同的相互作用形成了不同的能垒。这些能垒可能对染色体重塑复合物有着重要的影响,因为染色体重塑时可能需要克服核小体上的能垒,这些参数为以后染色体重塑复合物具体工作机制的研究提供了很好的参考。

3.3研究蛋白质折叠的动力学机制

光镊在单分子生物学的另一个重要应用就是研究蛋白质折叠的动力学过程。在蛋白质折叠研究中,人们往往最关心的问题就是一维的氨基酸序列以何种方式折叠而变成稳定的有功能的三维结构的。众所周知,蛋白质的折叠态、去折叠态及错误折叠态在生物体系中都同时存在。这些态与态之间的相互转换和生物体系的功能直接相关,同时也和疾病的形成有着密切的关系[8]。尽管人们已经利用各种传统的生物化学方法对蛋白质反折叠过程进行了几十年的深入研究,但对蛋白质折叠过程中的具体动力学细节仍知之甚少。光镊技术可以对操控单个蛋白分子并实施观测整个折叠和去折叠的动力学过程,因此被越来越多地应用到研究生物物理的精细过程研究。最近,Gao等[26]利用双光镊技术对突触SNARE蛋白的组装机制进行了深入研究。在神经细胞分泌过程中,SNARE蛋白介导突触小泡与突触前膜的融合。SNARE蛋白包括定位在靶细胞膜上的t-SNARE(syntaxin和SNAP-25)和囊泡膜上的v-SNARE,只有当t-SNARE和v-SNARE通过组装形成“拉链式”复合物时才能驱动膜融合。尽管过去的二十年已经做了大量研究,但是“拉链式”假说、装配中间体、动力学和能量仍然不明。Gao等通过实时观测单个SNARE复合体的组装/去组装过程,发现了SNARE复合体的“拉链式”结构和关键的“半拉链式”装配中间体(t-SNARE和v-SNARE部分折叠到“离子层”),提出了一种效率高的“拉链式”组装模型,即:SNARE复合体N末端的“拉链式”组装是缓慢的,从而SNARE装配中间体可以充当调节蛋白(如Munc18和Complexin)的结合平台,然后在调节模式下,进一步稳定地装配中间体快速及强有力地进行“拉链式”组装直到C末端,最终在跨膜区驱动膜融合。此外,Zhang实验室还研究了SNARE突变体、Munc18和Complexin对SNARE组装/去组装动力学过程的影响[39]。该研究成果从分子水平上加深了人们对神经分泌过程中SNARE蛋白复合体驱动融合机制的深入了解,同时为我们探索更多疾病相关性蛋白的动力学机制提供了很好的模式基础,相信我们可以通过光镊技术从生物物理层面解释某些蛋白与疾病形成的关联,为开发抗癌药物提供更精确的结构水平的信息。

4光镊与其他技术相结合

以上关于光镊技术应用在生命科学领域的研究仅仅是冰山一角,但已经向我们展示了光镊在单分子水平研究生物大分子动力学的优越性,它的应用极大地推动了生命科学尤其是生物物理学的发展,加速了人们从单分子水平解析DNA、蛋白质以及各种酶反应的动力学过程。然而每项实验技术都有其一定的局限性,这就需要相关技术手段结合,克服彼此的劣势,达到最理想的功效。光镊也常常与其他光学技术相结合,成为性能更优越的技术手段。

4.1光镊与smFRET技术结合

生物大分子尤其是蛋白质往往是三维结构,但目前光镊仅能在一维空间研究它们结构动力学(沿光阱移动方向),存在一定的局限性。例如,马达蛋白沿底物移动时会经历复杂的分子内构象改变,超高分辨率光镊仅能研究马达蛋白沿底物移动的步长等动力学信息,而无法获知蛋白的具体构象变化过程。smFRET技术即单分子荧光共振能量转移检测技术,则可通过给生物分子的不同结构域,或者相互作用的分子,比如受体与配体上分别标记donor和acceptor的染料分子,实时地观测分子构象的变化过程,但其空间分辨率不高。因此,为实现在亚纳米级的空间尺度上研究生物分子构象变化的目的,科学家们采用交错分时的方法(interlacingandtimesharingmethod)将smFRET与光镊技术相结合,并利用ssDNA与其互补序列的杂交过程证明了该方法的可行性[40]。相信随着这种整合仪器设备的进一步完善,科学工作者将会通过荧光信号和成像技术在单分子、亚纳米级空间尺度上多角度监测生物分子的构象改变,尤其是一些蛋白复合物和大分子机器,得到更多的动力学信息。

4.2光镊与拉曼光谱结合

当一束单色光通过振动的分子时会发生非弹性散射,入射光的能量变化与分子内部分子键(molecularbond)的振动能量相一致,收集分子对入射光的拉曼散射光谱,就可以判断分子的生物化学组成[41]。传统共聚焦显微拉曼光谱的后向散射横切面很小,散射强度十分微弱,因此所得到的拉曼信号很弱,同时拉曼光谱探测技术通常使用化学修饰将研究对象固定在机制上,这种配置非常不利于生物分子维持其天然的生理状态,也不利于背景噪声的去除。而结合光镊技术的激光光镊拉曼光谱系统(lasertweezersRamanspectroscopy,LTRS)则可以利用激光形成的光阱捕获生物分子,实现在溶液中将其固定并同时得到光谱信号的目的,保证了生物分子天然的微环境,大大提升了光谱的信噪比[41]。近年来,激光光镊拉曼光谱系统已广泛应用于不同细胞类型的分选[42]、细菌孢子[43]、囊泡等研究。不同于荧光技术,拉曼光谱的非弹性散射使其避开了光学漂白,可以实现实时、连续监测单细胞的动态过程。Moritz等[44-45]利用激光光镊拉曼光谱控制单个大肠杆菌细胞,研究其对抗菌药物的敏感性。首先在无药状态下测定大肠杆菌在生长周期的不同阶段与DNA、RNA及蛋白质相关的不同拉曼振动谱带,然后在加药(盘尼西林/链霉素、头孢唑林)状态下测定729cm–1、1245cm–1和1660cm–1的光谱谱带并与无药状态下的拉曼光谱相比较,发现大肠杆菌对头孢唑林更加敏感。激光光镊拉曼技术无需样品预处理,对样品无损害,是临床研究一个很好的切入点,相信随着该技术的进一步发展,其在细胞分选、癌细胞检测及细胞动力学单细胞水平研究上会越来越有发展空间。

5发展前景及展望

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摘要：为探讨基于团队的学习模式TBL教学法在医学生物学实验课程中的具体教学模式、评价体系及存在的问题与对策，选择南华大学船山学院2014级四年制预防医学专业学生为研究对象，采用分组方法，将班级分为若干个团队，然后以团队为基础共同学习和完成病案分析的讨论式教学方法，为高等学校医学生物学实验课程教学研究和其他医学课程教学研究提供重要参考依据。

关键词：医学生物学；实验教学方法；TBL教学模式

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）13-0173-02

医学生物学实验课程是一门以生命科学问题为导向，以研究内容为主线，学习如何通过科学实验方法来研究细胞正常结构和功能，以及细胞结构组成变化相关的与疾病发生机制的一门与临床医学有关的独立性实践课程[1]，是基础医学与临床医学之间的桥梁学科。在教学中，通过专业理论学习与适当的实验实践，使学生初步理解医学生物学的基本原理，熟悉医学生物学的应用范围，了解细胞化学成分等相关实验的实验方法，并初步认识医学生物学在实验工作中所起的重要作用。虽然传统的教学模式是按照人的身心发展这种特殊需要而组织起来的环境。这个环境成为其自觉影响，作用于学生的身心发展，确保教师教育影响的主导性，但学生感受到的只是一种被动地学习，忽视了学生的主观能动性[2]，也越来越难以满足现代医学人才培养的需要。然而，基于团队学习（team-based learning，TBL）教学模式是以学生为主体的一种以团队为基础的学习模式。强调团队协作精神，注重提高学生自主分析和解决问题的能力。目前，我国TBL教学已被广泛应用[3-6]，在医药院校也取得成功[7-9]，但在医学生物学实验教学中应用甚少。因此，将TBL教学模式引入医学生物学实验课，初步取得较好的效果。

一、TBL教学法实施

1.学生分组。选择南华大学船山学院2014级四年制预防医学专业学生，共有6个班，每班24人，根据随机分配的原则，每班分为4组，每组6人，每组选出一名综合能力都较强的学生担任小组长，其他成员积极配合完成相应的任务。

2.布置课前学习任务。提前布置学习任务，让学生通过自主学习，让学生结合教材、参考资料、实验指导、图书馆数据库等多种渠道，主动学习并掌握正常细胞包括分裂的前、中、后、末各期的有丝分裂特征。同时，通知学生将在上课时进行个人考核与实验结束后以小组为单位进行讨论。

3.课前检测。围绕学生实验课前的学习内容进行考核，以便了解学生对知识的掌握情况，从而保证实验顺利进行。

4.实验开展。根据实验教学大纲、实习指导以及教师实验前的讲授，由小组长安排实验的开展，描述细胞分裂的前、中、后、末各期的有丝分裂特征，探讨各期特征的不同之处，并做好笔记。教师作为旁听者，指出实验中存在的问题并给予指导。由小组长与组员之间的协作，培养学生互助互作的团队协作能力。

5.归纳总结。实验结束后，每个实验小组对实验观测特征进行总结，每个小组成员阐述各自观点。最终，由小组共同总结出一个一致的结论进行汇报。加入讨论组的结论不一致，由带教老师进行引导并做出解释。

6.实验效果评价。通过探讨细胞分裂的前、中、后、末各期的有丝分裂特征显示，通过团队合作讨论学习，学生对有丝分裂特征的掌握效果好。因此，值得高等学校医学生物学实验课程教学研究和其他医学实验课程教学研究借鉴。

二、TBL教学法评价

1.TBL教学法的优缺点。优点：对于学生而言，促进综合、评鉴、创造等高层次思考；改变了学生的学习观，激发主动学习热情；培养团队合作的素养与技巧。对于教师而言，不但能兼顾应试教育与素质教育的需求，而且较容易由教室中心转向学生中心以及各种程度的学生都能获益。缺点：课前预习、查阅文献资料要占用学生大量时间，学生学习负担比传统学习方法重，有的学生可能不愿意去做甚至容易出现抵触情绪；对知识点的掌握不够扎实甚至容易遗漏，学到的知识不够系统，体系不够清晰。

2.与传统教学法的比较。绝大多数学生更热衷于基于团队学习的TBL教学模式。传统教学法是以知识的传授为中心，过分强调了教师的作用，扼制了学生的个性和创造性，忽视了学生的主动性与潜能的发挥。然而，TBL教学法则突出了学生中心地位，有利于发挥学生的主观能动性。不仅仅提升了学生的学习兴趣，提高了学习效率，而且对于学生集体协作能力与团队合作精神的培养具有促进作用。TBL教学法通过课堂讨论，互动增强，气氛活跃，学生的语言和沟通能力得到很大的提高。与此同时，学生在主动学习和讨论中，难免会遇到各种各样不能解决的问题，通过提问促进教师学习和提高。通过教学，教师也可从学生的讨论中得到某些启示，真正做到教学相长[10]。

三、存在的问题与对策

1.建立完善的教学效果评价体系。参与TBL教学法的学生能够积极主动做好课前预习，查阅文献，并与小组成员以共同探讨的方式解决课内的大部分问题，与传统授课组相比较学生问老师的次数明显减少，课堂上W生的精神面貌也焕然一新，见不到打瞌睡、玩手机和闲聊的同学。学生的学习积极性、与小组成员的关系以及与老师的交流均明显好于传统授课组，但是考试成绩与传统授课组之间无明显差别。推测可能是与目前主要评价体系还是以考试成绩来评价有关，然而，TBL模式的核心目标要培养的是学生的综合素质和创新能力，并非仅仅是获取已有的知识，如果只按考试成绩来评价效果，显然与TBL培养目标相背离。

2.系统规划专业课程的教学模式。目前学生的专业课程大多数都是传统的教学模式为主，这就导致学生大部分的时间被传统模式的教学学科所占据。如果只有医学生物学实验这一门课程采用TBL模式，学生缺乏足够进行自主学习的自由时间，TBL的效果将会受到极大的影响。

四、结语

从适应医学生物学实验教学的实际需要出发，将医学生物学实验教学内容与基于团队的学习模式（TBL）教学法结合起来，通过TBL教学法在医学生物学实验教学过程中的应用研究，探讨TBL教学法在医学生物学实验课程中的具体教学模式、教学方法和评价体系，将为高等学校医学生物学实验课程教学研究和其他医学课程教学研究提供重要参考依据。

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基金项目：2016年南A大学船山学院高等教育研究与改革立项重点项目（2016CZ002）

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生命科学的许多学科内容存在交叉,导致了不同课程的实验内容也存在不同程度重复,就有可能造成学生在不同课程的实验课做相同的实验。因此,在制定教学大纲之前,需要注意不同课程教师之间的沟通和交流,避免相同的实验在不同课程之间重复做的现象。例如,DNA提取实验,在生物化学、遗传学、分子生物学等课程的实验中都有可能开设,如果在制定教学大纲之前,相关学科的教师之间没有交流和沟通的话,就可能在这三门课程的实验中都开设DNA提取实验。这样,不但不利于学生学习获得掌握更多实验技能的机会,而且会造成实验时间、资源和经费的浪费。在实验设置上,要适当增加一些设计性和综合性实验,使得一个实验中可以用到多门课程中的实验技术,这样就可以使得学生的综合素质和创新能力得以提高。为了进一步提高学生的创新能力,除了上课规定的实验内容外,还可以让学生多参加一些科研活动,如大学生创新课题、教师的科学研究等,学生可以向指导教师请教,由指导教师给予进一步的指导。通过学生积极主动地参与,就可以进一步激发学生的学习兴趣,更为牢固地掌握相关实验技能,提高其动手能力和创新能力。

2改革实践教学手段

传统教学所采用的教学方法通常是教师把实验原理和方法一讲,然后学生依据实验步骤操作。因为许多实验仪器、用品、药品学生都是首次接触,对其操作方法、注意事项以及实验中会出现的问题等会注意不到。最终,就会导致实验结果不理想,甚至实验失败。计算机技术的普及使得多媒体教学成为本科理论教学中常用的教学手段,但在实验教学中应用还较少。生物技术专业的许多实验,如,细胞生物学、生物化学、分子生物学、基因工程等课程的实验,都是在分子水平进行的,实验中的一些现象学生很难用肉眼观察到,造成学生对实验原理的理解困难和实验操作的困难。如果利用多媒体来对相关实验内容和操作进行演示,上述困难就能迎刃而解。如,分子生物学实验中的琼脂糖凝胶电泳技术,在原理部分,教师虽然讲到通过溶解琼脂糖再降温使得琼脂糖凝固,就能形成具有一定网孔的凝胶,不同分子量的DNA通过凝胶后就可以按照分子量的不同而分离。但是学生在理解的时候还是有一定的困难,通过多媒体动画,学生就可以直观地看到凝胶形成的过程以及不同分子量的DNA在凝胶中泳动的情况,进而牢固掌握实验原理。另外在加样的技术环节,教师虽然可以亲身示范,但是由于每堂课的学生较多和时间限制,教师不可能对学生进行一一的示范,这样学生在加样时就很难掌握正确的加样方法。而通过多媒体录像,学生可以清晰地看到加样过程,以及各种错误操作可能造成的后果,进而在实验操作中就能够进行正确的操作,避免错误的操作,达到实验成功的目的。

3积极筹建实习实践基地

生物技术是一个实践性很强的专业,所学知识必须同生产实践联系起来,这一点需通过实习、社会实践等环节才能实现。因此,我校生物技术专业在多门课程中设立了实习环节。校外实践教学基地是联系学校和社会的桥梁,是培养学生综合运用多学科知识去解决实际问题的纽带,也是大学生动手能力和创新意识培养的一个关键所在。目前,我校生物技术专业已在关山建立了植物学实习基地,另外,我省有一些大型的生物公司,如,洛阳市的华美生物工程公司、新乡市的华兰生物工程公司等,这些为我校生物技术的诗句基地建设提供了有利的条件。

4鼓励学生参与科学研究

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关键词：地方本科院校；细胞工程；教学改革；理论教学；实践教学

细胞工程学是应用细胞生物学和分子生物学的原理与方法，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有目标性状的细胞系或生物体有关的理论和技术的学科。它是一门现代生物科学理论和工程技术相结合的综合性学科。本课程围绕细胞工程的主要原理与基本技术进行现代教学[1]，是实践性和应用性很强的专业课。通过细胞工程的学习，学生在系统掌握本课程的理论、方法和技术等基础知识的基础上，结合最新研究动态，使学生可以全面地了解本课程。地方高校细胞工程实践条件普遍薄弱，教师怎样通过高效的教学方法改进教学质量，以达到教学（包括获得中学教师资格证后从事中学生物教学）、科研和生产开发各方面的要求，是摆在每位任课教师面前的一项艰巨的任务[2]。

一、细胞工程教学现状及存在的问题

重庆三峡学院生物技术专业于2007年开始招生，已经经过5年的专业建设，目前，已经形成了较完善的理论实践教学体系。但毕竟生物技术专业招生较晚，细胞工程相关课程的人才储备不足，还没有形成知识结构完善、人才梯度合理和水平较高的师资队伍，另外，实验条件薄弱，特别是无菌细胞培养与操作室要求严格，运行费用较高，难以建成。为此，在借鉴其他地方本科院校经验的基础上，根据自身特点，构建新的教学大纲，使细胞工程教学步入正轨。

二、细胞工程课程改革的总体构想

1.理论教学改革。

（1）突出重、难点，优化教学内容。在教材的选用上，国内虽然有不少版本的细胞工程的教材，但这些教材有的偏重应用、理论缺乏，有的可读性差，不易理解。因此根据我们多年的教学经验，上海交通大学李志勇先生主编的《细胞工程》系统地介绍了细胞工程的基本原理、方法、技术和最新发展，可以作为地方本科院校的教学参考书。但细胞工程发展很快，一些新的研究进展在教材中并没有体现出来，针对这个情况，一方面我们向学生推荐了一些参考书，另外自行编写了符合教学要求的讲义，下发给学生。同时，由于课时的原因，在教学过程中，不可能做到面面俱到，只能选择性地讲解。这就要求教师将教材中相对笼统、分散以及过时的内容，通过总结归纳、提炼和补充等再加工，应用有效的方法手段突出重点（基本概念和基本原理）和难点（容易混淆的概念和难理解的机制），并进一步结合实验课中的实际操作合理安排教学进度及教学方法[3]。

（2）改革教学方法。激发学生的学习兴趣，发挥学生主体主动性。大学教学往往采用灌输式教学模式（教师讲，学生听，教师写，学生抄）。启发式教学则注重教的目的是学，这样教师就由知识的传输者转变为学习的引导启发者，激发学生学习的主动性，发挥想象力空间。在教学过程中，为了调动学生参与课堂教学的主动性、积极性，我们选择细胞工程的某一章节，尝试让学生体验课堂教学，以培养学生的独立思考能力、查阅文献能力、总结归纳能力及语言表达能力[4]。通过这种教学方式，也为准备从事中学生物教学的本科生提高锻炼的机会，深受大家的欢迎。具体来说，提前三周布置教学内容，要求学生在空余时间利用百度等搜索引擎及CNKI、维普、万方、Elsevier、NCBI等专业检索工具，选择感兴趣的内容检索查阅相关资料。一般选择学生感兴趣、应用性较强、与生产实践联系紧密的内容，比如在学到动物细胞培养章节后，让学生课外查阅动物细胞培养在医药、食品等领域比较成功的案例，将工厂生产过程做成多媒体课件，教师选择几个比较有代表性的课件内容，在下次上课时让学生课堂讲解，然后教师点评，并强调本章节需要掌握的重、难点，可以作为学生部分的平时成绩。

注重师生互动，积极引导学生学习，关注学生情感，建设和谐课堂，拉近学生与教师之间的距离。利用上课前的几分钟时间，对前面的内容特别是上节课的内容提出问题，让学生思考回答，以巩固所学内容和检查学生课后的复习情况，同时又可以衔接本节课的讲授内容，一举两得。在课堂上介绍一些重要人物科学研究的故事、实例和经验教训，积极地引导学生进行科学的思维，培养他们的推理能力；同时鼓励学生运用所学知识来分析一些自然现象，发现和解决问题[5]。

优化多媒体教学。细胞工程是一门应用性和技术性很强的学科。理论教学过程中需要很多图表进行讲解，技术中的很多操作环节，如无菌操作、动植物细胞培养等操作严格规范，但传统的板书教学难以保证教学效果。利用多媒体教学，可以很直观地观察操作过程，提高了学生的感官认识，利于操作技能的掌握，加深理解深奥的理论知识。运用多媒体教学时，还应该留出一段时间进行师生、学生与学生互动，有利于学生更好地消化掌握所学内容，充分调动学生的参与意识。

2.实践教学改革。地方本科院校细胞工程类课程实验条件普遍薄弱，需要整合教学资源，优化教学内容。精选实验教学内容，彰显细胞工程实验课程的重点与难点，注重基础实验操作训练，侧重地方本科院校学生应用能力培养，显现课程特色。考虑到我校细胞工程实验室自身仪器较少，实验室运行成本较高，不能够完成“动物细胞原代培养”、“单克隆抗体制备”、“真核细胞转基因技术和检测技术”等技术复杂、成本高的实验，因此选择动、植物细胞培养技术作为主要的实验内容，有的实验还选用演示的方法进行教学，将实验内容分为四个模块，即基础实验、动物细胞工程、植物细胞工程、综合设计。这样既注重了基础操作，利于学生毕业后工作衔接，又突出了创新。

总之，课程教学是实现本科生教育培养目标的重要手段[6]。在我国，细胞工程课程开设较晚，目前还没有形成系统有效的教学模式，地方本科院校因其特殊性，很多细胞工程师资配备有限，实验条件缺乏，有的学校甚至还不能开设细胞工程实验课程。为此，我们依据生物技术专业学生的培养目标，根据教师在细胞工程理论和实验课程教学中的经验与教训，从教学目标、理论教学和实践教学等方面进行了积极的探索与改革，取得了较好的效果。

参考文献：

[1]梁亦龙，魏进民，张继承.细胞工程教学改革的探索[J].实验室科学，2009，（4）：25-26.

[2]王伟霞，李福后.生物技术专业《细胞工程》课程建设与改革[J].科技创新导报，2008，（9）：245.

[3]吴晓丽.提高《植物生理学》课程教学质量的探索与实践[J].科技信息，2012，（1）：286-287.

[4]王海英，刘玲玲，阎晗.细胞工程教学与大学生创新素质培养初探[J].黑龙江教育学院学报，2010，29（10）：91-93.

[5]周春菊.提高植物生理学教学效果的体会[J].高教论坛，2006，（05）：138-139.

[6]王义，刘思言，孙春玉等.在《植物细胞工程》课程教学中培养学生科研能力的思考与实践[J].中国校外教育（理论），2008，（9）：85-86.

基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目（编号：103157）

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【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势

一 引言

生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。

激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。

可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。

在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。

随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。

国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。

福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。

二 国内外现状

光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。

我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：

（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；

（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；

（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。

三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况

“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。

30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。

实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。

中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。

重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。

重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。

重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。

“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。

四 发展趋势和展望

光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。

在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。

在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。

值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。

今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：

（一）医学光子学基础

在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

（二）医学光子学光谱诊断技术

医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。

生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。

近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。

超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。

（三）医学光子学成像诊断技术

发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：

超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。

散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。

红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。

光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。

荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。

光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。

非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。

人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。

4.医用激光治疗技术（激光医学）

强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。

低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。

光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。

激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。

五 结论

医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。

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课题组成员：

1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长

2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室