生物醫(yī)學儀器課程內(nèi)容及實踐教學
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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)學儀器，因此，建設具有針對性和實用性的生物醫(yī)學儀器分析課程顯得非常必要。可以在課程內(nèi)容上進行基于基因或蛋白層面的檢測儀器、組織或細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，并在實踐性教學上嘗試讓學生對設計性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個層次的進行設計，進一步對此課程建設進行完善和系統(tǒng)化。
［關鍵詞］生物醫(yī)學儀器分析；課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)；實踐性教學
國內(nèi)外的儀器分析課程是建立在物理和化學基礎上的儀器分析方法，主要針對化學、材料、藥學、環(huán)境、食品等專業(yè)的學生設置。而新興的生物醫(yī)學工程學科，其研究領域包括生物醫(yī)學、生物力學和力生物學、生物材料、組織工程等。基于生物樣品的特性，對生物醫(yī)學儀器的分析要求已深入到基因、蛋白、細胞等水平。傳統(tǒng)的儀器分析課程遠遠不能滿足學生進行生物醫(yī)學科研的要求。[1]在高校中已設置的儀器分析課程中的教學內(nèi)容已經(jīng)跟上生物醫(yī)學研究的發(fā)展。但隨著生命科學和醫(yī)學的迅猛發(fā)展，人們對生物醫(yī)學儀器的應用能力的要求也越來越高，迫切需要具有針對性、實用性和先進性的生物醫(yī)學儀器分析課程。[2][3]我們針對生物醫(yī)學工程專業(yè)的研究生開設了生物醫(yī)學儀器分析這門課程。我們在對課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)及實踐性教學環(huán)節(jié)等方面不斷進行探討和改進，為本課程進一步特色化、系統(tǒng)化、前沿化的建設奠定了一定的基礎。
一、課程內(nèi)容體系建設
傳統(tǒng)的儀器分析課程主要涵蓋色譜法、電化學分析法、光學分析法、質(zhì)譜法等四大類儀器分析方法。生物醫(yī)學儀器分析課程內(nèi)容建設區(qū)別于以往普通儀器分析課程的內(nèi)容設置，重點突出“生物醫(yī)學”的特點，以滿足解決生物醫(yī)學科學與工程領域的科學問題的要求。課程內(nèi)容設置既要服務于解決科學問題，避免課程設置和實踐應用脫節(jié)，又必須在掌握生物醫(yī)學領域經(jīng)典的儀器和方法的同時，緊跟前沿領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)學科學與工程領域的科學問題。
（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?；蛩降臋z測儀器包括：經(jīng)典儀器———聚合酶鏈式反應、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：組織或細胞層面的觀察或檢測儀器
該部分重點介紹基于組織或細胞的生物樣品的觀察或檢測儀器。組織或細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。細胞層面的檢測儀器：前沿儀器———流式細胞儀。
（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、毛細管色譜、高效薄層色譜等技術(shù)。這三部分的學習能讓學生掌握前沿生物醫(yī)學儀器分析手段，對生物樣品進行定量、定性分析，觀察樣品形態(tài)、分布，對樣品進行分離等，訓練學生解決科學問題的能力，使學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、實踐性教學的建設
實踐性教學是理論教學的擴展和延深，對于增加學生對理論知識的理解和感性體會，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(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的不足，提高將所學知識轉(zhuǎn)化為實際應用的能力，與理論教學環(huán)節(jié)相得益彰。而現(xiàn)有的儀器分析課程所設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，本課程提出了設計性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性三個層次的實踐環(huán)節(jié)。
（一）設計性實驗
設計性實驗是指給學生基于經(jīng)典實驗的實驗項目，但不提供成熟的實驗步驟，由學生自主設計實驗計劃。設計性實驗不是簡單重復的驗證性實驗，不能機械地套用做過的實驗來解決問題，而是讓學生必須獨立思考，設計實驗方案，使其有發(fā)揮創(chuàng)造力的余地。要求學生在查閱文獻的基礎上，設計實驗方案，包括所用方法、原理、儀器和具體實驗步驟，經(jīng)指導教師審閱后進行上機操作，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)學研結(jié)合項目，但樣品的濃度未知。由學生來設計實驗方案，確定高效液相色譜參數(shù)，對樣品進行定量測試。
（二）創(chuàng)新性實驗
創(chuàng)新性實驗是指不限定實驗題目，給學生提供一個開放的實踐平臺，由學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。學生通過文獻查閱，選擇合理的儀器分析方法，設計具體的實驗方案，共同討論方案的可行性，在設計好具體的實驗方案后，上機操作，獲取實驗結(jié)果。注重利用本學院的前沿科學研究項目來引領學生的創(chuàng)新性實驗。教師可以根據(jù)自己負責或參與的科研項目，提供樣品或科學問題給學生，鼓勵學生研究自己導師的項目中的科學問題或是由項目引申出來的科學問題，緊跟學科前沿，并體現(xiàn)生物醫(yī)學研究應用的特色。通過引導學生自己設計創(chuàng)新性實驗，可以使學生更好地發(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胞會發(fā)生什么變化？這是由教師的自然科學基金項目引申出來的科學問題。學生可采用多種生物醫(yī)學儀器，如流式細胞儀、實時熒光定量PCR儀及激光共聚焦顯微鏡來研究成骨細胞的細胞周期、特異性基因及細胞形態(tài)等多方面的變化，綜合運用所掌握的儀器全面地探索細胞發(fā)生的變化，深入研究科學問題。
（三）挑戰(zhàn)性實驗
挑戰(zhàn)性實驗是指學生挑戰(zhàn)生物醫(yī)學研究前沿領域或是教師的前沿科研項目中還沒有解決的科學問題，通過生物醫(yī)學儀器手段探索這類沒有答案的、高難度的科學問題。挑戰(zhàn)性實驗給予學生沒有約束的思維空間，充分激發(fā)學生的潛能，為學生提供自由思索、探究的平臺，對于學生的超越性、創(chuàng)新性研究具有極大的推動作用，非常有利于培養(yǎng)學生勇于探索、敢于創(chuàng)新的科學精神。舉例：細胞結(jié)構(gòu)的三維重建是一個前沿熱點問題，如何利用激光來重建細胞的三維結(jié)構(gòu)更是沒有現(xiàn)成的方法可供參考。學生在理解激光共聚焦顯微鏡工作原理的基礎上，設計詳細的實驗方案來觀察細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，并進行細胞三維重建。通過多層次的實踐教學，提高了學生學習的參與程度和主動性，取得了良好的教學效果。學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)學特色，注意引入學科前沿的科學問題，與教師的科研項目有機結(jié)合，強調(diào)對學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，提升學生的學術(shù)研究水平，對儀器分析在生物醫(yī)學工程專業(yè)方面的教學具有很大的意義。
［注釋］
［1］王芳群，衛(wèi)星，李天博．生物醫(yī)學工程專業(yè)“醫(yī)學儀器”課程教學方法分析［J］．中國電力教育，2010（184）：133－134．
［2］趙于前，湯井田，李凌云．從交叉學科角度談生物醫(yī)學工程教育改革［J］．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004（6）：239－240．
［3］王志遠，陳武凡，何明娥．生物醫(yī)學工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的實踐與探索［J］．中國高等醫(yī)學教育，2006（4）：42－43．
［4］馬春排，李天鋼，李自毅，周秦武．生物醫(yī)學工程實踐教學體系的建設［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：北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院
