生物学的研究方向范文

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摘要　立体定向放射外科治疗作为治疗头部良性病变及恶性肿瘤的一种方法，表现出十分理想的效果，其作用机理、治疗方法与常规放疗有很大的区别。本文从放射生物学角度对这一领域近年来的研究与进展作一综述。

关键词　立体定向放射外科　放射生物学

自Leksell于1951年提出放射外科的概念以来，世界各地大约已有2万多人接受过这种治疗。最初这种治疗工具是为功能性神经疾病而设计的，后来发现可适用于更多疾病的治疗，诸如动静脉畸形（AVM）、良性听神经瘤、脑膜瘤、垂体腺瘤以及脑转移瘤、恶性神经胶质瘤等。另有作者［1］报道治疗了室管膜细胞瘤、鼻咽腺瘤、胚组织瘤、松果体瘤、软骨瘤。其最初的生物学依据是单次高剂量、小体积照射脑部导致灶性坏死。随着1980年～1990年间几种新技术的发展、放射外科设备的进步，包括从回旋加速器产生的粒子束、多源60Co到加速器调整后的更大射野；同时由于影像学、物理学及自动化技术的进步，使得放射外科与适形放疗更加接近［2］。总之，这一新的治疗方法并不象最近20年来一些稍纵即逝的技术，它已引起众多学者对其临床疗效、安全性及治疗费用的广泛关注。我国近年来也逐步在引进更多的γ-刀和X线刀。本文拟从放射生物学的角度，对放射外科的动物实验研究及临床研究作一简要概述。

一、立体定向放射外科的动物实验研究

由于立体定向放射外科采用的是单次高剂量放射线损毁靶点以治疗不同颅内病变，临床应用于病人较慎重，并且由于取材较困难，临床关于组织病理变化的文献较少，因此动物实验对于解释正常组织及病理组织对立体定向放射外科治疗的放射生物学反应尤为重要。实验动物模型的建立是研究的基础，在此基础上需要深入研究的关键问题是如何确定最佳剂量点以及如何精确地确定靶点位置、靶体积等。为了确定立体定向放射外科用于正常脑组织的剂量反应关系，Kondziolka等［3］建立了一种正常大鼠脑模型，并以201个源的60Coγ-刀用4mm准直仪照射18只大鼠的大脑右前叶，单次剂量分别为30Gy～200Gy，每个剂量点2只大鼠。所有动物观察90天后处死并作组织学检查。这一期间各剂量点未发现动物有任何神经功能障碍，接受30Gy、40Gy、50Gy及60Gy照射的大鼠无病理改变，70Gy组偶见有皱缩的神经元，80Gy组可见有极少的动脉壁增厚，100Gy组的一只大鼠在靶体积内有明显的毛细血管内皮细胞退化和蛋白外渗，另一只有一4mm直径的坏死区。150Gy、200Gy组的4只大鼠均有局限性的脑坏死，星形细胞增生、水肿及微出血在靶区周围1～2mm均可见到。依据细胞、细胞间隙及对大鼠脑部集中一次高剂量照射的短期效应，建立了一种剂量反应关系。同时，Kondziolka等［4］建立了接种肿瘤后的实验动物接受立体定向放射外科治疗的模型。19只大鼠接种C6神经胶质瘤细胞14天后接受立体定向放射外科治疗，与对照组22只接种后的大鼠65天后对比观察。结果治疗组平均生存期为39.2天，对照组为29.4天（P＝0．07）。治疗组6只大鼠（32％）而对照组仅1只大鼠生存了65天（P＝0．07）。治疗组平均肿瘤直径小于对照组（P＝0.001），而且肿瘤细胞少（P＜0.001），光镜下显示细胞水肿（P＜0.005），提示治疗有直接的细胞毒性反应。30Gy、40Gy、50Gy、70GyGy及100Gy各剂量点未观察到肿瘤反应差异。这种体内大鼠恶性神经胶质瘤模型对于评价高剂量集中照射的杀癌细胞效应具有一定的价值。

人肿瘤细胞裸鼠肾囊膜下移植模型已成为一种筛选抗癌药物的常规模型。Linskey等［5］亦建立了这种模型用于评价人听神经鞘瘤对立体定向放射外科治疗的早期反应。结果40Gy的移植后治疗组3个月后肿瘤体积比治疗后2周时下降明显，且优于10Gy和20Gy组。肿瘤表面血管分布减少亦较20Gy明显，10Gy组及对照组均无变化。组织学检查显示放射外科组小鼠含铁血黄素沉积与血管壁玻璃样变的发生率高于对照组，提示裸鼠肾囊膜下移植听神经鞘瘤对于立体定向放射外科治疗后听神经鞘瘤的体内放射生物学研究是一极佳的模型。

此外，由于单次高剂量照射，所以颅内靶点精确位置的确定极其重要，否则其放射生物效应会有很大不同，且极可能对正常脑组织造成极大损害。为此，Bova等［6］设计了一种适于对猫进行实验放射外科治疗的装置以研究其放射生物反应。原理为在Kopf立体定向头架的基础上增加一种“弧”装置，使放射源（直线加速器或60Co机）保持固定，动物平台等中心绕弧旋转。机械精确度的测试显示最大误差为0.15mm，可以精确确定靶位置。

二、立体定向放射外科的临床研究

立体定向放射外科最初为治疗功能性神经疾病而设计，目前这方面的研究仍在继续。Kihlstrⅹm等［7］研究了γ刀内囊切除术治疗难治性焦虑症后病人双侧内囊正常组织接受单次γ线照射后的神经放射性表现。最大靶点剂量为200Gy。照射后3～44个月系列CT扫描和MRI被用于随访观察。结果提示高剂量时观察到的组织反应、体积变化和时间过程比小的照射体积中观察到的更不易预测。因此，建议在将来应使用低的放射剂量和较小的体积。另外在用CT及MRI评价γ刀引起的损伤时应考虑时间因素。

近年来，立体定向放射外科越来越多地应用于脑部良恶性肿瘤的治疗。目前的研究较多集中于分割照射是否适用于立体定向放射外科。应用多次分割代替单次照射在立体定向放射外科治疗中可能有放射生物学的优势，但是立体定向放射外科分割照射比单次照射需要较大的靶体积。如果降低几何精确度和增加摆位的不确定性与多次分割照射有关，通过这样即可部分补偿放射生物学增益。Lo等［8］为估计分割照射脑肿瘤的潜在治疗增益，评价增加摆位不确定性在潜在增益方面的效应，采用生物有效剂量（BED）、依据LQ模式对不同治疗计划的治疗效果定性分析。其中治疗增益（TG）被定义为肿瘤的BED与同一正常脑BED在多次分割及单次治疗的比值，结果分割治疗的TG随分割次数增多而增加，随单次剂量增大而减小。在1～10的分割次数中，TG在单次剂量点为20Gy、30Gy、40Gy时分别为1.40、1.32、1.27。另外，TG在最初的几次分割中更明显。如果体积增大，则分割的增益减弱。从单次剂量的靶体积2cm增加到分割治疗的2.3cm时，TG从1.19、1.11降到1.06。研究认为，分析分割放射的治疗增益时应考虑增加摆位不确定性在分割治疗中的影响。

Simonov等［1，9］采用Leksell立体定向头架和Leksellγ刀以分割方式（2～6天）治疗48例初治病人，研究了立体定向放射外科分割照射的可行性。研究中应用LQ模式分析等剂量效应关系，并考虑肿瘤的放射生物学、肿瘤体积、周围重要脏器的损伤及其他因素。结论提示Leksellγ刀进行立体定向分割照射是一种非常准确可行的治疗方法。在另一项38例各类病人的研究中，总的分割剂量20Gy～60Gy，肿瘤周围剂量为12Gy～30Gy。病人可耐受Leksell头架接受2～5天的治疗，没有病人出现并发症，并且肿瘤周围脑组织受量最小。

随着立体定向放射外科研究的进展，X线刀越来越多地开始应用于肿瘤治疗。Luxton等［10］研究认为最终X线刀可照射＞30mm的病灶，但其精确度较γ刀略差。

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关键词：蛋白质-蛋白质对接；分子动力学模拟；蛋白质-蛋白质相互作用

Abstract：Proteins that play a critical role in many cellular processes often perform their functions by interacting with other proteins. Therefore， the studies of protein-protein interactions are vital to exploring the essence of life， understanding the mechanism of diseases and developing new drugs to improve human health. With the sustained development of bioinformatics， more and more computational methods have been applied to structural and functional research of proteins. Protein-protein docking and molecular dynamics simulation are both widely applied to the studies of protein-protein interactions. This article reviews the theory of computational methods， softwares and the application in protein-protein interactions.

Key words：Protein-protein docking； Molecular dynamics simulation； Protein-protein interactions

众所周知，蛋白质在生物进程中扮演着重要的角色。蛋白质通过与其他生物大分子（如蛋白质，DNA和RNA）相互作用介导细胞内各种重要的生理过程，如基因的复制、转录、翻译以及细胞周期调控、信号转导、免疫反应等，其中，蛋白质-蛋白质相互作用尤为常见。因此蛋白质-蛋白质相互作用的研究有助于人们探明其细胞内功能，从而了解各种疾病发生机制，为进一步的新药研发提供帮助。目前为止，研究蛋白质-蛋白质相互作用主要有酵母双杂交、免疫共沉淀、亲和色谱、质谱、核磁共振等多种实验方法，这些技术为蛋白质相互作用研究做出了重要贡献，积累了宝贵的数据资源。

随着计算机处理能力的不断提升，生物信息学的理论模拟方法得到迅速发展和广泛应用。生物信息学整合数学，物理，化学，信息学等众多学科的优势，以计算模拟手段进行生物学相关研究。自Janin和同事们[1]首次运用自动化对接算法预测牛胰蛋白酶抑制剂-胰蛋白酶复合物3D结构至今，蛋白质-蛋白质对接领域已取得很大进步。该方法常用于蛋白质结构及功能研究，分析配体与蛋白质间或者蛋白质-蛋白质间的相互作用模式，便于研究者从原子水平探究受体-配体间作用机制。分子动力学模拟在诞生至今的几十年中不断随着计算机软硬件技术的快速提升而愈加发展完善，已经成为研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和动力学特性的重要工具。本文将对蛋白质-蛋白质对接和分子动力学模拟的基本原理及其在蛋白质间相互作用研究中的应用进行简要概述。

1 蛋白质-蛋白质对接

准确的蛋白质-蛋白质复合物结构是进行蛋白质-蛋白质相互作用研究的基础。然而，通过实验方法测定蛋白质-蛋白质复合物结构比测定单个蛋白质更加困难。随着计算机水平的不断发展，人们开始希望用计算模拟手段来预测蛋白质复合物的真实结构，并希望从原子层面来分析蛋白质-蛋白质相互作用的内部机制。蛋白质-蛋白质分子对接是一种常用的方法。它是指利用两个单体蛋白质的三维空间结构，来预测蛋白质-蛋白质复合物结构。解决蛋白质对接问题有两个关键因素：打分函数和搜索算法[2]。打分函数应能够区分出正确的或近似正确的蛋白质对接复合物，而且搜索算法需严格地探索由相互作用的蛋白质形成的巨大构象空间。

1.1打分函数 蛋白质-蛋白质对接可以被归类为一个全局最优化问题，其主要目的是找到蛋白质分子间最稳定关联结构。使用打分函数是准确评估结合蛋白间的相互作用所必需的。打分函数有两个作用：构象采集和母板选择及精制。打分函数的根本目的是从错误的对接取向中区分出正确或近似正确的对接取向。打分函数主要有两种类型：基于物理原理的函数和基于实验知识的函数。通常，基于物理原理的能量函数用分子力场如CHARMM[3]和AMBER[4]描述蛋白质-蛋白质相互作用。

打分函数可能包括几何学与化学的互补，静电力、范德华力和氢键的相互作用以及解相关能量项。最常用的打分函数是形状互补。经常将形状互补与FFT算法联合应用于详尽的全局搜索。静电场在带电粒子或极性分子间的相互作用中扮演着重要角色。泊松-玻尔兹曼方程常被用来解决从原子水平获得溶剂化生物分子系统的静电电位问题。打分函数包括了极其重要的离散和核心相互作用，通常用范德华力相互作用来描述。

1.2搜索算法 搜索算法的主要目的就是在势能图上定位最稳定的状态。对接复合物可能解的构象搜索可通过两种不同的方案执行。第一种方案是进行全空间搜索，第二种是随机地或按一定顺序只搜索局部空间。快速傅里叶变换是最为著名的用于全空间的搜索算法之一。Katchalski-Katzi[5]和助手首次将快速傅里叶变换法用于蛋白质对接，确定受体配体间几何契合。该方法被应用于许多程序，如GRAMM[6]， FTDock[7]，3D-Dock[8]以及ZDock[9]。局部搜索算法包括模拟退火，蒙特卡洛法及遗传算法等。Vieth和助手们[10]发现分子动力学法最适于进行大空间搜索，而遗传算法比其他算法更适合进行小空间搜索。大多数情况下，蒙特卡洛算法和分子动力学算法都用来进行蛋白质柔性处理。

1.3对接过程 蛋白质-蛋白质对接一般通用的过程包括：①尽可能多的从全局或局部搜索中生成对接复合物；②筛选和评估复合物；③精制和重排。这三步可被细分为更多步。第一步完成刚体的全局搜索，尽可能多的生成对接蛋白质-蛋白质构象。在第二步中，采用生物或实验信息和打分函数来扫描并评估第一步得到的对接复合物。错误对接复合物的得分比接近X射线结构复合物的得分高是很常见的，许多得分高的结构并不实际存在。应过滤掉这些不实际存在的结构，将剩下的对接复合物进行评估。第三步涉及到侧链及可能骨架的柔性。柔性处理时主要进行重排侧链。

2 分子动力学模拟

分子动力学模拟是一门利用经典力学来模拟大分子体系运动的方法，它综合了数学、统计物理、化学、计算机等多门学科的内容。分子力场是分子动力学模拟的基础。它采用简单的函数来描述分子能量与结构之间的关系。分子力场的基本函数形式包括了原子之间的成键相互作用与非键相互作用。非键相互作用主要包含了范德华力与长程静电力。

2.1分子动力学模拟过程 分子动力学模拟的步骤主要包括了四步：第一步是确定初始构象，初始构象尽量选越接近模拟系统的结构越好，通常是能量较低的构象。通常采用分子力学方法对其构象进行优化；第二步平衡相过程，在前一步中已经确定的模拟体系将进行平衡相过程。在构建平衡相的过程中，须对其构象以及温度等参数进行调控并加以监控，还要判断体系是否已经达到平衡；第三步生产相过程，模拟体系中的分子以及构成分子的原子开始根据初始速度运动，此时根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算，并从这个过程中抽取计算分析时所需要的数据和样本；第四步将对计算结果进行深入分析处理。

2.2研究进展及常用软件 Tajkhorshid等成功的模拟了水分子通过不同通道亚型的过程[11]。Xu等在水溶液和磷脂双层中对β淀粉样多肽进行了多次长时间分子动力学模拟，发现在生物膜和有机溶剂中以α螺旋为主，在水溶液中则以无规则卷曲为主[12]。京都大学医学研究科的岩田想[13]成功分析了存在于细胞的，负责将物质运送到细胞内的一种蛋白Mhp1的构造，运用该结果通过在计算机上模拟，在分子层次上弄清了Mhp1将物质运往细胞内的机制。

目前，用于分子动力学模拟的软件越来越成熟。较为常用的主要有：GROMACS，NAMD， AMBER，CHARMM，TINKER、LAMMPS等。GROMACS[14]是用户界面友好的分子动力学模拟软件，模拟中的参数条件和基本功能已经趋于成熟，里面包含多种力场，非常适用于模拟生物大分子这种复杂体系。同时由于其速度快，在非生物体系统中也得到了广泛的应用。AMBER[15]不仅是一个程序，而是包含了从体系准备到动力学模拟，再到轨迹分析等一系列程序的集合。同时，AMBER 还是一系列力场的名称，这些力场涵盖了蛋白质、核酸、糖类、脂类等众多生物大分子。NAMD同样适用于模拟计算蛋白质、核酸等生物大分子体系，而且并行计算效率非常高。

3 展望

目前，蛋白质分子对接及分子动力学模拟等计算手段虽然已广泛用于蛋白质-蛋白质间相互作用的相关研究，但还是存在一些值得改进的地方。例如，蛋白质-蛋白质对接过程中，蛋白质柔性的相关处理，构象搜索的合理性及打分函数的准确度；分子动力学模拟中力场的种类和所研究体系的匹配度等。随着计算机技术不断的发展，这些生物信息学方法有待进一步优化和相关软件需要进一步完善，从而使其更适用于蛋白质等生物大分子的模拟研究。总之，将生物信息学方法与传统实验手段相结合来进行蛋白质间相互作用等生物大分子体系研究，是一条有待进一步发展的有效途径。

参考文献：

[1]WodakS J，puter analysis of protein-protein interaction[J].Journal of molecular biology，1978，124：323-342.

[2]Taylor，J.S.and Burnett，RM.DARWIN：A program for docking flexible molecules[J].Proteins. 2000，41：173-191.

[3]Brooks，B.R.，States，D.J.， S.andKarplus，M.CHARMM： a program for macromolecular energy， minimization， and dynamics calculations[J]put.Chem.1983，4： 87-217.

[4]Ferguson， D.M.， Kollman，P.A.A second generation force field for the simulation of proteins， nucleic acids， and organic molecules[J]. J. Am. Chem. Soc，1995， 117： 5179-5197.

[5]Katchalski，Vakser，I.A.Molecular surface recognition： determination of geometric fit between proteins and their ligands by correlation techniques[J].Proc.Nat.Acad.Sci.USA，1992.89： 2195-2199.

[6]Tovchigrechko， Vakser， I.A.Development and Testing of an Automated Approach to Protein Docking[J].Proteins，2005，60：296-301.

[7]Gabb，H.A.，Sternberg，M.J.E.Modeling protein docking using shape complementarity， electrostatics and biochemical information[J].JMB.1997，272：106-120.

[8]Moont， Sternberg，M.J.E.Modelling protein-protein and protein-DNA docking[J].In Bioinformatics - From Genomes to Drugs，2001，1：361-404.

[9]Chen， R.and Weng，Z.A novel shape complementarity scoring function for protein-protein docking[J].Proteins，2003，51：397-408.

[10]Vieth， M.， Hirst.Assessing search strategies for flexible docking[J]put.Chem，1998，19： 1623-1631.

[11]Tajkhorshid，E， Schulten， K.，Control of the selectivity of the aquaporin water channel family by global orientational tuning[J]. Science， 2002， 296： 525-530.

[12]Xu ，Y.，Jiang， H.Conformational transition of amyloid beta-peptide[J].PNAS.USA，2005，102： 5403-5407.

[13]Shima mura，T.，Beckstein. Molecular basis of alternating access membrane transport by the sodium-hydantoin transporter Mhp1[J].Science.2010，328：470-473.

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[关键词]细胞生物学；医学检验；实验教学；教学改革

[作者简介]黄蕾（1983—），女，江苏赣榆人，本科，实验师，研究方向为实验教学；王芳（1974—），女，江苏扬州人，博士，教授（通信作者），研究方向为免疫学。

[中图分类号]G640[文献标识码]A[文章编号]1674-9324（2020）37-0383-02[收稿日期]2019-12-17

细胞生物学作为当前生命科学领域中最活跃、最富有发展前景的学科之一，细胞生物学的研究方法、技术在医学基础科学研究中处于重要的地位[1]。南京医科大学医学检验技术专业在基础医学阶段开设了细胞生物学这门课程，侧重讲授了细胞生物学理论知识，然而在专业课学习阶段，很多学校并没有开设细胞生物学实验技术这门课程，大多数高校认为细胞生物学实验技术对于临床常规检验工作无直接关联，且开设这门课的硬件和软件要求都较高，对于本科阶段的学生没有开设的必要性。

南京医科大学医学检验学系自2001年招收本科生以来，一直关注学生动手实践能力的训练，拓展学生的知识面和毕业后的就业广度。在此过程中，我们发现越来越多的学生对科学研究充满兴趣，本科毕业后进入科研机构、研究室以及升入硕士研究生阶段的学生比例逐年递增。细胞生物学实验技术是一门与生命科学密切相关的基础研究手段，因此，我们认为开设细胞生物学实验技术这门课很有必要，并且在专业发展的十几年里不断学习，总结经验得失，改革教学的内容与形式，使得课程设置更具有科学性，让学生在最精简的课时里获得最优化的教学效果。

一、改革经验

本学系自设置细胞生物学实验技术课程后，经过十几年的教学实践和探索，总结出以下几方面的教学经验：

（一）教学模式的改革，培养学生的科研思维

运用科研思维可以让学生更深入地了解科学，增加学习热情，明确发展方向，提高教学效率，让实验内容由验证型向研究创新型转变[2]。本学系实验室是“江苏省医学检验学实验教学示范中心”“中央与地方共建高校特色优势学科实验室”及“江苏省高等学校特色专业建设点”，不仅承担本科生的实验教学，还承担了硕士、博士研究生的科研培养。同时，本学系采用的是“系科合一”的模式，即医学检验系设在南京医科大学第一附属医院医学检验学部，检验专业主干课程的老师多来自临床检验一线医生和技术人员，师资力量雄厚。但是考虑到每年的本科生人数较多，而传统意义上的大课教学特别是实验教学无法兼顾到每个学生，不利于引导和挖掘在本学科上有特长的学生。因此，我们在教学模式上进行改革，将本科生教学和研究生教育结合起来，相互促进。具体做法：将本科生划分为每四人为一小组，让硕士研究生以教学助教的身份参与到实验课带教中，形成一个学习小组，指导本科生查阅细胞生物学技术方面的文献，指导学生实验操作，引导学生的科研思维。研究生在助教的过程中也得到了锻炼和成长，促进教学相长。

（二）以细胞培养技术为主体的实验课内容改革

细胞培养技术是细胞生物学研究的基础，因此我们将细胞培养技术作为细胞生物学实验技术实验课程的主要内容。我们在多年的教学过程中，根据学生的反馈以及相关学科的融合，不断改革与调整课程内容，形成了现在的实验教学课程体系。在此体系中，包含了细胞提取、培养、换液传代、冻存复苏、细胞融合和单抗制备技术，由浅入深展开，有助于学生以后在科学研究方向的发展。

（三）建立细胞生物学实验技术特色的考核评定模式

实验考试是考核学生掌握实验知识与技能的一种手段，是检查教师教学工作、了解教学成果、总结教学经验、改进教学方法的一个重要途径[3]。以往的实验教学考核主要根据最后一次的实验考试成绩及每次实验报告分数来评定，导致难以调动学生的学习积极性与主动性，并且一次考试的成绩存在偶然性，不利于考查学生对知识、动手操作技能的掌握程度。因此，我们采用“全程考核”的模式动态考核学生的学习成绩，这样的考核模式更全面客观，更具公平性。具体做法：将实验考核成绩分为三个部分，第一部分，以学习小组为单位，由研究生助教根据每位小组成员在每次课程学习过程中的表现打分，再结合每位成员的细胞生物学方面的文献汇报评分，最终评定一个分数；第二部分，分为实验理论知识答题和实验技能考核两个部分。以随机抽题的方式回答两个问题，老师根据学生的回答情况评分。同样以随机抽取的方式让学生抽取一个实验操作试题，老师根据学生实验操作的流程是否规范以及操作的手法是否流畅来评分，最终将这两个分数汇总评定为实验考试分；第三部分，学生平时表现分，包含考勤、课堂回答问题、动手操作情况及实验报告评分等。汇总这三部分的考核分即为学生的实验课成绩。通过多样式的考试模式，能较客观地反映学生的学习成效，调动了学生的自主学习兴趣，同时也丰富了教学形式，课程中充满了挑战和趣味性，学生对我们的课程反馈良好。

二、改革成效

我们在数年的教学过程中不断总结，在教学改革中取得了一定的成果。我们以细胞培养技术为切入点，让参加的学生参与导师的课题研究，这样的形式非常有助于我们发掘科研的好苗子，近年来我们有多名学生在本科阶段申请到学校《大学生创新实验》课题项目，发表SCI论文以及获得发明专利，取得了许多教学成果[4]。我们的本科学生经过训练，在研究生招生面试中更具竞争力，近年来保研、考研的人数逐年递增，导师们对学生评分很高。

三、改革方向

通过多年的努力，我们在课程教学改革中取得了一定的成果，未来我们将在以下几个方面推进教学改革。

1.针对课程内容较单一现状，将进一步提高实验课时比例，而理论课课时的不足将通过引导学生上网课、微课以及开选修课的形式来补充。

2.与学校医学模拟中心合作，尝试开展新型的虚拟实验的教学形式，便于我们开设那些现有实验室条件下无法开展的实验课程，丰富我们的教学形式和教学内容。

3.通过调查发现，本专业细胞生物学实验技术这门课各高校开展情况不同，并且缺少统一的教材，我们希望推广这门课，并联合其他院校一起制定适合本专业的材。

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关键词：合成生物学技术；研究进展；生物功能元件；DNA合成；DNA组装方法 文献标识码：A

中图分类号：Q81 文章编号：1009-2374（2016）14-0073-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.14.037

合成生物技术产业的不断更新发展为人类社会所存在的一些较为难以突破的问题寻求到解决的方案，并且起到实质性的作用。合成生物技术产业简而言之就是利用合成生物技术的产业化发展，合成生物技术的发展基础就是基因、细胞这些微小单位，在此基础上进行相应的研究，主要研究方向就是生物产业的设计化、工程化，将基因与计算机编程、网络等相结合，进行各种传感性研究以及细胞编程的定向进化等，其对于社会的进一步发展有较为重要的导向作用。但其发展中的问题层出不穷，对于社会伦理、社会环境而言都是巨大的挑战。我国对于合成生物技术产业发展制定了一套合理科学的战略方针，针对其出现的问题提出了相应的政策进行限制。

1 合成生物学技术

合成生物学技术主要包括生物能源、农业及医药等方面，合成生物学技术的发展可以促进我国生产技术的快速发展。现阶段合成生物学技术在发展过程中存在很多问题，对其快速发展产生了极大的影响。目前，合成生物学技术在发展过程中产生了一套适合其发展的模式，本文主要对以下三个方面进行分析：

1.1 发展合成生物学技术发展的原因

合成生物学技术需要快速发展的原因是为了有效地满足人们的精神及物质需求，就是在社会经济快速发展的现阶段有效地增强人们的寿命及身体健康和对精神的需求有所提高；采用或者引用新技术有效的改善现阶段环境的严重污染。在这样的背景下，合成生物学技术就必须快速发展，成为我国现阶段发展的重要领域，加上人们对动植物及人类本身的研究不断深入，合成生物学技术在研究过程中也在不断提升，使其研究范围也在不断扩大。在研究过程中可以发展各种生物的作用及意义，并且可以有效地发现其生理及生长原理，使合成生物学技术在我国发展过程中发挥着至关重要的作用。

1.2 合成生物学技术产业发展战略的前提

在我国现阶段，合成生物学技术发展的主要目标就是解决其在发展过程中存在的许多问题，其中存在问题的主要原因就是因为合成生物学技术严重影响了现阶段自然进化的绝对性，对生物进化产生了人为的影响。物种出现变异或者其发展方向出现偏差的主要原因就是因为人工生物体及生物实验等的出现，合成生物学技术的出现严重地违背了生命的进化法则及生物的自然生长规律，对目前环境的自然化发展产生了严重的影响。因为人们对自然生长规律进行了过度的改造，就会严重破坏生态平衡，所以必须对自然生长规律的研究方向及研究范围设置一定的方案，并且进行一定的限制，提出适应现阶段社会发展的战略目标。

1.3 我国合成生物学技术发展战略

现阶段，合成生物学技术发展的战略目标制定的基础就是自然繁衍规律、自然生长法则及我国环境的发展详情等情况，对产生制定发展目标的主要原因就是促进该产业的快速发展，使该产业在发展过程中存在的问题得到有效的解决，并具有促进该产业快速发展的作用。我国在发展该产业的过程中应该遵循的主要原则就是尊重自然、尊重科学、尊重资源的有效利用及人类发展规律等原则，在这些原则的制约下可以制定有效的发展战略目标，可以有效地促进我国现阶段能源、农业及工业的快速发展，有效地减少环境的污染，促进合成生物学技术的快速发展。

2 生物功能元件

2.1 生物功能元件的设计、合成和功能表征

众所周知，生命的形态呈现多样性，其可以合成现有的有机化合物为新的生命系统。目前，所谓的遗传信息具有编辑性的特点，为创造新的生命系统提供可靠的保证，合成生物学的基础就是生物功能元件，是一种最小的生物元件，并且具有特定的功能，是氨基酸与核苷酸序列进行不同组合，形成一种复杂的系统。在理论上，任何有机化合物和新种的合成可以通过生物功能组件的设计和组合来实现。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的开发，对遗传密码子表进行不断扩张，可以有效地扩大新品种的合成及化合物的使用范围。伴随着现阶段DNA合成技术的商业化及不断发展，基因原件的保真性及质量的不断提高，同时其成本也在不断降低，为合成大量的基因原件提供便利，而且通过使用高通量筛选技术可以有效地加强人员对基因原件的选择。

2.2 生物功能元件的标准化

目前，伴随着合成生物学的快速发展，人们需要对生物学的功能原件进行规划。1996年，Rebatchouk等通过克隆的方式有效地建立了基因元件库，但是当时这项工程并没有引起行业人员的注意。2003年，Kight在麻省理工学院提出了“生物砖”概念。现阶段，许多科研院也在开始使用规范的基因元件库进行生物系统和生物装置的监理。所谓的生物砖就是对生物功能组件的标准化进行不断尝试，简单而言就是单个的积木通过不同的方式进行排列组合，可以组成许多不同结构的形态，通常情况下，生物砖的基础元件主要包括调节序和编码序列，如核糖体结合位点、终止子及启动子。2003年，通过麻省理工学院建立了标准生物元件库，现阶段应该收集了3400多件基因元件有效的应用与组装生物系统和生物装置。这些标准化元件一般都来自于每年参加国际遗传工程机器设计竞赛、科学家个人和学术研究机构等团队。每个单独的元件都有自己的编码，其中还有建造者、使用者、序列及功能等资料，这些资料都是公开的，可以免费使用。

2.3 生物功能元件的组装

合成生物学技术的主要特点就是对基础元件进行重新的排列组合，得到不同的系统及相关的装置，但是因为人们发展研究的限制及生命系统的复杂性，合成生物学技术不能像建筑工程及其他学科的项目一样，对具有特定功能的元件进行排列组合，就可以得到应有的效果及功能，同时需要对各个元件、装置及设备之间进行不断优化及调试；同时最为主要的影响因素还有底盘、装置及元件，而在这个过程中，使用系统生物学分析方法和高通量的测试方法对其进行优化和试配。通过使用计算机辅助动态仿真技术，对构建的模型进行不断的预测，并对其进行优化，这样可以有效地降低模型的测试工作量，有效地加快模型的构建进度，对构建模型的过程中所产生的数据进行重新组合、预测其功能，可以有效地构建出接近自然生物系统的模型，最终得到最佳的施工方案。

3 DNA合成与组装技术

3.1 DNA合成

DNA化学合成的主要成分就是基因合成和寡核苷酸合成。寡核苷酸合成通常情况下是使用固相亚磷酸胺三酯法，原料为核苷酸单体，经过脱保护、偶联、封闭与氧化四个循环反应的过程进而得到的。这种方法通过一定的优化措施，以1/200的错误率最多可以有效地合成200～300nt的寡核苷酸序列。在20世纪90年代初期，促使实现寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技术。但是因为“边缘效应”及“脱嘌呤”现象的出现，对合成序列的正确性产生了一定的影响。由于CustomArray开发的通过半导体电化学酸合成与Agilent开发的通过喷墨打印技术的芯片合成后，有效地改善了出错率，与柱式的合成相当。但是这种方式的单次合成数量是柱式合成数量的100～10000倍，所以可以有效地降低DNA的合成成本。

3.2 不同尺度的DNA组装方法

为了对合成基因序列的可靠性进行控制，通常情况下DNA的合成长度不能超过5kb，而更大尺度的DNA分子可以通过最新的DNA组装方法实现。除了传统的克隆分类的方法，现阶段已经出现了体外DNA组装、聚合、连接或同源重组原理等多种体内的新方法。这些方法被大量使用，促使DNA组装不管是效率还是尺度都得到了快速的

发展。

2008年，Venter研究组有效地完成了580kb生殖道支原体的人工建立，并在2010年实现了人造生命的重头合成方式，有效地促进了现阶段合成生物学的快速发展。在这一发展过程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母体内拼接及Gibson组装的方法进行开发，通过这种方法，有效地实现多个片段的一次性无痕拼接，其现阶段组装尺度最大为580kb。

综上所述，现阶段，合成生物学技术出现及快速发展与人类认知及自然科学方法息息相关。自然科学方法主要是从细胞、个体、分子到群体等多个方面指导人们对自然的认识，有效地揭示规律、生命及机制，随着人们对自然认知的不断深入，人类的认知不能满足自然的传统描述，所以合成生物学就会逐渐出现。同时，合成生物学是工程实践的前提，是理解和分析自然生命系统的关键，对生物系统、装置的特征进行分析，从而出现简单的生物装置及元件的设计、组成标准化的规律及原则，然后指导人工生命生命系统的设计和施工。另外，属性合成生物学的设计和建设的“自下而上”的正向工程理念和“标准化”“复杂的系统脱钩”和“抽象”的理念，这与传统的生命科学研究存在一定的差异，而且合成生物学家的指导，导致设计和建造的城市标志性建筑的路标。同时组件、系统和寿命设计与施工可以系统地深入和了解生命的本质规律，从而可以有效地指导应用性及工程化的设计及建造，这是合成生物学的一个重要理论。

参考文献

[1] 黄璐琦，高伟，周雍进.合成生物学在中药资源可持续利用研究中的应用[J].药学学报，2014，（1）.

篇5

第九届中国青年女科学家奖评审会评语：

魏丽萍工作成绩突出，在生物信息学领域作出重要贡献。

魏丽萍寄语青年人：

未来是无法预期的，但我们要乐观、积极地生活。找到自己真正感兴趣的、比较擅长的、适合自己的工作，在每一天，都把自己能做的全部做到最好，不管未来是什么样子，我们都有准备。

随着新一代测序、芯片、质谱等高通量生物技术在生命科学领域越来越广泛的应用，各种生物学数据大量涌现，并呈现出指数增长的趋势。这些数据中蕴藏着大量的宝藏，即生物学的新规律、新发现。但是，这些海量的、指数级增长的、并且高噪声的生物数据也带来了巨大的数据分析技术上的挑战。

在机遇与挑战的双重推动下，生物信息学在上世纪80年代后期应运而生并迅速蓬勃发展。该学科针对重要的生物学问题，通过研发并应用新的数据库及算法技术，对海量的生物数据进行分析、整合、模拟，从中发现生物学新规律。

针对海量生物数据分析的挑战，魏丽萍带领课题组自主研发了11种生物信息学数据库和算法软件，全部在网上免费公开，并发表于生物信息学领域的权威杂志上，被大量的国内外生物学家应用于他们的研究中，预测结果多次被验证。她在对成瘾等人类精神疾病的研究中做出了一批有国际影响力的工作，发现了4种成瘾的5条共同分子通路以及1个和尼古丁成瘾相关的人类特有的新基因。

魏丽萍认为，有了数据库和算法软件之后，重要的是研究生物学问题。目前，她的课题组在打好了坚实的生物信息技术基础之后，选择用它来专攻儿童自闭症的致病原因，希望能找到个性化的、更有针对性的治疗方法。

据美国的最新研究显示，每88个孩子里就有1个患有自闭症谱系障碍，症状表现为交互性社会行为及交流能力的质的障碍和刻板重复行为，严重的患儿终身不能上学和工作。自闭症目前病因不明，也没有治愈的方法。

当谈到为什么会选择自闭症这一研究方向时，魏丽萍说：“我们选择研究方向时，就是要选一些复杂的、有挑战性的问题。我经常对我的学生讲，对你简单的问题对别人会更简单，所以我们要选择自己感兴趣的、需要解决的、又有一定挑战性的研究课题。”

目前，魏丽萍的研究组一方面对自闭症儿童及其家属，以及其他人进行基因组测序，试图通过比较基因组，找到自闭症的致病基因；同时，他们也在寻找中国的自闭症高发地区，用统计的方法去研究是不是因为某些环境因素导致这一现象；再进一步，他们将用生物统计和实验的方法，分析基因和环境的相互作用。

魏丽萍说：“不是说基因组学和生物信息学可以把自闭症攻克，但是它提供了一个和其他研究手段非常互补的、新的、比较独特的研究角度。”

在科研与教学的同时，魏丽萍还运用自己多年的教育经验，努力从多个层面帮助自闭症儿童，希望能为自闭症儿童的教育以及发挥自闭症儿童的特长开辟一条道路。

魏丽萍说：“有些孩子虽然有行为上的障碍，但在绘画、音乐或数学方面有超常的特长，如何能够在纠正他的行为问题的同时，发挥他的特长，这是一个非常有挑战性但又很有意义的工作。”

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[关键词] 新课程 科学史 价值

重视生命科学史的教育价值是时代的呼唤。《普通高中生物课程标准（实验）》（简称《标准》）提出“提高学生的科学素养”、 “面向全体学生”、“倡导探究性 ”、“ 注重与现实生活的联系”的基本理念。在课程目标中也明确提出，“获得生物学基础事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学和技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件”。在实施建议的教学建议部分中，第七个专题“注重生物科学史的学习”中举实例突出强调了“科学是一个发展的过程”。 并特别说明“对于《标准》中没有列出的其他生物科学史实也应注意引用”。

一．生命科学史的重要价值

1.生命科学史揭示了自然科学的本质

生命科学史揭示了自然科学的本质，同时显示了产生每个知识点的科学过程。例如，20世纪初，萨顿和鲍维里在孟德尔遗传学以及19世纪末在染色体的变化、体细胞与生殖细胞的分裂等方面的成果上，提出了染色体学说，即（孟德尔所说的）遗传因子可能就在染色体上。但是当时拿不出证据证明他们的观点。直到1910年，摩尔根通过一系列实验发现，控制果蝇眼色的基因位于性染色体上，才证明了萨顿、鲍维里的假说。从“基因位于染色体上”这一知识点的形成过程，可以看到科学过程的步骤。生命科学也是在自我更正的过程中积累和进步的。

2.生命科学史是前人探究生物学知识的科学过程史

每一个知识点的产生过程，就是一个探究的过程。生命科学史就是前人探究生物学知识的科学过程史，生命科学史中蕴涵了知识与过程的统一。（过程中包含着思维方式，如好奇心、求知欲、质疑、推理等；过程中包含着研究方法。）创造科学知识的科学家，哪一个不具备广博的知识呢？DNA双螺旋结构模型的建立，汇集了许多不同学科背景科学家的智慧，显示出知识是非常重要的，仅有沃森和克里克的知识也是办不到的。知识和过程是自然科学的两个维度，二者是统一的，不能割裂开来。

3.生命科学史展示了人们的合作过程

生命科学史展示了在探究知识的过程中，有相同研究方向的人们之间和有不同研究方向的人们之间的合作。DNA双螺旋结构的问世充分说明了这一点。

这个事实表明从事不同学科研究的人，掌握的知识和技术是不同的，而且不同学科背景的人带来了不同的思维方式（尤其是玻尔、德尔布吕克和薛定谔的思想为遗传学研究注入了新的活力，他们的思想极大地影响了沃森和克里克），他们的合作为解决问题提供了不同的思路，他们在解决问题中相互启发，相互补充，相互促进，同时共享了研究成果。

4．生命科学史展示了成功的实验与选择合适的实验对象是分不开的

孟德尔选择了豌豆；摩尔根选择了果蝇；细胞学说的创始人施旺选用具有相似于植物细胞壁的动物脊索细胞和软骨细胞；贝尔登和鲍维里在研究细胞分裂时，选择了马蛔虫细胞；悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿（这三人是2002年诺贝尔生理医学奖获得者）最终选择了线虫来探索“程序性细胞死亡”的奥秘；科学家选择了拟南芥作为植物遗传研究的模式植物。

以上事例说明了选择合适的研究对象对解决问题非常关键。这些事实给予我们的启示是：在高中生物新课程中的探究教学中，也涉及选择探究对象的问题，要解决好探究问题，必须先选择好探究对象。

二.生命科学史在高中生物教学中的应用

1.培养学生的科学态度

科学就是客观地研究事物。如实地认识客观规律，符合逻辑地得出正确结论。所以，实事求是的态度就是科学的态度。在生物科学史的教学中，介绍科学家们客观地观察生物的形态结构、生理特性，踏踏实实地做好生物试验，实事求是地分析观察和实验结果的科学态度，能为学生提供学习的榜样，有效地培养学生的实事求是的科学态度。

2.培养学生的科学精神

科学精神是科学品质的核心。科学精神就是敢于怀疑、敢于求真、敢于创新。科学的每一次进步，都是对过去的一次革命，它总是要突破以往的窠臼，达到一个新的起点。创新是科学进步的内在动力。创新必需有勇敢的精神作基础，要敢于怀疑现有的观点，敢于冒险，敢于克服困难，敢于接受失败的考验，敢于抵制世俗的偏见和环境的压力，坚韧不拔地追求真理。纵观生物科学的历史可以看到，是科学家们的不断创新才有生物科学的不断进步。因此，在生物科学史的教学中，引导学生学习科学家们的创新精神，有助于学生科学精神的形成。

3.培养学生的科学思维

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刘晓晴，首都师范大学生命科学学院教学副院长。1990年毕业于山东大学发育生物学专业，获得硕士学位。同年任教于首都师范大学生物系，1998年赴德国Tuebingen大学攻读博士学位，于2002年3月获得博士学位，在此期间主要从事生物化学及分子生物学领域的研究工作，研究方向为分子水平酶的活性调控机理；2002年11月回国后继续从事蛋白质的结构与功能方向的研究工作，担任生物化学、蛋白质工程的教学工作。近年来主要从事嗜热酶的结构和功能研究。

从本科、硕士到博士，从普通工作人员到学院教学副院长、教授，期间既要工作，又要学习，还要照顾家庭，现在又要承担繁重的行政管理任务。借用刘晓晴近期的研究方向来做比喻，她真的是凭着自己的一腔“嗜热”激情，不懈努力，一步一个脚印地走过来的，各种艰辛只有她自己知晓。

科研篇　嗜热激情点亮科研前路

进入管理岗位之前，刘晓晴长期从事生物科学与教研工作。目前研究方向主要有蛋白质的结构与功能的关系、极端环境酶的研究和利用、利用化学酶法探究药物合成的新途径三个方面，而这三方面的工作都是以嗜热菌的研究为介质的。

嗜热菌，顾名思义是依赖于高温而生存的微生物，又称高温细菌。它是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。近30年来，这一类微生物越来越广泛地引起了科学家们的重视和兴趣。特别是在水的沸点和沸点以上温度条件下能生活的细菌被发现后，更促进了对嗜热微生物的研究。

据刘晓晴介绍，来源于嗜热菌的蛋白酶由于其在高温条件下仍具有水解蛋白质的功能，使得在造纸业、食品加工业、纺织业、工业废水处理等领域有着广泛的应用价值。但由于培养多数天然嗜热菌的条件比较苛刻，其生长速度极其缓慢，酶产量低而且酶的活性也较低，难以满足工业生产的应用，制约了它的广泛发展。近些年来，随着蛋白质工程技术的发展，人们采用分子生物学手段，将嗜热菌酶的基因转移到普通宿主菌中，在温和的条件下生产嗜热菌酶，从而为大量制备嗜热菌酶提供了行之有效的方法，同时，也为进一步研究嗜热菌酶的结构、功能、耐热机制等基础方面研究提供了有力保证。

锁定嗜热菌研究方向，在研究过程中，刘晓晴逐渐形成了三方面研究内容。

首先，在蛋白质的结构与功能的关系研究中，刘晓晴将研究的重点放在蛋白质复合体的结构研究上，以丙酮酸脱氢酶复合体和铁硫簇合成途径中的蛋白复合体为研究对象，从酶动力学和酶结构两方面来探讨酶复合体的结构与功能的关系。

其次，在极端环境酶的研究和利用工作中，她和她所带领的团队以嗜热蛋白酶的研究为基础，力求解析极端酶的嗜热机理，结构与功能关系，发掘新型极端酶和利用基因改造技术从而获得突变酶。

三是因为化学酶法合成有潜在应用价值的药物，利用酶的催化活性在体外可以针对性地合成特定的化合物，所以，刘晓晴及其团队希望用这种组合生物合成的方法――化学酶法，作为合成先导化合物的策略，用于探究药物合成的新途径。这项工作与德国马尔堡大学的李书明教授一直合作。

据统计，近期由刘晓晴担任项目支持人的项目共5项，包括3项国家自然基金项目和来自北京市教委、留学回国人员科研启动等项目。研究内容囊括了对多酶复合体活性调节的分子机制、嗜热菌蛋白酶的结构功能及其热稳定性的分子机制、嗜热菌铁硫簇SUF合成途径的研究等，大部分已有成果，广获业界好评。在此期间培养了十多名研究生，有的转为博士继续学习，有的已经毕业走上工作岗位。

教学管理篇　教研管理两相长

如果说教学与科研为“双肩”，那么，管理和教研又为“两栖”。事实上，无论是教学与科研，还是管理与教研，无非就是能力的使用和贯通。这句话，放到刘晓晴身上再合适不过。除了一直以来担当的科研工作者之外，她还有另外两重重要的身份，即园丁育人及管理人才。而无论做什么，她都能凭借自己的聪明与才智、丰富学识和缜密的思维，放到哪里，哪里都能“生根”、“开花”。

在教书育人方面，刘晓晴坚持教师职业的信念，把教书育人看成是一种幸福，以积极饱满的热情去做好教书育人的每一件事。她长期担任本科生和研究生的教学工作，对本科教育颇有心得：“本科教育真的是需要有无私奉献的精神，只要用一颗爱学生的心去理解学生、关心学生、引导学生，学生一定会感受得到，而快乐学习是他们获得进步的源泉。”正因为用心去工作，近年来，刘晓晴在教学领域获得了诸多成绩：2007年获得师德先进个人；由她负责的“生物技术综合实验”校级精品课程经市教委严格审批，获评为2010年度北京市高等学校精品课程。

“敢于创新、注重交流”成为她教学生涯中的亮点：由她负责的生物化学课程2006年首先开始双语授课；从2005年开始申请负责德国DAAD资助的交流学生互换项目，其中，首师大生科院与德国图宾根大学生化所交流互换已进行6年，截至目前已有中德双方各20名学生在对方的学校进行学习。

篇8

关键词：水生生物学；水产养殖；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）30-0083-02

《水生生物学》是农林院校及涉海高校的核心课程，在我校上海海洋大学，为上海市精品课程，具有雄厚的教学基础和相关教学资源。本课程开设广泛，几乎为水产与生命学院所有专业的专业基础课，也是学生真正接触水产养殖/水生生物的第一门课程。因此，这门课程的教学效果如何，能否激发学生学习的兴趣和主动性，将直接影响到后续课程的学习和我校水产创新人才的培养成功率。

但目前学生对这门课程普遍学习兴趣较低、学习主动性严重缺乏，多数处于应付考试的被动学习状态，这也间接导致了毕业生在水产领域从业意向逐年减少及考研深造数量一直不高。主要原因为以下几点：（1）水生生物学涉及面广、内容繁多。因避免内容同其他相关课程有较多重叠，理论课目前过于注重水生生物的形态、分类，而该内容又多以枯燥的讲授为主。（2）实验课内容较古板，均为固定标本。虽观察和生物绘图是生物学/水产类专业的基本功，但单纯的观察易加快学生的学习疲劳，降低学习兴趣。（3）课程考核方式较单一。（4）学生没有理解本课程知识的重要性和实用性，缺乏兴趣。

在教学实践过程中发现，学生希望增加教学互动，参与到教学活动中。同时，更喜欢用形象生动的视频资料学习，而非毫无生气的生物模式图；更喜欢团队合作的多媒体展示，而非传统的书面作业；此外，实验课上他们更爱动手探索，而非单纯按部就班。因此，在这种新形势下必须要突破传统教学模式的束缚，激发学生学习热情、开发学生智力和思维能力，使学生学习变被动为主动，从而更好理解和掌握水生生物学的知识。

为此，我们开展了以激发学习兴趣为导向的水生生物学课程的教学改革。在过去的两年里取得了较好的教学效果。

一、多维启发式教学方法，吸引学生兴趣

水生生物学内容多为各生物种类的形态分类介绍，因大多种类个体较小，形态结构抽象，枯燥的“填鸭式”教学难以达到教学目的，并极易使学生失去学习这门课程的兴趣。我们充分发挥多媒体教学的优势，借助大量的彩色图片和影音资料，使各种形态结构清晰可见，而影音资料也直接让学生看到各种水生生物正常的生活状态，有直观的认识。多种教学手段的运用就变抽象为具体，枯燥为多样，同时稀奇百怪的水生生物图像自然而然会引起学生的求知欲。同时在重要章节结束时，可用猜谜的形式，与学生互动，让其主动查资料，回顾知识要点，来完成对一些种类的鉴定，加深对关键内容的掌握。

此外，水生生物的知识结构以水体中生物的生态类群划分，各生态类群在水域生态系统中的功能和作用是不同的，同我们的环境和水产养殖息息相关。这些均可以通过学生的自发学习来掌握。因此，在一个生态类群学习结束，我们常设计一个研讨会的时间，事先提出若干现实问题，引导学生思考，查找资料并归纳总结，在调动学生主动性的同时引发他们深入思考，进而了解水生生物学研究的各个分支并体会到水生生物学的重要性，同时也训练了他们如何查找资料来解决问题的能力。如在浮游植物这个部分结束后，可设计水华产生原因、鲢鳙鱼控藻、生物质能、气候变化与水华等科学问题，让学生以小组的形式查资料并在课堂展示他们的对这些问题的思考，同时通过学生间的互动讨论，完善学生的知识体系。

二、融入最新研究进展，革新课堂教学内容

目前所用《水生生物学》教材为2005年出版的“十一五”国家规划教材，因近年来分子生物学技术的引入为水生生物学形态分类提供了新的视野，国际上水生生物分类体系的变动较大，该教材的一些内容已同国外有脱节。为使学生能及时了解到最新的研究结果，并同国际常用到的分类系统相统一，我们依托我校在水生生物分类学领域的雄厚研究基础，教研室各位老师及时对形态分类学内容进行更新，并增加了相关的分子系统学和生物条形码的相关知识点，使学生在水生生物学分类学方面形成立体的知识体系。

水生生物学在环境生态、水产养殖有着重要的实用价值和现实意义。以往仅注重形态分类内容的讲解严重不接“地气”，也常造成学生在考虑深造的研究方向时很少选择水生生物相关领域。为此，针对教学内容我们进行了相关的调整。充分利用水生生物学实验课来重点讲解和实践水生生物形态分类的内容，而在理论课上将部分教学重心放在水生生物的研究意义方面。教学团队的成员根据各自的科学研究，分别在水域生态修复、有毒有害藻防治、浮游动物、底栖动物、水生维管束植物等相关内容增加自己的最新科研进展，并以专题报告形式从《Nature》、《Science》、《Ecology letters》等国际顶级期刊中挑选部分论文，介绍研究发展趋势。使学生从科研角度，了解水生生物学的国际研究热点和前沿问题，进而鼓励他们走进实验室，参与科研工作，为明确今后的研究方向做准备。同时通过这个过程也实现了科研和教学的统一，达到教学相长的目的。

三、实验课增加设计性和创新性实验，提高学生动手能力

以往水生生物学实验，均以鉴定生物、认知生物形态为主，实验材料几乎十余年不变，内容过于单一。同时固定的标本存在破损、观察对象密度、形态失真等问题，极易导致学习兴趣的降低，继而影响其他教学环节和教学效果。为此我们在实验课的最后增加创新实验环节，分组进行不同的实验，由学生自己查阅文献，设计实验。具体将以校园水系和附近的水域为基地，设立以下实验：（1）淡水、咸水原生动物的采集、鉴定、培养及对水质的指示。（2）轮虫和枝角类的培养和捕食。（3）不同水体微型食物网特征。（4）湿地维管束植物多样性。（5）杭州湾北岸底栖动物同底质的关系等。实验结束后将组织小组间的汇报交流。

通过这些创新实验，很好地将前面实验课的形态鉴定知识得到应用，同时鲜活的样品也使学生对各种形态特征加深理解。更重要的是，学生通过自行设计实验和团队合作实施，学习由被动变主动，并借此对科研工作有更清晰的认识。

四、优化考核方案

以往理论课多以期末考试作为总评的部分，这直接造成学生临时抱佛脚的心态。结合课堂内容的改革，降低期末考试所占总评比例到50%，同时提高课堂讨论及日常作业的达成度所占比例至40%。

实验课则注重培养学生对水生生物的鉴定能力，重点考核学生的动手能力及创新实验的设计能力，减少绘图作业所占总实验成绩的比重。

通过以上四个方面的教学改革，水生生物学课程的学风为之一新，学生出勤率近100%，课堂气氛活跃，打瞌睡现象极少发生。有意进入实验室参与相关科研项目或做毕业论文的学生数量也有大幅增加。水生生物学教学改革的初步成功，提升了学生对水产养殖专业的归属感，学生研究和解决问题的能力得到了加强，为我校水产创新人才的培养奠定了基础。

参考文献：

[1]王嫣，王耀华，王爱民.2011.“水生生物学”课程专业化教学理念与实践[J].中国农业教育，3：52-54.

[2]柴毅，杨小林，罗静波.2011.水生生物学实验教学方法改革初探[J].长江大学学报：自然科学版，8（7）：267-269.

[3]王丽卿.2014.水生生物学实验指导[M].北京：科学出版社.

[4]江红霞.2009.农业院校水生生物学教学中学生学习主动性的培养[J].安徽农业科学，37（21）：10310-10311，10313.

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关键词：细胞生物学实验；网络视频示范教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2013）29-0056-03

作者简介：田男，女，讲师，研究方向为细胞分子生物学；范春雷，男，教授；窦晓兵，男，副教授；钱颖，女，讲师；胡林峰，男，讲师，第二、三、四、五作者的研究方向均为中药抗动脉粥样硬化。

伴随着信息化和新技术革命的发展，生命科学领域的竞争在全世界范围内不断开展。生命科学最突出特点就是基础理论与操作技能相结合，决定了生命科学学院培养人才的竞争力很大程度取决于学生的实验操作能力。因此，生命科学实验课程体系的教学宗旨在不断改善学生专业知识结构的同时，兼顾如何增强学生对实验的积极性，以及如何引导学生自主学习实验课程，从而使学生能够积极地提高自己的实验操作能力。

细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科，[1]其对学生的生命科学知识、能力、素质的发展具有直接和长远的影响。从其研究对象及研究方法上已体现出，这门学科涉及各种显微镜的使用、细胞培养、细胞器提取及基因重组等一系列实验操作。因此，如何不断提高学生实验操作技能，成为细胞生物学实验教学亟待解决的问题。而网络的兴起正改变着传统的教学方式和教学理念，实验教学正在酝酿一场新的变革，网络远程教学、多媒体课件等将有可能成为实验教学的崭新手段。笔者结合多年的教学经验，对网络视频示范教学在细胞生物学实验课程中的应用进行了初步探讨。

一、细胞生物学实验教学现状分析

近年来，细胞生物学和遗传学、分子生物学的联系日趋密切，新理论、新概念、新技术层出不穷，使得细胞生物学理论发展非常迅速。然而，目前细胞生物学实验教学普遍滞后于理论课，存在着种种缺陷：

实验教学模式单调，学生处于被动地位，难以激发其积极性和主动性。[2]目前的实验教学模式往往强调知识的传授、实验的验证和实验结果的获得，而较少重视学生学习积极性、主动性的调动，学生只是被动填鸭式的接受，教学效果不佳。

实验内容陈旧、单一。实验内容多是验证性实验，难以培养学生的创新能力，不利于学生综合素质的培养。[3]

实验教学手段生硬、单一，主要是口授和板书。[4]一方面口授和板书直观性较差、讲课速度慢，课堂信息量有限；另一方面由于口授的差异性与板书的局限性，教师常常难以把实验内容准确而规范地传授给学生，并且学生的接受能力不同，对实验原理、实验操作的理解也会出现偏差，做实验时经常出现错误。

现在基本所有的细胞生物学实验是由教师做实验准备工作，学生对实验前准备、预实验认识不够。实验前准备包括配制试剂、预定设备、各种实验耗材的准备、器具的灭菌等等，学生对实验缺乏整体观，只是机械地按照实验流程操作，导致学生动手能力、处理解决问题能力得不到充分的锻炼，有违教学初衷。

由于实验课程各章相对独立、上课时间间隔较长，具体实验程序复杂，动手操作多，学生多而专职教师少，导致细胞生物学实验课程教学效果不佳。

所以，想在有限的时间内既完成大量教学任务，又提高学生的实验技能，引导学生更好地进行自主学习，达到开展实验课程的目的，就需要利用多媒体计算机通信技术，结合现代化网络教学平台，实施实验操作视频示范教学与课堂教学相结合，充分利用学生的课余时间，提高教学效能。为培养飞速发展的生命科学所需要的、具有更强竞争能力的高素质创新人才创造条件。

二、细胞生物学实验教学改革及优势

1.将传统单一的实验教学模式转变为基于网络平台的实验视频示范教学模式，与传统课堂教学相结合

用摄像机拍摄下细胞生物学实验课程。该课程由专职教师根据自己的专业特长选择实验进行操作，在实验开始前向学生讲解实验原理、对本节实验所需器材一一介绍，在实验操作过程中强调操作的重点、难点。实验视频拍摄完成后，使用相关软件对其进行加工处理。实验课程视频制作、处理完成后，通过多媒体计算机信息技术将操作视频放入本院网站中，并同时在页面中设置实验原理、实验目的、器材设备、注意事项及课后作业的选项，方便学生在观看视频的同时掌握实验的原理及目的意义。

提前告知学生在学院网站上预习实验视频，鼓励学生自主学习，带着问题来上实验课，而课堂上教师可以参考学生的问题有的放矢，着重强调重点、难点。因为学生已经观看过视频对实验操作有了一定的认识，课堂上教师再次进行示范操作时，学生可以选择自己不太了解的部分有目的地学习，更有利于增加学生的积极性，提高动手操作能力。这样网络视频示范教学就与课堂教学结合，构筑现代化细胞生物学实验视频示范教学模式。从而实现真正意义上的以学生为中心、以教师为主导，强调学习者认知主体作用的模式，同时又不忽略教师的指导作用。基于网络环境下的视频教学，能够使学生充分发挥主观性和独立性，有利于教师引导学生自主学习，增强学习实验课程的积极性，适合学生在课前进行实验预习，课后巩固复习，再结合课堂上教师的手把手指导，使学生不断提高实验操作技能，进一步理解基础理论。

2.组织教学学生参与实验课实验的准备和管理工作，也鼓励学生进入学院相关课题组实验室做实验

由于传统细胞生物学实验是由教师做实验准备工作，学生对实验前准备、预实验认识不够，学生对实验缺乏整体观，学生只是机械地按照实验流程操作，导致学生动手能力、处理解决问题能力得不到充分的锻炼。因此，有计划的组织教学学生参与实验课实验的准备和管理工作，也鼓励学生进入学院相关课题组实验室做实验。这样教学，学生不但熟悉了实验室规章制度，掌握了一些试剂配置和仪器使用方法，还提高了动手操作能力，特别是在综合性和设计性实验中发挥了很好的带动作用，[5]对学生以后就业、继续深造都有好处，学生踊跃报名，很积极。

三、网络视频示范教学在细胞生物学实验教学中主要优势

1.使学生的被动学习转变为主动学习

在学生实验前，先观看实验操作录像，例如细胞培养录像，使学生在操作前对实验的程序、方法、注意事项有了直观的了解，然后实验教师亲手示范整个实验操作步骤，最后再让学生进行实验。这样，一方面大大缩短实验时间，同时也使学生加深了印象。也可以把观看视频等作为实验教学的平时成绩，提高学生学习实验的积极性。据课后学生反馈，这样实验教学效果很好，深受欢迎。

另外，细胞生物学实验课程中常常有很多的等待时间，如材料固定、离心及染色等，充分利用这一时间，以让学生观察相关实验的装片或切片，也可以观察上届学生制成的永久装片，这样可以将实验结果提前展示给学生，增强学生对实验结果直观性的认识；[6]另外，教师也可以结合自己的科研经历，给学生介绍实验中技术发现的历史及其具体应用，或相关的科普小故事，或可以和学生讨论本实验可能出现的结果等，培养他们分析问题和解决问题的能力，同时也极大调动学生上实验课的积极性和主动学习的热情。同时缓解学生多教师少的局面，实现高效能教学。

2.教学中的视频、课件及教师的示范的有机结合，符合学生的认知规律

细胞生物学实验教学涉及显微镜的使用、细胞培养、细胞器提取及基因重组等一系列实验操作。由于实验操作中有许多小的细节需要注意，实验中微小的差异就可能导致实验结果不同。由于时间、无菌原则的限制，许多内容无法演示，直观认识的缺乏常常限制了学生的思路。网络视频示范教学可再现许多以往的实验操作错误，使学生在短时间内了解到大量直观信息。同时可以把实验原理通过动画、课件展现给学生，加深对实验原理的认识。

四、总结

网络视频示范教学作为一种新兴的实验教学手段，还应有一个不断改进和完善的过程。例如，由于受硬件条件的限制，部分影像效果不太理想；学生注意力不很集中；教师为了讲解多媒体课件与学生间的交流较差；教师、学生对网络（校园网）的利用率低；如何实现现代化网络视频示范教学与传统课堂教学的有机结合，等等。相信随着实验室硬件的改善、视频和课件制作水平以及网络与实验课程教学结合水平的提高，这些问题将逐步得到解决。

在实验教学过程中，要合理有效地运用网络视频示范教学手段，以达到提高教学效果和教学效率的目的。把握好网络视频示范教学与传统教学方法的有机结合，真正发挥网络视频示范教学在实验教学中的作用，使得实验课程真正向学生开放。一方面使学生共享不同的教学资源，丰富学习内容，另一方面又可以使学生享受图文并茂、视听一体的动态课程，改变学生固有的学习模式，使其发挥主观能动性、提高实验学习的积极性，从而在实践操作过程中不仅学到知识，而且体会到动手的乐趣。

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