生物學的研究方向范文

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摘要　立體定向放射外科治療作為治療頭部良性病變及惡性腫瘤的一種方法，表現出十分理想的效果，其作用機理、治療方法與常規放療有很大的區別。本文從放射生物學角度對這一領域近年來的研究與進展作一綜述。

關鍵詞　立體定向放射外科　放射生物學

自Leksell于1951年提出放射外科的概念以來，世界各地大約已有2萬多人接受過這種治療。最初這種治療工具是為功能性神經疾病而設計的，后來發現可適用于更多疾病的治療，諸如動靜脈畸形（AVM）、良性聽神經瘤、腦膜瘤、垂體腺瘤以及腦轉移瘤、惡性神經膠質瘤等。另有作者［1］報道治療了室管膜細胞瘤、鼻咽腺瘤、胚組織瘤、松果體瘤、軟骨瘤。其最初的生物學依據是單次高劑量、小體積照射腦部導致灶性壞死。隨著1980年～1990年間幾種新技術的發展、放射外科設備的進步，包括從回旋加速器產生的粒子束、多源60Co到加速器調整后的更大射野；同時由于影像學、物理學及自動化技術的進步，使得放射外科與適形放療更加接近［2］。總之，這一新的治療方法并不象最近20年來一些稍縱即逝的技術，它已引起眾多學者對其臨床療效、安全性及治療費用的廣泛關注。我國近年來也逐步在引進更多的γ-刀和X線刀。本文擬從放射生物學的角度，對放射外科的動物實驗研究及臨床研究作一簡要概述。

一、立體定向放射外科的動物實驗研究

由于立體定向放射外科采用的是單次高劑量放射線損毀靶點以治療不同顱內病變，臨床應用于病人較慎重，并且由于取材較困難，臨床關于組織病理變化的文獻較少，因此動物實驗對于解釋正常組織及病理組織對立體定向放射外科治療的放射生物學反應尤為重要。實驗動物模型的建立是研究的基礎，在此基礎上需要深入研究的關鍵問題是如何確定最佳劑量點以及如何精確地確定靶點位置、靶體積等。為了確定立體定向放射外科用于正常腦組織的劑量反應關系，Kondziolka等［3］建立了一種正常大鼠腦模型，并以201個源的60Coγ-刀用4mm準直儀照射18只大鼠的大腦右前葉，單次劑量分別為30Gy～200Gy，每個劑量點2只大鼠。所有動物觀察90天后處死并作組織學檢查。這一期間各劑量點未發現動物有任何神經功能障礙，接受30Gy、40Gy、50Gy及60Gy照射的大鼠無病理改變，70Gy組偶見有皺縮的神經元，80Gy組可見有極少的動脈壁增厚，100Gy組的一只大鼠在靶體積內有明顯的毛細血管內皮細胞退化和蛋白外滲，另一只有一4mm直徑的壞死區。150Gy、200Gy組的4只大鼠均有局限性的腦壞死，星形細胞增生、水腫及微出血在靶區周圍1～2mm均可見到。依據細胞、細胞間隙及對大鼠腦部集中一次高劑量照射的短期效應，建立了一種劑量反應關系。同時，Kondziolka等［4］建立了接種腫瘤后的實驗動物接受立體定向放射外科治療的模型。19只大鼠接種C6神經膠質瘤細胞14天后接受立體定向放射外科治療，與對照組22只接種后的大鼠65天后對比觀察。結果治療組平均生存期為39.2天，對照組為29.4天（P＝0．07）。治療組6只大鼠（32％）而對照組僅1只大鼠生存了65天（P＝0．07）。治療組平均腫瘤直徑小于對照組（P＝0.001），而且腫瘤細胞少（P＜0.001），光鏡下顯示細胞水腫（P＜0.005），提示治療有直接的細胞毒性反應。30Gy、40Gy、50Gy、70GyGy及100Gy各劑量點未觀察到腫瘤反應差異。這種體內大鼠惡性神經膠質瘤模型對于評價高劑量集中照射的殺癌細胞效應具有一定的價值。

人腫瘤細胞裸鼠腎囊膜下移植模型已成為一種篩選抗癌藥物的常規模型。Linskey等［5］亦建立了這種模型用于評價人聽神經鞘瘤對立體定向放射外科治療的早期反應。結果40Gy的移植后治療組3個月后腫瘤體積比治療后2周時下降明顯，且優于10Gy和20Gy組。腫瘤表面血管分布減少亦較20Gy明顯，10Gy組及對照組均無變化。組織學檢查顯示放射外科組小鼠含鐵血黃素沉積與血管壁玻璃樣變的發生率高于對照組，提示裸鼠腎囊膜下移植聽神經鞘瘤對于立體定向放射外科治療后聽神經鞘瘤的體內放射生物學研究是一極佳的模型。

此外，由于單次高劑量照射，所以顱內靶點精確位置的確定極其重要，否則其放射生物效應會有很大不同，且極可能對正常腦組織造成極大損害。為此，Bova等［6］設計了一種適于對貓進行實驗放射外科治療的裝置以研究其放射生物反應。原理為在Kopf立體定向頭架的基礎上增加一種“弧”裝置，使放射源（直線加速器或60Co機）保持固定，動物平臺等中心繞弧旋轉。機械精確度的測試顯示最大誤差為0.15mm，可以精確確定靶位置。

二、立體定向放射外科的臨床研究

立體定向放射外科最初為治療功能性神經疾病而設計，目前這方面的研究仍在繼續。Kihlstrⅹm等［7］研究了γ刀內囊切除術治療難治性焦慮癥后病人雙側內囊正常組織接受單次γ線照射后的神經放射性表現。最大靶點劑量為200Gy。照射后3～44個月系列CT掃描和MRI被用于隨訪觀察。結果提示高劑量時觀察到的組織反應、體積變化和時間過程比小的照射體積中觀察到的更不易預測。因此，建議在將來應使用低的放射劑量和較小的體積。另外在用CT及MRI評價γ刀引起的損傷時應考慮時間因素。

近年來，立體定向放射外科越來越多地應用于腦部良惡性腫瘤的治療。目前的研究較多集中于分割照射是否適用于立體定向放射外科。應用多次分割代替單次照射在立體定向放射外科治療中可能有放射生物學的優勢，但是立體定向放射外科分割照射比單次照射需要較大的靶體積。如果降低幾何精確度和增加擺位的不確定性與多次分割照射有關，通過這樣即可部分補償放射生物學增益。Lo等［8］為估計分割照射腦腫瘤的潛在治療增益，評價增加擺位不確定性在潛在增益方面的效應，采用生物有效劑量（BED）、依據LQ模式對不同治療計劃的治療效果定性分析。其中治療增益（TG）被定義為腫瘤的BED與同一正常腦BED在多次分割及單次治療的比值，結果分割治療的TG隨分割次數增多而增加，隨單次劑量增大而減小。在1～10的分割次數中，TG在單次劑量點為20Gy、30Gy、40Gy時分別為1.40、1.32、1.27。另外，TG在最初的幾次分割中更明顯。如果體積增大，則分割的增益減弱。從單次劑量的靶體積2cm增加到分割治療的2.3cm時，TG從1.19、1.11降到1.06。研究認為，分析分割放射的治療增益時應考慮增加擺位不確定性在分割治療中的影響。

Simonov等［1，9］采用Leksell立體定向頭架和Leksellγ刀以分割方式（2～6天）治療48例初治病人，研究了立體定向放射外科分割照射的可行性。研究中應用LQ模式分析等劑量效應關系，并考慮腫瘤的放射生物學、腫瘤體積、周圍重要臟器的損傷及其他因素。結論提示Leksellγ刀進行立體定向分割照射是一種非常準確可行的治療方法。在另一項38例各類病人的研究中，總的分割劑量20Gy～60Gy，腫瘤周圍劑量為12Gy～30Gy。病人可耐受Leksell頭架接受2～5天的治療，沒有病人出現并發癥，并且腫瘤周圍腦組織受量最小。

隨著立體定向放射外科研究的進展，X線刀越來越多地開始應用于腫瘤治療。Luxton等［10］研究認為最終X線刀可照射＞30mm的病灶，但其精確度較γ刀略差。

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關鍵詞：蛋白質-蛋白質對接；分子動力學模擬；蛋白質-蛋白質相互作用

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

眾所周知，蛋白質在生物進程中扮演著重要的角色。蛋白質通過與其他生物大分子（如蛋白質，DNA和RNA）相互作用介導細胞內各種重要的生理過程，如基因的復制、轉錄、翻譯以及細胞周期調控、信號轉導、免疫反應等，其中，蛋白質-蛋白質相互作用尤為常見。因此蛋白質-蛋白質相互作用的研究有助于人們探明其細胞內功能，從而了解各種疾病發生機制，為進一步的新藥研發提供幫助。目前為止，研究蛋白質-蛋白質相互作用主要有酵母雙雜交、免疫共沉淀、親和色譜、質譜、核磁共振等多種實驗方法，這些技術為蛋白質相互作用研究做出了重要貢獻，積累了寶貴的數據資源。

隨著計算機處理能力的不斷提升，生物信息學的理論模擬方法得到迅速發展和廣泛應用。生物信息學整合數學，物理，化學，信息學等眾多學科的優勢，以計算模擬手段進行生物學相關研究。自Janin和同事們[1]首次運用自動化對接算法預測牛胰蛋白酶抑制劑-胰蛋白酶復合物3D結構至今，蛋白質-蛋白質對接領域已取得很大進步。該方法常用于蛋白質結構及功能研究，分析配體與蛋白質間或者蛋白質-蛋白質間的相互作用模式，便于研究者從原子水平探究受體-配體間作用機制。分子動力學模擬在誕生至今的幾十年中不斷隨著計算機軟硬件技術的快速提升而愈加發展完善，已經成為研究蛋白質、核酸等生物大分子的結構和動力學特性的重要工具。本文將對蛋白質-蛋白質對接和分子動力學模擬的基本原理及其在蛋白質間相互作用研究中的應用進行簡要概述。

1 蛋白質-蛋白質對接

準確的蛋白質-蛋白質復合物結構是進行蛋白質-蛋白質相互作用研究的基礎。然而，通過實驗方法測定蛋白質-蛋白質復合物結構比測定單個蛋白質更加困難。隨著計算機水平的不斷發展，人們開始希望用計算模擬手段來預測蛋白質復合物的真實結構，并希望從原子層面來分析蛋白質-蛋白質相互作用的內部機制。蛋白質-蛋白質分子對接是一種常用的方法。它是指利用兩個單體蛋白質的三維空間結構，來預測蛋白質-蛋白質復合物結構。解決蛋白質對接問題有兩個關鍵因素：打分函數和搜索算法[2]。打分函數應能夠區分出正確的或近似正確的蛋白質對接復合物，而且搜索算法需嚴格地探索由相互作用的蛋白質形成的巨大構象空間。

1.1打分函數 蛋白質-蛋白質對接可以被歸類為一個全局最優化問題，其主要目的是找到蛋白質分子間最穩定關聯結構。使用打分函數是準確評估結合蛋白間的相互作用所必需的。打分函數有兩個作用：構象采集和母板選擇及精制。打分函數的根本目的是從錯誤的對接取向中區分出正確或近似正確的對接取向。打分函數主要有兩種類型：基于物理原理的函數和基于實驗知識的函數。通常，基于物理原理的能量函數用分子力場如CHARMM[3]和AMBER[4]描述蛋白質-蛋白質相互作用。

打分函數可能包括幾何學與化學的互補，靜電力、范德華力和氫鍵的相互作用以及解相關能量項。最常用的打分函數是形狀互補。經常將形狀互補與FFT算法聯合應用于詳盡的全局搜索。靜電場在帶電粒子或極性分子間的相互作用中扮演著重要角色。泊松-玻爾茲曼方程常被用來解決從原子水平獲得溶劑化生物分子系統的靜電電位問題。打分函數包括了極其重要的離散和核心相互作用，通常用范德華力相互作用來描述。

1.2搜索算法 搜索算法的主要目的就是在勢能圖上定位最穩定的狀態。對接復合物可能解的構象搜索可通過兩種不同的方案執行。第一種方案是進行全空間搜索，第二種是隨機地或按一定順序只搜索局部空間。快速傅里葉變換是最為著名的用于全空間的搜索算法之一。Katchalski-Katzi[5]和助手首次將快速傅里葉變換法用于蛋白質對接，確定受體配體間幾何契合。該方法被應用于許多程序，如GRAMM[6]， FTDock[7]，3D-Dock[8]以及ZDock[9]。局部搜索算法包括模擬退火，蒙特卡洛法及遺傳算法等。Vieth和助手們[10]發現分子動力學法最適于進行大空間搜索，而遺傳算法比其他算法更適合進行小空間搜索。大多數情況下，蒙特卡洛算法和分子動力學算法都用來進行蛋白質柔性處理。

1.3對接過程 蛋白質-蛋白質對接一般通用的過程包括：①盡可能多的從全局或局部搜索中生成對接復合物；②篩選和評估復合物；③精制和重排。這三步可被細分為更多步。第一步完成剛體的全局搜索，盡可能多的生成對接蛋白質-蛋白質構象。在第二步中，采用生物或實驗信息和打分函數來掃描并評估第一步得到的對接復合物。錯誤對接復合物的得分比接近X射線結構復合物的得分高是很常見的，許多得分高的結構并不實際存在。應過濾掉這些不實際存在的結構，將剩下的對接復合物進行評估。第三步涉及到側鏈及可能骨架的柔性。柔性處理時主要進行重排側鏈。

2 分子動力學模擬

分子動力學模擬是一門利用經典力學來模擬大分子體系運動的方法，它綜合了數學、統計物理、化學、計算機等多門學科的內容。分子力場是分子動力學模擬的基礎。它采用簡單的函數來描述分子能量與結構之間的關系。分子力場的基本函數形式包括了原子之間的成鍵相互作用與非鍵相互作用。非鍵相互作用主要包含了范德華力與長程靜電力。

2.1分子動力學模擬過程 分子動力學模擬的步驟主要包括了四步：第一步是確定初始構象，初始構象盡量選越接近模擬系統的結構越好，通常是能量較低的構象。通常采用分子力學方法對其構象進行優化；第二步平衡相過程，在前一步中已經確定的模擬體系將進行平衡相過程。在構建平衡相的過程中，須對其構象以及溫度等參數進行調控并加以監控，還要判斷體系是否已經達到平衡；第三步生產相過程，模擬體系中的分子以及構成分子的原子開始根據初始速度運動，此時根據牛頓力學和預先給定的粒子間相互作用勢來對各個粒子的運動軌跡進行計算，并從這個過程中抽取計算分析時所需要的數據和樣本；第四步將對計算結果進行深入分析處理。

2.2研究進展及常用軟件 Tajkhorshid等成功的模擬了水分子通過不同通道亞型的過程[11]。Xu等在水溶液和磷脂雙層中對β淀粉樣多肽進行了多次長時間分子動力學模擬，發現在生物膜和有機溶劑中以α螺旋為主，在水溶液中則以無規則卷曲為主[12]。京都大學醫學研究科的巖田想[13]成功分析了存在于細胞的，負責將物質運送到細胞內的一種蛋白Mhp1的構造，運用該結果通過在計算機上模擬，在分子層次上弄清了Mhp1將物質運往細胞內的機制。

目前，用于分子動力學模擬的軟件越來越成熟。較為常用的主要有：GROMACS，NAMD， AMBER，CHARMM，TINKER、LAMMPS等。GROMACS[14]是用戶界面友好的分子動力學模擬軟件，模擬中的參數條件和基本功能已經趨于成熟，里面包含多種力場，非常適用于模擬生物大分子這種復雜體系。同時由于其速度快，在非生物體系統中也得到了廣泛的應用。AMBER[15]不僅是一個程序，而是包含了從體系準備到動力學模擬，再到軌跡分析等一系列程序的集合。同時，AMBER 還是一系列力場的名稱，這些力場涵蓋了蛋白質、核酸、糖類、脂類等眾多生物大分子。NAMD同樣適用于模擬計算蛋白質、核酸等生物大分子體系，而且并行計算效率非常高。

3 展望

目前，蛋白質分子對接及分子動力學模擬等計算手段雖然已廣泛用于蛋白質-蛋白質間相互作用的相關研究，但還是存在一些值得改進的地方。例如，蛋白質-蛋白質對接過程中，蛋白質柔性的相關處理，構象搜索的合理性及打分函數的準確度；分子動力學模擬中力場的種類和所研究體系的匹配度等。隨著計算機技術不斷的發展，這些生物信息學方法有待進一步優化和相關軟件需要進一步完善，從而使其更適用于蛋白質等生物大分子的模擬研究。總之，將生物信息學方法與傳統實驗手段相結合來進行蛋白質間相互作用等生物大分子體系研究，是一條有待進一步發展的有效途徑。

參考文獻：

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[關鍵詞]細胞生物學；醫學檢驗；實驗教學；教學改革

[作者簡介]黃蕾（1983—），女，江蘇贛榆人，本科，實驗師，研究方向為實驗教學；王芳（1974—），女，江蘇揚州人，博士，教授（通信作者），研究方向為免疫學。

[中圖分類號]G640[文獻標識碼]A[文章編號]1674-9324（2020）37-0383-02[收稿日期]2019-12-17

細胞生物學作為當前生命科學領域中最活躍、最富有發展前景的學科之一，細胞生物學的研究方法、技術在醫學基礎科學研究中處于重要的地位[1]。南京醫科大學醫學檢驗技術專業在基礎醫學階段開設了細胞生物學這門課程，側重講授了細胞生物學理論知識，然而在專業課學習階段，很多學校并沒有開設細胞生物學實驗技術這門課程，大多數高校認為細胞生物學實驗技術對于臨床常規檢驗工作無直接關聯，且開設這門課的硬件和軟件要求都較高，對于本科階段的學生沒有開設的必要性。

南京醫科大學醫學檢驗學系自2001年招收本科生以來，一直關注學生動手實踐能力的訓練，拓展學生的知識面和畢業后的就業廣度。在此過程中，我們發現越來越多的學生對科學研究充滿興趣，本科畢業后進入科研機構、研究室以及升入碩士研究生階段的學生比例逐年遞增。細胞生物學實驗技術是一門與生命科學密切相關的基礎研究手段，因此，我們認為開設細胞生物學實驗技術這門課很有必要，并且在專業發展的十幾年里不斷學習，總結經驗得失，改革教學的內容與形式，使得課程設置更具有科學性，讓學生在最精簡的課時里獲得最優化的教學效果。

一、改革經驗

本學系自設置細胞生物學實驗技術課程后，經過十幾年的教學實踐和探索，總結出以下幾方面的教學經驗：

（一）教學模式的改革，培養學生的科研思維

運用科研思維可以讓學生更深入地了解科學，增加學習熱情，明確發展方向，提高教學效率，讓實驗內容由驗證型向研究創新型轉變[2]。本學系實驗室是“江蘇省醫學檢驗學實驗教學示范中心”“中央與地方共建高校特色優勢學科實驗室”及“江蘇省高等學校特色專業建設點”，不僅承擔本科生的實驗教學，還承擔了碩士、博士研究生的科研培養。同時，本學系采用的是“系科合一”的模式，即醫學檢驗系設在南京醫科大學第一附屬醫院醫學檢驗學部，檢驗專業主干課程的老師多來自臨床檢驗一線醫生和技術人員，師資力量雄厚。但是考慮到每年的本科生人數較多，而傳統意義上的大課教學特別是實驗教學無法兼顧到每個學生，不利于引導和挖掘在本學科上有特長的學生。因此，我們在教學模式上進行改革，將本科生教學和研究生教育結合起來，相互促進。具體做法：將本科生劃分為每四人為一小組，讓碩士研究生以教學助教的身份參與到實驗課帶教中，形成一個學習小組，指導本科生查閱細胞生物學技術方面的文獻，指導學生實驗操作，引導學生的科研思維。研究生在助教的過程中也得到了鍛煉和成長，促進教學相長。

（二）以細胞培養技術為主體的實驗課內容改革

細胞培養技術是細胞生物學研究的基礎，因此我們將細胞培養技術作為細胞生物學實驗技術實驗課程的主要內容。我們在多年的教學過程中，根據學生的反饋以及相關學科的融合，不斷改革與調整課程內容，形成了現在的實驗教學課程體系。在此體系中，包含了細胞提取、培養、換液傳代、凍存復蘇、細胞融合和單抗制備技術，由淺入深展開，有助于學生以后在科學研究方向的發展。

（三）建立細胞生物學實驗技術特色的考核評定模式

實驗考試是考核學生掌握實驗知識與技能的一種手段，是檢查教師教學工作、了解教學成果、總結教學經驗、改進教學方法的一個重要途徑[3]。以往的實驗教學考核主要根據最后一次的實驗考試成績及每次實驗報告分數來評定，導致難以調動學生的學習積極性與主動性，并且一次考試的成績存在偶然性，不利于考查學生對知識、動手操作技能的掌握程度。因此，我們采用“全程考核”的模式動態考核學生的學習成績，這樣的考核模式更全面客觀，更具公平性。具體做法：將實驗考核成績分為三個部分，第一部分，以學習小組為單位，由研究生助教根據每位小組成員在每次課程學習過程中的表現打分，再結合每位成員的細胞生物學方面的文獻匯報評分，最終評定一個分數；第二部分，分為實驗理論知識答題和實驗技能考核兩個部分。以隨機抽題的方式回答兩個問題，老師根據學生的回答情況評分。同樣以隨機抽取的方式讓學生抽取一個實驗操作試題，老師根據學生實驗操作的流程是否規范以及操作的手法是否流暢來評分，最終將這兩個分數匯總評定為實驗考試分；第三部分，學生平時表現分，包含考勤、課堂回答問題、動手操作情況及實驗報告評分等。匯總這三部分的考核分即為學生的實驗課成績。通過多樣式的考試模式，能較客觀地反映學生的學習成效，調動了學生的自主學習興趣，同時也豐富了教學形式，課程中充滿了挑戰和趣味性，學生對我們的課程反饋良好。

二、改革成效

我們在數年的教學過程中不斷總結，在教學改革中取得了一定的成果。我們以細胞培養技術為切入點，讓參加的學生參與導師的課題研究，這樣的形式非常有助于我們發掘科研的好苗子，近年來我們有多名學生在本科階段申請到學校《大學生創新實驗》課題項目，發表SCI論文以及獲得發明專利，取得了許多教學成果[4]。我們的本科學生經過訓練，在研究生招生面試中更具競爭力，近年來保研、考研的人數逐年遞增，導師們對學生評分很高。

三、改革方向

通過多年的努力，我們在課程教學改革中取得了一定的成果，未來我們將在以下幾個方面推進教學改革。

1.針對課程內容較單一現狀，將進一步提高實驗課時比例，而理論課課時的不足將通過引導學生上網課、微課以及開選修課的形式來補充。

2.與學校醫學模擬中心合作，嘗試開展新型的虛擬實驗的教學形式，便于我們開設那些現有實驗室條件下無法開展的實驗課程，豐富我們的教學形式和教學內容。

3.通過調查發現，本專業細胞生物學實驗技術這門課各高校開展情況不同，并且缺少統一的教材，我們希望推廣這門課，并聯合其他院校一起制定適合本專業的材。

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關鍵詞：合成生物學技術；研究進展；生物功能元件；DNA合成；DNA組裝方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：Q81 文章編號：1009-2374（2016）14-0073-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.14.037

合成生物技術產業的不斷更新發展為人類社會所存在的一些較為難以突破的問題尋求到解決的方案，并且起到實質性的作用。合成生物技術產業簡而言之就是利用合成生物技術的產業化發展，合成生物技術的發展基礎就是基因、細胞這些微小單位，在此基礎上進行相應的研究，主要研究方向就是生物產業的設計化、工程化，將基因與計算機編程、網絡等相結合，進行各種傳感性研究以及細胞編程的定向進化等，其對于社會的進一步發展有較為重要的導向作用。但其發展中的問題層出不窮，對于社會倫理、社會環境而言都是巨大的挑戰。我國對于合成生物技術產業發展制定了一套合理科學的戰略方針，針對其出現的問題提出了相應的政策進行限制。

1 合成生物學技術

合成生物學技術主要包括生物能源、農業及醫藥等方面，合成生物學技術的發展可以促進我國生產技術的快速發展。現階段合成生物學技術在發展過程中存在很多問題，對其快速發展產生了極大的影響。目前，合成生物學技術在發展過程中產生了一套適合其發展的模式，本文主要對以下三個方面進行分析：

1.1 發展合成生物學技術發展的原因

合成生物學技術需要快速發展的原因是為了有效地滿足人們的精神及物質需求，就是在社會經濟快速發展的現階段有效地增強人們的壽命及身體健康和對精神的需求有所提高；采用或者引用新技術有效的改善現階段環境的嚴重污染。在這樣的背景下，合成生物學技術就必須快速發展，成為我國現階段發展的重要領域，加上人們對動植物及人類本身的研究不斷深入，合成生物學技術在研究過程中也在不斷提升，使其研究范圍也在不斷擴大。在研究過程中可以發展各種生物的作用及意義，并且可以有效地發現其生理及生長原理，使合成生物學技術在我國發展過程中發揮著至關重要的作用。

1.2 合成生物學技術產業發展戰略的前提

在我國現階段，合成生物學技術發展的主要目標就是解決其在發展過程中存在的許多問題，其中存在問題的主要原因就是因為合成生物學技術嚴重影響了現階段自然進化的絕對性，對生物進化產生了人為的影響。物種出現變異或者其發展方向出現偏差的主要原因就是因為人工生物體及生物實驗等的出現，合成生物學技術的出現嚴重地違背了生命的進化法則及生物的自然生長規律，對目前環境的自然化發展產生了嚴重的影響。因為人們對自然生長規律進行了過度的改造，就會嚴重破壞生態平衡，所以必須對自然生長規律的研究方向及研究范圍設置一定的方案，并且進行一定的限制，提出適應現階段社會發展的戰略目標。

1.3 我國合成生物學技術發展戰略

現階段，合成生物學技術發展的戰略目標制定的基礎就是自然繁衍規律、自然生長法則及我國環境的發展詳情等情況，對產生制定發展目標的主要原因就是促進該產業的快速發展，使該產業在發展過程中存在的問題得到有效的解決，并具有促進該產業快速發展的作用。我國在發展該產業的過程中應該遵循的主要原則就是尊重自然、尊重科學、尊重資源的有效利用及人類發展規律等原則，在這些原則的制約下可以制定有效的發展戰略目標，可以有效地促進我國現階段能源、農業及工業的快速發展，有效地減少環境的污染，促進合成生物學技術的快速發展。

2 生物功能元件

2.1 生物功能元件的設計、合成和功能表征

眾所周知，生命的形態呈現多樣性，其可以合成現有的有機化合物為新的生命系統。目前，所謂的遺傳信息具有編輯性的特點，為創造新的生命系統提供可靠的保證，合成生物學的基礎就是生物功能元件，是一種最小的生物元件，并且具有特定的功能，是氨基酸與核苷酸序列進行不同組合，形成一種復雜的系統。在理論上，任何有機化合物和新種的合成可以通過生物功能組件的設計和組合來實現。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的開發，對遺傳密碼子表進行不斷擴張，可以有效地擴大新品種的合成及化合物的使用范圍。伴隨著現階段DNA合成技術的商業化及不斷發展，基因原件的保真性及質量的不斷提高，同時其成本也在不斷降低，為合成大量的基因原件提供便利，而且通過使用高通量篩選技術可以有效地加強人員對基因原件的選擇。

2.2 生物功能元件的標準化

目前，伴隨著合成生物學的快速發展，人們需要對生物學的功能原件進行規劃。1996年，Rebatchouk等通過克隆的方式有效地建立了基因元件庫，但是當時這項工程并沒有引起行業人員的注意。2003年，Kight在麻省理工學院提出了“生物磚”概念。現階段，許多科研院也在開始使用規范的基因元件庫進行生物系統和生物裝置的監理。所謂的生物磚就是對生物功能組件的標準化進行不斷嘗試，簡單而言就是單個的積木通過不同的方式進行排列組合，可以組成許多不同結構的形態，通常情況下，生物磚的基礎元件主要包括調節序和編碼序列，如核糖體結合位點、終止子及啟動子。2003年，通過麻省理工學院建立了標準生物元件庫，現階段應該收集了3400多件基因元件有效的應用與組裝生物系統和生物裝置。這些標準化元件一般都來自于每年參加國際遺傳工程機器設計競賽、科學家個人和學術研究機構等團隊。每個單獨的元件都有自己的編碼，其中還有建造者、使用者、序列及功能等資料，這些資料都是公開的，可以免費使用。

2.3 生物功能元件的組裝

合成生物學技術的主要特點就是對基礎元件進行重新的排列組合，得到不同的系統及相關的裝置，但是因為人們發展研究的限制及生命系統的復雜性，合成生物學技術不能像建筑工程及其他學科的項目一樣，對具有特定功能的元件進行排列組合，就可以得到應有的效果及功能，同時需要對各個元件、裝置及設備之間進行不斷優化及調試；同時最為主要的影響因素還有底盤、裝置及元件，而在這個過程中，使用系統生物學分析方法和高通量的測試方法對其進行優化和試配。通過使用計算機輔助動態仿真技術，對構建的模型進行不斷的預測，并對其進行優化，這樣可以有效地降低模型的測試工作量，有效地加快模型的構建進度，對構建模型的過程中所產生的數據進行重新組合、預測其功能，可以有效地構建出接近自然生物系統的模型，最終得到最佳的施工方案。

3 DNA合成與組裝技術

3.1 DNA合成

DNA化學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況下是使用固相亞磷酸胺三酯法，原料為核苷酸單體，經過脫保護、偶聯、封閉與氧化四個循環反應的過程進而得到的。這種方法通過一定的優化措施，以1/200的錯誤率最多可以有效地合成200～300nt的寡核苷酸序列。在20世紀90年代初期，促使實現寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技術。但是因為“邊緣效應”及“脫嘌呤”現象的出現，對合成序列的正確性產生了一定的影響。由于CustomArray開發的通過半導體電化學酸合成與Agilent開發的通過噴墨打印技術的芯片合成后，有效地改善了出錯率，與柱式的合成相當。但是這種方式的單次合成數量是柱式合成數量的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組裝方法

為了對合成基因序列的可靠性進行控制，通常情況下DNA的合成長度不能超過5kb，而更大尺度的DNA分子可以通過最新的DNA組裝方法實現。除了傳統的克隆分類的方法，現階段已經出現了體外DNA組裝、聚合、連接或同源重組原理等多種體內的新方法。這些方法被大量使用，促使DNA組裝不管是效率還是尺度都得到了快速的

發展。

2008年，Venter研究組有效地完成了580kb生殖道支原體的人工建立，并在2010年實現了人造生命的重頭合成方式，有效地促進了現階段合成生物學的快速發展。在這一發展過程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母體內拼接及Gibson組裝的方法進行開發，通過這種方法，有效地實現多個片段的一次性無痕拼接，其現階段組裝尺度最大為580kb。

綜上所述，現階段，合成生物學技術出現及快速發展與人類認知及自然科學方法息息相關。自然科學方法主要是從細胞、個體、分子到群體等多個方面指導人們對自然的認識，有效地揭示規律、生命及機制，隨著人們對自然認知的不斷深入，人類的認知不能滿足自然的傳統描述，所以合成生物學就會逐漸出現。同時，合成生物學是工程實踐的前提，是理解和分析自然生命系統的關鍵，對生物系統、裝置的特征進行分析，從而出現簡單的生物裝置及元件的設計、組成標準化的規律及原則，然后指導人工生命生命系統的設計和施工。另外，屬性合成生物學的設計和建設的“自下而上”的正向工程理念和“標準化”“復雜的系統脫鉤”和“抽象”的理念，這與傳統的生命科學研究存在一定的差異，而且合成生物學家的指導，導致設計和建造的城市標志性建筑的路標。同時組件、系統和壽命設計與施工可以系統地深入和了解生命的本質規律，從而可以有效地指導應用性及工程化的設計及建造，這是合成生物學的一個重要理論。

參考文獻

[1] 黃璐琦，高偉，周雍進.合成生物學在中藥資源可持續利用研究中的應用[J].藥學學報，2014，（1）.

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第九屆中國青年女科學家獎評審會評語：

魏麗萍工作成績突出，在生物信息學領域作出重要貢獻。

魏麗萍寄語青年人：

未來是無法預期的，但我們要樂觀、積極地生活。找到自己真正感興趣的、比較擅長的、適合自己的工作，在每一天，都把自己能做的全部做到最好，不管未來是什么樣子，我們都有準備。

隨著新一代測序、芯片、質譜等高通量生物技術在生命科學領域越來越廣泛的應用，各種生物學數據大量涌現，并呈現出指數增長的趨勢。這些數據中蘊藏著大量的寶藏，即生物學的新規律、新發現。但是，這些海量的、指數級增長的、并且高噪聲的生物數據也帶來了巨大的數據分析技術上的挑戰。

在機遇與挑戰的雙重推動下，生物信息學在上世紀80年代后期應運而生并迅速蓬勃發展。該學科針對重要的生物學問題，通過研發并應用新的數據庫及算法技術，對海量的生物數據進行分析、整合、模擬，從中發現生物學新規律。

針對海量生物數據分析的挑戰，魏麗萍帶領課題組自主研發了11種生物信息學數據庫和算法軟件，全部在網上免費公開，并發表于生物信息學領域的權威雜志上，被大量的國內外生物學家應用于他們的研究中，預測結果多次被驗證。她在對成癮等人類精神疾病的研究中做出了一批有國際影響力的工作，發現了4種成癮的5條共同分子通路以及1個和尼古丁成癮相關的人類特有的新基因。

魏麗萍認為，有了數據庫和算法軟件之后，重要的是研究生物學問題。目前，她的課題組在打好了堅實的生物信息技術基礎之后，選擇用它來專攻兒童自閉癥的致病原因，希望能找到個性化的、更有針對性的治療方法。

據美國的最新研究顯示，每88個孩子里就有1個患有自閉癥譜系障礙，癥狀表現為交互性社會行為及交流能力的質的障礙和刻板重復行為，嚴重的患兒終身不能上學和工作。自閉癥目前病因不明，也沒有治愈的方法。

當談到為什么會選擇自閉癥這一研究方向時，魏麗萍說：“我們選擇研究方向時，就是要選一些復雜的、有挑戰性的問題。我經常對我的學生講，對你簡單的問題對別人會更簡單，所以我們要選擇自己感興趣的、需要解決的、又有一定挑戰性的研究課題。”

目前，魏麗萍的研究組一方面對自閉癥兒童及其家屬，以及其他人進行基因組測序，試圖通過比較基因組，找到自閉癥的致病基因；同時，他們也在尋找中國的自閉癥高發地區，用統計的方法去研究是不是因為某些環境因素導致這一現象；再進一步，他們將用生物統計和實驗的方法，分析基因和環境的相互作用。

魏麗萍說：“不是說基因組學和生物信息學可以把自閉癥攻克，但是它提供了一個和其他研究手段非常互補的、新的、比較獨特的研究角度。”

在科研與教學的同時，魏麗萍還運用自己多年的教育經驗，努力從多個層面幫助自閉癥兒童，希望能為自閉癥兒童的教育以及發揮自閉癥兒童的特長開辟一條道路。

魏麗萍說：“有些孩子雖然有行為上的障礙，但在繪畫、音樂或數學方面有超常的特長，如何能夠在糾正他的行為問題的同時，發揮他的特長，這是一個非常有挑戰性但又很有意義的工作。”

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[關鍵詞] 新課程 科學史 價值

重視生命科學史的教育價值是時代的呼喚。《普通高中生物課程標準（實驗）》（簡稱《標準》）提出“提高學生的科學素養”、 “面向全體學生”、“倡導探究性 ”、“ 注重與現實生活的聯系”的基本理念。在課程目標中也明確提出，“獲得生物學基礎事實、概念、原理、規律和模型等方面的基礎知識，知道生物科學和技術的主要發展方向和成就，知道生物科學發展史上的重要事件”。在實施建議的教學建議部分中，第七個專題“注重生物科學史的學習”中舉實例突出強調了“科學是一個發展的過程”。 并特別說明“對于《標準》中沒有列出的其他生物科學史實也應注意引用”。

一．生命科學史的重要價值

1.生命科學史揭示了自然科學的本質

生命科學史揭示了自然科學的本質，同時顯示了產生每個知識點的科學過程。例如，20世紀初，薩頓和鮑維里在孟德爾遺傳學以及19世紀末在染色體的變化、體細胞與生殖細胞的分裂等方面的成果上，提出了染色體學說，即（孟德爾所說的）遺傳因子可能就在染色體上。但是當時拿不出證據證明他們的觀點。直到1910年，摩爾根通過一系列實驗發現，控制果蠅眼色的基因位于性染色體上，才證明了薩頓、鮑維里的假說。從“基因位于染色體上”這一知識點的形成過程，可以看到科學過程的步驟。生命科學也是在自我更正的過程中積累和進步的。

2.生命科學史是前人探究生物學知識的科學過程史

每一個知識點的產生過程，就是一個探究的過程。生命科學史就是前人探究生物學知識的科學過程史，生命科學史中蘊涵了知識與過程的統一。（過程中包含著思維方式，如好奇心、求知欲、質疑、推理等；過程中包含著研究方法。）創造科學知識的科學家，哪一個不具備廣博的知識呢？DNA雙螺旋結構模型的建立，匯集了許多不同學科背景科學家的智慧，顯示出知識是非常重要的，僅有沃森和克里克的知識也是辦不到的。知識和過程是自然科學的兩個維度，二者是統一的，不能割裂開來。

3.生命科學史展示了人們的合作過程

生命科學史展示了在探究知識的過程中，有相同研究方向的人們之間和有不同研究方向的人們之間的合作。DNA雙螺旋結構的問世充分說明了這一點。

這個事實表明從事不同學科研究的人，掌握的知識和技術是不同的，而且不同學科背景的人帶來了不同的思維方式（尤其是玻爾、德爾布呂克和薛定諤的思想為遺傳學研究注入了新的活力，他們的思想極大地影響了沃森和克里克），他們的合作為解決問題提供了不同的思路，他們在解決問題中相互啟發，相互補充，相互促進，同時共享了研究成果。

4．生命科學史展示了成功的實驗與選擇合適的實驗對象是分不開的

孟德爾選擇了豌豆；摩爾根選擇了果蠅；細胞學說的創始人施旺選用具有相似于植物細胞壁的動物脊索細胞和軟骨細胞；貝爾登和鮑維里在研究細胞分裂時，選擇了馬蛔蟲細胞；悉尼·布雷內、羅伯特·霍維茨和約翰·蘇爾斯頓（這三人是2002年諾貝爾生理醫學獎獲得者）最終選擇了線蟲來探索“程序性細胞死亡”的奧秘；科學家選擇了擬南芥作為植物遺傳研究的模式植物。

以上事例說明了選擇合適的研究對象對解決問題非常關鍵。這些事實給予我們的啟示是：在高中生物新課程中的探究教學中，也涉及選擇探究對象的問題，要解決好探究問題，必須先選擇好探究對象。

二.生命科學史在高中生物教學中的應用

1.培養學生的科學態度

科學就是客觀地研究事物。如實地認識客觀規律，符合邏輯地得出正確結論。所以，實事求是的態度就是科學的態度。在生物科學史的教學中，介紹科學家們客觀地觀察生物的形態結構、生理特性，踏踏實實地做好生物試驗，實事求是地分析觀察和實驗結果的科學態度，能為學生提供學習的榜樣，有效地培養學生的實事求是的科學態度。

2.培養學生的科學精神

科學精神是科學品質的核心。科學精神就是敢于懷疑、敢于求真、敢于創新。科學的每一次進步，都是對過去的一次革命，它總是要突破以往的窠臼，達到一個新的起點。創新是科學進步的內在動力。創新必需有勇敢的精神作基礎，要敢于懷疑現有的觀點，敢于冒險，敢于克服困難，敢于接受失敗的考驗，敢于抵制世俗的偏見和環境的壓力，堅韌不拔地追求真理。縱觀生物科學的歷史可以看到，是科學家們的不斷創新才有生物科學的不斷進步。因此，在生物科學史的教學中，引導學生學習科學家們的創新精神，有助于學生科學精神的形成。

3.培養學生的科學思維

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劉曉晴，首都師范大學生命科學學院教學副院長。1990年畢業于山東大學發育生物學專業，獲得碩士學位。同年任教于首都師范大學生物系，1998年赴德國Tuebingen大學攻讀博士學位，于2002年3月獲得博士學位，在此期間主要從事生物化學及分子生物學領域的研究工作，研究方向為分子水平酶的活性調控機理；2002年11月回國后繼續從事蛋白質的結構與功能方向的研究工作，擔任生物化學、蛋白質工程的教學工作。近年來主要從事嗜熱酶的結構和功能研究。

從本科、碩士到博士，從普通工作人員到學院教學副院長、教授，期間既要工作，又要學習，還要照顧家庭，現在又要承擔繁重的行政管理任務。借用劉曉晴近期的研究方向來做比喻，她真的是憑著自己的一腔“嗜熱”激情，不懈努力，一步一個腳印地走過來的，各種艱辛只有她自己知曉。

科研篇　嗜熱激情點亮科研前路

進入管理崗位之前，劉曉晴長期從事生物科學與教研工作。目前研究方向主要有蛋白質的結構與功能的關系、極端環境酶的研究和利用、利用化學酶法探究藥物合成的新途徑三個方面，而這三方面的工作都是以嗜熱菌的研究為介質的。

嗜熱菌，顧名思義是依賴于高溫而生存的微生物，又稱高溫細菌。它是一類生活在高溫環境中的微生物，如火山口及其周圍區域、溫泉、工廠高溫廢水排放區等。近30年來，這一類微生物越來越廣泛地引起了科學家們的重視和興趣。特別是在水的沸點和沸點以上溫度條件下能生活的細菌被發現后，更促進了對嗜熱微生物的研究。

據劉曉晴介紹，來源于嗜熱菌的蛋白酶由于其在高溫條件下仍具有水解蛋白質的功能，使得在造紙業、食品加工業、紡織業、工業廢水處理等領域有著廣泛的應用價值。但由于培養多數天然嗜熱菌的條件比較苛刻，其生長速度極其緩慢，酶產量低而且酶的活性也較低，難以滿足工業生產的應用，制約了它的廣泛發展。近些年來，隨著蛋白質工程技術的發展，人們采用分子生物學手段，將嗜熱菌酶的基因轉移到普通宿主菌中，在溫和的條件下生產嗜熱菌酶，從而為大量制備嗜熱菌酶提供了行之有效的方法，同時，也為進一步研究嗜熱菌酶的結構、功能、耐熱機制等基礎方面研究提供了有力保證。

鎖定嗜熱菌研究方向，在研究過程中，劉曉晴逐漸形成了三方面研究內容。

首先，在蛋白質的結構與功能的關系研究中，劉曉晴將研究的重點放在蛋白質復合體的結構研究上，以丙酮酸脫氫酶復合體和鐵硫簇合成途徑中的蛋白復合體為研究對象，從酶動力學和酶結構兩方面來探討酶復合體的結構與功能的關系。

其次，在極端環境酶的研究和利用工作中，她和她所帶領的團隊以嗜熱蛋白酶的研究為基礎，力求解析極端酶的嗜熱機理，結構與功能關系，發掘新型極端酶和利用基因改造技術從而獲得突變酶。

三是因為化學酶法合成有潛在應用價值的藥物，利用酶的催化活性在體外可以針對性地合成特定的化合物，所以，劉曉晴及其團隊希望用這種組合生物合成的方法――化學酶法，作為合成先導化合物的策略，用于探究藥物合成的新途徑。這項工作與德國馬爾堡大學的李書明教授一直合作。

據統計，近期由劉曉晴擔任項目支持人的項目共5項，包括3項國家自然基金項目和來自北京市教委、留學回國人員科研啟動等項目。研究內容囊括了對多酶復合體活性調節的分子機制、嗜熱菌蛋白酶的結構功能及其熱穩定性的分子機制、嗜熱菌鐵硫簇SUF合成途徑的研究等，大部分已有成果，廣獲業界好評。在此期間培養了十多名研究生，有的轉為博士繼續學習，有的已經畢業走上工作崗位。

教學管理篇　教研管理兩相長

如果說教學與科研為“雙肩”，那么，管理和教研又為“兩棲”。事實上，無論是教學與科研，還是管理與教研，無非就是能力的使用和貫通。這句話，放到劉曉晴身上再合適不過。除了一直以來擔當的科研工作者之外，她還有另外兩重重要的身份，即園丁育人及管理人才。而無論做什么，她都能憑借自己的聰明與才智、豐富學識和縝密的思維，放到哪里，哪里都能“生根”、“開花”。

在教書育人方面，劉曉晴堅持教師職業的信念，把教書育人看成是一種幸福，以積極飽滿的熱情去做好教書育人的每一件事。她長期擔任本科生和研究生的教學工作，對本科教育頗有心得：“本科教育真的是需要有無私奉獻的精神，只要用一顆愛學生的心去理解學生、關心學生、引導學生，學生一定會感受得到，而快樂學習是他們獲得進步的源泉。”正因為用心去工作，近年來，劉曉晴在教學領域獲得了諸多成績：2007年獲得師德先進個人；由她負責的“生物技術綜合實驗”校級精品課程經市教委嚴格審批，獲評為2010年度北京市高等學校精品課程。

“敢于創新、注重交流”成為她教學生涯中的亮點：由她負責的生物化學課程2006年首先開始雙語授課；從2005年開始申請負責德國DAAD資助的交流學生互換項目，其中，首師大生科院與德國圖賓根大學生化所交流互換已進行6年，截至目前已有中德雙方各20名學生在對方的學校進行學習。

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關鍵詞：水生生物學；水產養殖；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0083-02

《水生生物學》是農林院校及涉海高校的核心課程，在我校上海海洋大學，為上海市精品課程，具有雄厚的教學基礎和相關教學資源。本課程開設廣泛，幾乎為水產與生命學院所有專業的專業基礎課，也是學生真正接觸水產養殖/水生生物的第一門課程。因此，這門課程的教學效果如何，能否激發學生學習的興趣和主動性，將直接影響到后續課程的學習和我校水產創新人才的培養成功率。

但目前學生對這門課程普遍學習興趣較低、學習主動性嚴重缺乏，多數處于應付考試的被動學習狀態，這也間接導致了畢業生在水產領域從業意向逐年減少及考研深造數量一直不高。主要原因為以下幾點：（1）水生生物學涉及面廣、內容繁多。因避免內容同其他相關課程有較多重疊，理論課目前過于注重水生生物的形態、分類，而該內容又多以枯燥的講授為主。（2）實驗課內容較古板，均為固定標本。雖觀察和生物繪圖是生物學/水產類專業的基本功，但單純的觀察易加快學生的學習疲勞，降低學習興趣。（3）課程考核方式較單一。（4）學生沒有理解本課程知識的重要性和實用性，缺乏興趣。

在教學實踐過程中發現，學生希望增加教學互動，參與到教學活動中。同時，更喜歡用形象生動的視頻資料學習，而非毫無生氣的生物模式圖；更喜歡團隊合作的多媒體展示，而非傳統的書面作業；此外，實驗課上他們更愛動手探索，而非單純按部就班。因此，在這種新形勢下必須要突破傳統教學模式的束縛，激發學生學習熱情、開發學生智力和思維能力，使學生學習變被動為主動，從而更好理解和掌握水生生物學的知識。

為此，我們開展了以激發學習興趣為導向的水生生物學課程的教學改革。在過去的兩年里取得了較好的教學效果。

一、多維啟發式教學方法，吸引學生興趣

水生生物學內容多為各生物種類的形態分類介紹，因大多種類個體較小，形態結構抽象，枯燥的“填鴨式”教學難以達到教學目的，并極易使學生失去學習這門課程的興趣。我們充分發揮多媒體教學的優勢，借助大量的彩色圖片和影音資料，使各種形態結構清晰可見，而影音資料也直接讓學生看到各種水生生物正常的生活狀態，有直觀的認識。多種教學手段的運用就變抽象為具體，枯燥為多樣，同時稀奇百怪的水生生物圖像自然而然會引起學生的求知欲。同時在重要章節結束時，可用猜謎的形式，與學生互動，讓其主動查資料，回顧知識要點，來完成對一些種類的鑒定，加深對關鍵內容的掌握。

此外，水生生物的知識結構以水體中生物的生態類群劃分，各生態類群在水域生態系統中的功能和作用是不同的，同我們的環境和水產養殖息息相關。這些均可以通過學生的自發學習來掌握。因此，在一個生態類群學習結束，我們常設計一個研討會的時間，事先提出若干現實問題，引導學生思考，查找資料并歸納總結，在調動學生主動性的同時引發他們深入思考，進而了解水生生物學研究的各個分支并體會到水生生物學的重要性，同時也訓練了他們如何查找資料來解決問題的能力。如在浮游植物這個部分結束后，可設計水華產生原因、鰱鳙魚控藻、生物質能、氣候變化與水華等科學問題，讓學生以小組的形式查資料并在課堂展示他們的對這些問題的思考，同時通過學生間的互動討論，完善學生的知識體系。

二、融入最新研究進展，革新課堂教學內容

目前所用《水生生物學》教材為2005年出版的“十一五”國家規劃教材，因近年來分子生物學技術的引入為水生生物學形態分類提供了新的視野，國際上水生生物分類體系的變動較大，該教材的一些內容已同國外有脫節。為使學生能及時了解到最新的研究結果，并同國際常用到的分類系統相統一，我們依托我校在水生生物分類學領域的雄厚研究基礎，教研室各位老師及時對形態分類學內容進行更新，并增加了相關的分子系統學和生物條形碼的相關知識點，使學生在水生生物學分類學方面形成立體的知識體系。

水生生物學在環境生態、水產養殖有著重要的實用價值和現實意義。以往僅注重形態分類內容的講解嚴重不接“地氣”，也常造成學生在考慮深造的研究方向時很少選擇水生生物相關領域。為此，針對教學內容我們進行了相關的調整。充分利用水生生物學實驗課來重點講解和實踐水生生物形態分類的內容，而在理論課上將部分教學重心放在水生生物的研究意義方面。教學團隊的成員根據各自的科學研究，分別在水域生態修復、有毒有害藻防治、浮游動物、底棲動物、水生維管束植物等相關內容增加自己的最新科研進展，并以專題報告形式從《Nature》、《Science》、《Ecology letters》等國際頂級期刊中挑選部分論文，介紹研究發展趨勢。使學生從科研角度，了解水生生物學的國際研究熱點和前沿問題，進而鼓勵他們走進實驗室，參與科研工作，為明確今后的研究方向做準備。同時通過這個過程也實現了科研和教學的統一，達到教學相長的目的。

三、實驗課增加設計性和創新性實驗，提高學生動手能力

以往水生生物學實驗，均以鑒定生物、認知生物形態為主，實驗材料幾乎十余年不變，內容過于單一。同時固定的標本存在破損、觀察對象密度、形態失真等問題，極易導致學習興趣的降低，繼而影響其他教學環節和教學效果。為此我們在實驗課的最后增加創新實驗環節，分組進行不同的實驗，由學生自己查閱文獻，設計實驗。具體將以校園水系和附近的水域為基地，設立以下實驗：（1）淡水、咸水原生動物的采集、鑒定、培養及對水質的指示。（2）輪蟲和枝角類的培養和捕食。（3）不同水體微型食物網特征。（4）濕地維管束植物多樣性。（5）杭州灣北岸底棲動物同底質的關系等。實驗結束后將組織小組間的匯報交流。

通過這些創新實驗，很好地將前面實驗課的形態鑒定知識得到應用，同時鮮活的樣品也使學生對各種形態特征加深理解。更重要的是，學生通過自行設計實驗和團隊合作實施，學習由被動變主動，并借此對科研工作有更清晰的認識。

四、優化考核方案

以往理論課多以期末考試作為總評的部分，這直接造成學生臨時抱佛腳的心態。結合課堂內容的改革，降低期末考試所占總評比例到50%，同時提高課堂討論及日常作業的達成度所占比例至40%。

實驗課則注重培養學生對水生生物的鑒定能力，重點考核學生的動手能力及創新實驗的設計能力，減少繪圖作業所占總實驗成績的比重。

通過以上四個方面的教學改革，水生生物學課程的學風為之一新，學生出勤率近100%，課堂氣氛活躍，打瞌睡現象極少發生。有意進入實驗室參與相關科研項目或做畢業論文的學生數量也有大幅增加。水生生物學教學改革的初步成功，提升了學生對水產養殖專業的歸屬感，學生研究和解決問題的能力得到了加強，為我校水產創新人才的培養奠定了基礎。

參考文獻：

[1]王嫣，王耀華，王愛民.2011.“水生生物學”課程專業化教學理念與實踐[J].中國農業教育，3：52-54.

[2]柴毅，楊小林，羅靜波.2011.水生生物學實驗教學方法改革初探[J].長江大學學報：自然科學版，8（7）：267-269.

[3]王麗卿.2014.水生生物學實驗指導[M].北京：科學出版社.

[4]江紅霞.2009.農業院校水生生物學教學中學生學習主動性的培養[J].安徽農業科學，37（21）：10310-10311，10313.

篇9

關鍵詞：細胞生物學實驗；網絡視頻示范教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2013）29-0056-03

作者簡介：田男，女，講師，研究方向為細胞分子生物學；范春雷，男，教授；竇曉兵，男，副教授；錢穎，女，講師；胡林峰，男，講師，第二、三、四、五作者的研究方向均為中藥抗動脈粥樣硬化。

伴隨著信息化和新技術革命的發展，生命科學領域的競爭在全世界范圍內不斷開展。生命科學最突出特點就是基礎理論與操作技能相結合，決定了生命科學學院培養人才的競爭力很大程度取決于學生的實驗操作能力。因此，生命科學實驗課程體系的教學宗旨在不斷改善學生專業知識結構的同時，兼顧如何增強學生對實驗的積極性，以及如何引導學生自主學習實驗課程，從而使學生能夠積極地提高自己的實驗操作能力。

細胞生物學與分子生物學，神經生物學和生態學并列為生命科學的四大基礎學科，[1]其對學生的生命科學知識、能力、素質的發展具有直接和長遠的影響。從其研究對象及研究方法上已體現出，這門學科涉及各種顯微鏡的使用、細胞培養、細胞器提取及基因重組等一系列實驗操作。因此，如何不斷提高學生實驗操作技能，成為細胞生物學實驗教學亟待解決的問題。而網絡的興起正改變著傳統的教學方式和教學理念，實驗教學正在醞釀一場新的變革，網絡遠程教學、多媒體課件等將有可能成為實驗教學的嶄新手段。筆者結合多年的教學經驗，對網絡視頻示范教學在細胞生物學實驗課程中的應用進行了初步探討。

一、細胞生物學實驗教學現狀分析

近年來，細胞生物學和遺傳學、分子生物學的聯系日趨密切，新理論、新概念、新技術層出不窮，使得細胞生物學理論發展非常迅速。然而，目前細胞生物學實驗教學普遍滯后于理論課，存在著種種缺陷：

實驗教學模式單調，學生處于被動地位，難以激發其積極性和主動性。[2]目前的實驗教學模式往往強調知識的傳授、實驗的驗證和實驗結果的獲得，而較少重視學生學習積極性、主動性的調動，學生只是被動填鴨式的接受，教學效果不佳。

實驗內容陳舊、單一。實驗內容多是驗證性實驗，難以培養學生的創新能力，不利于學生綜合素質的培養。[3]

實驗教學手段生硬、單一，主要是口授和板書。[4]一方面口授和板書直觀性較差、講課速度慢，課堂信息量有限；另一方面由于口授的差異性與板書的局限性，教師常常難以把實驗內容準確而規范地傳授給學生，并且學生的接受能力不同，對實驗原理、實驗操作的理解也會出現偏差，做實驗時經常出現錯誤。

現在基本所有的細胞生物學實驗是由教師做實驗準備工作，學生對實驗前準備、預實驗認識不夠。實驗前準備包括配制試劑、預定設備、各種實驗耗材的準備、器具的滅菌等等，學生對實驗缺乏整體觀，只是機械地按照實驗流程操作，導致學生動手能力、處理解決問題能力得不到充分的鍛煉，有違教學初衷。

由于實驗課程各章相對獨立、上課時間間隔較長，具體實驗程序復雜，動手操作多，學生多而專職教師少，導致細胞生物學實驗課程教學效果不佳。

所以，想在有限的時間內既完成大量教學任務，又提高學生的實驗技能，引導學生更好地進行自主學習，達到開展實驗課程的目的，就需要利用多媒體計算機通信技術，結合現代化網絡教學平臺，實施實驗操作視頻示范教學與課堂教學相結合，充分利用學生的課余時間，提高教學效能。為培養飛速發展的生命科學所需要的、具有更強競爭能力的高素質創新人才創造條件。

二、細胞生物學實驗教學改革及優勢

1.將傳統單一的實驗教學模式轉變為基于網絡平臺的實驗視頻示范教學模式，與傳統課堂教學相結合

用攝像機拍攝下細胞生物學實驗課程。該課程由專職教師根據自己的專業特長選擇實驗進行操作，在實驗開始前向學生講解實驗原理、對本節實驗所需器材一一介紹，在實驗操作過程中強調操作的重點、難點。實驗視頻拍攝完成后，使用相關軟件對其進行加工處理。實驗課程視頻制作、處理完成后，通過多媒體計算機信息技術將操作視頻放入本院網站中，并同時在頁面中設置實驗原理、實驗目的、器材設備、注意事項及課后作業的選項，方便學生在觀看視頻的同時掌握實驗的原理及目的意義。

提前告知學生在學院網站上預習實驗視頻，鼓勵學生自主學習，帶著問題來上實驗課，而課堂上教師可以參考學生的問題有的放矢，著重強調重點、難點。因為學生已經觀看過視頻對實驗操作有了一定的認識，課堂上教師再次進行示范操作時，學生可以選擇自己不太了解的部分有目的地學習，更有利于增加學生的積極性，提高動手操作能力。這樣網絡視頻示范教學就與課堂教學結合，構筑現代化細胞生物學實驗視頻示范教學模式。從而實現真正意義上的以學生為中心、以教師為主導，強調學習者認知主體作用的模式，同時又不忽略教師的指導作用。基于網絡環境下的視頻教學，能夠使學生充分發揮主觀性和獨立性，有利于教師引導學生自主學習，增強學習實驗課程的積極性，適合學生在課前進行實驗預習，課后鞏固復習，再結合課堂上教師的手把手指導，使學生不斷提高實驗操作技能，進一步理解基礎理論。

2.組織教學學生參與實驗課實驗的準備和管理工作，也鼓勵學生進入學院相關課題組實驗室做實驗

由于傳統細胞生物學實驗是由教師做實驗準備工作，學生對實驗前準備、預實驗認識不夠，學生對實驗缺乏整體觀，學生只是機械地按照實驗流程操作，導致學生動手能力、處理解決問題能力得不到充分的鍛煉。因此，有計劃的組織教學學生參與實驗課實驗的準備和管理工作，也鼓勵學生進入學院相關課題組實驗室做實驗。這樣教學，學生不但熟悉了實驗室規章制度，掌握了一些試劑配置和儀器使用方法，還提高了動手操作能力，特別是在綜合性和設計性實驗中發揮了很好的帶動作用，[5]對學生以后就業、繼續深造都有好處，學生踴躍報名，很積極。

三、網絡視頻示范教學在細胞生物學實驗教學中主要優勢

1.使學生的被動學習轉變為主動學習

在學生實驗前，先觀看實驗操作錄像，例如細胞培養錄像，使學生在操作前對實驗的程序、方法、注意事項有了直觀的了解，然后實驗教師親手示范整個實驗操作步驟，最后再讓學生進行實驗。這樣，一方面大大縮短實驗時間，同時也使學生加深了印象。也可以把觀看視頻等作為實驗教學的平時成績，提高學生學習實驗的積極性。據課后學生反饋，這樣實驗教學效果很好，深受歡迎。

另外，細胞生物學實驗課程中常常有很多的等待時間，如材料固定、離心及染色等，充分利用這一時間，以讓學生觀察相關實驗的裝片或切片，也可以觀察上屆學生制成的永久裝片，這樣可以將實驗結果提前展示給學生，增強學生對實驗結果直觀性的認識；[6]另外，教師也可以結合自己的科研經歷，給學生介紹實驗中技術發現的歷史及其具體應用，或相關的科普小故事，或可以和學生討論本實驗可能出現的結果等，培養他們分析問題和解決問題的能力，同時也極大調動學生上實驗課的積極性和主動學習的熱情。同時緩解學生多教師少的局面，實現高效能教學。

2.教學中的視頻、課件及教師的示范的有機結合，符合學生的認知規律

細胞生物學實驗教學涉及顯微鏡的使用、細胞培養、細胞器提取及基因重組等一系列實驗操作。由于實驗操作中有許多小的細節需要注意，實驗中微小的差異就可能導致實驗結果不同。由于時間、無菌原則的限制，許多內容無法演示，直觀認識的缺乏常常限制了學生的思路。網絡視頻示范教學可再現許多以往的實驗操作錯誤，使學生在短時間內了解到大量直觀信息。同時可以把實驗原理通過動畫、課件展現給學生，加深對實驗原理的認識。

四、總結

網絡視頻示范教學作為一種新興的實驗教學手段，還應有一個不斷改進和完善的過程。例如，由于受硬件條件的限制，部分影像效果不太理想；學生注意力不很集中；教師為了講解多媒體課件與學生間的交流較差；教師、學生對網絡（校園網）的利用率低；如何實現現代化網絡視頻示范教學與傳統課堂教學的有機結合，等等。相信隨著實驗室硬件的改善、視頻和課件制作水平以及網絡與實驗課程教學結合水平的提高，這些問題將逐步得到解決。

在實驗教學過程中，要合理有效地運用網絡視頻示范教學手段，以達到提高教學效果和教學效率的目的。把握好網絡視頻示范教學與傳統教學方法的有機結合，真正發揮網絡視頻示范教學在實驗教學中的作用，使得實驗課程真正向學生開放。一方面使學生共享不同的教學資源，豐富學習內容，另一方面又可以使學生享受圖文并茂、視聽一體的動態課程，改變學生固有的學習模式，使其發揮主觀能動性、提高實驗學習的積極性，從而在實踐操作過程中不僅學到知識，而且體會到動手的樂趣。

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