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教学内容的与时俱进和不断更新是“概论”课程生命力的体现。每学期都要开设的“概论”课,一方面建立起相对稳定的教学大纲,是保证稳定教学质量的要求;另一方面,课程的教学内容却是需要“流动”的,不断有所增减。这是因为无论从学科的发展还是从课程的属性来看,都要求课程在教学过程中与时俱进地更新教学内容。(一)生命科学与生物技术飞速发展日新月异的必然要求日本学者伊东光在20世纪曾经预言:生命科学在20世纪90年代会取得创造性的突破,21世纪将是生命科学的世纪。如今这个预言应验了。从20世纪50年代到最近的诺贝尔奖获得者中可以看出,这个公认的最高科学奖项越来越青睐于生命科学领域。即便是化学奖的获得者,许多也是因为选择了与生命活动相关的研究对象或研究领域,才取得了突破性的成就。[4]进入21世纪以来,生命科学和生物技术的发展进入了黄金时代,给人类的生活和生产带来了天翻地覆的变化,依靠生命科学的新兴研究领域特别是分子生物学、系统生物学,以及合成生物学而发展起来的认识生命、改变自然生物为人工生物的高技术方法,正越来越显著地提高着人们的生活质量和工作效率。随着生命科学与生物技术的飞速发展,现有的教材及教学大纲的知识点已难以跟上科技发展的脚步,这也对该课程的教学方式提出了新的要求。[5,6](二)体现选修课传播先进科学技术和最新科学成果的必然要求高校开设选修课的目的之一,是介绍先进科学技术和最新科学成果,以培养大学生的综合素质,并提高他们的创新能力。这就要求“概论”在教学中必须紧跟学科发展前沿,密切关注学科领域发展的前沿技术和研究成果,及时地将其更新到教学内容中,这样才能体现选修课的课程属性,有助于拓宽学生的知识面,优化其知识结构,培养复合型的人才。
二、“概论”课程教学内容与时俱进的探索与实践
(一)密切关注学科发展前沿目前,生命科学已经成为世界科学前沿最活跃的学科,也是代表科学发展方向的学科之一。随着新理论、新技术和新方法不断涌现,“概论”课程的设置及内容显著落后于科学发展的速度,许多前沿知识难以及时走进课堂,学生缺乏对“高、新、尖”科技知识及发展历程的基本了解,缺乏对该领域发展对社会进步影响的认识,从而影响了他们的科学素养和科学价值观的形成。这种局面对“概论”课程的讲授内容和方式提出了新的要求。基于此,在遵循教学大纲的基础上,有选择性地穿插讲授部分与大纲内容相关的前沿技术,一方面能够加深学生对讲授知识点的理解,同时也使最新的科技进展进入课堂,激发学生的学习兴趣并促进他们修读该课程的学习热情。例如,在讲授“克隆技术”这一知识点时,我们一方面按照教学大纲内容,讲授“多利羊”的克隆过程及其中涉及的相关生物学原理;与此同时,结合最近刚刚兴起的合成生物学技术,选择其标志性事件作为讲授素材:即2010年,美国科学家克雷格·文特尔(Craig Venter)在其实验室用化学合成的基因组成功构建了一个细菌细胞,命名为“辛西娅”,从此宣告“人造生命”成为可能。[7]针对这一最新的生命科学前沿事件,讲授其诞生背景,相关技术水平,应用前景及舆论评价等方面的最新进展。在此基础上,采用启发式的教学方法,提出疑问。即:以“多利羊”诞生为代表的克隆技术和以“辛西娅”诞生为代表的合成生物技术有何区别与联系?通过让学生课后查阅资料及后续课程的及时跟进,我们将这一问题的答案贯穿在整个课程涉及克隆技术的内容中,使学生们深刻体会这二者之间的区别和联系。这二者的效果是类似的,均是通过无性繁殖的手段获得目标性状的生物个体;但克隆技术获得的“多利羊”只是一个母体的复制,也就是说它的遗传物质是来至于自然复制,而采用合成生物学人工合成的生命“辛西娅”的遗传物质来源于人工化学合成,这是二者的不同之处。(二)积极反映科技最新动态及时展示相关领域的最新科研成果是选修课程的基本属性之一,这就要求“概论”在讲授过程中,要突破传统按照教学大纲的思路,及时地补充生命科学和生物技术领域的科技最新动态,全面提高学生修读该课程的学习兴趣并拓宽其知识面。如每年10月份诺贝尔奖评选结果公布,每年年底世界主流媒体评出当年科技十大进展之际,我们通常会把其中反映生命科学和生物技术最新进展的内容及时移植到教学中去。非典和禽流感的到来,威胁人们健康,引起了全社会关注。于是,有关病毒、细菌等病原物及流行疾病的新内容被拿到“概论”课堂上来了,这些“时尚”的新内容很受学生欢迎。学生从中感受到热点前沿贴近自己,学习到对科研成果的评价,也更理解科技进展的人文涵义。例如,在讲授生命起源这一知识点时,针对“生命起源于地球之外的宇宙”这一假设,课堂内容中引入了最新的科技报道:火星上曾有生命?“蓝莓”状物质成为有力证据(2012年9月17日中国日报网)!学生在感受有关生命起源探索是在不断进行的同时,获悉了最新的科技进展。再比如,讲授“微生物基础”章节中关于“病毒”的知识点时,我们结合当时在我国长三角地区爆发的H7N9禽流感疫情,详细讲解禽流感病毒的不同亚型,以及H7N9亚型病毒的演变历程与其生物学特点、致病力、传播力;据此,再进一步详细介绍禽流感流感病毒的表面结构特征,以及其不同亚型的分类依据;并结合其不耐高温的属性,介绍在平时日常生活中应该如何防治,以及我国科学家如何及时进行针对性的研究,加快防治该病毒的疫苗研制的进展。(三)聚焦产业最新研究进展随着生命科学逐渐成为世界科学前沿最活跃的部分,作为与人类健康和自身发展密切相关的领域,在世界范围内,人们逐渐形成了这样一个认识:生物技术所主导的BT产业,与计算机技术所主导的IT产业一起,将成为21世纪主导社会发展的支柱产业。这意味着生物产业已成为全球各国关注的焦点。讲授“生物技术实践”这一章节时,我们向学生们解读我国基于对生物产业研发重视而颁布的《促进生物产业加快发展的若干政策》和《“十二五”生物技术发展专项规划》等最新规划文件,使学生们及时地了解到我国在该领域的战略部署。及时地跟进产业的最新研究进展,有望使学生们在领悟中学习,在实践中求知。每年6月份公布的美国总统绿色化学挑战奖中都会有涉及生物技术应用于绿色化学过程的实例。这些应用实例的穿插讲授,不仅可以使学生们领悟到生物技术的强大功能,而且可以使他们切身感受到生命科学和生物技术其实就在我们的日常生活中。再比如,讲授“生物能源”这一知识点时,在介绍最新的第二代燃料乙醇研发进展和产业化动态的同时,我们结合南京工业大学在另一种重要的生物能源———生物甲烷方面形成的研究方向和标志性成果进行讲解,包括主持的两项与生物甲烷相关的国家973项目“新一代生物催化与生物转化的科学基础”和“生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究”,以及面向电动汽车的甲烷燃料电池的研发新进展。[8]通过这些内容的介绍,学生们在领悟到生物甲烷的优越性及其生产流程,以及其中亟须解决的关键科学问题的同时,可以获得这样一种体验:其实生物能源研究就在我们周围。在此基础上,我们进一步以南京工业大学的生物甲烷示范工程项目作为讲授素材,详细讲解生物甲烷的生产流程及其广泛应用和对节能减排的贡献。
三、教学改革的效果
据统计,2006年第三季度,美国生命科学类风险投资总额首次超过了IT行业,成为第一大投资行业。而普华永道的分析则显示,2007年第一季度,美国生物科技行业的投资在各行业中名列第一,在医疗设备行业的投资则达到有史以来的新高。
相比之下,中国市场才刚刚起步。比起互联网行业,生物技术和新药研发仍然是目前一个很少资金涉入的领域。
今年1月,国家发改委高技术产业司联合中国生物工程学会《中国生物产业发展报告2006》。该报告表明,自2002年以来,生物技术产业吸引创业投资的能力急剧下降。近5年我国共有1080家企业吸引创业投资50亿美元,但生物医药产业只占融资总额的5.2%。
在我国,生物产业犹如一座待掘的金矿,等待寻宝人的到来。
生物经济将10倍于信息经济
美国《时代》周刊预言:2020年世界将进入生物经济时代,革命性的市场投放阶段预计将在2025年后到来,到21世纪中叶,当生物经济进入成熟阶段时,生物应用技术将渗透到我们生活中许多与生物无关的角落。不久的将来,生物经济将10倍于信息经济。
由于各国政府的高度重视和生物技术的飞速发展,生物产业正在全世界范围内迅速成长。
据统计,2003年世界生物产业市场约894亿美元,预计到2007年,其市场将达1296.5亿美元。全球生物技术药品市场销售额保持12%的年均增长速度。全球生物药品市场规模1997年为150亿美元,2000年为300亿美元,2003年达到600亿美元,占同期世界药品市场的10%以上。
生物技术制药产业已经成为当前世界医药市场上新的增长点。随着人类基因组图谱的破译,将有力地促进生物药物的研发。到2020年,利用生物技术研制的新药可能达到3000种左右。到2010年全球仅生物芯片的市场就将达到600亿美元。有关统计表明,全球生物技术产业的销售额约每5年翻一番,增长率高达25%-30%,是世界经济增长率的10倍左右。
北京聚焦高端生物产业
2007年4月,我国《生物产业发展“十一五”规划》出台,并把发展生物医药作为重头戏,力争在重大疾病(如恶性肿瘤、心脑血管疾病和艾滋病等)的治疗和预防用药方面取得突破,争取有5到10个自主创新的重要新药品进入产业化生产,培育5家左右年销售收入超过百亿元的生物医药大企业,并在税收政策、投融资等方面加大扶持力度,加快做大做强一批优势品牌、品种和企业。
我国生物产业将因此迎来快速发展的全新时代。
2007年6月16日,首届全国生物产业大会在石家庄召开。国家发展改革委在这次大会上向北京等9省市新认定的国家级生物产业基地授牌。
北京、上海、天津、广州……目前全国得到生物产业基地授牌的城市已经增加到12个。
生物产业作为高新技术产业中发展最活跃的部分,将带动区域经济飞速发展。
在这次大会上,北京市发展改革委张燕友委员率由中关村生命园、北京经济技术开发区医药园、大兴生物医药产业基地三个生物产业基地核心区及部分骨干企业参加了大会,并在会上集中展示了北京国家生物产业基地的发展和具有国际一流水平的创新成果。
张燕友委员指出:近年来北京市紧抓机遇,加快规划并建设国家生物产业基地,立足自主创新,聚焦高端产业,促进了生物工程和医药产业健康、快速发展。2006年北京生物医药产业实现销售收入200亿元,利润22.6亿元,产业盈利能力连续四年国内领先。北京发展生物产业具有创新能力全国领先、产业高端优势凸显和发展环境完善的三大比较优势。
今年4月,北京市发改委披露了2008年之前北京市重点扶持的六大产业,生物工程和新医药产业作为六大产业之一,将成为未来5年内北京市重点扶持的目标。今后,北京市将通过部分政策的调整,吸引社会资金向目前产业结构相对薄弱的生物制药等领域投资,以构筑均衡稳固的投资体系。
基地核心区三足鼎立
北京国家生物产业基地由中关村生命科学园、大兴北京生物工程和新医药产业基地、北京经济技术开发区(亦庄)医药园三个核心区组成。三个核心区所处的发展阶段不同,所具备的资源禀赋不同,将充分发挥各自优势,共同加快北京生物产业发展。
中关村生命科学园是中关村科技园区的重要组成部分,北京市政府于2000年6月批准建设中关村生命科学园。在2000年,国内当时还少有生物产业的概念,更谈不上生物产业专业园区。作为全国领先的科技园区,中关村科技园区能够预见生物产业的发展趋势,及时组织启动建设中关村生命科学园,为国家在京大型生物技术项目和各类生物技术企业提供了发展的新空间。
到2007年7月,入驻生命园的各类企业已达60家,其中独立自建研发生产中心的企业17家,入驻创新大厦的科技创新型企业43家。生命园已初步构建起较完整的生物产业链条,并在源头创新、技术支撑、产业资源、临床资源上形成了独特优势。
大兴北京生物工程和新医药产业基地规划面积9.63平方公里,一期3.55平方公里的土地开发工作和基础设施建设基本完成,目前二期、三期及配套区的道路、管网正在建设中。产业基地已引进项目共计50家,投资总额约100亿元,其中投资8000万以上的项目37个,占77.1%。
大兴基地以中国药品生物制品检定所为核心建设国家级生物医药技术检测、药品审评中心;依托国家新型疫苗工程中心以及北京天坛生物制品股份有限公司、民海生物科技有限公司等大型疫苗研发、生产企业,建立国家级疫苗研发生产基地;依托同仁堂、以岭集团、德国贝朗、九州通等入区的医药主导企业,构建现代中药及天然药物、现代医疗器械及新型制剂等多元化的产业格局。
关键词:生命科技产业;国际发展分析;政策建议
一、 引言
21世纪是生命科学的时代,生命科技产业得到了迅猛的发展,目前已发展成为全球四大高新技术产业之一。生物技术在医疗保健、环保、农业、轻化工、食品等方面发挥着相当重要的作用,成为现代科技研究和开发的重点。生命科技产业正在全世界范围内迅速成长,成为许多主要国家新的经济增长点。
近年来我国政府也开始积极部署,推动生命科技产业快速发展。2010年,国务院的《关于加快培育及发展战略性新兴产业的决定》中从战略高度上强化了发展新兴产业的重要性,并将生命科技产业列为一项重点发展产业。此外,国务院于2012年的《医药工业“十二五”发展规划》,提出了生命科技产业至2015年的相关重大工程与配套政策,并明确了生命科技产业的发展规划和目标。当前我国生命科技产业在空间上已广泛分布于全国各大区域,主要集聚于珠三角、长江三角和环渤海3个生命科技产业带内。在这一历史时期,如何抓住技术和产业革命的契机,推动生命科技产业快速发展,成为各国关注的焦点。本文旨在考察近年来全球生命科技产业的发展状况,从而为决策提供参考。本文首先分析国际生命科技产业的发展历程和特征并归纳美国、欧洲、日本、印度、以色列等主要国家生命科技产业的发展情况,然后在国外推动该产业发展的战略举措的基础上,提出了对我国发展生命科技产业的建议。
二、 国际生命科技产业的发展状况
1. 发展历程。根据生物技术在生命科学产业领域的应用情况,国际生命科技产业的发展可以划分为四个阶段:
1917年,匈牙利工程师卡尔·弗雷克第一次提出了“生物技术”,然而当时的生物技术与现代意义上的生物技术不尽相同。直至1953年,DNA双螺旋结构的发现,才奠定了现代分子生物学的基础,并重新定义了生物技术,由此生物技术步入稳步发展阶段。1978年,人类胰岛素的合成,标志着生物技术进入快速发展阶段。据预测,世界将于2020年全面跨入生命科技时代,此时生命科技产业的发展速度将达到信息技术产业的十倍,成为全球经济发展的主导力量。
近年来生命科技产业发展迅速,年均增长速度达到20%~30%,在过去的二十几年里,生命科技产业的市值增长了五十多倍。2006年~2010年间,世界范围内生命科技产业呈现出较快发展态势,但同样出现了较大波动:2006年~2007年间,全球生物医药投入与需求增加,以及油价上涨所引发的生命科技产业领域的投资狂热,推动生命科技产业快速成长;2008年~2009年,全球金融危机对生命科技产业形成了巨大的冲击,与此同时生物医药的市场需求也因油价的降低而有所下降;2009年~2010年,生命科技产业的快速发展,一方面要归功于全球经济复苏、生命科技产品市场需求增长强劲,另一方面是由生物环保、生物制造等产业与技术不断融合推动形成的。
2. 发展特征。
(1)发展动力:知识密集,创新驱动。近年来,生命科技产业的发展显示出更加旺盛的生命力和活力。随着人类基因组测序工作的完成,生命科技领域研究再次获得重大突破,基因治疗、干细胞及体细胞克隆等新技术及产品不断涌现,新兴生命科技产业群迅猛发展。国内外每年评选出的十大科技成果中,生命科学领域占到40%~50%左右。生命科技产业正在以以前所未有的速度迅速发展,新产品不断推出,新专利也不断涌现。生命科技产业正以其无可限量的发展前景,日益吸引着众多高级人才加入生命科技领域的研发及创新队伍中来,不断推动生命科技产业迅猛发展。
(2)发展模式:集群化趋势明显。近年来,生命科技产业呈现出明显的集群化趋势。如在美国51个大都市圈中,旧金山、波士顿、洛杉机、纽约、圣地亚哥、费城、西雅图、罗利·达拉姆地区、华盛顿-巴尔的摩地区9个都市圈,集中了3/4以上的现代生物产业资源,其中旧金山、洛杉矶、圣地亚哥三个城市位于加州境内。欧洲也涌现出了许多典型的生命科技产业集群,如专注于研发的伦敦生命科学产业集群以及研发创新能力、产业化和服务水平都十分卓越的丹麦、瑞典的药谷。产业集群内活跃的并购与创业活动,广泛的人员流动以及优秀的产业生态环境,不断改变着生命科技产业的竞争及合作形式。
(3)发展格局:发达国家主导,新兴国家快速崛起。当前,世界生命科技产业呈现出集聚化发展态势,主要分布在美、欧、日、印度、中国等国家,而发达国家占据主导地位。近年来,全球研发及创新资源不断向新兴国家流动,新兴经济体不断加大对生命科技产业的投入。尽管目前生物医药市场仍然由发达国家主导,但未来几年内亚洲、澳大利亚以及拉美地区的生物医药市场增速将会迅速赶超欧美等发达国家。从2010年全球主要生物医药市场的发展情况来看,北美增长1.9%,欧洲增长1.4%,日本增长0.1%,而亚洲国家和澳大利亚的增长已经达到14%。预计到2015年,美国和欧盟五国(英、德、法、意大利和西班牙)生物医药市场销售额占全球的比例将下降到44%,而以中国、巴西和印度为代表的新兴经济体市场份额占全球的重将上升到28%。新兴国家生命科技产业的快速发展正在深刻变革全球生命科技产业的竞争格局。
3. 世界主要国家生命科技产业发展状况。目前,世界生命科技产业呈现出集聚化发展态势,主要分布在美国、欧洲、日本、中国、印度等地区,其中美国、欧洲、日本、以色列等发达国家占据着主导地位,美国和欧洲一直处于世界领先地位。作为现代生命科技产业的发源地,美国一直主导着生命科技产业的发展,目前美国在转基因作物、生物能源、生物医药等相关领域均处于世界领先地位。作为仅次于美国的生命科技研发强国,英国在该研究领域已经获得了30余项诺贝尔奖。近年来,英国在人类基因测序、克隆技术以及基因治疗等方面都有突出表现。德国专注于研发,发展势头强劲,但与美、英相比还有不小的差距。日本生命科技产业的发展起步晚于欧美国家,但由于国内政策的大力推动,其生命科技产业后发优势明显,发展迅猛。以色列非常重视生命科技产业,目前产业综合实力全球领先。
目前,新兴国家由于缺乏资金,且技术水平相对薄弱,则重点专注少数关键产业领域,并有所突破。例如印度凭借其丰富的生物多样性资源,从20世纪80年代开始注重生命科技研发,并出台了多种相关优惠政策,吸引国内外的投资。目前,印度生物信息学世界领先,正逐步成为全球新药临床试验外包中心。
三、 发达国家发展生命科技产业的战略举措
基于提升国家整体竞争力以及引领未来全球经济发展的重大战略意义,各主要国家都从战略高度上对生命科技产业进行积极部署,制定发展规划、出台相关政策措施,以推动生命科技产业发展。
1. 政府积极引导。综观全球,各主要国家都从战略高度上强化了生命科技产业发展对经济增长的重要性,并积极出台相关政策引导、推动产业发展。
为了实现经济复苏,提高就业水平及推动经济可持续发展,美国于2009年和2011年两度推出《国家创新战略》,其主要目的是构建研发及创新平台,即以健康医疗、生命科技等为重点,催化国家生命科技领域的突破。此外,为了推动生命科技产业的发展,美国还出台了优化融资渠道、完善产业立法、加强组织领导等多项政策和措施。为了走出经济衰退及增强国际竞争力,2010年3月欧盟出台的《欧洲2020战略》中确定了以消除贫困、提高就业水平为目标的包容性发展,基于知识和研发创新的智慧型发展,以发展绿色经济、提升竞争力、提高资源利用率为内容的可持续发展三大战略重点,并确立了新能源、信息技术、生命科技等优先发展领域。
日本提出了“生物技术立国”的战略思想,强调把“科研重点转向生命科学和生物技术”,并通过提高生命科技产业的研发创新水平、构建促进生命科技产业发展的机制、优化生命科技产业的发展环境等一系列政策措施,来推动生命科技产业发展。以色列于1984年制定了《鼓励工业研究和发展法》,鼓励公司投资研发项目,政府同时分担部分风险。2001年又对该项法律进行了修订,增加了鼓励外国投资部分。同时以色列工贸部、科技部、农业部和财政部均设有负责技术研发的专门机构。以色列政府还对部分生物技术项目采取减免税收的优惠政策,并坚持推动政府职能调整,不断消除制约生命科技产业发展的管理体制问题。
印度等新兴国家基于本国优势和特殊资源禀赋,采取重点赶超战略,加强政府引导,力争在世界新兴产业竞争中抢占一席之地。印度很早就认识到生命科技产业对经济发展的重要意义,从20世纪80年代中期开始十分重视生命科技领域的研发创新;1993年,印度科技部了《新技术政策》,其中将生物技术列为一项关键性突破技术,并积极采取相关政策措施推动其发展。近年来,印度进一步确立了“生命科技产业大国”的发展目标,力争通过加速生命科技产业发展提升综合国力,于2020年成为第四经济大国。
2. 提升研发与创新能力。提升研发与创新能力的政策措施,主要包括加强人才培养及政府资助研发创新等。美国一直重视培育与发展研发创新能力,在新推出的《国家创新战略》中提出将GDP的3%以上用于支持国内的研发创新活动,并对研发创新活动推行永久化税收减免政策,同时进一步提高能源部科学办公室、国家科学基金会、国家标准与技术研究所3家研发资助机构的预算水平。欧盟在出台的《欧洲2020战略》中提出将GDP的3%用于研发创新支出,以降低与美、日在研发投资上的明显差距。
3. 扩大市场需求。扩大市场需求的政策措施,主要有加大立法支持、税收减免、财政补贴等。为了扩大生物医药产品及服务的市场需求,美国政府积极改革医疗卫生制度,以推动生命科技产业的发展;美国政府的医疗卫生制度为生物医药产品价格居高不下情况下,生物医药产业的发展提供了强劲的市场需求。英国政府对中小型高新技术企业投资减免20%的公司税,以鼓励风险投资。印度为了拓展国际市场,为国内外向型生命科技企业提供了允许企业向国外借款、允许外资企业全资控股、提供低息出口贷款、免除出口收入全部所得税等一系列相关优惠政策。
4. 营造良好的市场环境。营造良好的市场环境政策,主要有改革监管制度、拓宽融资渠道、完善知识产权制度等等。美国通过拜杜法案为生物医药研发的成果转化提供了产权激励,并提出将专利平均审批周期从35个月缩短至20个月。英国为了支持英国生物技术等高技术中小企业发展,组建了多个支持中小型高科技企业发展的风险资金。在德国,专利法为科技成果产业化提供法律保护的时间长达20年;同时在专利的有效期内,第三方可以与专利的所有权人商议以许可证的形式使用其专利。为了加快生物药审批,日本修订了《药品事务法》,允许制药公司将制造外包给符合条件的制造商;此外,日本还修订《日本商业法》以促进企业的并购活动。
四、 对我国的启示与政策建议
作为提升国家整体竞争力和引领未来发展的战略性新兴产业,生命科技产业在我国新一轮产业转型中将起到至关重要的作用。全球生命科技产业的蓬勃发展及一些主要国家采取的相关政策措施,对我国发展生命科技产业具有重要的借鉴意义。
1. 准确定位,加大政府投入。生命科技产业对于带动经济社会发展,提升国家竞争实力具有重大意义,并且已成为影响中国乃至全球发展的重大战略技术和科技前沿问题,生命科技产业的发展将极大地促进社会进步及经济增长,只有对生命科技产业进行准确定位,才能确定政府投入和支持力度,并指导及推动相关工作全面展开。我国要对生命科技产业进行准确定位,并树立把握重大发展机遇的战略意识,把发展生命科技产业作为引领未来经济增长及提升国家整体竞争力的战略选择,加大政府投入力度,明确长期的发展目标和战略规划,推动生命科技产业快速发展。
2. 注重人才培养,提高创新能力。生命科技产业具有技术快速演进、知识高度密集的特征。积极提高创新能力、培养优秀人才是推动生命科技产业发展快速发展的关键,且目前已经成为一项重要而紧迫的战略任务。为此,一方面由于生命科技产业具有多学科交叉的特点,因此要积极培养多学科基础研发创新团队、不断完善人才培养机制,把普通教育、继续教育和其他相关教育结合起来;另一方面,积极鼓励海外留学人员回国发展及创业,进一步完善收入分配激励机制和人才评价标准,从而营造有利于生命科技产业人才不断涌现的有利环境。
3. 营造良好的市场环境。生命科技产业的发展,首先在研发创新阶段需要充分的资金支持,更需要良好的产业化发展环境。为此,政府部门应积极做好三方面的工作。首先,要积极消除垄断及不正当竞争行为,为各市场参与主体提供公平竞争的市场环境。其次,逐步加强制度创新,并积极放松相关方面的管制,以优化生命科技产业的发展空间,营造有利的产业发展环境。第三,要积极扩大生命科技产品的市场需求。基于国家重大创新药物专项,促进自主创新药物市场优先准入机制的形成;进一步扩大计划免疫、医疗保险等覆盖范围,从而扩大生物医药产品需求。
4. 加深国际交流,取长补短。目前,经济全球化日益加深,资源跨国流动加快且成本不断下降,积极整合全球资源进行发展、创造,已经成为众多国家发展生命科技产业的主要模式。我国要发展生命科技产业,应该积极整合全球要素资源,拓展国际合作渠道,走开放式发展道路。为此,可以鼓励大型跨国公司、知名科研机构在国内设立研发机构,积极引进国外生命科技产业的相关重大产业项目,并支持有条件的生命科技企业通过国际合作、兼并、收购等形式,在海外设立研发机构、生产基地等,提高国际竞争力。
五、 结语
生命科技产业正在世界范围内迅速发展,且已成为许多主要国家新的经济增长点,据预测,2020年世界将进入生物经济时代,成为全球经济发展的主导产业。本文首先回顾了国际生命科技产业的发展历程,在此基础上对各国主要国家生命科技产业的发展情况进行总结。在借鉴国外推动该产业发展的战略举措的基础上,提出了我国发展生命科技产业的政策建议。作为提升国家整体竞争力和引领未来世界经济发展的战略性新兴产业,生命科技产业在我国新一轮产业转型中将起到至关重要的作用。此外,大力发展生命科技产业,有助于提升我国的综合实力,占领国际制高点。因此,我国需要采取积极有效的政策促进生命科技产业的发展。
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基金项目:江苏省科技基础设施建设项目(项目号:BM2009855)。
如何推动实践教学
以北方民族大学为例,该校设置的7个实验板块中,设计性和综合性本科实验项目的来源,均围绕教师的科研项目或科研成果而设置。例如:在微生物学板块中,部分实验教学项目是根据基金项目“虾青素高产酵母菌的选育及其产物功能研究”等课题而设置。再以福建师范大学为例,生命科学学院工业微生物教育部工程研究中心,投入建设经费2000余万元,建成省属高校领先水平的发酵工程中试车间[2]。目前该车间配备有多台10~1000L全自动发酵罐及其配套的辅助设备和下游工程设备,如空压机、空气净化系统、电锅炉、制冷装置、管式离心机、三足离心机、微滤系统、超滤系统、纳滤系统、喷雾干燥器等先进的仪器分析系统,完全可以满足该院师生进行相关实践性教学的需要。江南大学生物工程学院,在学生毕业实习之前,由学院下属的5个研究中心根据自身特色,各负责1个本中心课题组特色教学训练项目。将学生分为5个大组,轮流进行互动实验,每个项目安排4~5天,整个教学训练项目在短期内完成[3]。天津科技大学认为上述做法实质上相当于工业产品开发中的中试环节,具有连续或半连续的生产方式,并可以全面监测产品过程,从中发现问题和解决问题。因此,它是学生将知识从理论上升到实践的一个重要环节。例如湖南人文科技学院,与娄底百雄堂高科技农业有限责任公司建立校企产学研合作关系,合作内容是:(1)开展科研合作。(2)每年接收生命科学系学生实习。(3)共享资源。例如公司提供腊八豆菌种和腐乳菌种等现有产品和技术,作为科研合作的起点和生命科学系实验课的内容;生命科学系提供气相色谱仪、液相色谱仪、原子吸收光谱仪等设备供公司产品质量分析使用。此举可供其他高校借鉴。2009年以前,生物工程与生物技术实验装备中多数涉及上游技术的设备已经基本配置到位(如基因工程操作设备,萃取、离子交换、吸附、层析、蒸馏、结晶干燥等实验室级别的代谢产物分离设备),缺乏的是下游生产级别的设备,所以要重点考虑配置实训车间设备。在高等教育装备博览会上,同样可以看到国家对高等教育实验室装备的一些新理念,以及设备制造业满足市场新需求的动向。浙江天煌公司的实验室设备,以典型工业产品范例和个案研究开发,作为高校实验实训的装备依据。涉及生物技术的实训系统,就有啤酒自动化生产线过程控制(工程型)系统(含5器和4发酵罐)等。高校还需建设固体制剂生产线实训车间(含30万级洁净水平操作间)和分离制备生产线(包括发酵罐、多功能动态提取罐、旋转薄膜蒸发器、结晶罐、迭片式离心机、板框压滤机等),适合各类食品或药品的生产操作训练。校内小型实训车间,其生产过程完全与工业化生产过程相同,使学生能够从生产原料预处理、培养基制备、菌种扩培、发酵罐灭菌、接种及发酵过程中工艺参数的控制、产品分离提取等各个环节进行实际操作和系统分析。不过,各校对实训车间的投入还是普遍偏少。天津科技大学生物工程校内实践基地,设备总价值近500万元,包括好氧发酵、果酒酿造、啤酒生产、分离提取、精制纯化等中试系统,涵盖了生物工程产业上中下游生产环节[4]。华中农业大学从2000年起分3期,建成生物工程专业教学实验室1000m2,包括有通风发酵、固态发酵、生物工程下游技术、啤酒加工等实验室及仪器分析室和准备室等。在引进现酵控制系统、发酵后处理设备的同时,成立了生物工程设计室,通过工程软件AutoCAD电脑绘制,进行发酵工艺和设备流程设计等操作。
实践教学中新手段、新体系的运用与推广
对于和实际生产联系最紧密的课程,如化工原理、发酵工程、生物工程设备、生物发酵工艺等,吉林农业科技学院考虑到设备的限制问题,增加了模拟教学,从专业教学仿真软件开发公司购置了仿真教学模拟软件,保证一人一机的实践演习。这些软件的仿真性强,尤其是配备的实践操作演练,能让学生真正达到工厂模拟化的操作练习。烟台大学生物工程系将计算机模拟仿真引入实践教学[6]。这种仿真系统能逼真地模拟工厂运行和各种事故状态的现象,大大缩短培训时间。在计算机仿真环节,该校选用了北京东方仿真公司开发的青霉素发酵工艺仿真软件,以单元操作的形式进行仿真模拟。青霉素发酵工艺仿真包括青霉素发酵生产、青霉素的精制和提纯等内容。同时,教师可以通过计算机监测系统,全程跟踪每组学生的操作,真正达到实践训练教学的目的。传统实验项目普遍存在反应体系大、样品处理量多和处理时间长等特点,也使微量移液器、微量与狭缝分光光度计等现代科教仪器不能充分发挥其先进性。微型化实验于1988年末开始引入我国,关于微型实验已有文献报道[7]。微型化实验的研究,是着眼于环境保护和实验安全的需要,体现了现代科学技术发展水平的要求。微型化实验具有现象明显、操作简便快速、节省经费、减少污染、安全和便于携带等优点。
本文作者:余多慰工作单位:南京师范大学生命科学学院
我国生物大数据还处于发展的初期阶段,发达国家在生物大数据领域的技术和应用远远领先于我国。美国政府在2014财年已就充分利用生物医学大数据,启动了Big Data to Knowledge计划,这是继2012年美国国家大数据计划实施后新一轮面向生物大数据的基础研究计划。如何以最快的速度赶上先进国家生物大数据技术的发展,如何从国家层面对生物大数据进行有效的保护和管理,如何在基础研究和技术市场应用上与世界同步,已成为不可回避且应当深入思考的问题。
我国生物大数据技术与发达国家差距较大
高通量测序技术的快速发展,使生命科学研究获得了强大的数据产生能力。
20世纪90年代,科学家花费10年时间、近30亿美元才获得第一个人类基因组图谱;而今天,完成一个个人基因组测序不到一天时间,费用低于1000美元。
自人类基因组计划完成以来,以美国为代表的世界主要发达国家纷纷启动了生命科学基础研究计划,如国际千人基因组计划、DNA百科全书计划、英国10万人基因组计划等。这些计划使得生物数据呈现爆炸式增长趋势。随着测序技术在医疗、健康、医药、环境、能源等相关领域的广泛应用,人类将面临生物数据的大海,而这些将成为相关领域创新的源泉。目前,全球每年产生的生物数据总量已达EB级,生命科学在某种程度上已经成为大数据科学。对这些数据创新性的管理和应用,将为生命科学及相关产业领域带来一次新的革命。
与全球来势汹涌的生物大数据创新发展热潮相比,我国的研发及应用才刚刚开始,与国际前沿技术水平至少相差30年,差距主要表现在数据分析、数据管理和与临床的应用对接上。有关人士认为,我国在四大方面非常欠缺:其一,国内现有的生物大数据分析能力虽然与欧美相差不大,但是在数据分析构架、软件系统与先进的IT技术接轨上有待提升。其二,国外在生物大数据领域的领先人才多,尽管我国也有国际顶级刊物上发表的论文和成果,但总体而言,国内高水准团队还比较少。其三,欧美讲求成果应用,层出不穷的分析软件可被实验室、临床、产业多方应用。其四,在生物大数据理论研究、标准制定和广泛应用上,中国都亟待全面跟进。
对生物大数据应用的市场和资源的激烈争夺
为了对生物大数据进行有效管理和利用,发达国家很早就开始了竞争。早在20世纪80―90年代,美国、欧洲和日本即已分别建立起世界三大生物数据中心:美国国家生物技术信息中心(NCBI)、欧洲生物信息研究所(EBI)和日本DNA数据库(DDBJ)。这三大生物数据中心掌握和管理着全世界的生物数据和知识资源,并处于垄断地位。
美国国立卫生研究院(NIH)建立了八个国家级生物数据技术研究中心,旨在长期发展生物大数据分析技术,提高生物大数据利用和转化能力,并保持其领先地位。美国政府于近两年两次启动生物大数据研究计划,目的是有针对性地研究生物大数据管理、分析、共享等生物领域迫切需要的核心技术,从根本上提升美国利用生物大数据的水平,并以此带动生物领域研究与产业 发展。
在商业领域,生物大数据的应用市场也纷纷涌现。目前,一些公司已开始提供生物大数据服务。例如,谷歌投资DNANexus公司,提供生物大数据管理和分析服务,并于2011年接管NCBI数据;早在2006年,23AndMe公司就开始提供个人基因组数据分析服务,目前受益者总数已超过50万人;英国卫生部于2013年专门建立了Gel公司,管理和分析英国10万人基因组计划产生的基因组数据。
BCC报告指出:“至2018年,生物大数据的市场总额将增长至76亿美元,年复合增长率达到71.6%。”麦肯锡公司报告指出:“如果美国医疗保健行业有效利用大数据,就能把成本降低8%左右,从而每年创造出超过3000亿美元的产值。”
必须掌控我国生物大数据
对于国家而言,重要领域的大数据已成为战略资源,拥有数据的规模和运用数据的能力将成为一个国家综合国力的重要标志。
我国人口为世界第一,生物样本资源丰富,这将使我国很快成为生物数据产出大国,但重要的是,我们应当成为利用生物大数据的强国。国际上生物数据资源一直由欧美的几大数据中心掌握,我国产生的许多生物数据资源不得不提交给这些数据中心,导致我国投入大量资金与人力产生的生物数据严重流失。
在生物大数据领域,我国缺乏国家层面的对生物大数据进行有效管理与利用的体制、机制和环境,这已经使中国的生物数据受到严重威胁。现在国际上的三大生物数据中心都是欧美从国家层面建立的,并免费向国际开放。我国的相关科学研究和市场应用发展受益于这些数据中心,同时也严重依赖和受制于此。
我国尚未建立面向生物大数据技术发展的国家级技术研究中心,技术研发缺乏宏观规划和引导,技术产出较少,难以建立完善的生物大数据技术体系,不能满足生物大数据发展面临的数据管理和服务需求。同时,人才缺口较大。
大数据的使用已经成为一个国家各领域提高生产力、创新能力以及竞争力的关键要素。
企业只有寻求到一种不受固有产业链变化影响的商业模式才能够立于不败之地,吉列靠卖刀片而不是剃须刀赚钱,惠普打印机的利润来自于墨盒而非打印机本身,汽车4S店不是靠卖汽车挣钱而是售后的延伸服务,而凯晟生物科技有限公司(ProGenTech,以下简称凯晟生物)就是通过其研发的检测平台带来了源源不断的耗材需求。“如果要为凯晟生物定位,它们是属于设备加耗材的行业。”德同资本合伙人田立新表示,“他们销售检测平台只是一次易,但是带来的却是后续长时间的耗材需求。”正是由于凯晟生物这种与众不同的盈利模式使得德同资本与Bay City Capital(以下简称BCC)在2008年4月3日正式为其注资2100万美元,完成了凯晟生物的第三轮融资。
从NASA到生命科学
也许凯晟生物的创始人、现任总裁兼首席运营管余家昌(Steve Yu)从来没有想到一则报道会对他产生如此大的改变。曾在美国国家航空航天局(NASA)工作过的余家昌在2001年通过电视上的报道得知美国邮局遭受到了炭疽热病毒的攻击,而美国有些公司所研发的产品能够在半小时之内将生化武器中具有危害性的物质检测出来。“当时我就对自己说,这就是我想要做的产品。”余家昌告诉本刊记者,“生命科学是为了人类的健康和安全服务的,这比高科技更加有意义。”于是余家昌一头扎入了完全陌生的生命科学领域,并于2005年3月与其合伙人Jesus Ching共同创建了凯晟生物。同年5月余家昌单枪匹马回到中国,开始他在中国创业的道路。
尽管凯晟生物是一个生物技术公司,但是其所研发的产品涵盖了化学试剂研制、电子控制、软件应用、人机界面、嵌入式软硬件开发、结构设计等与工程自动化相关的技术,想要找到能够同时具备这么多门类知识的研发人员相当困难,于是余家昌决定将每种工作按照不同知识领域划分开,寻找每个领域中的专业技术人员,在技术团队组建完善之后,余家昌带领其团队用了将近一年的时间就将初期的产品研发出来。回想当初的创业过程,余家昌感慨万千,“尽管我们的研发团队在每一个领域中都是精英,但是核酸提取对于他们来说是一个完全陌生的概念,直到他们真正看到我们初期的产品才明白了这个产品的概念,了解了这个产品的实际应用原理。”
众所周知,美国在生命科学领域的发展比中国要发达几十年,试验经费上百倍的差距、研究人员数目的缺乏,以及实验仪器和试剂的落后造成了生命科学技术在中国的发展步履维艰,然而余家昌却依旧选择了中国,是为了利用全球不同地域的不同优势而调整战略结构。“我们在中国上海与美国加州都建立了公司,这样我们就可以一方面应用国外优秀的技术进行扶持,另一方面也可利用国内低成本生产的优势。”余家昌表示,“目前中国市场规模大约为6000万美元,仅仅占到全球整个行业市场的10%,因此占领了90%左右市场份额的国外市场是我们的销售主战场。”凯晟生物在加州的公司主要负责其在销售、专利申请以及客户开发的规模,而上海的总部汇集了所有的核心研发团队进行研发和国内市场销售工作,2006年底在苏州建成的工厂则是为凯晟生物的耗材及仪器进行组装。
选择中国市场除了降低研发、生产成本之外,资本也是相当重要的一个原因。据了解,凯晟生物在接受此次投资之前,曾经获得两轮天使投资,然而天使投资的资金比较有限,而高新技术产业又需要大量资金,因此,将有限的资金带到中国就能够创造更多的价值。“在美国的一元钱到中国可以当作八元钱用,所以我们的资金在中国可以做更多的事。”余家昌表示。“另外,中国有很多优秀的工程师,他们工作的努力程度是你所无法想象的。”在国外,很多机构为了开发一个产品要开三个月的会议;在凯晟生物,一个新方案在出台之后只需要经过几个小时的讨论就可以开始启动,开发的速度是海外机构所不能比拟的。
最Top的技术
生命科学领域的“瓶颈”问题就在于技术,只有拥有了先进的技术核心才能够拥有至高的“门槛”,让竞争对手无法望其项背。“我们首先看重的就是凯晟生物在技术上的优势。”田立新表示,“这项技术在中国没有,在全世界范围内也是非常先进的。”凯晟生物专注于核酸(蛋白)的纯化及分析技术,而这些技术最关键的就是核酸(蛋白)提取纯化。核酸主要包括脱氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA以及部分蛋白,而核酸因为能够自我复制被认为是最本质的生命物质,而要获得任何一个事物的信息都要从基因提取系统开始,基因的提取关键就在于核酸(蛋白)的提取。这项技术几乎伴随着整个分子生物学研究过程,从最初的目的基因提取到PCR产物纯化或“胶回收”,以及基因克隆中质粒的提取等实验过程都离不开核酸(蛋白)提取纯化。
传统应用的核酸提取方法主要包括沉淀法、螯合树脂、玻璃粉吸附法。尽管这些方法能够对核酸进行不同程度的提取,但是却存在操作繁琐、耗时效、环境污染、提取纯度不高等缺点。而凯晟生物在进行核酸提取时所采用的则是磁珠法,“这是自动化领域中非常实用的技术,我们就是利用这项技术进行产品开发。”余家昌表示。磁珠的主要原料为铁氧体,有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,具有更好的高频率波特性,并在高频时呈现阻性,利用微性微粒及偶联技术能够快速将DNA提取出来,可应用于蛋白纯化、免疫学检测、核酸纯化和核酸杂交检测等领域。
凯晟生物的产品所具备的最大优势有两点。首先,精简操作的步骤及检测的时间。传统的实验操作普遍是通过手工或半自动化完成,利用移植箱对试剂盒进行手动操作,根据不同的样品,整个提取过程在两至三个小时左右;而凯晟生物的智能盒根据不同的实验要求,已经预先灌装好所用的试剂,因此,操作人员只需要将样品放入智能盒,再将智能盒放置到检测系统上即可以操作。其次,能够避免样品之间及样品与操作人员之间的交叉感染。现在最常见的“集中式”仪器是一种开放式检测仪器,采用这种仪器进行实验检测的最大问题就是样品会被污染,智能盒是完全密封的,因此,只要放入样品就可以在盒子外部进行操作。“凯晟生物的产品的主要优点就是能够消除用户遭遇无保护和样品交叉污染的可能性。”田立新表示。以病人验血为例,医院采用的是48孔或者96孔板的开放性设施,而检测操作的第一步就是加热样品,加热所产生的挥发势必使得样品之间产生交叉污染。如果检验样品含有SARS或者禽流感病毒,对于在开放式环境中进行操作的检测人员来说是一个相当大的危险。因此,凯晟生物能够解决该问题的技术和产品真正吸引了投资者的目光。
打印机模式
拥有了领先的专利技术,开发出竞争力十足的产品,盈利模式就成为了投资人最为关注的焦点问题。“凯晟生物的商业模式并不算新颖,但是用在生命科学领域却是十分巧妙的。”田立新认为,“通常来说,产品的硬件卖掉一件就是一单生意的结束,但是凯晟生物在卖掉一件基础检测平台之后,却能够带来若干年稳定的耗材需求。”
这种商业模式完全复制了惠普打印机“机器为饵,耗材钓鱼”的盈利模式,将其打印机以极低的利润甚至是亏本卖给使用者,但是用户在后续阶段所使用的墨粉才是真正为厂商带来巨大利润的关键。“凯晟生物的模式甚至比惠普的模式更好,他们的墨粉要用完之后才需要更换,但是我们的智能盒却是一次性的,不可能再循环利用,我们的耗材更换周期更短。”余家昌说。据介绍,凯晟生物每台仪器的使用寿命在5-20年不等,如果第一年销售100台,第二年依旧销售100台,那么第二年的耗材需求量就是200台仪器的消耗量,如果第三年再销售100台,则耗材用量就增加到300台,以此类推,耗材的用量将会逐年增长。另外,随着市场的快速发展,凯晟生物的仪器销售量必定是呈上升状态而不是水平状态,因此耗材的需求量就更大了。据统计,目前这个行业在国外每年需求量的增长率大约为20%,而中国市场需求量的增长率却高达40%,所以这个领域的发展空间将是非常大的。
虽然许多高校购买了一些先进的仪器设备,但大部分仪器都较昂贵,且套数有限,基本只能满足基本的科研需要,尚无法针对学生单独开展实验。此外生物技术仪器分析的课时,也限制了单独进行实验教学的可能。尽管实验教学困难,但通过有效的新型实验教学手段消弭学生难以将理论和实践相结合的实际问题,是非常有必要的。
2生物仪器分析教学改革对策
针对生物技术仪器课程本身的特点,欲解决教学过程中实际遇到的问题,首先得明确生物仪器分析课程的教学目标:通过对常见的分析仪器的原理、结构和应用的讲解,使学生在掌握分析原理的基础上理解相应仪器的用途,了解仪器的基本结构,能在具体的仪器操作教学过程领会仪器的使用方法。针对这一教学目标,可从如下几个方面进行教学改革。
2.1理清主线,点、线、面有效整合针对生物技术仪器分析教学内容繁杂的问题,应该首先明确本课程主线,将课堂教学的有限的具体点有效串联,并启发学生将所学内容向更广阔的面进行扩展。譬如我们从一个细胞的解析为例。其中描述细胞的形态和结构可作为主线之一,则包含的内容包括普通光学显微镜、倒置显微镜、荧光显微镜、扫描共聚焦显微镜、扫描电镜、透射电镜等诸多仪器,在课堂教学中不可能面面俱到,但可重点介绍普通显微镜这一点,在点上将原理、仪器结构、使用方法、应用实例等详细介绍,通过启发思维引导学生思考如何在更小的尺度上描述细胞的精细结构,在学生自己有兴趣的情况下,即可通过同样的方法自学其它显微镜的内容,将描述细胞的形态和结构的内容可扩展到更丰富的面。再比如测定有机物分子的结构作为主线,则包括紫外、荧光、红外、核磁共振和质谱等。兼具分离和分析特点的仪器,如电泳和色谱。总之一定要有一条线将相应的仪器串联起来,选择具体的仪器作点上的介绍,通过问题启发学生作面上的扩展。
2.2引入多媒体,加强教学资源建设高校的仪器分析教材多为分析化学方向的指导教材,专门用于生命科学领域的生物仪器分析理论和实验教材并不多。化学类的仪器分析教材更偏重于化合物结构的解析,并不能完全适用于生物科学研究的特点,其直接作为生物仪器分析教材实用性受到限制,因此有必要编写通用的生物仪器分析教材。生物仪器分析教材应介绍生物分析仪器的构造、工作原理、分析方法等相关的理论知识。这些分析方法的原理抽象,难以理解,使用传统的教学方法很难讲述清楚,应该运用现代多媒体教学手段,将大型生物仪器的结构、工作原理以及操作技术以动画形式模拟出来,学生可以运用电脑、手机等多媒体终端直接观看,甚至可以采取游戏的方式提高学生的参与度,增进学生的学习兴趣,提高教学质量。这样既节约了课时,又使教师有充足的时间用于重点和难点的讲授。作为课堂理论教学的延伸,生物仪器分析的实验教学更应加强多媒体教学,在学生提前观看多媒体的情况下再进行试验操作的现场演示,必会有更好的效果。多媒体的制作应是实验室仪器分管人员针对自己分管仪器的基本工作,应避免多媒体上所演示的仪器与实际操作仪器的脱节问题。
2.3大班理论教学,实验教学循环开课生物仪器分析课与其他课程不同,内容包含理论教学和实验教学,因此要求教师不但要有专业理论知识,更要有丰富的仪器分析经验,只有这样才能保证理论与实践的有机结合,收到良好的教学效果。生物仪器分析课程理论教学可采用大班开课的方式,紧密结合生物科学生产研究的实际,介绍具体仪器的相关理论知识。实验教学应采取小班或小组教学的方式,以实际操作为核心,选取在生产和科研中具有先进性和实用性的生物分析仪器作为该课程的主要内容,应使每个学生都能参与具体实验操作。对于不具备操作条件的实验,演示过程可通过多媒体让学生自行学习。理论课老师与实验室负责仪器管理的实验技术人员共同商讨每台仪器需要讲授的内容,按时进行备课,编写教案,由实验室统一检查备课效果,以充分确保备课教案的质量和实用性。根据每台仪器的实际使用情况,具体安排讲课人员名单,让精通每种仪器的教师、研究生和仪器技术管理人员担任实验室仪器的实验教学任务。每台仪器可根据实际需要,每周或每月开课1-2次,循环教授,让学生通过预约的方式,根据自己的安排选择上课时间。
2.4引导学生关注热点,知用合一生命科学仪器的种类及仪器分析方法繁多、学科跨度大,往往会让学生感觉难以抓住重点,提不起兴趣。因此在讲解各种仪器的分析使用方法之前,必须做一个引导性的介绍,通过社会热点事件(如新的研究发现、食品安全等)或日常现实生活、生产中的应用,激发学生的学习兴趣。此外,通过各种渠道介绍学院教师使用该仪器及分析方法取得的最新科研成果,并展示教师科研成果的图片或结果给学生,使学生感受到科学研究就在身边,仪器分析无处不在,从而激发他们的亲近感。最后,也可以聘请相关专家、仪器厂家的工程师、学术专家、本院教师等以专题或学术讲座的形式介绍实验室拥有的仪器及生命科学领域相关仪器发展的前沿知识,激发学生对科学研究的热情。
3结束语
生物医学工程(biomedicalengineering,BME)是20世纪50年代形成的一门独立的边缘科学,现代医疗器械则是这一新兴学科的产品形式。它是工程技术向医学科学渗透的必然结果。20世纪50年代以来,心脑血管疾病、癌症、糖尿病等现代文明流行病开始威胁人类健康。因此,医学科学的进一步完善和发展不是以定性观察、现象归纳为方法学特征的医学本身所能解决的,它必须和以定量观测、系统分析为方法学特征的工程科学相结合,并综合运用各种已有的和正在发展的高新技术,才有可能逐步解决这些问题。生物医学工程学科应运而生。当前生物医学工程已成为生命科学的重要支柱,是21世纪最具有潜在发展优势的领先科技之一[1]。
1、什么是生物医学工程?
1.1含义
生物医学工程是一个新兴的多学科交叉领域,其内涵是:工程科学的原理和方法与生命科学的原理和方法相结合以认识生命运动的“定量”规律,并用以维持、改善、促进人的健康。“生物医学工程”这个词汇蕴含了三个专业领域的相互影响:生物学、医学和工程学。生物医学工程是综合生命科学和工程技术的理论、方法、手段,研究人类及其他生命现象结构功能的理、工、医相结合的新兴交叉学科,是多种工程技术学科向生命科学渗透和相互交叉的结果,并已成为生命科学的重要支柱。生物医学工程是应用基础科学,主要服务于人类疾病的诊断、预防、监护、治疗及保健、康复等方面;生物医学工程的主要研究任务是利用工程技术手段解决医学诊断、治疗和信息化管理等问题,为医学提供高技术含量的现代医疗装备。
1.2内容与领域
生物医学工程的研究内容可分为基础研究和应用研究两个方面。基础研究,包括生物力学、生物控制、生物效应、生物系统的质量和能量传递、生物医学信息的提取与处理、生物材料学、生物系统的建模与仿真、各种物理因子的生物效应等;应用研究,直接为医学服务,包括生物医学信号检测与传感技术,生物医学信息处理技术,医学成像与图像处理技术,人工器官、医用制品和仪器,康复与治疗工程技术等。后者是医学工程研究领域中最主要的内容之一,它的成果直接推动医疗卫生事业的发展,效果最明显、最迅速,所以特别受医学工程人员和医生的重视。
2课程安排
根据我国《生物产业发展“十一五”规划》,生物医学工程高技术专项将按照当代生物医学工程技术和产业发展的方向,重点发展医疗影像设备、医疗监护系统及设备、肿瘤物理治疗设备等11大类产品,强化新型医用植入器械和人工器官、数字化与智能化医疗装备、可生物降解医用高分子及药物控释载体、医疗监护和远程诊疗系统等领域的创新能力。针对这一方向,我们将设定14次课,分别介绍各项技术产品或领域的现状和发展,让学生对生物医学工程学科有个整体的了解和认识。课程设置如下[2]:
1.生物医学工程概况:介绍生物医学工程学科概况、发展历程、学科内容、工程分支,以及国内外高校建设发展生物医学工程学科的情况。
2.组织工程学:应用细胞生物学和工程学的原理,吸收现代细胞生物学、分子生物学、材料与工程学等学科的科研精华,在体内或体外构建组织和器官,以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能,是继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一新的里程碑,标志着医学将走出器官移植的范畴,步入制造组织和器官的新时代。目前组织工程已经成为再生医学研究和发展的核心与主要方向。
3.生物材料学:研究与生物体(特别是人体)组织、血液、体液相接触或作用时,不凝血、不溶血、不引起细胞突变、畸变和癌变,不引起免疫排异和过敏反应,无毒、无不良反应的特殊功能材料。许多重点院校和科研单位都成立了相应的研究机构,从事生物材料及制品的开发研究,在天然高分子和合成高分子、无机和金属生物材料研究方面均取得了举世公认的成果。
4.人工器官:主要研究人体组织与器官的再生、修复与替代。人工器官在临床上的应用,挽救了不少垂危的生命,为临床医学的发展开拓了新途径。目前人工器官的研究和应用已基本遍及人体全身。
5.生物传感器技术:使用固定化的生物分子结合换能器,用来侦测生物体内或体外的环境化学物质或与之起特异互作用后产生响应的技术。目前,生物传感器正朝着以下几个方面发展:①向高性能、微型化、一体化方向发展;②生化检测的智能化系统;③仿生生物学的发展。
6.生物系统的建模与仿真:对生物体在细胞、器官和整体等各层面的参数及其相互关系建立数学模型,并用计算机求解该模型以分析和预测各种条件下生物系统运行的机制和状态。研究领域涵盖生物力学、复杂生物医学系统的建模与仿真等领域,主要采用计算力学、图形图像分析和数学建模等方法,对生物医学中的科学问题进行计算机建模和分析。
7.生物医学信号检测与处理技术:生物医学信号的检测与处理几乎成为了生物医学工程学科共同的研究方向。从生物体中获取各种生物医学信息,并将其转换为易于检测和处理的电信号。
8.医学成像与图像处理技术:研究如何将人体有关生理、病理的信息提取出来并显示为直观的图像、图形方式,或对已有的医学图像进行分析处理,为疾病的早期诊断和治疗提供了可能性,也为临床诊断引入了新的概念。
9.数字化X射线影像技术及设备:数字化X射线影像技术现已成为临床诊断的最主要手段。涉及的关键技术包括:直接数字化平面X射线影像技术;数字化X射线三维影像技术;低剂量CT、容积CT等。
10.磁共振影像技术及设备:磁共振影像是检测人体解剖、生理和心理信息的多因素、多层面和多对比度成像设备。
11.核医学成像技术及设备:核医学成像是对放射性核素标记化合物的体内生化过程成像的装备,是目前能够在临床应用的最主要的分子成像手段。涉及的关键技术:单光子断层成像(SPECT)技术和系统、正电子发射(PET)影像技术和系统、PET与CT融合技术等。
12.数字化超声波成像技术及设备:超声成像设备在四大影像设备中使用最为广泛。目前重点发展技术包括:多波束成像技术、谐波成像技术、多角度复合成像技术、三维成像技术、电容式微机械超声换能器、彩色超声成像设备系统、数字黑白超声影像设备等。#p#分页标题#e#
13.医学纳米技术和纳米材料:可运载肿瘤标志物分子的特异性抗体、肿瘤治疗药物以及造影剂等新的高效药物(基因)载体;发展纳米尺度的显微探针成像技术;发展用于组织再生修复的纳米生物材料;建立用于纳米材料健康与安全评价的技术与方法,都是当前重点发展方向。
14.康复工程技术:重点发展假肢仿生智能控制技术、低成本假肢矫形、适应不同功能障碍者工作和学习的环境控制系统与远程交流、认知功能康复、人工电子耳蜗汉语识别、电子助视、老年人室内安全监护等技术。
3教学模式的探索
针对课程本身的特点和学生认知的特点,设想从以下几个方面探索课程的教学:
3.1多媒体教学
多媒体教学具有直观、生动、易于理解的特点,并可节约教学时间,提高效率。由于每次课针对的是某项技术领域相关理论知识和行业动态的介绍,涉及的知识点多且泛,采用多媒体教学课件进行教学,形象直观,趣味性强,可以使学生印象深刻,降低了抽象知识的理解难度和记忆难度,激发了学生的学习兴趣。
3.2优化课程内容,加强实践教学
在教学中注意把握课程的整体体系,强调课程知识点和适用性。教学重点清晰,适当补充行业最新动态作为课外知识。课堂授课的重点应放在概念的理解和相关模型的建立。同时,应创造条件充实参观和实验内容,让复杂的理论实物化、形象化、简单化。跟有教学合作基础的医院联系,安排学生到相应科室参观相关设备和操作系统,开展现场教学和尽可能多的实验课,提高学生的学习兴趣。如果条件允许,还可以让学生参与到实际操作中。通过这种实践教学,使学生觉得取得临床上的应用成就并不是遥不可及,从而增强他们对理论知识学习的兴趣。
摘要:根据21世纪对生物统计学课程的重新定位,在生物统计学精品课程建设中重点突出了教学方法和教学手段的改革,强化了学生能力的培养。
关键词:生物统计学;精品课程;教学改革
一、引言
随着生物科学的发展,只有定性的结论已不能满足实践的需要,实现生物科学结论定量化是人们长期追求探索的目标;生物统计学是生物学科定量化的重要分析理论与方法,生物统计学是生物学科应具备的基本知识和素质,与生命活动有关的各种现象中普遍存在着随机现象,大到森林陆地生态系统,小至分子水平,均受到许多随机因素的影响,表现为各种各样的随机现象,而生物统计学正是从数量方面揭示大量随机现象中存在的必然规律的学科。因此,生物统计学是一门在实践中应用十分广泛的工具学科,它是生命科学各专业的专业基础课,对后续生命科学课程学习和生物科研有重要作用。
同时,生物统计作为数理统计在生物学领域的应用,是教学难度较大的一门课程。因此,在生物统计学精品课程建设过程中,针对各专业培养目标的定位,因材施教,更新教育理念,加强实践训练,在教学方法和教学手段上进行改革和大胆探索。
二、二十一世纪对生物统计学课程的重新定位。
(一)新世纪对生物统计学课程提出的新要求。
二十世纪上半叶农业和遗传统计学首先获得了发展,在其基础上发展起来的生物统计学、统计流行病学、随机化临床试验学已经成为攻克人类疾病的一个里程碑。这在过去的半个世纪里显著提高了人类的期望寿命。
21世纪人类基因组,基因芯片等实验科学产生出的巨量数据,需要新工具来组织和提取重要信息。
将数据转化为信息需要统计理论和实践方面的洞察力、技术和训练。
未来的生物统计学将会与信息技术密切结合,较少侧重传统数理统计,而会更多注意数据分析,尤其是大型数据库的处理。生物统计学越来越不同于其它数学领域,计算机和信息科学工具至少和概率论一样重要。
(二)生物统计学对大学生素质培养的作用。
生物统计学的一个重要特点就是通过样本来推断和估计总体,这样得到的结论有很大的可靠性但有一定的错误率,这是统计分析的基本特点,因此在生物统计课程的学习中培养了一种新的思维方法———从不肯定性或概率的角度来思考问题和分析科学试验的结果。
生物统计学是通过个别的试验研究得出其一般性结论,属于归纳推理的范畴。但其有别于简单枚举法和科学归纳法,是一种或然性归纳推理或者概率归纳推理。在生命科学的研究中绝大多数涉及到的是随机事件,因此,生物统计学不仅是试验设计与统计方法的教学,更重要的还是大学生思维方式的培养,这对提高大学生的素质很有必要。
生物统计学包括试验设计和统计方法两个有机联系的组成部分。通过试验设计的教学可提高大学生设计研究课题试验方案的能力,使之明确课题的研究目的、试验因素与水平以及试验设计方法等方面的内容。通过统计方法的教学除让学生弄清各种统计方法的内涵外,还需要使学生能够正确地选择最适合的统计方法,以揭示资料潜在的信息,达到研究的最终目的,从而提高大学生科学研究素质。
三、教学方法和教学手段的改革。
(一)加强电子课件及网络平台建设。
生物统计学是应用概率论和数理统计原理研究生物界数量变化的学科,而概率统计的理论和思维方法对本科生来说有一定的难度,加之课程学时的减少(由原来的60-70学时,降到现在的40学时左右),如何深入浅出地引导学生入门,并使学生在了解概率统计思想的基础上,掌握常用统计分析方法的应用及使用条件是课程的教学难点。为此,我们利用多媒体技术,制作了与教材配套的课件,通过在课堂上把抽象内容形象化与直观化,收到了良好教学效果。建设了一个生物统计学教学网络支撑平台,现有课程简介、教学大纲、师资力量、授课教案、电子版《生物统计学》教材、课程录像、实习指导、在线测试题、参考文献、其它教学资源等栏目,免费向全校师生开放。
(二)将多媒体教学优势与学生的认知规律有机结合,用较少的学时得到良好的教学效果。
多媒体具有信息量大、形象化、直观化的特点。
但是如果不能很好地将多媒体这些特点与学生的认知规律相结合,多媒体教学就可能会带来一些弊端诸如:(1)内容多,幻灯片变换快,由照本宣科变为照屏宣科,为新的“满堂灌”;(2)课件图片多,内容以展示为主,缺乏启发性;(3)教学内容常用满屏的方式显示(即所谓“死屏”),老师照着屏幕上的内容给学生讲解,失去了传统教学方法,老师边讲边板书能给学生留下比较深刻印象的特点,缺乏吸引力。
而多媒体在教学中只能充当工具的角色,在教学过程中必须将多媒体信息量大、形象化、直观化的特点与学生的认知规律紧密结合在一起。在制作课件时,采用启发式教学方式,精炼教学内容,模仿传统教学书写板书的过程,根据教学内容的难易程度,采用逐字、逐句、逐段显示教学内容的动画方式。在课堂教学中,老师仍然保持传统教学方法的教姿教态,在授课的过程中与学生保持互动,根据学生在课堂上接受知识的能力,掌握屏幕上显示内容的速度,必要时辅以板书进行讲解。这样做既发挥了多媒体教学的特点,又充分照顾到学生的认知规律,在内容没有缩减,学时减少近三分之一的情况下,仍然取得良好的教学效果。
(三)长期坚持教育教学方法及教学规律的研究。
生物统计学的理论基础是概率论与数理统计,从这个层面上讲,它有非常浓的数学味道,但是它又有别于概率论与数理统计,生物统计学更主要强调的是概率论及数理统计的思想和方法在解决生命科学中一些具体问题的应用。因此在教学过程中就存在一个“度”的把握问题,如果将概率论及数理统计的原理讲得太多,一是学时不允许,二是学生难以消化,得不到好的教学效果;如果只注重方法的讲解,学生知其然不知其所以然,就会误入乱套公式的歧途。经过将教学的重点放在教学中引导学生重点掌握统计方法的功能与用途,方法与步骤,防止各类方法的误用,淡化定理的证明与公式的推导。在教学内容的安排上采用“保干削枝”,即在学时减少很多的情况下,将一些次要的统计方法去掉,也要保证有足够的学时讲授理论分布与抽样分布、统计假设测验等方面的内容,让学生掌握生物统计学中所蕴含的概率论及数理统计的思想精髓,从而避免学生乱套统计公式。
(四)密切跟踪生命科学发展的前沿动向,探索生物统计学解决前沿问题的理论与方法。
统计学在生物学中的应用已有长远的历史,许多统计的理论与方法也是自生物上的应用发展而来,而且生物统计是一个极重要的跨生命科学各研究领域的平台。现在基因组学、蛋白质组学与生物信息学的蓬勃发展,使得生物统计在这些突破性生物科技领域上扮演着不可或缺的角色。在课程建设中,随时注意纳入生物统计学在前沿领域研究应用的内容,增强课程的活力,提高教师和学生面向生物产业主战场解决实际问题的能力。
四、加强实践教学,注重学生能力培养。
生物统计学要不要开实验课,怎样开实验课,一直存在争议,在此认为生物统计学不仅应该开设实验课,而且还要将实践教学的重点放在计算机技术和统计软件的应用上,让学生不仅掌握统计方法,而且加深对原理的认识,获得就业或升学的必备计算机统计技能,提高解决复杂问题的能力。
(一)开展统计软件的实习,扩大学生的视野,提高学生素质。
20世纪20年展起来的多元统计方法虽然对于处理多变量的种类数据问题具有很大的优越性,但由于计算工作量大,使得这些有效的统计分析方法一开始并没有能够在实践中很好推广开来。而电子计算机技术的诞生与发展,使得复杂的数据处理工作变得非常容易,所以充分利用现代计算技术,通过计算机软件将统计方法中复杂难懂的计算过程屏障起来,让用户直接看到统计输出结果与有关解释,从而使统计方法的普及变得非常容易。在课程体系改革中,各课程的教学时数与达到培养目标所需完成的教学内容相比还是不足的。为此,可以通过标准的统计软件的教学实习来达到以点带面,扩大学生视野,提高学生素质。
为此我们建立了一个专用于实习教学的生物统计电脑实验室。现共有50余台电脑,并连接到校园网。实验室配备有指导教师,负责对上机的学生答疑。除按教学计划进行的正常实习教学外,实验室还对优秀学生免费开放,鼓励他们结合教师的科研活动,应用所学生物统计学知识,学习新的生物统计学知识,掌握应用计算机解决生物统计学问题的技能。
(二)全方位、多层次的实践教学。
为了进一步培养学生实际动手能力和科学严谨的治学态度,必须将本课程的实践教学活动延伸到课堂教学外,开展全方位、多层次的实践教学。
在原绵阳农专期间,主要在作物育种、作物栽培、动物营养等课程实验与实习中,根据相关内容加入了试验设计方法以及数据统计分析的相关内容。
组建了西南科技大学生命科学与工程学院以后,由原来的单一农科专业变成了理、工、农三大学科均有专业的格局。虽然专业的学科归属不同,但有一点是相通的,其内涵均属于生命科学的范畴。以科学研究的方法进行划分,均属于实验科学。
掌握正确的实验设计方法,从不确定性数据中挖掘事物的客观规律,是实验科学工作者必备的技能。因此,我们将原来只是在农科专业上延伸实践教学的作法推广到全院的所有专业,结合实验课教学的改革,对发酵工艺学实验、植物细胞工程实验、食用菌实验、微生物学实验等课程的内容全部或部分改为用生物统计学指导学生自主进行实验设计,把过去单一的实验流程、样品观察或检测实验改变为试验条件的优化试验,提出在不同条件下对样品测定的比较试验设计、单因素试验设计、多因素试验设计、正交试验设计、均匀试验设计,对试验结果要求学生使用统计学的方法对进行分析和讨论,最后得出最佳试验条件。
这样的实验教学改革起到了一箭双雕的作用,从专业基础课或专业课的角度看,改验证性实验为设计型、综合性实验,增强了学生解决实际问题的能力,培养了学生创新思维的能力;从生物统计学角度看,将课程的教学实践延伸到课程外,弥补了学时的不足,更重要的是学生将自己学到的统计学知识,转化为解决实际问题的能力,知识得到很好的内化。
此外,在学生课外科技活动中指导学生选用正确的实验设计和数据的统计分析方法,提升科技作品的档次;在毕业论文(设计)中要求学生采用恰当的生物统计学方法进行设计与分析,写出高质量的毕业论文(设计)。
通过这样的教学实践,训练了学生的统计思维能力,使学生充分认识到掌握生物统计学这一工具的重要性和必要性,增强了学生学好用好这门工具的信心,提高了学生从复杂的生命现象中挖掘事物客观发展规律的能力。
精品课程是集科学性、先进性、教育性、整体性、有效性和示范性于一身的优秀课程。作为精品课程的载体,应具有一流的教师队伍、一流的教学内容、一流的教学方法、一流的教材、一流的教学管理等特点。与之相比,我们在生物统计学精品课程的建设上,才刚刚起步,今后还要在教材建设、师资队伍建设、科学研究等方面加大力度,将生物统计学建设成体现现代教育教学思想、符合现代科学技术和适应社会发展进步的需要、能够促进学生的全面发展而深受学生欢迎的一门课程。
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