生物医学仪器课程内容及实践教学

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［摘要］传统的仪器分析课程没有涉及现代生物医学仪器，因此，建设具有针对性和实用性的生物医学仪器分析课程显得非常必要。可以在课程内容上进行基于基因或蛋白层面的检测仪器、组织或细胞层面的观察或检测仪器、有机大分子或活性物质层面的分析或分离仪器等三大部分的构建，并在实践性教学上尝试让学生对设计性、创新性和挑战性三个层次的进行设计，进一步对此课程建设进行完善和系统化。

［关键词］生物医学仪器分析；课程内容体系结构；实践性教学

国内外的仪器分析课程是建立在物理和化学基础上的仪器分析方法，主要针对化学、材料、药学、环境、食品等专业的学生设置。而新兴的生物医学工程学科，其研究领域包括生物医学、生物力学和力生物学、生物材料、组织工程等。基于生物样品的特性，对生物医学仪器的分析要求已深入到基因、蛋白、细胞等水平。传统的仪器分析课程远远不能满足学生进行生物医学科研的要求。[1]在高校中已设置的仪器分析课程中的教学内容已经跟上生物医学研究的发展。但随着生命科学和医学的迅猛发展，人们对生物医学仪器的应用能力的要求也越来越高，迫切需要具有针对性、实用性和先进性的生物医学仪器分析课程。[2][3]我们针对生物医学工程专业的研究生开设了生物医学仪器分析这门课程。我们在对课程内容体系结构及实践性教学环节等方面不断进行探讨和改进，为本课程进一步特色化、系统化、前沿化的建设奠定了一定的基础。

一、课程内容体系建设

传统的仪器分析课程主要涵盖色谱法、电化学分析法、光学分析法、质谱法等四大类仪器分析方法。生物医学仪器分析课程内容建设区别于以往普通仪器分析课程的内容设置，重点突出“生物医学”的特点，以满足解决生物医学科学与工程领域的科学问题的要求。课程内容设置既要服务于解决科学问题，避免课程设置和实践应用脱节，又必须在掌握生物医学领域经典的仪器和方法的同时，紧跟前沿领域的高端仪器和方法。因此本课程内容体系结构包括以下三个部分，如图1所示，帮助学生通过仪器手段获取不同层面生物样本的定性、定量、形态及分布等信息从而解决生物医学科学与工程领域的科学问题。

（一）第一部分：基因或蛋白层面的检测仪器

该部分重点介绍基于基因或蛋白的生物样品的半定量或定量的检测仪器。基因水平的检测仪器包括：经典仪器———聚合酶链式反应、RNA电泳和核酸印迹分析，前沿仪器——实时荧光定量PCR仪。蛋白水平的检测仪器包括：经典仪器———荧光酶标仪、蛋白质印迹分析、酶联免疫吸附测定分析，前沿技术——二维电泳。

（二）第二部分：组织或细胞层面的观察或检测仪器

该部分重点介绍基于组织或细胞的生物样品的观察或检测仪器。组织或细胞层面的观察仪器包括：经典仪器———倒置显微镜、相差显微镜、微分干涉显微镜、荧光显微镜，前沿仪器———激光共聚焦扫描显微镜。细胞层面的检测仪器：前沿仪器———流式细胞仪。

（三）第三部分：有机大分子或活性物质层面的分析或分离仪器

该部分重点介绍基于有机大分子或活性物质的生物样品的分析或分离仪器。蛋白质、核酸、氨基酸、多糖类等生物大分子的分离或分析仪器包括：经典仪器———高效液相色谱法、气相色谱法，前沿仪器———超临界流体色谱、毛细管色谱、高效薄层色谱等技术。这三部分的学习能让学生掌握前沿生物医学仪器分析手段，对生物样品进行定量、定性分析，观察样品形态、分布，对样品进行分离等，训练学生解决科学问题的能力，使学生掌握必备的理论知识、科研思维和实践技能，提高科研能力。

二、实践性教学的建设

实践性教学是理论教学的扩展和延深，对于增加学生对理论知识的理解和感性体会，培养学生的实践能力和创新精神，具有十分重要的作用。[4]它可以弥补单纯理论教学的不足，提高将所学知识转化为实际应用的能力，与理论教学环节相得益彰。而现有的仪器分析课程所设立的实验项目大多为验证性实验，实验方法较为固定，实验内容与学生专业和研究方向脱节，不能及时更新。因此，本课程提出了设计性、创新性和挑战性三个层次的实践环节。

（一）设计性实验

设计性实验是指给学生基于经典实验的实验项目，但不提供成熟的实验步骤，由学生自主设计实验计划。设计性实验不是简单重复的验证性实验，不能机械地套用做过的实验来解决问题，而是让学生必须独立思考，设计实验方案，使其有发挥创造力的余地。要求学生在查阅文献的基础上，设计实验方案，包括所用方法、原理、仪器和具体实验步骤，经指导教师审阅后进行上机操作，完成整个实验过程，记录实验结果，处理实验数据，分析实验结果，验证实验方案设计的可行性，最后写出规范的实验报告。举例：采用高效液相色谱法测定柑橘种子中的柠檬苦素的含量，样品来自教师的教育部产学研结合项目，但样品的浓度未知。由学生来设计实验方案，确定高效液相色谱参数，对样品进行定量测试。

（二）创新性实验

创新性实验是指不限定实验题目，给学生提供一个开放的实践平台，由学生自主提出感兴趣的实验题目，实验选题要求具有创新性、综合性。学生通过文献查阅，选择合理的仪器分析方法，设计具体的实验方案，共同讨论方案的可行性，在设计好具体的实验方案后，上机操作，获取实验结果。注重利用本学院的前沿科学研究项目来引领学生的创新性实验。教师可以根据自己负责或参与的科研项目，提供样品或科学问题给学生，鼓励学生研究自己导师的项目中的科学问题或是由项目引申出来的科学问题，紧跟学科前沿，并体现生物医学研究应用的特色。通过引导学生自己设计创新性实验，可以使学生更好地发现问题、提出问题和解决问题。举例：宇航员在失重情况下会产生骨质疏松，那么在失重条件下成骨细胞会发生什么变化？这是由教师的自然科学基金项目引申出来的科学问题。学生可采用多种生物医学仪器，如流式细胞仪、实时荧光定量PCR仪及激光共聚焦显微镜来研究成骨细胞的细胞周期、特异性基因及细胞形态等多方面的变化，综合运用所掌握的仪器全面地探索细胞发生的变化，深入研究科学问题。

（三）挑战性实验

挑战性实验是指学生挑战生物医学研究前沿领域或是教师的前沿科研项目中还没有解决的科学问题，通过生物医学仪器手段探索这类没有答案的、高难度的科学问题。挑战性实验给予学生没有约束的思维空间，充分激发学生的潜能，为学生提供自由思索、探究的平台，对于学生的超越性、创新性研究具有极大的推动作用，非常有利于培养学生勇于探索、敢于创新的科学精神。举例：细胞结构的三维重建是一个前沿热点问题，如何利用激光来重建细胞的三维结构更是没有现成的方法可供参考。学生在理解激光共聚焦显微镜工作原理的基础上，设计详细的实验方案来观察细胞的亚显微结构，并进行细胞三维重建。通过多层次的实践教学，提高了学生学习的参与程度和主动性，取得了良好的教学效果。学生表示不仅仅掌握了实验技能，更重要的是建立了独立从事科研活动所必需的科研方法、科研思维和科研精神，对于以后课题的科研工作充满了信心，并满怀期望。本课程与国内许多高校类似课程相比，针对性强，具有鲜明的生物医学特色，注意引入学科前沿的科学问题，与教师的科研项目有机结合，强调对学生创新实践能力的培养，提升学生的学术研究水平，对仪器分析在生物医学工程专业方面的教学具有很大的意义。

［注释］

［1］王芳群，卫星，李天博．生物医学工程专业“医学仪器”课程教学方法分析［J］．中国电力教育，2010（184）：133－134．

［2］赵于前，汤井田，李凌云．从交叉学科角度谈生物医学工程教育改革［J］．医疗卫生装备，2004（6）：239－240．

［3］王志远，陈武凡，何明娥．生物医学工程专业研究生培养的实践与探索［J］．中国高等医学教育，2006（4）：42－43．

［4］马春排，李天钢，李自毅，周秦武．生物医学工程实践教学体系的建设［J］．实验室研究与探索，2010（4）：103－105．

作者：李萍 郑权 贾潇凌 牛旭锋 宋崴 荣龙 单位：北京航空航天大学生物与医学工程学院