新型交叉學科“化學生物學實驗”課程與教材的建設(shè)

曾秀瓊，吳 起，湯谷平，王 琦，方文軍，林賢福

(浙江大學 化學實驗教學中心，浙江 杭州 310058)

化學生物學是20世紀90年代出現(xiàn)的一個交叉學科，又被稱為化學遺傳學，美國哈佛大學的S.L.施瑞伯對于化學生物學的誕生和發(fā)展做出了卓越的貢獻[1-2]?；瘜W生物學主要使用小分子作為研究工具來解決生物學的問題，或通過干擾/調(diào)節(jié)正常過程來了解蛋白質(zhì)的功能，從而為生命現(xiàn)象的理解和新藥的研制帶來了新的機遇。當今的化學與生物學、醫(yī)學等學科日益融合滲透，對許多生命現(xiàn)象的研究已經(jīng)進入分子水平，化學研究的手段和方法已經(jīng)成為處于分子水平的生命科學的必不可少的重要工具。研究解決生命和醫(yī)學等現(xiàn)象中的化學問題，是化學學科未來發(fā)展的主要動力，使得化學生物學這一新型學科得到了快速發(fā)展[3-4]。隨著化學生物學學科的發(fā)展，與之相對應(yīng)的實驗課程在國內(nèi)外一些知名高校逐步開設(shè)起來[5-9]。為了給學生提供必要的化學生物學基本知識和實驗技能，浙江大學化學系和化學實驗教學中心于2005年開始籌建“化學生物學實驗”課程。由于當時化學生物學實驗教材非常缺乏，我們組織了一批在該領(lǐng)域研究的教師設(shè)計了實驗內(nèi)容、編寫了實驗講義，并于當年9月起開設(shè)了“化學生物學實驗”課程。經(jīng)過連續(xù)8年的教學實踐，我們逐年對實驗講義進行修改和完善，每一次都進行了較好的提高和豐富。2013年1月，由我系教師主編、科學出版社出版的《化學生物學實驗》成為我國第一本正式出版的該領(lǐng)域的實驗教材[10]。

1 課程建設(shè)

“化學生物學實驗”是一門研究生命現(xiàn)象中的化學問題的實驗課程，主要通過生物化學、細胞生物學、分子生物學、基因工程和細胞工程等實驗技術(shù)與化學實驗手段相結(jié)合的方法，讓學生掌握化學生物學實驗的基本知識、基本原理和操作技能，培養(yǎng)學生在細胞層次和分子水平層次上的實驗技能。

我校“化學生物學實驗”課程2005年開設(shè)時共48學時，學分為1.5，隨著課程的發(fā)展和選課學生的日益增加，2009年起學時數(shù)增加到128，學分改為4.0。目前該課程已成為了化學實驗教學中心實驗課程體系中的一門重要課程，主要面向化學和化工等專業(yè)的高年級本科生以及研究生，在實驗內(nèi)容上涵蓋了蛋白質(zhì)化學、糖化學、生物礦物和生物礦化、酶促化學、生物氧化、細胞和基因工程、計算機模擬實驗等。其中特色實驗有金屬卟啉模擬生物氧化過程、纖連蛋白在羥磷灰石上吸附-脫附過程的分子模擬、熒光量子點的合成及FRET法測定蛋白酶的活性、抗腫瘤藥物的合成及其對腫瘤細胞抑制和細胞形態(tài)觀察、生物礦物和生物礦化的調(diào)控、酶催化Michael加成反應(yīng)/酶促合成選擇性調(diào)控、親和色譜樹脂的合成及其對溶菌酶的分離提純等。

由于大部分實驗是基于浙江大學化學系的特色，根據(jù)學科發(fā)展，從教師最新科研成果轉(zhuǎn)化而來的，因此我們的課程及實驗內(nèi)容設(shè)置上具有以下特色：

(1) 學科交叉的特色鮮明，涉及到基因工程、細胞工程、酶工程、計算化學、蛋白質(zhì)化學等眾多領(lǐng)域；

(2) 實驗內(nèi)容選題新穎，具有綜合性、研究性和挑戰(zhàn)性；

(3) 學生可以涉足不同的研究領(lǐng)域，得到多方位的實驗技能訓練和強化。

在實驗安排上，學生以3～4人為一組進行實驗，每次實驗完成1個大的專題，每個專題由1個專職教師來指導(dǎo)。以研究問題為主線，將設(shè)計、探究、分析等部分有機地結(jié)合起來，充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能，努力達到教育部提出的“重實踐、求創(chuàng)新”的教學培養(yǎng)目標，達到“既傳授化學知識與技能，又訓練科學方法和思維”的全面化學教育要求。此外，為了鞏固學生對課程的理解和掌握，學期結(jié)束時，學生要完成1篇相關(guān)的小論文，并統(tǒng)一答辯。

2 教材建設(shè)

8年來，化學系和化學實驗教學中心組織了一批在化學生物學及相關(guān)研究領(lǐng)域取得卓越成果的教師投入實驗教材的建設(shè)，將他們的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為學生實驗，對培養(yǎng)新型交叉學科人才起到了重要的作用。

2005年籌建時，實驗講義中只有7個實驗。課程組堅持每年出一本實驗講義，每次增加一些新實驗。到2012年時，實驗講義內(nèi)容已經(jīng)增加至37個，具備一定的規(guī)模。2012年4月，課程組與科學出版社簽訂出版合同，教材于2013年1月正式出版。

正式出版的化學生物學實驗教材共33萬字，安排了41個實驗，分為生化分離分析實驗技術(shù)、生物材料制備技術(shù)、化學中基因工程實驗技術(shù)、化學中蛋白質(zhì)實驗技術(shù)和化學中細胞實驗技術(shù)5個部分。每個實驗均精心編寫了實驗導(dǎo)讀，提供了一定的背景材料，使學生能更好地了解這一交叉領(lǐng)域發(fā)展的基本狀況和最新進展。此外，為了方便讀者的使用，在第8章附錄中還增加了26類化學生物學實驗常用儀器的使用方法，以及試劑配制、使用說明等重要資料。

作為我國第一本正式出版的《化學生物學實驗》教材，該書具有以下特點：

(1) 涉及學科多，涵蓋基因工程、細胞工程、蛋白質(zhì)化學等眾多學科；

(2) 內(nèi)容豐富，安排了41個來自不同領(lǐng)域的有代表性的實驗；

(3) 選題新穎，許多內(nèi)容來自于化學生物學前沿研究的成果；

(4) 難易結(jié)合，可以適合不同高校教學和不同讀者學習的要求。

3 實驗室條件建設(shè)

8年來，浙江大學化學系和化學實驗教學中心投入專項資金近100萬元，不斷完善“化學生物學實驗”課程的實驗條件和實驗環(huán)境。目前擁有3個學生實驗室共352 m2，其中64 m2專業(yè)無菌室1個。購置了大量的儀器設(shè)備用于實驗教學，如超凈工作臺(5張)、光學顯微鏡、酶標儀、可見-紫外分光光度計、核酸分離層析儀、恒溫反應(yīng)振蕩箱、高配置計算機(13臺，用于分子動力學模擬實驗)、電泳儀、PCR擴增儀、高速冷凍離心機(2臺)、超低溫冰箱、電化學工作站、熒光倒置顯微鏡、高性能二氧化碳培養(yǎng)箱(2臺)、表面等離子光譜(SPR)生物傳感器等。此外，“化學生物學實驗”在教學中還能充分享受化學系分析測試中心的大型儀器資源，學生隨時可以利用紅外分光光度計、熒光分光光度計、核磁共振儀、高效液相色譜儀、氣相色譜儀和氣-質(zhì)聯(lián)用儀等大型儀器來完成每次的專題實驗。

4 教師隊伍建設(shè)

化學系一直非常重視“化學生物學實驗”課程，設(shè)立了課程組長、實驗室主任和課程負責人?！盎瘜W生物學實驗”課程組穩(wěn)定了一批積極參與學生實驗指導(dǎo)的博士生導(dǎo)師和教授，如在分子模擬與分子設(shè)計領(lǐng)域發(fā)表數(shù)篇高質(zhì)量SCI論文的王琦教授、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)重點項目主持人湯谷平教授、在分子細胞學研究上有突出成就的鄔建敏教授等。這些博導(dǎo)和教授不但兢兢業(yè)業(yè)地指導(dǎo)學生，而且能不斷向?qū)W生介紹各自領(lǐng)域的最新研究動態(tài)，從而豐富了學生的知識面，大大地調(diào)動了學生的學習積極性。

為了使“化學生物學實驗”課程得到不斷提升，課程組還吸引了一些留學回國的年輕教師參與課程建設(shè)和教學指導(dǎo)，如留學日本1年的姚波副教授和留學德國2年的吳起副教授。

5 結(jié)束語

化學生物學人才將在我國科學研究和科技應(yīng)用中發(fā)揮重要作用[11-14]，“化學生物學實驗”課程在這些人才的創(chuàng)新意識和實驗技能的培養(yǎng)上具有積極的主導(dǎo)作用。我校在“化學生物學實驗”課程建設(shè)中開展一些工作，取得了一些教學成果。我們還要不斷探索、不斷總結(jié)，同時積極借鑒兄弟院校的成功經(jīng)驗，緊跟學科最新發(fā)展，開發(fā)出更多、更有特色的專業(yè)實驗，為培養(yǎng)具有高素質(zhì)化學生物學人才做出貢獻。

[1] 郭曉強，米裕.化學生物學的奠基者-施瑞伯教授[J].化學教育，2006，27(3)：64-64.

[2] 濮江，王洪凌.從諾貝爾化學獎與生理學或醫(yī)學獎看生物化學的發(fā)展[J].化學教育，2012，35(5)：77-80.

[3] 陳國強.活性小分子化合物和白血病：化學生物學研究[J].中國醫(yī)學雜志，2008(20)：1369-1371.

[4] 王廣法，曲媛，羅燕.天然產(chǎn)物化學及化學生物學[J].國際學術(shù)動態(tài)，2012(2)：11-14.

[5] 趙仲麟，袁超，金顯春，等.化學生物學課程的教學探索[J].江西農(nóng)業(yè)學報，2011，23(7)：200-201.

[6] 王成，譚大治，胡茄，等.美國部分著名大學化學生物學課程調(diào)研[J].大學化學，2008(5)：63-69.

[7] 劉紫英.在基礎(chǔ)化學實驗教學實踐中培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29(5)：166-167.

[8] 熊亞紅，劉小平，倪春林，等.淺談化學生物學課程教學的探索與實踐[J].廣東化工，2002，39(11)：200-201.

[9] 趙仲麟，袁超，朱偉，等.化學生物學綜合創(chuàng)新設(shè)計實驗：大腸桿菌中表達綠色熒光蛋白[J].江西農(nóng)業(yè)學報，2011(8)：167-168.

[10] 曾秀瓊，吳起.化學生物學實驗[M].北京：科學出版社，2013.

[11] 劉紫英.新興交叉學科化學生物學的人才需求預(yù)測[J].中國科技縱橫，2011(15)：202-202.

[12] 婁兆文，陳勇，趙春紅.培養(yǎng)化學生物學復(fù)合型本科生的探索[J].大學化學，2002(2)：13-16，20.

[13] 池泉.對化學生物學本科人才培養(yǎng)的一點思考[J].科技信息，2009(4)：288-288.

[14] 梁靜，王興涌，尹文萱.化學生物學教學探索與實踐[J].大學化學，2011，26(2)：107-109.