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“分子生物物理”课程建设中的探索 分子生物物理课程建设中的探索 学科交叉是当前极富活力的领域，分子生物学与物理学的交叉分子生物物理学日益受到人们的关注。分子生物物理学是以生物大分子，即主要以核酸和蛋白质及其复合体作为研究对象，力求在分子水平上用物理学的概念、理论与技术来研究生命物质与生命过程。它是结构生物学、分子医学和药学专业的重要基础课程。生物医药是北京工业大学生命科学与生物工程学院科研发展的重要方向之一，开设分子生物物理学课程十分必要。但如何结合学院特色进行该课程的建设，是一个值得思考的问题。先进适合的教学内容建设和恰当的教学方法运用无疑是至关重要的，本文就课程建设中如何把握好这两方面的问题，培养研究生的动手能力，激发他们的创新精神方面，浅谈一些心得和体会，与大家交流。 一、结合学院特色，设计先进的教学内容 恰当先进的教学内容对学生完善的知识框架的构筑，对创新思维的形成具有重要意义。围绕国内外前沿，结合学院特色，笔者希望建设一门具有基础性、宽广性、系统性、实践性和综合性的分子生物物理课程。具体内容包括以下几个方面。 1.蛋白质和核酸的基础知识 蛋白质和核酸是分子生物物理研究的主要对象，是不可忽略的基础知识部分。主要教学内容涵盖：蛋白质和核酸的基本组成、结构层次、分类，维系蛋白质和核酸结构稳定的作用力及其本质，模拟生物大分子的数学物理模型及力场等。 这部分内容中的大部分，生物背景的学生在其本科阶段的生物化学和分子生物学中有所接触，但内容不够深入，学生对此领域的知识没有形成一定的体系。而非生物学科（如数学、物理、化学和计算机）来源的研究生本文由收集整理则对这个领域基本没有了解。因此，课程将全面系统地介绍这部分基础知识，快速补齐部分学生的知识缺口。 此外，将大胆创新，结合国内外最新科研成果和学院的研究课题，系统深入地讲解这部分内容。让学生通过对具体实例和贴近自身研究对象的学习，来理解基本知识，并在今后的工作中灵活应用。如在讲述蛋白质的1-4级结构和结构-功能关系时，将以学院重点课题所涉及的艾滋病病毒整合酶、蛋白酶和gp41蛋白以及某些耐高温蛋白、信号转导蛋白和离子通道蛋白为例，让学生理解各种作用力对分子结构稳定性的影响，对其生物功能发挥的作用；还将介绍如何计算分子内部作用力的大小，如何用统计物理和生物信息学的方法预测这些作用力。抽象的概念和理论，因为有了具体的实例分析，会变得具体、形象和生动，有利于学生的理解，同时有助于他们在具体研究工作中应用这方面的知识。 2.蛋白质-配体相互作用与识别 蛋白质-配体相互作用在分子识别和信号传导中起着重要作用，其研究对计算机辅助药物设计和筛选具有重要意义。该部分内容与学院几个重大科研方向密切相关，因此是课程的教学重点。主要内容包括：分子间相互作用的热力学和动力学过程、分子对接方法、分子柔性的处理和打分函数的研究等。 课程除了讲述以上内容外，还将紧密结合学院病毒药理研究室和笔者所在的分子设计与生物信息研究室的主要研究方向，重点讲述分子对接在药物筛选中的应用。学院已获批的国家973、863等多个抗艾滋病药物研发项目，国际科技合作环境污染物监测项目，都为这部分内容提供了丰富的教学案例和素材，可调动学生学习的积极性，同时配合上机操作，对提高学生理论联系实际、创新思维及动手能力具有重要意义。 总结大全 另外，紧跟科技前沿，还将引入国际CAPRI（Critical Assessment of Prediction of Interactions）复合物结构预测实验内容。讲授历届实验中国外和我们科研小组的最新工作，同时在课余指导学生参加实验，这将是课程的一大突出特色。CAPRI实验是欧洲生物信息学中心举办的，自2001年启动到现在已进行了27届比赛。课题组作为中国高校的首个代表共参加了26届，并应邀参加了在法国、意大利、加拿大和西班牙举办的1-4届CAPRI研讨会。相信这一内容的引入不仅可以大大激发学生学习的兴趣，而且可提高其创新思维和迎接挑战的能力。 3.蛋白质和核酸空间结构预测及功能性运动 蛋白质和核酸对生命活动的维持至关重要，其空间结构和动力学性质决定了它的生物学功能。因此蛋白质和核酸如何形成天然结构，即折叠问题，以及功能性运动问题是分子生物物理中十分重要的内容。其研究对蛋白质工程设计人类需要的生物分子具有重要的科学和实际意义。教学内容包括：蛋白质和核酸折叠的理论基础、折叠模型及方法、折叠的研究热点及有待解决的问题、弹性网络模型、蛋白质和核酸功能性运动及变构研究等。 这部分内容将结合笔者所在研究室的工作来进行。该研究室一直在从事生物分子折叠、空间结构预测及功能性运动方面的研究工作，获得1项国家自然科学基金重大项目子课题、4项国家自然科学基金项目和2项教育部博士点基金项目的资助。曾在国际知名刊物发表相关论文多篇，受到国际同行的认可。另外本研究室还建立了与中国科学院生物物理研究所的合作关系。这些都为这部分内容的建立奠定了良好的基础。 4.研究生物分子系统的物理方法和技术 生物物理技术在分子生物物理中占有特殊地位，它极大地推动了分子生物物理学的发展，是该学科中不可缺少的一个重要组成部分。这部分主要介绍几种研究生物分子体系重要的物理方法和技术，包括核磁共振、圆二色性光谱、紫外-可见吸收光谱、红外与拉曼光谱和原子力显微镜等，同时讲解这些方法和技术在具体生物分子体系研究中的应用。 课程将紧密结合学院生物技术、病毒药理研究室和生物医学工程中心等的主要研究方向，讲述紫外、荧光光谱方法在蛋白质折叠及生物分子识别研究中的应用，圆二色光谱方法在蛋白质二级结构测定中的应用，核磁共振方法在生物分子动力学性质研究方面的应用等。本章与前两部分内容形成了很好的呼应，分别是对同一研究问题从理论和实验两个角度的讲解，这对学生构建该课程完备的知识体系具有重要意义，理论联系实际对其创新性工作的提出形成潜在的影响。 以上课程内容的设置紧跟国际前沿，并与学院的科研项目密切联系，因此该课程的成功建设必定会对学院研究生的培养起到良好的促进和指导作用。同时该领域科研项目的深入开展又会进一步推动该课程内容的更新与调整，形成良性循环。 二、现代教学方法和手段相结合，切实讲好每一堂课 总结大全 要搞好教学，除了教学内容，还要有与其相适应的教学方法和模式的建立。针对分子生物物理学这门课，如何优化教学方法来激发学生学习兴趣，培养他们创新的精神和能力，是笔者孜孜以求的问题。笔者在近年来的教学实践和与老一辈教师的交流中，总结了一些现代教学方法和模式，希望在教学中大胆尝试并不断完善。 1.从头至尾贯穿实践训练，培养学生动手能力 实践教学在人才培养中不可或缺。实践教学最根本的目的就是帮助学生将书本知识运用于生产实践，完成从书本到现实、从理论到实践的飞跃。 从第一节课起，就让学生寻找一个感兴趣的生物分子体系，且这个体系将作为研究对象贯穿整个课程。随着课程的深入，会讲到一系列的方法来研究生物分子的相互作用与识别，折叠及功能性运动等，这涉及一些大型软件包的使用。熟练使用这些模拟软件，无疑对硕士生研究工作的顺利进行十分重要。笔者指导学生逐步应用这些软件到自己感兴趣的体系上，分析获得初步结果。由于所选择的分子是学生感兴趣的体系，所以他们会迫不及待积极主动地去尝试运用这些方法，希望得到一些数据来说明该体系特有的性质。根据情况安排时间让学生与大家分享研究结果。在这一有趣的探索过程中，不仅增强了学生的学习兴趣，让学生体验发现的喜悦，而且可以使他们熟练掌握软件的操作和相关方法的原理。 2.研究性教学，激发学生的求知欲望 在教学中，采用研究性教学方式，重视传授知识形成的过程，将知识得以产生的起因或研究过程展示给学生，开发学生的智慧，激发他们自主学习和探究的动机。另外在此过程中，培养他们敢于向权威挑战的精神，这是创造性人才所需要的重要品质。 研究性教学的关键是研究性教学方案的设计。分子生物物理中一些重要的理论知识都是通过科学实验研究得出的。针对这一情况，通过动画、录像、电影等表现形式，将诸如X-射线衍射的发现、DNA双螺旋结构的证实、蛋白质折叠的Anfinsen原理的提出等展现在学生面前，既有科学性，又有故事性。学生则像科学家一样，以主人公的身份去发现问题、分析问题、解决问题，并在探究过程中获取知识、发展技能、培养创新能力。当学生把被动接受知识的过程变为主动探究获得知识的过程时，就会产生一种成功感，一种极大的求知欲望。另外，实验过程中，科学家从失败到成功的艰辛之旅将成为鼓舞学生勇于探索，攀登科学高峰的永远的精神动力。 3.引入创新性实践教学模式 研究生教学应尤其重视教学与科研的结合。笔者计划将理论联系实际，在课余开展创新性实践教学活动，引入CAPRI实验。方案如下： （1）学生的分组及原始数据的取得。根据学生的兴趣和背景将其分组。笔者及所指导的高年级研究生都可以作为他们所咨询的对象。指导学生上互联网下载实验的题目。 （2）模型的建立。在学生掌握了蛋白质复合物结构预测理论的基础上，引导学生对目前国际上所采用的模型及方法展开深入细致的分析和讨论，鼓励学生大胆发现并指出其中的问题与不足，提出多种可能的解决方案。给学生一定的时间，按小组自行讨论，设计自己的模型，并分组向教师汇报。教师在此基础上给出建议，尽可能帮助建立一套合理、可行的方案。 （3）预测并提交结果。各小组分头进行蛋白质复合物的结构预测，并可与同时期参加预测的教师及高年级学生进行讨论。在一定时间范围内，提交一定数量的结构给教师。考虑到与高年级学生相比，他们的科研能力毕竟有限，因此我们将其获得的结果与高年级参赛学生预测的结果放在一起进行全面的分析，最终确定要提交的10个可能正确的结果。 （4）预测结果的评价。大赛组委会对各小组提交的结果进行评价，并公布预测结果。同时，蛋白质复合物的实验结构也会公开，这样教师就可以通过比较学生的预测结果与实验结构之间的近似程度，对各组学生提交的预测结果给予评判，并公布预测结果。 （5）总结经验，分组汇报，并给予一定的奖励。各小组总结成功与失败的经验，做成PPT向大家汇报，并答辩。教师根据成绩、工作态度和投入情况，计入考试成绩的一部分。对那些成绩较好的小组，教师可以指导其撰写科技