化学生物学——新世纪跨学科人才培养模式改革与实践

【摘要】本文介绍化学与生物学的交叉融合而形成的新兴学科——化学生物学的由来和发展趋势,结合我校创办“化学生物学基地班”的实际,论述新世纪跨学科人才培养模式改革的必要性。

【关键词】化学生物学 学科交叉 人才培养模式改革

【中图分类号】Q67 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08-0036-02

分子科学(化学)与生命科学(生物学)交叉是21世纪自然科学发展的趋势与特色。现代科学技术的发展具有明显的多学科交叉渗透的特点和协同促进的性质,特别是基础研究成为科技与经济发展的推动力以及新学科发展的源泉。自20世纪下半叶以来,化学学科一直处在自然科学的中心位置,但是自然科学的主导学科却在不断的发生变化——生命科学已成为21世纪的主导科学,生命科学将成为各门自然学科共同探索的目标。根据美国学者分析,20世纪60年代以来,世界生产力的增长,其中50-60%归因于生命科学和技术的应用,如转基因作物的推广与应用等。化学家、物理学家、数学家与生物学家携手共同研究生命科学问题成为当今世界自然科学领域的独特景观。特别是化学与生物学的交叉,更具有代表性。以诺贝尔化学奖为例,近20年诺贝尔化学奖60%的得主是因他们以涉及生命科学的研究工作而获得成功的;而诺贝尔医学和生理学奖的得主有40%是出身于化学和物理学学科。由此可见,化学与生物学的交融是当今自然科学发展的一大潮流。历史上化学与生物学的两次重大的交叉融合,分别导致两门新兴的交叉学科生物化学和化学生物学的诞生,极大地促进了生命科学的飞速发展,推动了人类社会的进步。

1 化学生物学的诞生和发展

化学生物学(Chemical Biology)是化学与生物学第二次重大交融而形成的交叉学科,是上世纪90年代中期形成的新兴研究领域。最初由哈佛大学的Schreiber博士和Scripps研究所的Schultz博士分别在美国东西海岸发起。20世纪80年代以来,随着生命科学、材料科学和生物技术等研究领域的发展,诞生了一大批边缘学科,化学生物学就是其中之一。化学生物学是用化学的理论、研究方法和手段从分子水平去探索生物医学问题的一个新的研究领域。它融合了化学、生物学、物理学、信息科学等多个相关学科的理论,以及传统的天然产物化学、生物有机化学、生物无机化学、生物化学、药物化学、晶体化学、波谱学和信息化学等学科的特点和研究方法,从更深层面去研究生命现象和生命过程。以分子为基础去研究和了解生物大分子之间的相互作用、化学小分子与生物大分子之间的相互作用,以及这些作用对生命体系的调节、控制等方面已成为化学生物学研究领域的热点。

毫无疑问,化学生物学是继生物化学、分子生物学之后,20世纪化学与生物两大学科的又一次新的、更高层次的交叉与融合,它是由化学、生物和医学全面交叉结合的新兴学科,是一门利用化学,特别是有机化学知识来探索和调控生命及其过程;利用生物学技术促进化学自身发展,衍生新理论、新反应和新技术的新兴学科。但是,它与生物化学、分子生物学之间存在着明显差别。生物化学主要任务在于寻求用分子的语汇描述生命体的结构、组织和功能,研究生命体成分的化学结构以及生物功能与结构的关系,生命体中发生的化学反应,储存并传递决定生物体生长和精确地复制自己的生物信息的过程及物质的化学等等。分子生物学侧重采用定点突变的方法来改变生物大分子如蛋白质和核酸的功能,主要研究生物大分子(蛋白质、核酸)的结构与功能及其相互关系,以及用这些关系来阐明生命活动的本质。化学生物学是20世纪90年代中期发展起来的前沿学科,化学生物学的核心则是研究采用化学的手段,如运用小分子或人工设计合成的分子作为配体直接改变生物分子的功能,采用小分子达到对生物体系的调控。化学生物学研究一般都是从对生物体的生理或病理过程具有调控作用的小分子生物活性物质开始,研究其结构,发现其在生物体中的靶分子,研究这些物质与生物体靶分子的相互作用,进一步采用化学方法改造其结构,创制具有某种特异性质的新颖生物活性物质,探讨其结构与活性关系和作用机制,阐明生理或病理过程的发生、发展与调控机制,揭示生命过程的秘密,并进一步从中发展出新的诊断与治疗方法或药物。它结合了生物有机化学、生物化学、药物化学、晶体化学和计算机化学等多学科的先进研究方法和手段,从而大大拓宽了研究领域。

化学生物学与药物技术将成为21世纪最具发展前景产业的知识源。由于化学生物技术的巨大发展潜力,世界各国竞相开发生物化工技术。化学生物学高科技产业已经显示出强劲的发展势头,并将成为21世纪最主要的产业之一,化学生物学经济也将成为21世纪的主要增长点之一。正如美国前斯坦福大学校长威廉米勒所说:未来化学生物科技与信息科技的整合,以及纳米技术的研发将成为科技发展的主流。化学生物学作为一门新兴交叉前沿学科,它的发展不仅会给生物医学带来新的变革,同时也会给生命科学的其它相关学科,如医药、农业、环境带来新的发展机遇。化学生物学专门人才的需求必将日益增加,培养适应新形势下社会发展需要的化学生物学专门人才势在必行。

2 化学生物学交叉学科人才培养模式改革

从当代分子科学(化学)和生命科学(生物学)的国内外发展趋势和社会发展需求出发,面向新世纪人才培养目标(宽口径、厚基础、重实践、求创新),运用现代教育理念、思想和方法分析、比较和研究国内外化学与生物学交叉学科本科教育在分子科学及生命科学领域内人才培养中的作用、地位及存在的主要问题,探讨和摸索“化学生物学”交叉学科人才培养新模式,并进行相应课程体系、教学内容和教学方法改革的研究与实践十分必要。

20世纪后期,以生命科学、信息科学、材料科学为重要标志的科学技术革命飞速发展,学科领域不断分化,呈现高度交叉和综合发展的趋势,新兴、交叉、边缘学科不断涌现。现代科技发展的趋势必将给高等学校的教学工作带来深刻的影响,这使得传统意义上的人才培养模式、课程体系和教学内容、教学方法和手段等面临改革的机遇和挑战。针对目前形势,构建21世纪人才所需的合理知识结构和能力结构框架,化学学院与生命科学学院联合开办了“化学生物学基地班”。实行化学和生物学一级学科的交叉,拓宽学生知识面,培养出适应21世纪需要的复合型、研究型人才。化学生物学基地班以农药与化学生物学教育部重点实验室(人才培养基地)为依托,努力尝试七年制学士-硕士-博士培养模式。为我校和社会培养输送高素质科学研究人才。

围绕上述教学模式的改革,我们进行了相关专业建设、课程建设、课程体系、教学内容的全面改革以及新世纪人才培养计划的修订。真正实现宽口径、厚基础、重实践、求创新的培养目标。

3 完善课程体系与教学内容的改革

建立和完善在化学和生物学一级学科交叉平台上的"化学生物学"专业的理论与实验教学课程体系。基地班除学校公共的通识基础课外,还设置学科基础课程(包括无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学、普通生物学、生物化学、分子细胞生物学、遗传学)和专业课程。特别注重学科基础课程的教学改革,将化学基础(如无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学、分子模拟)与生物学基础学科(如生物化学、分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学、生理学、生物信息学、计算生物学等)的理论教学内容有机地结合起来,避免教学内容简单的重复与交叉。

建立完善的本科基础实验教学中心运行机制,充分利用两院资源优势。同时,加大配套投入,改善实验条件和更新仪器设备。尽量创造条件,为基地班学生多开设综合性设计实验。着重培养学生的动手能力和创新能力。要求学生掌握常用实验技能(包括生化技术、分子生物学技术、基因克隆技术、合成技术、分子模拟技术、仪器分析技术、基因芯片技术、蛋白质组技术等),为进入研究生学习深造打下良好的基础。

4 注重学生科研能力的培养

化学生物学知识面广,需要有广泛的自然科学根基。同时它又是实践性非常强的学科,需要理论与实践的密切联系,这样才能帮助学生加深理解基本知识,增长基本技能。近年来,本学科不断发展,新技术和新方法不断涌现。为了培养适应21世纪高素质化学生物学专门技术人才,我们特别注重实验教学,让学生学习和掌握化学生物学相关的基本技能和实验方法,培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力。充分利用两院资源优势,尽可能多的为基地班学生开设设计性实验。同时,采用两项措施为基地班学生提供更多的动手机会。一是实施本科生科研立项:从三年级开始直至毕业,开展大学生科研立项活动,让学生进入研究室或实验室接受科研基本技能的训练,拓宽思维空间,培养创新能力。二是实行本科生导师制:基地班学生一旦进入实验室,科研的全过程均在导师的指导下参与导师课题组的科研工作。这样,极大的提高了学生的学习兴趣和动手能力。收到了良好的效果。

总之,教学改革是一项长期的任务,跨学科人才培养模式的改革是一项有益的探索。通过上述各项改革措施包括教学模式的改革、课程体系与教学内容的改革、以及对基地班学生科研能力的培养,努力达到宽口径、厚基础、重实践、求创新的培养目标。将化学的基础学科与生物学的基础学科有机地结合起来,真正形成有特色的“化学生物学”专业的人才培养方案和课程体系。实行化学、生物学一级学科交叉,促进化学生物学学科的发展,培养适应21世纪社会需求的复合型、研究型人才。学科的发展是迅速的,化学生物学尤其如此。为了适应学科的发展,适应新世纪对化学生物学技术人才的要求,我们会不断探索化学生物学人才培养模式,努力提高教学质量,为给国家培养出更多的高层次化学生物学专门人才而不懈努力。

参考文献

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