21世纪生命科学的研究进展和发展趋势 20世纪后半叶生命科学各领域所取得的巨大进展，特别是分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化。很多科学家认为，在未来的自然科学中，生命科学将要成为带头学科，甚至预言21世纪是生物学世纪，虽然目前对这些论断还有不同看法，但勿庸置疑，在21世纪生命科学将继续蓬勃发展，生命科学对自然科学所起的巨大推动作用，决不亚于19世纪与20世纪上半叶的物理学。假如过去生命科学曾得益于引入物理学、化学和数学等学科的概念、方法与技术而得到长足的发展，那么，未来生命科学将以特有的方式向自然科学的其他学科进行积极的反馈与回报。当21世纪来临的时候，一些有远见的科学家、思想家与政治家将日益严重的诸多人类社会问题，如人口、地球环境、食物、资源与健康等重大问题的解决，莫不寄希望于生命科学与生物技术的进步。 2· 08·生命科学将成为21世纪自然科学的带头学科 20世纪50年代DNA双螺旋结构模型的发现，随后遗传信息传递“中心法则”的确立与DNA重组技术的建立使生命科学的面貌起了根本性的变化。分子生物学与遗传学的结合将用10一15年测定出人类基因组30亿个碱基对（遗传密码）的全序列，人体细胞约有10万个基因。人类基因组的“工作草图”迄今20％的测序已达的准确率和完成率，今后将要继续发现与阐明大量新的重要基因，诸如控制记忆与行为的基因，控制细胞衰老与程序性死亡的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病有关的基因。将利用这些成果去为人类健康服务。 70年代后，分子生物学的发展，以基因工程为代表的生物工程的出现，生物技术通过对DNA链的精确切割与有目的地重组，使有目的地改良生物的性状与品质成为可能。迄今生物工程所取得的成就已在生产上显示出诱人的前景，尽管还存在有不少争议的问题，但很有可能成为21世纪的新兴产业。 发育生物学将要快速地兴起，它将要回答无数科学家100多年来孜孜以求而未解决的重大课题，一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为结构与功能无比复杂的个体，阐明在个体发育中时空上有条不紊的程序控制机理，从而为人类彻底控制动植物生长、发育创造条件。 RNA分子既有遗传信息功能又有酶功能的发现，为数十年踏步不前的难题“生命如何起源”的解决提供了新的契机。在21世纪，人们还要试图在实验室人工合成生命体。人们己有可能利用生物技术将保存在特殊环境中的古生物或冻干的尸体的DNA扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物的基因库，研究生物的进化与分类问题。 神经科学的崛起，预示着生命科学又一个高峰的来临。脑是含有1011细胞的无比复杂的高级结构体系，21世纪初从分子到行为水平的各个层次对脑功能的研究都将有重大突破，在阐明学习。记忆。思维。行为与感情机理等方面也将有重大进展。脑机能在理论上的进展将会促进新一代智能计算机的研制，这可能成为未来生命科学对自然科学与技术科学回报的最好例子。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务并对国民经济持续与协调发展起重要作用的科学。生态学的理论与实践为中国三峡水库建设提供的决策依据就是一个例证。保护生物的多样性是当前生命科学最紧迫的任务之一。据可靠的数据说明每天约有100多种生物在地球上绝灭，很多生物在没有被人类认识以前就已消亡，这对人类无疑是一种灾难。生态学与生物多样性保护与利用的研究成果将指导人类遵循自然规律积极保护自己生存环境，否则人类的物质文明与精神文明都要受到灾难性影响。 顺应生命科学迅速发展的形势，发达国家政府及一些国际组织先后提出了《国际地圈及生物圈计划》、《人类基因组作图与测序计划》、《人类前沿科学计划》、《脑的十年》及《生物多样性利用与保护研究》等投资巨大的生命科学研究计划。其中仅《人类基因组作图与测序计划》，一项预算就高达30亿美元。 由于生命科学的发展，人才的需求量激增，近年除越来越多的物理学家，化学家与技术科学家被吸引到生物学研究领域外，以美国为例，近年统计48万博士学位获得者中从事生命科学的占51％。优秀青年科学家流向生命科学前沿，这是21世纪生命科学欣欣向荣的动力与源泉。 2． 08． 2 21世纪初生命科学的重大分支学科和发展趋势 80年代有远见的生物学家把分子生物学（包括分子遗传学）、细胞生物学、神经生物学与生态学列为当前生物科学的四大基础学科，无疑是正确地反映了现代生命科学的总趋势。遗传学（主要是分子遗传学）不仅当前是生物科学的带头学科，在今后多年还将保持其在生命科学中的核心作用。 有些科学家早就预测到，由于分子生物学、细胞生物学与遗传学的结合，必然促进发育生物学的蓬勃发展，从而提出发育生物学将成为21世纪生命科学的“新主人”，这种预测已逐渐变为现实。 分子生物学（包括分子遗传学）在生命科学中的主流地位，以及它在推动整个生命科学发展中所起的巨大作用是无可争辩的。细胞是生命活动基本的结构与功能单位，细胞生物学作为生物科学的基础学科地位必须给予重视。 很多生物科学家认为神经科学或脑科学的崛起将代表着生命科学发展的下一个高峰，然后将促进认知科学与行为科学的兴起。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务，井对国民经济持续与协调发展起重要作用的学科。 A.分子生物学 分子生物学是在分子水平上研究生命现象本质与规律的学科。核酸与蛋白质（有人认为还有糖）是生命的最基本物质，因此核酸与蛋白质结构与功能的研究今后仍然是分子生物学研究的主要内容。蛋白质是生命活动的主要承担者，几乎一切生命活动都要依靠蛋白质（包括酶）来进行。蛋白质分子结构与功能的研究除了要阐明由氨基酸形成的并有一定顺序的肽链结构外，今后将特别重视肽链拆叠成的特定的三维空间结构，因为蛋白质生物功能与它的空间构型关系极为密切，核酸是遗传信息的携带者与传递者，遗传信息由DNA～RNA一蛋白质的传递过程，称为遗传信息传递的“中心法则”，是分子生物学（分子遗传学）研究的核心。其基本问题己比较清楚，当前研究的重点是： ①约经10一15年，人类基因组30亿个碱基对全序列（遗传密码）可以测出，这是具有里程碑意义的工作； ②真核生物基因表达过程在各层次上调节的研究仍然是今后相当长一段时间的任务。 分子生物学的概念、方法与技术和各学科的渗透，正在形成很多新的学科，诸如分子遗传学、细胞分子生物学、神经分子生物学、分子分类学、分子药理学与分子病理学等等。因此分子生物学在生命科学中的主导作用还将要持续下去。 B.遗传学 遗传学比分子生物学更具有自己独立的学科体系。但现代遗传学与分子生物学是不可分割、相互交叉的两个学科，且很难截然分开。 有些著名的遗传学家把遗传学概括称为基因学，因为现代遗传学主要是研究生物体遗传信息传递与表达的学科。基因携带的信息是由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能实现的，因此遗传学研究的是基因的结构与功能。从遗传学的角度看，所有生命现象的机制，追根究底都会与基因的结构与功能相关。因此遗传学在今后较长时间仍然是生命科学的核心学科和推动力。 有人估计人体细胞内约有10万个基因，迄今弄清楚的不到5％，所以与重要生命活动有关与疾病有关的新基因的发现与阐明将是今后几十年的重要任务。 C.细胞生物学 著名生物学家威尔逊（Wilson）早在20世纪20年代就提出一句名言“一切生物学关键问题必须在细胞中找寻”，至今还有着很深的内涵。魏斯曼与摩尔根都曾先后试图在细胞研究的基础上建立遗传、发育与进化统一的理论，虽然当时没有找到具体解决的途径，但关于细胞的知识在生物科学中的重要性是显而易见的。细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位，细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学，细胞的结构。细胞代谢、细胞遗传、细胞的增殖与分化，细胞信息的传递与细胞的通讯等是细胞生物学主要研究内容。虽然今后细胞生物学研究的内容是全方位的，但概括起来可能是两个基本点： 一是基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动，如生长、增殖、分化与衰老等，在此要涉及到一个全新的问题，细胞内外信号如何传递；二是基因产物一一蛋白质分子与其他生物分子如何构建与装配成细胞的结构，并行使细胞的有序的生命活动。 今后20多年，以下一些问题可望取得重要进展与突破： ①遗传信息的储存、复制与表达的主要执行者——染色体的结构与功能可能在不同的结构层次上得到阐明。 ②细胞骨架（包括核骨架与染色体骨架）的研究将得到全方位的进展。 ③细胞生物学与分子生物学、遗传学的结合，将在细胞分化机理研究方面有重要突破，为发育生物学快速发展奠定基础。 ④细胞衰老与细胞程序化死亡的机理将在更深层次上阐明。 ⑤以细胞分子生物学为骨干学科与其他学科结合，人工装配生命体的理想可能逐步 实现。 D．发育生物学 从一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为一个结构与功能复杂的个体，是至今未能解决的生命科学的重大课题，也是发育生物学的主课题。由于近几十年分子生物学、遗传学与细胞生物学所取得一一系歹（突破性成果与知识的积累，已为解决这一重大课题创造了条件，这也就是今后发育生物学应运而飞速发展的原因。 发育生物学当今要解决的基本问题是细胞的基因如何按一定的时空关系选择性地表达专一性的蛋白质，从而控制细胞的分化与个体发育。阐明基因在多层次水平上控制胚胎的发育就不仅是涉及到个别基因的问题，而是一系列调节基因在时空上的联系与配合，从而支配发育的程序。虽然这是难度极大的课题，但近年已初见端倪并有所突破。估计今后发育生物学将沿着这条道路深入下去，并可望取得丰硕的成果。 E．神经科学（或脑科学） 神经科学是研究人与动物神经系统（主要是脑）的结构与功能，在分子水平、神经网络水平、整体水平乃至行为水平阐明神经系统特别是脑的活动规律的学科群。脑的结构与功能是无比复杂的高级体系，含有10 11细胞。它是感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维的活动基础。大脑细胞，口何指导人与动物的行为是未来生物学中最富潜力与最吸引人的领域；神经科学的崛起，预示着生命科学又有一个高峰的来临。神经科学或脑科学必然在下世纪促进认知科学与行为科学的兴起。因此各国政府投入巨资支持这一课题，包括美国总统签署的“命名1990年1月1日为脑的10年”不是没有道理的。 在今后几十年内可以预示到的神经科学突破性的进展可能包括： ①在分子到行为的各层次上阐明学习、记忆与认知等活动的基础； ②很快会发现与阐明一系列与记忆、行为有关的基因与基因产物； ③神经细胞的分化与神经系统的发育研究会有重大进展； ④脑机能在理论上的进展与突破（如模式识别、联想记忆、思维逻辑机理的阐明）会 促进新一代智能计算机与智能机器人的研制； ⑤一系列神经性疾病与精神病的病因可望在神经生物学研究中得到解释。 F．主态学（包括物种多样性保护研究） 生态学是研究有机体与周围环境——包括非生物环境与生物环境相互关系的科学。 由于生态学理论与应用是与世界环境保护。资源合理开发与保护，以至人类本身在地球上继续生存紧密相关的，尤其是地球环境日益恶化的情况下，生态学的重要性就变得十分突出。未来生态学的主要任务是协调人类活动与环境的关系。所以生态学经典学科的概念与研究内容必然要适应人类生存环境的保护与社会经济持续发展的要求而不断改变。 今后生态学研究的重点可能表现在以下方面： ①生态群落的多样性、稳定性与演变规律与人类活动的关系； ②全球气候变化对生态系统结构与功能的影响； ③生物多样性的保护和永续利用也是保护人类自身生存环境尤其是拯救濒临绝灭的 生物种类更加具有紧迫性； ④城市生态学与经济生态学将迅速发展； ⑤生态工程与生态技术将在国民经济建设中发挥作用。 G．空间生命科学 空间环境向生命科学提出了新的挑战，也为生命科学的发展提供了机遇。 21世纪人类的空间活动将要离开地球附近，探索月球及其他太阳系的大体。这就要求人在地球外各种环境中能长期地生活和工作，首先是在，长期空间飞行器中航行，月球站以及火星或火卫站等，空间医学必须有重大突破，解决长期在地外空间所遇到的宇航员骨质疏松，肌肉萎缩和兔疫功能变化等生理学难题，同时，与开拓大疆相关联的是受控生态系统，创造一个不需要外界补给，而使人们能在其中长期生活的环境。这些问题有希望在21世纪20一30年代解决，其中空间生理学问题有可能利用中医和中药的方法取得某些重大突破。 地球外层空间为研究重力生物学提供了理想的条件，重力条件对各种层次结构生物的影响仍然是21世纪重力生物学的主题，今后的研究重点将集中于细胞，绿色植物，一些微生物和小动物。特别是重力环境对哺乳动物细胞形态、结构、变异和基因表达的影响将是一个热点。重力生物学的学术意义在于揭示重力效应在生物进化过程中的作用，是自然科学的基本问题；另一方面，重力生物学的成果将是空间制药及空间生态系统等应用领域的基础，重力生物学的学术和应用都是下个世纪的重要课题，可望在21世纪20-30年代取得突破性的进展。 地外生物探索是生命起源的重大课题，其中地球以外的智能生物探索是一个长期的 课题。地球上的人类正在向外层空间发射电波和接收讯号。外星人与地球人之间可能存在的学术和技术差距不仅是一种危险，也是自然科学的重大前沿问题，将被持续地研究下去。 2． 08． 5 21世纪初生命科学最有可能突破的领域 ①人类基因组的全序列（遗传密码）将在10一15年测定完毕，为全部遗传信息的破译奠定基础。 ②与生命活动有关的重要基因与重要疾病有关的基因将被陆续发现，其中特别引人注目的是控制记忆与行为的基因、控制衰老与细胞程序性死亡的基因、控制细胞增殖的系列基因、胚胎发育多层次网络调节基因。新的癌基因与抑癌基因的发现与其生物学功能的释明将大大提高对生命本质的了解。 ③人与动物的高级生命活动：感知、思维、记忆、行为与感情的发生与活动机制在脑科学研究突破的基础上，有更深的认识。 ④癌症的治疗将有全面的突破，爱滋病的防治得到控制。 ⑤在阐明地球上原始生命起源的基础上，人类还可能在实验室合成生命体，这种生命体应具有原始细胞的基本特征。
李宝键教授在“展望21世纪的生命科学”一文中谈到基因组研究计划研究重要性时，引用《Scinence》上“第三次技术命革”中的一句话：“下一个传大时代将是基因组革命时代，它正处于初期阶段。”在当前的研究水平上，只要涉及生命体重要现象的课题，几乎离不开对基因及其作用的分析。2000年6月26日，英美两国首脑会同公私两大人基因组测序集团向世人正式宣告，人基因组的工作草图已绘制完成。科学家把这作为生命科学进入新时代的标志，即后基因组时代(post-genome era)。因此有必要对基因组及其研究内容和进展作一个了解。1基因组学及其研究内容基因组(GENOME)一词是1920年Winkles从GENes和chromosOMEs组成的，用于描述生物的全部基因和染色体组成的概念。1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构，标志分子生物学的诞生，随着各学科的发展，当前生物学研究进入新的进代，在生物大分子水平上将不同的研究技术和手段有机的结合以攻克生物学难题。基因组研究可以理解为：(1)基因表达概况研究，即比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病状态，以及体外培养的细胞中基因表达模式的差异，技术包括传统的RTPCR，RNase保护试验，RNA印迹杂交，但是其不足是一次只能做一个。新的高通量表达分析方法包括微点阵(microarrary)，基因表达序列分析(serial analysis of gene expression，SAGE)，DNA芯片(DNA chip)等；(2)基因产物-蛋白质功能研究，包括单个基因的蛋白质体外表达方法，以及蛋白质组研究；(3)蛋白质与蛋白质相互作用的研究，利用酵母双杂交系统，单杂交系统(one-hybrid system)，三杂交系统(thrdee-hybrid system)以及反向杂交系统(reverse hybrid system)等。1986年美国科学家Thomas Roderick提出了基因组学(Genomics)，指对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。因此，基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学(structural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics)。结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，以建立生物体高分辨率遗传、物理和转录图谱为主。功能基因组学代表基因分析的新阶段，是利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能，它以高通量、大规模实验方法以及统计与计算机分析为特征。随着1990年人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)的实施并取得巨大成就，同时模式生物(model organisms)基因组计划也在进行，并先后完成了几个物种的序列分析，研究重心从开始揭示生命的所有遗传信息转移到从分子整体水平对功能的研究上。第一个标志是功能基因组学的产生，第二个标志是蛋白质组学(proteome)的兴起。2 结构基因组学研究内容结构基因组学(structural genomics)是基因组学的一个重要组成部分和研究领域，它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。遗传信息在染色体上，但染色体不能直接用来测序，必须将基因组这一巨大的研究对象进行分解，使之成为较易操作的小的结构区域，这个过程就是基因作图。根据使用的标志和手段不同，作图有三种类型，即构建生物体基因组高分辨率的遗传图谱、物理图谱、转录图谱。遗传图谱通过遗传重组所得到的基因在具体染色体上线性排列图称为遗传连锁图。它是通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定他们的相对距离，一般用厘摩(cM，即每次减数分裂的重组频率为1%)来表示。绘制遗传连锁图的方法有很多，但是在DNA多态性技术未开发时，鉴定的连锁图很少，随着DNA多态性的开发，使得可利用的遗传标志数目迅速扩增。早期使用的多态性标志有RFLP(限制性酶切片段长度多态性)、RAPD(随机引物扩增多态性DNA)、AFLP(扩增片段长度多态性)；80年代后出现的有STR(短串联重复序列，又称微卫星)DNA遗传多态性分析和90年代发展的SNP(单个核苷酸的多态性)分析。物理图谱物理图谱是利用限制性内切酶将染色体切成片段，再根据重叠序列确定片段间连接顺序，以及遗传标志之间物理距离［碱基对(bp)或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)的图谱。以人类基因组物理图谱为例，它包括两层含义，一是获得分布于整个基因组30 000个序列标志位点(STS，其定义是染色体定位明确且可用PCR扩增的单拷贝序列)。将获得的目的基因的cDNA克隆，进行测序，确定两端的cDNA序列，约200bp，设计合成引物，并分别利用cDNA和基因组DNA作模板扩增；比较并纯化特异带；利用STS制备放射性探针与基因组进行原位杂交，使每隔100kb就有一个标志；二是在此基础上构建覆盖每条染色体的大片段：首先是构建数百kb的YAC(酵母人工染色体)，对YAC进行作图，得到重叠的YAC连续克隆系，被称为低精度物理作图，然后在几十个kb的DNA片段水平上进行，将YAC随机切割后装入粘粒的作图称为高精度物理作图.转录图谱利用EST作为标记所构建的分子遗传图谱被称为转录图谱。通过从cDNA文库中随机条区的克隆进行测序所获得的部分 cDNA的5＇或3＇端序列称为表达序列标签(EST)，一般长300～500bp左右。一般说，mRNA的3＇ 端非翻译区(3＇-UTR)是代表每个基因的比较特异的序列，将对应于3＇-UTR的EST序列进行RH定位，即可构成由基因组成的STS图。截止到1998年12月底，在美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库中分布的植物EST的数目总和已达几万条，所测定的人基因组的EST达180万条以上。这些EST不仅为基因组遗传图谱的构建提供了大量的分子标记，而且来自不同组织和器官的EST也为基因的功能研究提供了有价值的信息。此外，EST计划还为基因的鉴定提供了候选基因(candidantes)。其不足之处在于通过随机测序有时难以获得那些低丰度表达的基因和那些在特殊环境条件下(如生物胁迫和非生物胁迫)诱导表达的基因。因此，为了弥补EST计划的不足，必须开展基因组测序。通过分析基因组序列能够获得基因组结构的完整信息，如基因在染色体上的排列顺序，基因间的间隔区结构，启动子的结构以及内含子的分布等。3功能基因组学研究功能基因组学(functional genomics)又往往被称为后基因组学(postgenomics)，它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。这是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入基因组动态的生物学功能学研究。研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。基因的功能包括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与形态建成等采用的手段包括经典的减法杂交，差示筛选，cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的分析。新的技术应运而生，包括基因表达的系统分析，cDNA微阵列，DNA芯片等。鉴定基因功能最有效的方法是观察基因表达被阻断或增加后在细胞和整体水平所产生的表型变异，因此需要建立模式生物体。比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。利用模式生物基因组与人类基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，克隆人类疾病基因，揭示基因功能和疾病分子机制，阐明物种进化关系，及基因组的内在结构。目前从模式生物基因组研究中得出一些规律：模式生物基因组一般比较小，但编码基因的比例较高，重复顺序和非编码顺序较少；其G+C%比较高；内含子和外显子的结构组织比较保守，剪切位点在多种生物中一致；DNA 冗余，即重复；绝大多数的核心生物功能由相当数量的orthologous蛋白承担；Synteny连锁的同源基因在不同的基因组中有相同的连锁关系等。模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能，利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因，利用模式生物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。 此外，可利用诱变技术测定未知基因，基因组多样性以及生物信息学（Bioinformatics）的应用。4蛋白质组学研究基因是遗传信息的携带者，而全部生物功能的执行者却是蛋白质，它有自身的活动规律，因而仅仅从基因的角度来研究是远远不够的，必须研究由基因转录和翻译出蛋白质的过程，才能真正揭示生命的活动规律，由此产生了研究细胞内蛋白质组成及其活动规律的新兴学科——蛋白质组学（proteomics）。蛋白质组（proteome）是由澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams于1994首先提出，并见于1995年7月的“Electrophonesis”上，指全部基因表达的全部蛋白质及其存在方式，是一个基因、一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分，蛋白质组学是对不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体的研究。它从蛋白质水平上探索蛋白质作用模式、功能机理、调节控制以及蛋白质群体内相互作用，为临床诊断、病理研究、药物筛选、药物开发、新陈代谢途径等提供理论依据和基础。 蛋白质组学旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式，内容包括鉴定蛋白质表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用方式等。它不同于传统的蛋白质学科，是在生物体或其细胞的整体蛋白质水平上进行的，从一个机体或一个细胞的蛋白质整体活动来揭示生命规律。但由于蛋白质具有多样性和可变性，复杂性，低表达蛋白质难以检测等，应该明确其研究的艰难性。总体上研究可以分为两个方面：对蛋白质表达模式（或蛋白质组成）研究，对蛋白质功能模式（目前集中在蛋白质相互作用网络关系）研究。对蛋白质组研究可以提供如下信息：从基因序列预测的基因产物是否以及何时被翻译；基因产物的相对浓度；翻译后被修饰的程度等。由于蛋白质数目小于基因组中开放阅读框（ORF, open reading frame）数目，因此提出功能蛋白质组学（functional proteomics），功能蛋白质指在特定时间、特定环境和试验条件下基因组活跃表达的蛋白质，只是总蛋白质组的一部分。功能蛋白质组学研究是位于对个别蛋白质的传统蛋白质研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质研究之间的层次，是细胞内与某个功能有关或某种条件下的一群蛋白质。对蛋白质组成分析鉴定，要求对蛋白质进行表征化，即分离、鉴定图谱化，包括两个步骤：蛋白质分离和鉴定。双向凝胶电泳（2-DGE）和质谱（MS）是主要的技术。近年来，有关技术和生物信息学在不断并迅速开发和发展中。蛋白质组研究技术体系包括：样品制备；双向聚丙烯酰胺凝胶电泳（two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis,2-D PAGE）；蛋白质的染色；凝胶图像分析；蛋白质分析；蛋白质组数据库。其中三大关键是：双向凝胶电泳技术、质谱鉴定、计算机图像数据处理与蛋白质数据库。5与基因组学相关学科诞生随着基因组学研究的不断深入，人类有望揭示生命物质世界的各种前所未知的规律，完全揭开生命之谜，进而驾驶生命，使之为人类的社会经济服务。基因组研究和其它学科研究交叉，促进一些学科诞生，如营养基因组学（nutritional genomics），环境基因组学（environmental genomics），药物基因组学（phamarcogenomics），病理基因组学（pathogenomics），生殖基因组学(reproductive genomics)，群体基因组学(population genomics)等。其中，生物信息学正成为备受关注的新型产业的支撑点。生物信息学是以生物大分子为研究，以计算机为工具，运用数学和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象、组织和分析呈指数级增长的生物信息数据的一门科学。研究重点体现在基因组学和蛋白质两个方面。首先是研究遗传物质的载体DNA及其编码的大分子量物质，以计算机为工具，研究各种学科交叉的生物信息学的方法，找出其规律性，进而发展出适合它的各种软件，对逐步增长的DNA 和蛋白质的序列和结构进行收集、整理、发布、提取、加工、分析和发现。由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。其关注的研究热点包括：序列对比，基因识别和DNA序列分析，蛋白质结构预测，分子进化，数据库中知识发现（Knowledge Discovery in Database, KDD）。这一领域的重大科学问题有：继续进行数据库的建立和优化；研究数据库的新理论、新技术、新软件；进行若干重要算法的比较分析；进行人类基因组的信息结构分析；从生物信息数据出发开展遗传密码起源和生物进化研究；培养生物信息专业人员，建立国家生物医学数据库和服务系统［5］。20世纪末生物学数据的大量积累将导致新的理论发现或重大科学发现。生物信息学是基于数据库与知识发现的研究，对生命科学带来革命性的变化，对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的影响。邹承鲁教授在谈论21世纪的生命科学时讲到，生物学在20世纪已取得巨大的发展，数理科学广泛而又深刻地深入生物学的结果在新的高度上揭示了生命的奥妙，全面改变了生物学的面貌。生物学不仅是当前自然科学发展的热点，进入21世纪后将仍然如此。科学家称21世纪是信息时代。生物科学和信息科学结合，无疑是多个学科发展的必然结果。
你们学校没有CNKI吗？？那里面你要的文章用卡车装。
生物化学对医学生而言是一门比较难的课程，实验教学对于一门课程的教学效果发挥着重要作用。下面是我为大家整理的生物化学论文，供大家参考。
基础医学专业是我校为适应我国医学科学和医疗卫生事业发展而新开设的专业，目的是为培养具有创新精神、综合素质高、知识面广、扎实的基础医学科学和生命科学基本理论知识和实验技能，并有较强的继续学习和发展潜力，将来能够在高等医学院校、医院和医学科研机构等部门从事基础医学各学科的教学、临床医学实验及科学研究工作的医学专门人才[1]。生物化学是从分子水平研究生命现象、本质及其活动规律的科学，是生物学、医学等生命科学领域至关重要的基础课程。同时生物化学作为一门以实验为基础的学科，具有很强的实践性。因此，生物化学是基础医学专业学生非常重要的一门必修课，是将来独立进行科研和教学的有力保证[2]。如何建立适合基础医学专业的生物化学教学模式，对现有课程进行调整与优化，适应该专业创新型人才培养要求，是生物化学专业教师亟须认真思考和积极探索的问题。
目前，医学院校的传统生物化学理论和实验教学的主要模式、内容以及存在的问题如下:
①理论课程方面:在本课程的教学中，授课教师主要以多媒体课件的形式进行授课，教师讲，学生听，却不利于实际工作能力的培养。在教材使用方面，基础医学专业与临床医学专业使用同样的教材，无法满足基础医学专业培养的需要。另外英语授课的比例不高。多年来，在对生物化学的授课过程中，无论是理论课还是实验课，课件和参考资料中除了专业名词做了英语注解外基本上都是中文，课堂上也是以中文授课为主，不利于提高学生查阅英文文献、英文论文的撰写以及英语学术交流的能力。
②实验课程方面:实验课内容不能满足培养学生整体科研思维的需要。部分实验内容陈旧过时，不少生化实验仍然采用已经被淘汰的技术 方法 ，与生物化学的理论发展完全脱节，与临床实践也毫无联系，因此这些实验需彻底摈弃更换。另外实验教学模式大都是课前实验技术人员做好准备，上课时教师照本宣科讲解实验原理、操作步骤和注意事项，学生“照方抓药”式进行实验操作、最后完成实验 报告 。整个实验模式貌似紧凑完善，但学生思维参与度不高，很多时候都是应付差事似的操作，这样的教学突出实验技术的过程，而学生不能完全掌握知识的连贯性，无法熟练地运用这些技术解决问题，不利于培养学生的科研思维能力。
因此，如何改革实验课教学内容和方法，提高学生的主观能动性也是需要正视的一个问题。我校基础医学专业开设了生物化学以及高级生物化学两门相关课程。我们结合基础医学专业的培养目标和学生的基础，从以下几个方面进行优化和调整，让学生在有限的时间里学好这门课程的基本知识，为今后的实际运用打下坚实的基础。
1全面优化调整教学内容
理论教学要制定合适的教学指导思想和教学内容
基础医学专业的生物化学在二年级的第一学期开课，高级生物化学在三年级的第一学期开课。前者主要侧重于基础理论的阐明，后者主要侧重于学科的前沿进展和技术。在教学指导思想上，强调基础理论-临床科研知识体系的构建。课程首先介绍生物化学的发展简史和现状，帮助建立一个基本的理论框架。接着具体讲授生物化学基础知识内容，完善基础知识结构体系，然后在临床案例和科研论文情境中讲解各种疾病或技术， 总结 和提炼具体案例中的研究思想和设计思路，培养学生的科研思维和运用知识的能力。在教学内容上，主要包括以下几个部分。①生物化学以及分子生物学基础知识:生物大分子的结构和功能、物质的代谢与调节、遗传信息的传递和调控，对于这部分内容，采用多媒体对基本内容进行详细、重点的讲解。部分内容采用互动式教学，让学生查阅相关文献，加深理解。②生物化学以及分子生物学技术，这部分内容应结合具体科研文献进行讲解。③疾病的发病机制，该部分内容结合临床病例进行系统介绍，可以采用PBL教学法进行案例分析[3]。强调关注疾病具体的分子机制。由于生物化学发展非常迅速，由此衍生出的交叉学科的知识更是日新月异，所以在教学过程中要把最新成就、最新进展不断整合到教学内容中，使基础医学专业的学生进一步了解各个领域的最新成果，激发学生的学习热情。
实验教学要关注学科发展前沿技术，更新整合
现有实验内容我们对现有的生物化学实验内容进行了有效的梳理，去除陈旧过时的实验，下一步将尝试:
①在每个实验开始引入合适的案例，使学生能真正理解实验意图，有效地和临床、科研联系起来。
②尽量保证实验内容的连贯性，比如前次RNA提取实验获得的RNA可以作为下次RT-PCR的模板。
③为了使实验内容与临床联系更加密切，对于血清甘油三酯含量测定和血清谷丙转氨酶活性测定两个实验，均增设高剂量组，通过正常样本和异常样本之间的比对，加深学生的印象。
④在高级生物化学实验安排中，尝试将有内在联系的多个实验整合为综合性实验。如可将原有的质粒抽提基础上增加限制性核酸内切酶酶切鉴定，连接产物的转化和阳性克隆的筛选，整合为完整的分子克隆实验。通过综合性实验的开设，不仅可以增加实验内容的系统性，而且可以激发学生的兴趣，促进学生的主动学习。同时也要注意提供合适的科研问题情境，使学生能真正理解每个实验的原理和应用。
⑤依托我校基础医学实验中心，开展创新性实验，尝试研究性学习，培养学生的科学思维和科研能力。
2全面优化调整教学方式
理论教学方式
基础医学二年级的学生已有一定的专业基础与自学能力，因此为提高教学效果，在教学时应尽量避免传统的“授课式”教学模式，可采用以下多种 教学方法 融合的方式。
教学提高学生分析问题和解决问题的能力。我校每年基础医学专业本科生规模在40人左右，而现有的师资力量、教学资源和教学 经验 使我们可以在教学过程中部分采用PBL教学模式。在选择案例的时候，可以不仅仅局限于疾病案例的提供，一些具体的科研实验也可以作为案例，使学生逐步建立科学的学习和 思维方式 ，培养学生自主学习、自我获取知识和继续学习的能力。
启发式教学采用“简述-自学-总结”的启发式教学方法，提高学生讲课的主动性。例如酶的竞争性抑制章节中，可让学生主动查找临床上以竞争性抑制为原理的药物，让学生加以比较，加深学生理解。
互动式教学传统教学方式主要是老师讲，学生听，师生之间的互动较少。例如在讲解了DNA的生物合成的基本内容后，把整个班级分组，让每组学生主动查阅与逆转录有关的文献和最新进展，制作成PPT，每个组派一名代表用20分钟时间去讲解逆转录章节的相关内容，调动学生的积极性，同时培养学生的团队合作意识与口头表达能力。
加强英语授课比例在科研工作中，无论是查阅文献、撰写科研论文还是学术会议交流，对 专业英语 水平都有很高的要求。因此，在教学过程中，可以增加英语授课的比例，尝试全英文PPT，教师授课过程中可以采用双语教学，尤其是专业名词和表达方式，帮助学生尽快提高专业英语水平。
实验教学方式
将PBL教学的理念引入生物化学实验教学。把每个实验设定在有意义的科研问题或临床案例等情境中，通过学生的彼此合作解决问题，进而学习问题背后的科学知识，使学生既获得了解决问题的技能，又培养了自主学习的能力。如以三聚氰胺奶粉事件案例引出蛋白质含量测定实验等。采取PBL与传统教学模式并行的教学方式，融合“互动式”、“启发式”等多种教学方法，提高学生的学习兴趣，既保证了学生学习理论知识的系统性，又引导学生围绕问题独立思考，将所学到的理论知识解释实践中的问题，做到理论联系实际。生物化学作为基础医学专业的核心课程之一，在21世纪得到了极大的发展，传统的教学方式方法已经不能适应基础医学专业对该课程的学习要求，我们需要对生物化学教学进行及时的优化和调整，以便把基础医学专业学生培养成为从事医学 教育 和科学研究的专门人才，为部分研究性人才进入更高层次的培养打下良好基础。
生物化学与分子生物学既是一门重要的生命科学基础学科，又是生命科学的前沿学科，是目前自然科学中进展最迅速、最具活力的前沿领域，要求学生具有较高的自主学习能力和动手能力。然而受传统的考试体系的影响，大多数院校的考核方式依然拘泥于传统的期末一次性“终结考试”，一张试卷定成绩，一次考试定学生的学习效果。有些学生应对这种考试是靠临考前的死记硬背，即使能得到好成绩，也仅仅是对生物化学与分子生物学基础知识的记忆，而对知识的理解、掌握能力却没有达到预定的教学计划。传统的考试体系形式单一，不利于学生创新能力的发挥，不利于培养学生的动手能力和团队协作能力。考试体系的改革是教学改革的重要环节，提高考试的质量，有利于提高教学质量。考试体系的改革是提高临床医学专业本科学生科研动手能力、自主学习能力、团队协作能力、交流沟通能力等综合能力、培养创新型人才的重要手段之一。引入形成性考核体系，有利于提高学生的创新能力，满足素质教育培养的要求，有助于提高生物化学与分子生物学教学质量。为满足以“胜任能力”培养为核心目标的临床医学医学生培养目标的教学改革要求，生物化学与分子生物学考核体系改革势在必行。
1形成性考核体系的构建
形成性考核体系的形式
1)阶段性考试。当每个章节学习结束时，利用每个章节结束的最后一节课时间，对理论教学的内容进行闭卷测试。测试结束后教师给出正确答案，现场对学生答疑解惑，能够让学生更好地掌握知识点。教师审阅测试答卷后，将答卷反馈给学生，充分保障学生对成绩评定情况的知情权，并能够及时了解自己的不足，抓紧补正。
2)实验教学多站式考试。实验课不仅能巩固学生的理论知识，还能够很好地煅炼学生的动手能力、协作能力、创新精神和团队意识，是生物化学与分子生物学学习的重要环节。多站式实验考试的目的在于考查学生对基础知识和生物化学与分子生物学相关技能的掌握情况，由临床班授课主讲教师担任主考，设四个考点，每个考点设监考教师两名，负责考试过程及考场纪律;每个考点的考试项目满分为5分，总计20分：第一站：生物化学与分子生物学实验基本操作第二站：721型分光光度计和离心机使用第三站：电泳仪使用电泳加样第四站：装柱，层析柱上样
3)理论教学期末考试。理论教学终结考试是在课程结束时进行，旨在评定学生的学业成绩，确定总体教学目标的达成情况。考试的内容涉及生物化学与分子生物学的各方面知识，题型包括单项选择题、多项选择题、名词解释题、简答题、问答题以及案例分析题等。
形成性考核体系的成绩评价
1)形成性评价(教师评价)。形成性评价是相对传统的总结性评价而言的。形成性评价是对学生学习过程中的表现、所取得的成绩以及对学习的态度等方面的发展作出的评价，是对学生学习全过程的持续观察、记录、研究所作出的发展性评价，其目的是激励学生学习，帮助学生有效调整自己的学习状态，控制学习过程，使学生增加学习的自信心，获得成就感，培养合作意识。充分利用网络资源优势，有效利用生物化学与分子生物学吉林省精品课程的平台资源，建立生物化学师生交流QQ群、微信群，改变了只能在课堂上与教师见面、提问、交流的状况。利用多种平台，教师与学生进行充分交流，拉进师生之间的距离，及时解决学生在学习中的问题，反馈学生学习的评价，调整学生学习的状态，更加有利于接下来课程的讲授。
2)学生互评。小组讨论有利于培养医学生的语言表达、人际交流和沟通协调能力，为今后的医患交流打好基础。利用理论或实验教学的空闲时间，就生物化学与分子生物学的相关知识、话题进行分组讨论，组长负责记录讨论的内容、过程和结论。讨论结束后，组内成员相互评分，讨论记录和评分形成文字性材料交给授课教师。形成性考核体系的分值设置学生的结课评价成绩由阶段性考试成绩(占20%)、实验教学多站式考试成绩(占20%)和理论教学期末考试(占60%)组成，形成性评价和学生互评不计入结课考核成绩。
2考核体系改革的效果与体会
形成性考核体系使学生的学习积极性明显提高学生的学习时间紧迫，紧张感加强， 学习态度 端正，兴趣增强，能有意识地主动学习，利用课外时间搜集各种资源对课堂上的知识及时消化，随时进行复习，灵活地将知识变成自己知识结构的一部分，对理论和实验技能知识的掌握更加扎实。形成性考核体系提高了学生的多项能力阶段性考试提高了学生的自主学习能力;实验教学多站式考试提高了学生的动手能力;学生互评的小组讨论提高了学生的团队协作能力;教师的形成性评价以及师生的沟通平台使学生提高了交流沟通的能力。形成性考核体系同时也激发着学生对专业问题的质疑与思考，训练了科研思维及批判意识。形成性考核体系激发了教师的教学热情形成性考核体系给教师带来更大的自由度，并且在考核体系实施的过程中，教师可以反复论证，不断地摸索、创新、查漏补缺，以达到教学效果的最优化。形成性考核体系促进教师自身成长与以往的考核模式相比，阶段性考核体系对教师的要求更高，教师在增强责任心的前提下，要不断丰富自身知识，改进教学方法来满足配合学生学习的需要。
3讨论
形成性考核体系是一种“重过程，轻结果”的考试模式，它不仅重视理论教学，更加重视实验教学。生物化学与分子生物学是一门实践性较强的课程，采用这种以“阶段性考试+实验教学多站式考试+理论教学期末考试”的考核体系取代传统的“一张试卷的终结性考试”定成绩的考核制度，从学生学习的积极性、对知识的掌握情况、对技能的动手操作水平和团队协作沟通等方面提高了学生的综合能力。考核体系的改革是高校教学质量监控的深层次变革，是形成新的课程体系的重要组成部分，要勇于开拓创新，又要科学分析，达到真正的教学考的统一，适应以“胜任能力”培养为核心目标的临床医学医学生培养目标的教学改革要求，推动高校教学质量的提高，促进高等教育的健康发展。
摘 要 在生物化学教学中充分培养学生的学习兴趣极其重要，不但让学生学习起来感到轻松、愉快，激发学生的主观能动性，培养学生浓厚的学习兴趣，也大大提高学生对生物化学的学习效率。
关键词 生物化学;学习兴趣;培养
学习是学生在校的主要活动，如何使学生激起并保持浓厚的兴趣，帮助学生端正学习态度，养成良好的学习习惯，掌握科学的 学习方法 ，培养和激发学生的学习兴趣，是教师的主要工作。生物化学是一门研究生物体内化学分子与化学反应的基础生命科学[1]，是现代医学教学不可缺少的部分。在教学实践过程中，由于在校学生缺少医学基础知识，也无疾病的临床概念印象，且 抽象思维 较差，常让学生感到枯燥、乏味，给师生互动带来一定难度，教学效果很不理想。因此，笔者在生物化学教学过程中为了引导和培养学生的学习兴趣，激发和调动学生的求知欲，让学生在轻松、愉快的氛围中学习和掌握到更多的专业知识。
1 讲好绪论，上好第一次课，激发学生学习兴趣
良好的开端是成功的一半。学生对新鲜事物都会感兴趣，教师要充分利用这一点，重视绪论的讲授艺术，给学生留下第一个深刻印象，这样有助于激发学生对生物化学产生浓厚的兴趣。绪论的内容是每个学生接触这一门课的开始，能否激发学生对本门学科的兴趣就很关键。在教学活动中，如何激发学生的课堂学习兴趣直接影响到教学质量的好坏。绪论阐述了生物化学的发展简史，研究内容及与医学的关系等，具体内容篇幅虽小但涵盖面比较广，可谓是学会生物化学的大纲。为提高学生兴趣，可结合现实生活，以提问、设问、讨论等方法讲述DNA克隆及我国合成胰岛素的过程，让学生既知道学习生物化学的重要性，又活跃课堂气氛，也充分激发学生的兴趣，对生物化学产生好奇心，在学习过程中产生求知欲望，使精力和思维集中，变“要我学”为“我要学”，思维活动自觉主动地跟着教师走。
2 创设问题情境，激发学生学习兴趣
所谓问题情境，指的是具有一定难度，需要学生克服，而又是力所能及的学习情境。创设问题情境，就是在教学过程中提出有一定难度的问题，使学生不能利用已有的知识去解决，从而激发学生的积极性和求知需要。
例如在讲糖异生这一节前，首先问学生一个问题：为什么一个人不吃饭约可活六周?靠什么维持能量供给?有学生回答：糖异生。追问：什么是糖异生?将学生带入问题情境中，由此产生疑惑、好奇，激发求知欲和学习兴趣，进而产生学习的欲望。教师再对该节内容进行讲解，让学生自己找到问题的答案。这样，激发学生学习兴趣，增进教学的吸引力，使课堂教学沿着“从无疑到有疑，再到无疑”的三维进行。
对学生来说，学习的主动性首先来源于兴趣，所以在教学中应使学生清楚。在讲解生物化学过程中，应适时地对学生提出一些比较疑难的问题，引导启发学生去思考、探讨和钻研，并学会分析、综合、抽象概括、逻辑推理、判断等思维活动，自己得出结论，从而调动学生学习的主动性，激发学习兴趣。
要想创设问题情境，首先要求教师熟悉教材，掌握教材的结构，了解新旧知识之间的内在联系。此外要求教师充分了解学生已有的认知结构状态，使新的学习内容与学生已有水平构成一个适当的跨度，这样才能创设问题情境。所以教师在课前备课时，须根据教学内容的逻辑关系认真“备问”，把要讲授的内容组织成“问题链”，在课堂讲授过程中将这些“问题链”滚动提出，请学生回答，从而不断地激发学生的思考兴趣。让学生去思考，当学生得出正确结论时，教师应及时对学生的思维方法、推断结果给予表扬和鼓励，不断强化和激励学生的学习兴趣。
3 引入临床病例，激发学生学习兴趣
生物化学现在已成为生物学各学科之间、医学各学科之间相互联系的共同语言，单一的理论学习往往很枯燥，而临床基础教学一旦脱离临床实践就显得枯燥无味。教师在给学生讲解该门课程时应结合临床实践，采取典型病例，
通过病案分析讨论激发学生思维，让学生学会理论联系实际。
比如在讨论葡萄糖-6磷酸脱氢酶缺乏症的病例中，针对性地设计3个问题。病例：某女，5岁 儿童 ，因使用新鲜蚕豆后出现头痛、发热，继而出现血红蛋白尿、贫血、黄疸，急诊入院。1)试分析该儿童为什么食用新鲜蚕豆后会出现血红蛋白尿、贫血和黄疸?2)分析该患儿的发病机制。3)对具有这类遗传性疾病的家族应该如何进行预防、诊断和治疗?
引导学生运用生物化学的理论知识去思考分析上述问题，提高学生应用基础 医学知识 解决临床医疗问题的能力，培养学习生物化学的兴趣。学生接触到实际问题，激发兴趣，争相发言，教师再进行最后的总结。这样让学生用已有的知识分析和解决问题，充分调动学生的思维和热情，使学生联系临床实践，扩大知识面，活跃课堂气氛，同时可以相互学习，相互交流，取长补短，且易记、易懂、易巩固。通过开展病例讨论，以求达到传授知识、培训临床技能的一种教学方法。
4 采用多种授课方式，丰富课堂内容，巩固学生
学习兴趣
要学生乐学，教师必须乐教。课堂是教学活动的主要场所，是教师展示才学的地方。要想维持和巩固学生的学习兴趣，达到理想的教学效果，教学技巧的掌握和应用非常重要。
首先，教师应有扎实的教学功底，熟悉各种教学方法，并能根据教学实际去不断推陈出新。做到这一点，教师应在围绕教材内容和大纲要求的基础上，适当给学生补充一些内容新颖，融知识性和趣味性为一体的相关知识，拓展学生的知识面，让学生自己去认识到所学知识的有限和不足，从而产生更加强烈的求知欲，激发和巩固对专业学科的学习兴趣。例如，在讲授脂类代谢时，可同时讲授暴饮暴食，摄入过多高脂肪食物对患者及社会造成的危害，通过举一反三，在有限的授课时间内向学生传授更多的专业知识和临床实践经验。
其次，要强化教学目标，淡化学科意识，并加强与相关学科的联系和实践教学，去激发和调动学生的学习兴趣。心理学研究表明：越有兴趣的东西，越容易在头脑中扎根。兴趣是学习的动力，良好的教学效果与学生的兴趣是分不开的。要激发学生对本门课程的兴趣并巩固和保持下去，教师的课堂教学除了做到概念准确、层次分明、逻辑清晰等基本要求外，还需要一些风趣、幽默、富于情趣的教学语言来点缀。
此外，还可通过多媒体教学、组织学生开展专题性研讨与专题性 辩论 等多种形式，使课堂内容丰富多彩。在条件允许时，还可组织学生走出校门，通过参与社会公益活动来增加 社会实践 ，使课堂从有限的教室空间延伸到广阔的社会舞台，使学生能够有机会将所学知识应用于社会实践中，帮助学生树立强烈的职业自豪感和社会责任感，更加努力地学习，争取早日服务社会、回报社会。
教学有法，教无定法，贵在得法，常教常新。实践证明，在教学中激发学生学习兴趣，并根据学生年龄特征和认知能力不断改进教学方法，是提高儿科护理学教学质量的重要保证。在教学活动中，学生是学的主体，其学习兴趣一旦在教学活动中产生就会变得积极主动，从而获得更好的教学效果。因此，教师应培养学生的学习兴趣和学习能力，创造乐教乐学、教学相长的气氛。
参考文献
[1]查锡良,周春燕,周爱儒,等.生物化学[M].北京:人民卫生出版社,2008:1.
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研究如下：1、衰老是指生物体发育成熟后随年龄增长机体发生的功能性和器质性衰退老化的渐进过程。2、抗衰老机制古老而又崭新，近代又产生了自由基学说等。
《北京参考》：与衰老关系密切的因素有哪些? 童坦君：环境与遗传因素影响着衰老进程。其中遗传控制起着关键作用。衰老并非单一基因决定，而是一连串"衰老基因"、"长寿基因"激活和阻滞以及通过各自产物相互作用的结果。DNA(特别是线粒体DNA)并不像原先设想的那么稳定，包括基因在内的遗传控制体系可受内外环境，特别是氧自由基等损伤因素的影响，会加速衰老过程。在环境还没尽善尽美的条件下，环境是影响衰老的重要因素。譬如我国解放前平均寿命只有35岁，而现在北京市民平均寿命约76岁。还有我国的长寿地方如新疆的和田、江苏的南通、广西的巴马，说明了环境很重要。老百姓延缓衰老能做到的也只有尽量改善环境。但是，同一个长寿村，为什么不是每个人都长寿呢?同时说明遗传起着关键作用。在普通地域，常常有长寿家族，说明长寿基因可以通过遗传来表达。 世界卫生组织将60岁定为老年期的开始。人的衰老犹如春夏秋冬、花开花谢一样，是自然界的美丽现象，人虽然做不到永生，但是我们能追求健康长寿。探讨长寿的奥秘，是医学界的艰巨使命。如果做到80岁、90岁甚至100岁以前不显老，或者做到无病无痛而衰老呢？为此，笔者特意走访了我国初步解开衰老之谜的中国科学院院士、北京大学衰老研究中心主任、北京大学医学部童坦君教授。 人的自然寿命约120岁 《北京参考》人的寿命究竟有多长？ 童坦君：法国著名的生物学家巴丰（Buffon）指出：哺乳动物的寿命约为生长期的5-7倍，通常称之为巴丰寿命系数。人的生长期约为20-25年，一次预计人的自然寿命为100-175年。海佛里克证明人类从胚胎到成人、死亡，其纤维母细胞可进行50次左右的有丝分裂，每次细胞周期约为年，推算人类的自然寿命，应为120岁左右。虽然不同学者解答的方式各不相同，但是结论基本一致，目前一般认为人的自然寿命为120岁左右。 《北京参考》：100年以后人的寿命还是120岁吗？ 童坦君：平均寿命受环境影响很大，但是各种动物的最高寿限都相当稳定。鼠类最高寿限约为3年，猴约为28年，犬约为34年、大象约为62年，而人类约为120岁。100年以后，老鼠的最高寿命还是3年。但是100年以后人的平均寿命势必会提高。譬如我国解放前后，平均寿命就提高了一大截。要提高人类最高寿命困难重重，需要进行基因改造，虽然目前科学家在果蝇、蠕虫中试验成功，对其进行某些基因导入或使一些基因突变（改造）则可达到延长其最高寿命的作用。 《北京参考》：作为个体，人的寿命能否预测？ 童坦君：预测寿命有多长？是很多人都希望知道的。为迎合这种心理，国内外一些非正式医学书刊登了寿命预测法。预测的主要依据，是将影响健康的一些列因素罗列起来，对健康有利的，根据性质或程度，分别加寿一至数年，对健康不利因素，根据危害性质或程度，分别减寿一至若干年。最后，将全部数据加起来得到总和，再与固定寿命指数或寿命基数相加减便可得出预测到的寿命年龄。但是在现实生活中，基因在人体不同的发育阶段是怎样控制衰老演变的？不前还不清楚。因此，目前世界上还没有公认能正确预测人类寿命的方法。 肺最容易衰老 《北京参考》：人什么时候开始衰老？人体器官有衰老次序吗？ 童坦君：衰老分生理成分分生理衰老与病理衰老。同一物种不同个体，即使同一个体不同的组织或器官其衰老速度也不相同。从出生到16岁前各组织器官功能增长快，从16--20岁左右开始到平稳期直到30---35岁，从35岁开始有的器官和组织功能开始减退，其衰老速度随增龄而增加。如果以30岁人的各组织器官功能为100的话，则每增一岁其功能下降为：(休息状态下)神经传导速度以 o．4％下降，心输出量以0．8％下降，肾过滤速率以1．0％下降，最大呼吸能力以1．1％下降。可以理解为肺最容易衰老。其次为肾脏的肾小球，再是心脏，而神经、脑组织衰老速度相对慢一些。各组织器官功能随增龄呈线形进行性下降，因此老年人容易患病，这是一般规律。但在现实生活中有的人衰老速度衰老的生物学指标 《北京参考》：那么，什么情况提示人衰老了? 童坦君：制约哺乳动物衰老研究的一个重要因素就是缺少可靠、易测的评估生物学年龄的标志。我们在细胞水平、分子水平发现了一些指标，可作为衰老生物学标志，但是还只是在实验室阶段，离应用到生活中去还有很长的一段路要走。以下5个指标都和衰老有关，但单独使用都有欠缺与不足的地方： 一、成纤维细胞的体外增殖能力。根据细胞的衰老假说，成纤维细胞体外增殖能力是可靠的估算供者衰老程度的指标。 二、DNA损伤修复能力。多种 DNA损伤，如：染色体移位、DNA单双链断裂、片段缺失都随年龄积累。这一现象除与衰老过程中自由基生成率升高及抗氧化剂水平降低有关外，与DNA修复能力降低密切相关。作为估算DNA修复能力的指标包括非程序DNA合成、DNA聚合酶B及内切脱氧核糖核酸酶UV2DNase和AP2DNase。另外，检测各种DNA损伤的方法亦可用于检测该种DNA损伤的修复能力。 三、线粒体DNA片段缺失。线粒体 DNA片段缺失的检测可以毛发为材料，应用甚为便利，是一项很好的衰老生物学标志。 四、DNA甲基化水平。DNA甲基化是真核生物基因表达渐成性调节的重要机制，通过改变染色体的结构，影响DNA与蛋白质的相互作用，抑制基因表达。 五、端粒的长度。对人体不同的组织进行端粒长度检测，发现端粒长度与细胞的寿限相关，精子、胚胎的端粒最长，而小肠粘膜细胞的端粒最短。 Zglinicki等报道，氧化压力造成的单链断裂是端粒缩短的主要原因，过氧化氢诱导细胞出现衰老表型的同时，也加快端粒的缩短。因此，端粒长度不单是细胞分裂次数的"计数器"，而是一项细胞衰老的标志。改善环境改变衰老 《北京参考》：与衰老关系密切的因素有哪些? 童坦君：环境与遗传因素影响着衰老进程。其中遗传控制起着关键作用。衰老并非单一基因决定，而是一连串"衰老基因"、"长寿基因"激活和阻滞以及通过各自产物相互作用的结果。DNA(特别是线粒体DNA)并不像原先设想的那么稳定，包括基因在内的遗传控制体系可受内外环境，特别是氧自由基等损伤因素的影响，会加速衰老过程。在环境还没尽善尽美的条件下，环境是影响衰老的重要因素。譬如我国解放前平均寿命只有35岁，而现在北京市民平均寿命约76岁。还有我国的长寿地方如新疆的和田、江苏的南通、广西的巴马，说明了环境很重要。老百姓延缓衰老能做到的也只有尽量改善环境。但是，同一个长寿村，为什么不是每个人都长寿呢?同时说明遗传起着关键作用。在普通地域，常常有长寿家族，说明长寿基因可以通过遗传来表达。 端区长度随增龄缩短 女性比男性长寿 《北京参考》：人的衰老有性别差异吗? 童坦君：流行病学调查表明，人类女性比男性长寿。从分子水平如何解释女性寿命比男性长这一普遍的生命现象呢?这得从衰老机理说起，比较公认的如氧自由基学说，还有现代的DNA损伤修复学说、线粒体损伤学说以及端区假说等。下面将目前国际上衰老研究的热点结合我们自身的研究工作介绍如下，人类除干细胞外，大多数体细胞端区长度随年龄增加而缩短，而体外培养的细胞端区长度随传代而缩短；端区缩短到一定程度，细胞不再分裂，即不能传代，最终衰老直至死亡。端区是指染色体末端的特殊结构，此结构可防止两条染色体末端的DNA链(又名脱氧核糖核酸，它是蕴含遗传信息的遗传物质)因互相交联而造成染色体的畸变。研究中发现，相同年龄组的成年男性的端区长度长于女性，但随增龄端区长度缩短速率却比女性快，每年差3bp。 《北京参考》：人能够改变衰老吗? 童坦君：运动医学专家研究表明，心肺功能、骨质疏松情况、肌肉力量、身体的耐久力、胆固醇水平、血压等，通过长年锻炼或参加体力劳动、保健是可以改善的。难以改善的指标，只有头发的变白与皮肤弹性减退及萎缩变薄两项。从分子水平讲，我们在细胞衰老相关基因及信号传递通路的先后研究中发现抑癌基因p16通过调节1Kb蛋白活性，不通过端粒酶，就可影响端粒长度、 DNA修复能力与细胞寿命，初步阐明 p16是人类细胞衰老遗传控制程序中的主要环节。这是我国在人类细胞衰老机理研究上取得的突破，还发现衰老相关基因p2 1可保护衰老细胞免于凋亡。至于还有哪些基因管着衰老、怎么管着衰老的速度，都是人类将要继续研究的课题。 《北京参考》：老百姓目前如何做到延缓衰老? 童坦君：改善内外环境--遵循平衡饮食、适当运动、心理平衡原则。对于好的环境因素，我们充分利用它；对于不好的因素，要了解它、调控它。平平常常普普通通轻轻松松《北京参考》：童老您今年多大年纪?您看上去很精神，请介绍一下您的养生之道。 童坦君：我71岁。老年人要平平常常过日子，不要有压力。 我觉得健康老人最重要的是双腿灵、手脚要利落，不要老是坐着不动或躺着。如能胜任长途步行，则反映心脏功能良好。值得一提的是，老年人不要一看电视就好几个小时。对于饮食要普普通通，不要太挑剔，也不忌口，譬如说肥肉，我也吃它一口，但总量不要太多。在心理方面，平时要做高兴的事，以求轻轻松松。譬如爬山时，你可以什么事情都不想。老年人退休后的生活也可以出彩儿，但不要太累；帮着带带孙子，其实是最幸福的事情。 以崇尚科学为荣以愚昧无知为耻 《北京参考》：您当初从事衰老研究工作是怎么想的? 童坦君：据统计，一个人一生的医药费用有三分之二花在老年阶段，随着老年人的增多，其医疗费用将成为家庭和社会的沉重负担，因此老年医学越来越重要。对衰老的研究目的就是要提高老年人的生命质量，延长老年人的健康期、缩短带病期而不仅仅是多活几年。衰老研究是一个年轻的学科，过去的研究方向是整体器官研究，现在是在细胞水平方面研究，以后还要做模式动物研究，但是又不能把动物研究的直接结果用在人的身上，因此，衰老研究还要多样化，不仅要在细胞水平做，还要在器官水平、整体水平做，这样衰老机理研究才能跟上国际与时代。老年医学基础研究对老年临床医学有着重要的作用。我国老年医学基础研究还比较薄弱，如掉队就很难赶上，我们应以崇尚科学为荣，以愚昧无知为耻，我国虽然是人口大国，但是衰老研究工作并不矛盾，在国际上应该处于先进行列。美科学家衰老新解 人类寿命是可以改变的2005年02月07日 09:12 新华网 美国《新闻周刊》1月17日一期刊登一篇题为《岁月的皱纹》的文章，介绍五位科学家对衰老的生物化学过程提出的新解释；他们有一个共同的认识，即人类的寿命并不是固定不变的。文章摘要如下： 虽然死亡与纳税一样不可避免，但是未来人们的衰老过程会变慢，寿命也会明显延长。五位科学家对衰老的生物化学过程提出了新的解释，为益寿延年药物的问世敞开了大门。虽然他们的研究方法不尽相同，但都有一个共同的认识，即人类的寿命并不是固定不变的。增强：目标基因在抗衰老方面更加活跃,几年前，分子遗传学家辛西娅·凯尼恩的学生拿着一盘蚯蚓问过往行人他们认为这些蚯蚓有多大。多数人说，它们只有5天那么大。他们并不知道凯尼恩已经修补了这些蚯蚓的基因。这些蠕动的生物的健康状况完全像刚出生5天的样子，但实际上它们已经出生144天了 — 这是它们正常寿命的6倍。 十年来，凯尼恩坚持不懈的研究已经表明：通过改变激素水平增强约100种基因的功能，“就可以轻而易举地使寿命大为改变”，至少蚯蚓是这样。这些基因有的能够产生抗氧化剂；有的能够制造天然的杀菌剂；有的则参与将脂肪运送到整个身体；还有一些被称作是监护人，据凯尼恩说，它们“能够使细胞成分保持良好的工作状态”。一般来说，这些基因越活跃生物的寿命就可能越长。 1993年，凯尼恩关于蚯蚓基因的研究成果首次发表，持怀疑态度者预言这项成果在人类身上行不通。科学家们仍不了解人类和蚯蚓寿命长短如此悬殊的确切原因，更不知道改变蚯蚓寿命长短对人类来说可能意味着什么。不过，蚯蚓的细胞构成很大程度上与高等哺乳动物十分相似。这项发现为生产保健营养品的长生公司打开了大门，该公司正在尝试开发一种药物，这种药物能够产生与凯尼恩的基因修改相同的效果。凯尼恩说：“我并不是说改变一些基因，人类就能够长生不死，但是这可以使80岁的老人看上去像40岁的样子。”对此，谁会反对呢？ 压力：长期紧张使细胞衰老得更快 如果你抱怨压力使你又增添了新的皱纹或白发，很有可能你是对的。 《国家科学院学报》去年秋季发表的一项研究报告为你的这种看法提供了科学依据。参与这项研究的加州大学精神病学助理教授埃莉莎·埃佩尔和她的同事们发现，长期处于紧张状态，或仅仅是感到了紧张，就能明显缩短端粒的长度。端粒就是细胞内染色体端位上的着丝点，可用来衡量细胞衰老过程。端粒越短，细胞的寿命就越短，人体衰老的速度就越快。 埃佩尔对39名年纪在20岁—50岁之间的女性进行了研究，她们的孩子有的患严重的慢性病，比如大脑性麻痹。埃佩尔将她们与同一年龄组但孩子都很健康的另外19名母亲进行了比较。母亲照顾患病小孩的时间越长，她的端粒就越短，而且她所面临的氧化压力（释放损害DNA的自由基的过程）就越大。与感觉压力最小的妇女相比，两组女性中自称压力最大的人，其端粒与年长她们10岁的人相当。 虽然埃佩尔承认要想证实她的发现还需要进行更多的研究，但是她认为这个结果可能有积极意义。她说：“既然我们认为我们能够看到压力会造成细胞内的损伤，人们可能会更加重视精神健康。”她补充说，DNA受损可逆转是“绝对”有希望的，“改变生活方式，学会化解压力，就有可能改进你的生活质量、情绪和延长寿命”。 限制：严格控制卡路里摄取可能减缓衰老速度 1986年，当伦纳德·瓜伦特第一个提出通过限制卡路里的摄取来研究生物学的衰老时，这个主意听上去荒唐可笑。然而在过去十年中，研究人员主要了解为什么突然降低卡路里的摄取能激发一种名为SIR2的基因的活性并能延长简单生物体的寿命，而且取得了很大进展。 瓜伦特和一位名叫戴维·辛克莱的哈佛大学研究者都是这方面的顶尖专家，他们主要研究名为“sirtuins”的抗衰老酶，这是SIR2或哺乳动物身上的与SIR2类似的SIRT1所产生的蛋白家族。瓜伦特的实验已经搞清楚了SIR2背后的很多基本分子过程。例如一种名为NADH的天然化学物质可以抑制“sirtuins”发挥作用；他们已经确认NADH含量较低的酵母存活的时间更长。辛克莱发现白藜芦醇与限制卡路里摄取有关联。研究表明，酵母在大剂量白藜芦醇的作用下能延长寿命70％。 因为很少有人愿意大幅度限制卡路里的摄取，瓜伦特就开始寻找一种有相同功效的药剂。长生公司也开始利用瓜伦特的研究成果，这意味着有朝一日不用再提节食这个字眼，人类或许照样能从限制卡路里摄取中获得好处。 补给：两种化学物质使老鼠变年轻 据《国家科学院学报》2002年发表的研究报告说，加州奥克兰研究所儿童医学专家布鲁斯·埃姆斯和他的同事把两种在体细胞中发现的化学物质 — 乙酰基L肉碱和α硫辛酸 — 给老鼠吃。这不仅使老鼠在解决问题和记忆测试中表现更佳，而且行动起来也更加轻松和充满活力。 研究人员确认，不同化学物质混合起来能够改善线粒体和细胞器的功能，而细胞器是细胞主要的能量来源。埃姆斯在一项研究中发现，当加入过氧化铁或过氧化氢的时候，硫辛酸能保护细胞不被氧化。衰老：透过现象看本质一、前言当前，生命科学有关衰老机制的研究，正处于百花齐放、硕果累累的时期(Comfort, 1979; Medvedev, 1990; Hayflick, 1998; Kirkwood, 1999; Warner, 2005; Yin & Chen, 2005)，然而，由于衰老过程极其复杂，影响因素千变万化，又由于各个领域研究工作者的知识局限和专业偏见，我们实际面临的是一个鱼龙混杂，莫衷一是的混乱局面(Medvedev, 1990; Olshansky et al. 2002; de Grey et al., 2002; de Magalhaes, 2005)。在这篇论文中，我们将首先简明地回顾有关衰老机理研究的重要进展，探讨在衰老过程中，遗传基因调控与不可避免的环境因子损伤的相互作用。接着，我们强调指出，为了研究真正意义上的衰老过程，应该将注意力集中在健康状态下的种种生理性老化改变，而不是病理性变化。例如，生物体内蛋白质的增龄性损变是一个最为普遍存在的老化现象。在详细阐述自由基氧化和非酶糖基化生化过程，以及熵增性老年色素形成生化机理后，重点探讨了羰基毒化（应激）在衰老过程中的特殊重要意义（Yin & Brunk,1995）。最后，透过现象看本质，提出生化副反应损变失修性累积是生理性衰老过程的生化本质。二、衰老理论概述和对衰老机理研究的总体评论大量的生命现象和实验事实提示，尽管少数低等动物的死亡显示出有一些神秘的“生命开关”在起作用，但衰老过程，尤其是高等动物在成年后的衰老过程已被清楚地认识到是一个受环境因素影响的缓慢渐进的损伤和防御相拮抗的过程。大量现行的重要的衰老研究成果都无可争辩地显示了这一点(Comfort, 1979; Medvedev, 1990; Hayflick, 1998; Yin, 2002)。为了便于分析和讨论，我们首先列出数十种迄今最为重要的衰老学说：整体水平的衰老学说主要有：磨损衰老学说(Sacher 1966)、差误成灾衰老学说(Orgel 1963)、代谢速率衰老学说、自体中毒衰老学说(Metchnikoff 1904)、自然演进衰老学说（程控学说）、剩余信息学说（程控学说）、交联衰老学说; 器官水平的衰老学说有：大脑衰退学说、缺血损伤衰老学说、内分泌减低衰老学说(Korencheysky, 1961)、免疫下降衰老学说(Walford 1969)；细胞水平的衰老学说有：细胞膜衰老学说(, 1978)、体细胞突变衰老学说(Szilard, 1959)、线粒体损伤衰老学说(Miquel et al., 1980)、溶酶体（脂褐素）衰老学说(Brunk et al., 2002)、细胞分裂极限学说（程控学说）；分子水平的衰老学说有：端粒缩短学说（程控学说）、基因修饰衰老学说、DNA修复缺陷衰老学说(Vilenchik, 1970)、自由基衰老学说(Harman, 1956, 2003)、氧化衰老学说(Sohal & Allen, 1990; Yu & Yang, 1996)、非酶糖基化衰老学说(Cerami, 1985)、羰基毒化衰老学说(Yin & Brunk, 1995)和微量元素衰老学说(Eichhorn, 1979)等等。其它重要的衰老学说还有熵增衰老学说(Sacher 1967, Bortz, 1986)、数理衰老学说和各种各样的综合衰老学说(Sohal, 1990; , 1991; Kowald & Kirkwood, 1994)。从上述26种主要的衰老学说可以初略的看出绝大多数衰老学说（22种）认为，衰老是因生命过程中多种多样的外加损伤造成的后果。简言之，是一个被动的损伤积累的过程。应该说明的是在4种归类为“程控学说”的衰老理论中，细胞分裂极限学说和端粒缩短学说所观察研究的所谓“细胞衰老”与动物整体的衰老有着很大的差别。就“细胞不分裂”这个概念本身而言，并不是“细胞衰老”的同义词。解释很简单，终末分化的神经细胞和绝大多数肌肉细胞在生命的早期（胎儿或婴儿）时期完成了分化以后，便不再分裂，却仍然健康的在动物体内延用终身(Sohal, 1981; Porta, 1990)。近来Lanza等甚至用体外培养接近倍增极限的胎牛二倍体成纤维细胞作为供核细胞成功地培育出了6只克隆牛(Lanza et al., 2000)，所述的6只克隆牛的端粒比同龄有性生殖牛还长。其实，从衰老过程的常识（或定义：衰老是生物体各种功能的普遍衰弱以及抵抗环境伤害和恢复体内平衡能力逐渐降低的过程）的角度来讲：端粒缩短与细胞和整体动物的增龄性功能下降基本无关。因篇幅所限，本文不作详谈(Wakayama et al. 2000; Cristofalo et al., 2004)。生命科学对于遗传因子与环境损伤各自如何影响衰老进程的认识经历了漫长的“各自为证”的阶段。经过遗传生命科学家几十年的辛勤探索，现已实验确定的与衰老和长寿有关的基因已达几十种(Finch & Tanzi 1997; Warner, 2005;)，例如：age-1, Chico, clk-1, daf-2, daf-16, daf-23, eat-2, gro-1, hsf-1, hsp-16, hsp-70, Igflr+/-, indy, inR, isp-1, KLOTHO, lag-1, lac-1, MsrA, mth, αMUPA, old-1, p66sh, Pcmt, Pit-1, Prop-1, ras2p, spe-26, sag, sir2, SIRT1, sod1 基因等等(Hamet & Tremblay, 2003; Warner, 2005)。这些寿命相关基因可被大致分为四类：1）抗应激类基因（如，抗热休克，抗氧应激类）；2）能量代谢相关基因（如，胰岛素/胰岛素因子信号途径，限食或线粒体相关基因）；3）抗损伤和突变类基因（如，蛋白质和遗传因子的修复更新等）；4）稳定神经内分泌与哺乳动物精子产生的相关基因等。好些“寿命基因”的生物学功能目前还不是很清楚。另外，研究发现的与细胞分裂和衰老相关的细胞周期调控因子有CDK1、PI3K、MAPK、IGF-1和 P16等等(Wang et al., 2001; de Magalhaes, 2005)。因此，生命科学家已经清醒地认识到确有与衰老和长寿相关的基因，但掌管寿命长短的遗传因子不是一个或几个，也不是一组或几组，而是数以百计的遗传因子共同作用的结果(Holliday, 2000; Warner, 2005)。衰老过程是与生理病理相关的，在调控、防御、修复、代谢诸多系统中的多个基因网络共同协调，抵御种种环境损伤的总结果。总之，衰老是先天（遗传）因素和后天（环境）因素共同作用的结果，已逐渐成为衰老生物学研究领域公认的科学事实。认清了动物衰老的上述特征，关于衰老机制的研究便可理性地聚焦在（分子层面上的）损伤积累和防御修复的范围之内。三、衰老的生理性特征和潜藏的分子杀手为了讨论真正意义上的衰老机制，有必要对衰老和老年疾病作较为明晰的界定。一般来讲，学术界普遍认同：衰老不是一种疾病。衰老机制主要研究的是生物体健康状态下的生理性老化改变。考虑到衰老过程是一个普遍存在的、渐进性的、累积性的和不可逆的生理过程,因此造成生理性衰老的原因应该是有共性的损伤因素(Strehler, 1977)。这些因素造成的积累性的，不可逆的改变才是代表着实际意义的衰老改变。其实无论是整体水平、器官水平还是细胞水平的衰老改变归根结底还是分子水平的改变，是分子水平的改变分别在不同层次上的不同的表现形式而已。许多非疾病性衰老改变，例如增龄性血管硬化造成的血压增高，又例如胶原交联造成的肺纤维弹性降低和肺活量下降，还有皮肤松弛，视力退化，关节僵硬等等都隐含着生物大分子的内在改变(Bailey, 2001)。这些改变从整体和组织器官的角度来讲不算生病，但分子结构已经“病变”了。例如，蛋白质的交联硬化就是一个最为常见的不断绞杀生命活力的生化“枷锁”，即使是无疾而终的老人，体内蛋白质的基本结构与年轻人的相比也早已面目全非了。生物体内蛋白质的增龄性损变和修饰是一个普遍存在的老化现象。衰老的身体，从里到外、从上到下都可观察到增龄性的蛋白质损变。当然，许多学者会毫不犹豫地赞同，基因受损应该是导致衰老的重要原因之一。然而，‘衰老过程为体细胞突变积累’的假说却遭到了严谨的科学实验无情地反驳，例如，辐射损伤造成遗传因子突变在单倍体和二倍体黄蜂(wasp)身上应该造成明显的寿差，但研究结果表明，DNA结构遭受加倍辐射损伤的二倍体黄蜂的寿命与单倍体黄蜂相比没有出现显著性的寿命差别，否定了上述推测 (Clark & Rubin, 1961; Lamb, 1965)。另外，大量的生物医学研究表明，衰老过程中DNA损伤和突变的增加主要导致病理性改变(Bohr, 2002; Warner, 2005)，比如，造成各种各样的线粒体DNA的疾病(Holliday, 2000; Wallace, 2003)以及癌变的产生等。考虑到衰老过程明显的生理特征，蛋白质的增龄性损伤和改变则显然比遗传物质的损伤、变构对“真正衰老”做出了更多“实际的贡献”(Kirkwood,1999; Ryazanov & Nefsky,2002; Yin & Chen, 2005)。 另外，Orgel (1963) 提出的“差误成灾衰老学说”认为：衰老是生物体对‘蛋白质合成的正确维护的逐渐退化’也遇到了科学实验的强烈挑战而基本被否定(Gallant & Palmer 1979; Harley CB et al., 1980)。Harley等人(1980)的研究表明：‘体外培养的人体成纤维细胞在衰老过程中蛋白质的合成错误没有增加’（注意，对于蛋白质来说，氧化应激几乎为无孔不入和无时不在的生命杀手）。进而，该领域的科学家们越来越清楚地认识到,蛋白质的表达后损变才是生命活动和衰老的最主要的表现。因为与衰老相关的蛋白质变构在衰老身体的各个部位比比皆是（如身体各器官组织的增龄性纤维化和被种种疾病所加速的纤维化），而且组织内蛋白质的衰老损变是最终的也是最普遍的衰老现象。事实上，老化蛋白质损伤几乎在每个衰老假说中都有所涉及。因此，本论文的分析和讨论的重点将聚焦在蛋白质的损伤和修复与衰老的相关性等范畴。总的来说，蛋白质的合成、损变与更新贯穿于整个生命过程中。在生命成熟以后，蛋白质的合成与降解（速度）处于动态平衡中。随着年龄增长，这个平衡逐渐出现倾斜(Bailey, 2001; Terman, 2001)。衰老的生物体细胞内无论是结构蛋白还是功能性蛋白质的损伤和改变的报道比比皆是(Stadtman, 1992, 2003; Rattan, 1996; Ryazanov & Nef
凋亡是细胞程序性死亡，是细胞按照机体的指令在一定时间，不论是由于外因还是内因，自动死亡的过程，凋亡是个体的生命活动，是机体生命活动正常进行的一种机制，衰老是整体的概念，=如器官衰老，
生物医用高分子材料摘要：简述了对功能高分子材料的认识，功能高分子材料的特征和功能高分子材料的分类，接着重点写生物医用高分子的发展前景和趋势，对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。关键词：功能高分子材料，生物医用高分子材料。功能高分子材料功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10％以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50％所谓功能性高分子材料，一般是指具有某种特别的功能或者是能在某种特殊环境下使用的高分子材料，但这是相对于一般用途的通用高分子材料而言。这一定义只是一个概括，不一定很确切，较多的人认为所谓功能性高分子材料是指具有物质能量和信息的传递、转换和贮存作用的高分子材料及其复合材料。如有光电、热电、压电、声电、化学转换等功能的一些高分子化合物。可以看出，这是一类范围相当大、用途相当广、品种相当多，而又是在生活、生产活动中经常遇见的一类高分子材料。 功能高分子材料按照功能特性通常可分成以下几类：（1）分离材料和化学功能材料；（2）电磁功能高分子材料；（3）光功能高分子材料；（4）生物医用高分子材料。 功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。随着时代的发展，在医学领域中越来越迫切地需要开发出能应用于医疗的各种新型材料，经多年的研究已发现有多种高分子化合物可以符合医用要求，我们也把它归属于功能性高分子材料。 一般归纳起来医用高分子材料应符合下列要求： 1、化学稳定性好，在人体接触部分不能发生影响而变化； 2、组织相容性好，在人体内不发生炎症和排异反应； 3、不会致癌变； 4、耐生物老化，在人体内材料长期性能无变化； 5、耐煮沸，灭菌、药液消毒等处理方法； 6、材料来源广、易于加工成型。 经多年研究，能较好符合上述要求的高分子化合物主要有两大类，一类是有机硅化合物，第二类是有机氟化物，最主要的两种产品是硅橡胶和聚四氟乙烯，例如美国GE公司开发了一批主要是有机硅方面的用于医学领域的功能高分子化合物。 生物医用高分子材料的现状和发展趋势生物医用高分子材料是以医用为目的,用于和活体组织接触,具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的高分子材料,即biomedical polymeric materials ,生物医用高分子材料是在高分子材料科学不断向医学和生命科学渗透,高分子材料广泛应用于医学领域的过程中,逐渐发展起来的一类生物材料,它已形成一门介于现代医学和高分子科学之间的边缘科学。在功能高分子材料领域, 生物医用高分子材料可谓异军突起, 目前已成为发展最快的一个重要分支。生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于1937 年,其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料, 如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953 年, 其标志是医用级有机硅橡胶的出现, 随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚- 氨) 酯心血管材料, 从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计, 有目的地开发所需要的高分子材料。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料,这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成, 在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能, 其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度在国外，生物医用高分子材料研究已有50多年的历史,早在1947 年美国已发表了展望性论文。 随后,美国、日本、欧洲等工业发达国家不断有文章报道,有些并已在临床上得到应用。 我国研究历史较短,上世纪70年代开始进行人工器官的研制,并有部分器官进入临床应用。1980 年成立了中国生物医疗工程学会,并于1982 年又成立了中国医学工程学会人工脏器及生物材料专业委员会,使得生物医学器材获得进一步发展. 生物医用高分子材料作为一门边缘科学,融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识,还涉及许多工程学问题。生物医用高分子材料的发展,对于战胜危害人类的疾病,保障人民身体健康,探索人类生命奥秘具有重大意义。1 生物医用高分子材料的基本要求及生物相容性对于生物医用高分子材料来说，除了要有医疗功能外,还必须强调安全性,即不仅要治病,而且对人体健康无害。 当然，对生物医用高分子材料的要求也不是一律不变的,可因其使用环境或功能的不同而异,如外用医疗材料与肌体接触时间短,要求可稍低,而与血液直接接触,或体内使用的材料则要求较高。2 生物医用高分子材料的种类及发展生物医用高分子材料按性质可分为非降解和可生物降解两大类。非生物降解的生物医用高分子包括：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等，其在生理环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的力学性能。可生物降解的生物医用高分子材料则包括胶原、脂肪族聚酯、聚氨基酸、聚己内酯等，这些材料能在生理环境中发生结构性破坏，且降解产物能通过正常的新陈代谢被基体吸收或排出体外。非降解和可生物降解生物医用高分子材料在生物医学领域各具有自己独特的发展地位，然而，随着生物医学和材料科学的发展，人们对生物医用高分子材料提出了更高的要求，可生物降解生物医用高分子材料越来越得到人们的亲睐。因此，在这里主要讨论可生物降解医用高分子材料的种类。根据来源来划分，可生物降解医用高分子材料可分为天然可生物降解和合成可生物降解两大类。3 生物医用高分子材料的应用及展望生物技术将是21世纪最有前途的技术, 生物医用高分子材料将在其中扮演重要角色, 其性能将不断提高, 应用领域也将进一步拓宽。生物医用高分子材料应用主要有以下几个方面：（1）与血液接触的高分子材料。与血液接触的高分子材料是指用来制造人工血管、人工心脏血囊、人工心瓣膜、人工肺等的生物医用材料, 要求这种材料要有良好的抗凝血性、抗细菌粘附性, 即在材料表面不产生血栓、不引起血小板变形, 不发生以生物材料为中心的感染。此外, 还要求它具有与人体血管相似的弹性和延展性以及良好的耐疲劳性等。（2）组织工程用高分子材料。组织工程学是近十年来新兴的一门交叉学科,它是应用工程学和生命科学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构- 功能关系, 以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学。细胞大规模培养技术的日臻成熟和生物相容性材料的开发与研究, 使得创造由活细胞和生物相容性材料组成的人造生物组织或器官成为可能。（3）药用高分子材料。与低分子药物相比,药用高分子具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。根据药用高分子结构与制剂的形式, 药用高分子可分为三类: a. 具有药理活性的高分子药物，它们本身具有药理作用,断链后即失去药性, 是真正意义上的高分子药物。b.低分子药物的高分子化。低分子药物在体内新陈代谢速度快, 半衰期短, 体内浓度降低快, 从而影响疗效, 故需大剂量频繁进药, 而过高的药剂浓度又会加重副作用, 此外, 低分子药物也缺乏进入人体部位的选择性。将低分子药物与高分子结合的方法有吸附、共聚、嵌段和接枝等。C.药用高分子微胶囊,即将细微的药粒用高分子膜包覆起来形成微小的胶囊，其作用有：延缓、控制释放药物, 提高疗效; 掩蔽药物的毒性、刺激性和苦味等不良性质, 减小对人体的刺激; 使药物与空气隔离, 防止药物在存放过程中的氧化、吸潮等不良反应, 增加贮存的稳定性。（4）医药包装用高分子材料。用于药物包装的高分子材料正逐年增加，包装药物的高分子材料大体上可分为软、硬两种类型。硬型材料如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等, 由于其强度高、透明性好、尺寸稳定、气密性好,常用来代替玻璃容器和金属容器, 制造饮片和胶囊等固体制剂的包装。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有优异的力学性能及阻隔性能外, 还有较强的耐紫外线性, 可用于口服液、糖浆等的热封装。软型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯- 醋酸乙烯共聚物等, 常加工成复合薄膜, 主要用来包装固体冲剂、片剂等药物。而半硬质聚氯乙烯片材则被用作片剂、胶囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。至于药膏、洗剂、酊剂等外用药液的包装, 则用耐腐蚀性极强且综合性能优良的聚四氟乙烯来担任。（5）隐形眼镜是最常见的眼科用高分子材料制品。对这类材料的基本要求是: ①具有优良的光学性质, 折光率与角膜相接近;②良好的润湿性和透氧性; ③生物惰性, 即耐降解且不与接触面发生化学反应; ④有一定的力学强度, 易于精加工及抗污渍沉淀等。常用的隐形眼镜材料有聚甲基丙烯酸β-羟乙酯, 聚甲基丙烯酸β- 羟乙酯- N - 乙烯吡咯烷酮, 聚甲基丙烯酸β- 羟乙酯- 甲基丙烯酸戊酯, 聚甲基丙烯酸甘油酯- N - 乙烯吡咯烷酮等。浙江工业大学的邬润德等研究的聚钛硅氧烷化合物, 由于在聚合体系中加入了钛烷氧化物交联剂,使材料的致密性增加, 减少了固化收缩, 制备了一种优良的隐形眼镜材料。此外, 发生病变的角膜和晶状体也可用人工角膜和人工晶状体替代。人工角膜可用硅橡胶、聚甲基丙烯酸酯类或聚酯等薄膜制备。人工晶状体的主体材料可用聚甲基丙烯酸酯类, 其起固定作用的附加爪状细枝可用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物或甲基丙烯酸环己酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物等。（6）医用粘合剂与缝合线。生物医用粘合剂是指将组织粘合起来的组织粘合剂, 它们除了应具备一般软组织植入物所应有的条件外, 还应满足下列要求: ①在活体能承受的条件下固化, 使组织粘合; ②能迅速聚合而没有过量的热和毒副产物产生; ③在创伤愈合时粘合剂可被吸收而不干扰正常的愈合过程。常用的粘合剂有α- 氰基丙烯酸烷基酯类, 甲基丙烯酸甲酯- 苯乙烯共聚物及亚甲基丙二酸甲基烯丙基酯等。手术用缝合线可分为非吸收型和可吸收型两大类。非吸收类包括天然纤维(如蚕丝、木棉、麻及马毛等) 和合成纤维(如PET、PA、PP、PE 单丝、PTFE 及PU 等) 。可吸收类包括天然高分子材料(如羊肠线、骨胶原、纤维蛋白等) 和合成高分子材料(如聚乙烯醇、聚羟乙基丁酸酯、聚乳酸、聚氨基酸及聚羟基乙酸等) 。其中, 由聚乳酸和聚羟基乙酸或两者的共聚物制成的缝合线因性能优越而倍受关注。这种缝合线强度可靠, 对创口缝合能力强, 又可生物降解而被肌体吸收, 是一种理想的医用缝合线。（7）医疗器件用高分子材料。高分子材料制的医疗器件有一次性医疗用品 (注射器、输液器、检查器具、护理用具、麻醉及手术室用具等) 、血袋、尿袋及矫形材料等。一次性医疗用品多采用常见高分子材料如聚丙烯和聚4-甲基- 1 - 戊烯制造。血袋一般由软PVC 或LDPE 制成。由PU 制的绷带固化速度快, 质轻层薄, 不易使皮肤发炎, 可取代传统的固定材料———石膏用于骨折固定。硅橡胶、聚酯、聚四氟乙烯、聚酸酐及聚乙烯醇等都是性能良好的矫形材料,已广泛用于假肢制造及整形外科等领域。医用高分子材料的发展方向主要包括：（1）可生物降解医用高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到高度重视, 无论是作为缓释药物还是作为促进组织生长的骨架材料, 都将得到巨大的发展。（2）1906 年En rililich 首次提出药物选择性地分布于病变部位以降低其对正常组织的毒副作用, 使病变组织的药物浓度增大, 从而提高药物利用率这一靶向给药的概念。此后一个世纪以来, 靶向药物的载体材料一直吸引了医药工作者的兴趣。其中高分子纳米粒子以其特有的优点是近年来国内外一个极为重要的研究热点。（3）任何一种材料都是通过其表面与环境介质相接触的, 因此材料的开发与应用必然涉及其表面问题的研究。一般高分子材料的表面对外界响应性较弱, 但有些高分子表面的结构形态会因外界条件(如pH、温度、应力、光及电场等) 的改变在极短时间内发生相应的变化, 从而造成表面性质的改变, 此乃智能高分子表面。因此设计这类智能表面将是生物医用高分子材料发展的一个重要方面。（4）随着科学的发展,由高分子材料制成的人工脏器正在从体外使用型向内植型发展,为满足医用功能性、生物相容性的要求,把酶和生物细胞固定在合成高分子材料上,从而制成各种脏器，将使生物医用高分子材料发展前景越来越广阔。（5）通常,在组织工程的应用中,高分子材料支架要负载上生长因子,以促进组织在生物体内的再生,另一方面,把特殊的粘附因子,如粘连蛋白结合到支架上,可使聚合物表面能够促进对某种细胞的粘附,而排斥其它种类的细胞,即支架对细胞进行有选择的粘附。为了使生长因子和粘附因子能够结合到可降解高分子材料上,就需要对材料进行表面改性,而有时表面改性很困难, 因此，可利用与天然聚合物杂化的方法来达到上述目的, 同时由于这些材料有良好的机械性能,又可以弥补天然聚合物强度不高、稳定性差的缺点。可见，生物杂化材料在这方面的表现是相当突出的, 必将成为医用生物高分子材料发展的一个主要趋势。 给我分吧，我找得苦。
★ ★ dfq0730(金币+2,VIP+0):资源不少，可以分享一下吗？也省得老是发邮件的 1-4 13:48高吸水性树脂（英文名为Super Absorbent Resin， 简写为SAR），或者称为高吸水性聚合物（英文名为Super Absorbent Polymer，简写为SAP），是一种含有羧基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物。与传统吸水材料如海绵、纤维素、硅胶相比，它不溶于水，也不溶于有机溶剂，却又有着奇特的吸水性能和保水能力，同时又具备高分子材料的优点。高吸水性树脂的吸水量高，可达到自重的千倍以上，而且保水性强，即使在受热、加压条件下也不易失水，对光、热、酸碱的稳定性好，还具有良好的生物降解性能。 高吸水性树脂的开发与研究只有几十年的历史。是一种典型的功能高分子材料，具有一般高分子化合物的基本特性。它能够吸收并保持自身质量数百倍乃至数千倍的水分或都数十倍的盐水，并且能够保水贮水，即使加压也很难把水分离出来。这是由于其分子结构上带有大量具有很强亲水性的化学基团，而这些化学基团又可形成各种相应的复杂结构，从而赋予该材料良好的高吸水和高保水特性。 高吸水性树脂与水有很强的亲和力使它在个人卫生用品方面得到广泛应用，并在农业、土木建筑、保鲜材料、改造环境等方面的应用也显示出广阔的前景。如婴儿纸尿片、老年失禁纸尿片布、妇女用卫生巾等，广大发展中国家在这方面的需求不断增长，各国纷纷扩大生产，增加研究和开发力度。高吸水性树脂作为通讯电缆的防水剂、湿度调节剂、凝胶转动装置、活体酶载体、人造雪等方面也得到了大量的研究和应用。高吸水性树脂在农艺园林方面的应用也已表现出令人鼓舞的前景，它有利于节水灌溉、降低植物死亡率、提高土壤保肥保水能力、提高作物发芽率等。高吸水树脂在沙漠治理方面的应用更是具有无可估量的社会效益。由此可见进一步开发高吸水性树脂仍然有很重大的意义。 1.国外状况 高吸水树脂的研究开发始于20世纪60年代后期。1966年美国农业部北方研究所Fan-ta等进行了淀粉接枝丙烯腈的研究，从此开始了高吸水树脂的发展。Fanta等在论文中提出：淀粉衍生物的吸水性树脂具有优越的吸水能力，吸水后形成的膨润凝胶体保水性很强，即使加压也不与水分离，甚至还具有吸湿放湿性，这些材料的吸水性能都超过以往的高分子材料。该树脂最初在Henkel Corporation工业化成功，其商品名为SGP(Starch Graft Polymer)。1971年Grain Processing公司以硝酸铈盐作引发剂，采用丙烯腈接枝在淀粉或纤维素上的方法合成出高吸水树脂。在这一时期，美国Hercules、National Starch、General MillsChemical，日本住友化学、花王石碱、三洋化成工业等公司相继成功开发出了高吸水树脂，德国、法国等世界各国对高吸水树脂的制备、性能和应用等领域也进行了广泛的研究，并取得大量成果。其中成效最大的是美国和日本。此后，国外对SAP的研制、生产和应用便以惊人的速度发展起来。1978年日本实现了SAP工业化生产。 高吸水树脂的生产与消费增长很快，1980年，世界高吸水性树脂生产能力约为5 kt/a，1990年增加到207 kt/a，1999年猛增到1292 kt/a。目前，世界SAP的最大生产商是日本触媒化学公司，其次是Deggusa/Huels集团的Stockhausen公司，第三位是美国Amcol公司的全资子公司Chemdal公司，这3家公司合计能力约占世界总能力的％。欧洲高吸水性树脂的主要生产厂家有法国Atofina公司和SNF Floerger公司，比利时的BASF公司和Nippon Shokubai公司，德国BASF公司、Stockhausen公司和Dow化学公司、英国Industrial Zeolite公司等。 美国是世界上最大的高吸水性树脂消费国，消费量约为280 kt，约占世界总消费量的％。欧洲高吸水性树脂的消费量约为200 kt，约占总消费量的％；日本高吸水性树脂的消费量约为80 kt，约占世界总消费量的％；其他地区的消费量约占％。根据预测，2005年世界高吸水性树脂的消费量将达到1000～1100kt，消费量年均增长速度为％～％。 随着其产品多样化及性能的提高，高吸水树脂的应用领域也必将不断扩大。1973年美国UCC公司开始将高吸水树脂应用于农业方面，接着又扩展到农林园艺的土壤保水、苗木培育及输送、育种方面。接着日本、法国等也展开了吸水性树脂的应用研究。现在，高吸水树脂已经广泛应用于农林园艺、医疗卫生、建筑材料、石油工业、食品行业、日用品行业、人工智能材料等各个领域。 2 国内状况 国内高吸水性树脂的研究工作起步较晚，始于20世纪80年代初，与国外相比，我国高吸水性树脂的研究开发与应用相对比较缓慢，2004年我国高吸水性树脂的生产能力也只在30kt/a左右，生产企业近30家，但规模都不大，生产能力在1kt以上的仅7家。 国内有三十多家单位在从事高吸水性树脂的研究。例如上海大学、吉林石油化工研究所、中国科学院化学所、中国科学院兰州化学物理研究所、广州化学所、天津大学、北京化工大学、广东工业大学化工研究所等，这些单位的工作大都着重于水性树脂的合成研究。在应用方面，吉林、黑龙江、新疆、河南等省把高吸水性树脂应用于农业生产中取得了较为可喜的成就。目前，国内高吸水剂的研究工作绝大部分仍处于实验室阶段，有的已转入中试阶段，但工业化的很少，主要还是依靠进口。 目前，在我国高吸水性树脂大部分为进口产品，进口价为－万元/t。国内高吸水性树脂生产成本在－万元/t，售价为－万元/t。预计到 2010年国内高吸水性树脂的需求量将达到100kt。 在我国吸水树脂的消费主要以卫生用品应用为主。在今后我国吸水树脂应用方面卫生材料仍是主流，其需求量还将不断增大。由于我国水资源十分贫乏，水土流失严重，荒漠化土地日趋扩展;并且我国正处于工业化、城市化的加速发展阶段，城市草坪业和花卉业将有巨大的发展空间。吸水树脂作为土壤改良剂，保水保肥剂，种子及苗木移植涂覆剂在农业、林业、园林绿化、改造沙漠等方面将起着重要的作用，有关专家认为，再经过七八年的努力作为保水剂的吸水树脂有可能成为继化肥、农药、地膜之后最受广大农民欢迎的农用化学品之一，其市场前景十分广阔。高吸水性树脂是一种发展迅速的新材料，在我国极具市场潜力。随着人们对SAP研究的深入，具有耐盐、保水、保肥等多功能SAP的研究已经取得了巨大的进展，但是我国SAP的生产及应用均落后于发达国家，迫切需要快速发展。我国地大物博，土壤沙漠化严重， SAP在农业上的应用具有巨大的潜力，加强对具有抗旱保墒，且具有缓释肥功能的绿色环保型SAP的研究，建立以多功能新型SAP为中心的完整化学抗旱、节水、保水技术体系，并开展大面积的示范推广也是今后研究的重点。此外，目前应用于工业化生产的SAP大多是丙烯酸盐类，原料成本高，不利于大范围应用。加强对非金属矿物/保水复合材料的研究，同时研究简化生产工艺，减少聚合后半成品水分含量从而减少产成品干燥时间和干燥能耗，对于降低SAP成本，扩大SAP应用范围具有重要意义。另外，应该尽快利用原料和市场需求两个优势，引进国外先进技术，并依托国内科研力量进行开发，建设经济规模工业化装置，以便迅速占领这一高增长的市场。
仅供参考；《功能高分子材料》课程是高分子材料、复合材料、材料化学和应用化学专业的核心主干课程，它是建立在高分子化学和高分子物理基础上，并与其它多种学科如物理学、生物学、医学、分离科学等交叉的综合性课程。由于涉及领域非常广泛，如涵盖了吸附分离功能高分子材料、反应型功能高分子材料、电功能高分子材料、光功能高分子材料、高分子功能膜材料、生物医用功能高分子材料、液晶高分子材料、环境敏感高分子材料等，该门课程教学质量的优劣对学生能否深入了解功能性高分子的设计、表征和应用非常重要。考虑到《功能高分子材料》课程一般是在大三的下学期或大四的上学期开设，这时学生面临着考研复习和找工作等问题，很难静下心来进行深入的学习。因此，采用传统的教学方式难以达到满意的教学效果。针对这些问题，结合我校高分子材料专业教学的实际情况，笔者对《功能高分子材料》课程的教学从教材选定、教学内容和教学方式方面进行了探索。下面，笔者就自己的点滴体会进行论述。1教材的选定和内容的精讲自高分子学科在我国诞生以来，功能高分子材料的发展非常迅速，目前为止国内所见的教材已有十多种。由于功能高分子材料发展非常迅速，为了获取最新的知识，不能选择那些出版年月较老的教材。另外，还要保证教材编写的质量。经过对不同教材的比较,结合我校实际,最终选用了赵文元和王亦军编著的由化学工业出版社于2008年出版的教材。该教材是在1996年版的基础上，加入了许多新的功能高分子方面的研究内容，并结合实际对一部分内容进行了一定的删改。经过对该教材一段时间的试用，我们发现效果较好。另外，针对课时有限而授课内容多的矛盾，应突出教学重点，选择最热门和重要的部分进行精讲，其它部分略讲或者学生自学。2多媒体教学与传统教学方式相结合多媒体教学是指运用计算机并借助于预先制作的教学课件来开展教学活动的过程。与传统教学方法相比，它具有课堂容量大、图文并茂、形象生动、易于突出教学重点和难点等优点。近几年来，越来越多的课程开始实行多媒体教学。功能高分子材料方面新概念多，涉及领域广，借助多媒体技术，不仅可向学生直观地展示有关功能高分子设计实例，而且可插入适当的生产生活实例，使抽象枯燥的功能高分子材料课程更加具体生动。同时，要注意的是多媒体教学效果的好坏，在很大程度上取决于教学课件的水平。因此，老师应努力提高教学课件的制作水平。另外，我们也注意到，多媒体教学的上课进度明显要快于传统的板书教学。这样，对于某些特别重要的理论公式的学习和推导，通过多媒体教学难以使学生在较短的时间内完全理解，这时就应该采用传统的板书教学方式。因此，我们应采取多媒体教学与传统教学相结合的教学方式，根据教学内容进行相应的调整，既保证学生对课程感兴趣，又能让学生真正深入的理解功能高分子材料的知识。3联系生活实际，引出所要讲述的功能高分子材料以生活中的实际例子或新闻报道中的最新科技进展为例子，引出将要介绍的功能高分子材料。这样既能让学生意识到功能高分子材料的重要性，提高学习的积极性，又能让学生了解到最新的研究成果，提高对科学研究的兴趣。如从全球都非常关注的环保问题出发，引出废水和废气处理方面的功能高分子材料，介绍这些功能高分子材料的设计思路和原理，让学生从理论和实际相结合的角度深入理解所学的功能高分子知识。同时，还可以提出一些生活中材料的不足，让学生发挥主观能动性，提出解决这些材料不足之处的方法或设计新的功能高分子材料的想法。这样，学生的学习兴趣会大大的提高，教学效果也会明显得到改善。4利用网络资源，紧跟最新研究进展，实时补充新的教学内容功能高分子材料是一门发展非常迅速的学科，每隔一段时间都有新的研究成果诞生，我们应根据情况实时的补充那些热门和重要的研究成果到教学内容中，让学生了解到最新的功能高分子知识，提高学生对功能高分子材料的兴趣。互联网上资源丰富，内容更新快，是老师补充教学内容的最佳途径。目前，利用网络资源作为课堂教学的辅助手段，是学生喜闻乐见的形式。老师可以制作一个功能高分子的网页，提供最新研究成果的链接，方便学生浏览。同时，还可以鼓励学生在网上搜索最新的研究成果，再在课堂上以口头报告的形式传达给同学。这样，既能让学生对功能高分子材料进行全面的了解，又能让学生主动的参与教学，达到较好的教学效果。5互动式教学，学生做“学术报告”课堂教学是教学的关键性环节，如何启发学生积极思考，调动学生的学习积极性，是老师们一直在探索的问题。针对功能高分子材料涵盖领域多，可以从热门的领域中选择几个作为报告题目，然后让学生分成若干个小组，共同完成查找资料和组织讲稿的工作。最后，从各小组中选出一人作为代表上台做“学术报告”，每个小组之间互相提问。
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随着世界经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效利用和有效管理越来越得到世界各国政府的高度重视。以“水—可持续发展的关键”为主题的国际淡水会议于2002年12月3日在德国波恩拉开序幕。世界各国先后出台了水资源调度及综合利用、水土保持、按用途优化用水及海水淡化等方针政策，并以此来解决日益严重的水危机问题。泵站——水的唯一人工动力来源，作为重要的工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。同时，泵站在防洪、排涝和抗旱减灾，以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用。另外，泵站为耗能大户，节能和节水问题一样重要。因此，泵站的经济运行和优化管理就显得尤为重要。1 国外泵站工程的发展状况泵站是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今三大水资源问题的有效工程措施之一。它们承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等。泵站与其它水利建筑物不同，它无需修建挡水和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件的影响较小，且具有投资省、成本低、工期短、见效快、灵活机动等优点。但是，泵站运行要耗能，设备维护和更新费用高。尽管如此，许多国家还是把泵站工程建设列为优先考虑的重点。尤其是荷兰、日本、原苏联和美国等国家，他们的发展速度较快，技术更先进，管理更完善，有许多东西值得我们借鉴和学习。 荷兰泵站工程发展状况荷兰是一个地势低洼的国家，约有四分之一的国土面积低于海平面，历史上即以筑堤、排水、围海造田而著称，再加上部分地区开垦沼泽地等，其排水问题十分突出。为了解决这些矛盾，荷兰政府兴建了众多的大型排水泵站，迄今已从围海造田中增加土地面积约60万公顷。荷兰排水泵站的特点是扬程低、流量大。如1973年兴建的爱茅顿排水泵站，最大扬程仅，单机流量，总排水能力150 m3/s，并有可能在将来扩大至350～400 m3/s.荷兰目前已建成的大型泵站有600多座，安装口径以上的大型水泵机组2400多台（荷兰泵的转速高，其口径相当于我国口径以上的大泵），其泵站的数量和大泵的台数都是我国泵站数量的三倍以上。在水泵设计及装置配套方面，荷兰有世界著名的水力机械专家，可对水泵装置进行性能测试、水锤计算、模型试验等；在机械方面，可进行振动计算和测量、性能和噪音的监测等。他们还广泛利用计算机，从计算机辅助选型（CAS）、计算机辅助设计（CAD）到计算机辅助制造（CAM）；从水力、结构优化设计到叶片、导叶加工的严格控制，全程使用计算机，使产品在高度先进的设计和工艺基础上制造出来。荷兰比较注重科研的投入，科研力量很强，研究机构齐全，设施非常完善，对水泵及其进、出水流道均有比较系统的研究。完美的设计和制造，提高了机组的性能指标，增加了泵站运行的安全性和稳定性。 日本泵站工程发展状况日本是一个岛国，国土面积大部分为山地、丘陵，人均拥有的耕地面积较少。为获得土地面积，日本采用了大规模拦海造地的方法，同时兴建了一批排水泵站，以解决易涝地区的排渍问题。日本灌排事业的形成与发展，始终与水稻种植的历史相关。大约公元前3世纪前后，以容易灌溉的地区为中心开始了水稻的种植。修建了许多简易的水渠和小型池塘。后来，农业生产力水平逐渐提高，农田灌溉设施逐步向全国发展。19世纪前后，围绕大河流域的水田开发取得进展，初步形成现在日本水田面积300万hm2的规模。1868年明治维新后，近代科学技术和日本传统的水田农业技术结合，日本的灌溉排水设施得到广泛建设，不断发展提高。1970年前后，日本大米过剩，政府开始推行调整农业产业结构的政策，灌溉排水设施的建设从原来以水田为中心转入以旱地为中心。进入1990年后，随着灌溉排水设施以新建改良为主的制度逐步完善，以大河下游沼泽为中心，积极推行了旨在提高生产率的排水设施建设。目前，日本由国家投资兴建的水库、水渠、水闸、泵站等骨干水利设施共1443项，灌排水渠总长17810km.全国共有7400个土地改良区，控制面积340万hm2.现在的日本灌排事业，已远远超过了因种植水稻而必须具备的功能。所到之处，灌溉排水设施与自然密切共存，相依相伴。它们在贮存地下水、防洪、防污治污、国土治理的生态环境中，发挥着极为重要的作用，维护和创造了日本优美的农村景观和人文文化。在该国众多的大型泵站中，新川河口和三乡排水站是较有代表性的。新川河口排水站共装有6台直径为的贯流式水泵，扬程，单台泵流量40 m3/s，排水受益面积30万亩。三乡排水站装有直径为的混流泵，单台泵流量50 m3/s，设计扬程 原苏联泵站工程发展状况原苏联年降水量约90430亿m3，形成河川径流量40430亿m3，人均年径流量27820m3.另外，还有境外的年入境流量2270亿m3，地下水资源量7875亿m3/年。原苏联的水资源开发程度较高，水工建设水平堪称世界一流。原苏联大型泵站的建设，除了应用于平原地区的农业排灌外，主要用于扬程较高的运河供水以及跨流域调水等。如已建成的莫斯科运河上的梯级泵站，以及从北方河流调水200～250亿m3水量输送到伏尔加河流域的北水南调工程。原苏联大型水泵（轴流泵）具有转速高、扬程高、流量大等特点，其技术性能指标水平比较先进，但水泵结构型式比较单一，其传动方式一般采用与电动机直联，故电动机体积大而笨重，泵站投资相应增加。 美国泵站工程发展状况以美国西部的灌排事业发展为例。1902年，美国会通过《灌溉法案》，拉开了西部17个州水利建设的序幕。20世纪30年代初遭遇经济大萧条后，总统富兰克林？罗斯福提出“新政”，把以水利设施为主的公共工程建设作为刺激经济的重要手段之一。大批水力发电、防洪、灌溉、调水等综合性工程纷纷上马，全国水利建设达到空前高潮。 经过近一百年的努力，已建成并管理345座水库、254座大坝、267座泵站、万km渠道、2300km输水干管、950km隧洞和58座水电站，这些水资源开发利用的骨干工程的建设和建成，为西部的社会和经济发展奠定了坚实的基础，解决了3100万人的用水问题，为西部1000万英亩农田提供了灌溉水，这些农田生产的蔬菜目前在全美蔬菜总产量中占到60%.美国拥有世界上流量和扬程最大的泵站—埃德蒙斯顿泵站。它位于美国加州中部圣华金河谷地区的贝克斯菲尔德市南郊，是全长864公里加州北水南调工程干渠上22座大型泵站之一（将水从加州北部干渠越过Tehachapi山脉输送到加州南部）。埃德蒙斯顿泵站装有14台泵，每台泵的流量为9m3/s，需提供的静扬程为587m（不包括管路损失），效率为，转速是600r/m（与电动机同），配套电动机功率为8万马力（近6万kW）。泵站总流量为125 m3/s，配套总功率112万马力，年耗电量约60亿kW？h.水泵为立轴4级串联，高，转轮直径，重220吨。水泵与电动机直联，机组总高近20m，重420吨。该工程于1951年5月提出方案论证，1965年5月最终确定方案，1971年9月正式提出实施1984年完成最后3台机组的安装，工程总投资约亿美元。2 国外泵站的运行、管理及自动化国外泵站在运行、管理方面自动化程度高，监控系统完善。这样，既提高了泵站运行的安全性、可靠性和经济性，又节约了人力资源，为工程的维护提供了可靠依据。其中，泵站在运行、管理方面自动化程度高的有美国、日本、英国、荷兰和前苏联等。 美国西部泵站的运行、管理及自动化美国西部调水工程的建设和管理经验表明，对系统实行集中统一调度具有许多优越性。（l）加州的调水工程由水资源部统一管理运行，并于1964～1974年安装了控制系统，包括计算机、通信和电子设备。该系统可对17座泵站和电厂，71座节制闸的198个闸门和其他各种设备、设施实行计算机通信、监控、检测和调度。为便于工程的控制和运用，除在萨克拉门托市设置中央控制室外，还在奥洛维尔、三角洲、圣路易斯、圣华金和南加州等5个区域设置分控制中心。中央控制室负责所有工程的管理和协调，同时也兼作其各分控制中心的备用。整个控制系统的投资为1350万美元，其中中央控制系统为260万美元。中央控制系统主要由计算机系统、CRT系统、调度控制台、模拟屏、打印系统和通信系统组成。其中，模拟屏高 3 m，长 16 m，带有警铃装置。一旦出现事故或非常情况，警铃会自动报警。（2）中央亚利桑那工程，其集中控制系统称程序可控的主监控系统。控制系统包括主控制站（该站配有2台高级计算机和用于联机控制及新程序开发的软件）、遥控终端单元（该单元设在泵站、控制建筑物和分水口等地方）、通信系统、遥控终端屏蔽室、备用电源、闸门控制和传感器、泵站控制器等。调水工程管理不仅是调配水量，而且还对区域内总的水资源（包括地下水、地表水及外来水等）实行统一管理。比如对地下水的抽取，一般规定超采量不准超过可开采量的10%，否则要及时地进行人工回灌，这些均要纳入供水计划。 日本水管理和泵站工程自动化日本水管理几乎全部实现了自动化。工程设施和自动化设备均有明确的使用期限，一般规定10～20年更新一次。所以，六七十年代兴建的水利工程和安装的设备，现已完成改造、扩建和安装新的计算机系统。监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个水系上设有中央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置对各种泵站、水工建筑物、渠道等进行集中监控，以达到水资源综合利用的目的。各分站和中央管理站之间采用无线电进行联系，也有采用国家专用电话线进行联系的，七八十年代新装的设备大多采用微波通信。水管理系统的监控设备随着CRT的高密度化，辅助存贮器的小型化、大容量化以及微型计算机的普及和个性化等，大大地提高了工程的自动化水平。大型泵站由于设备比较集中，易于实现自动化。例如，新川河口排水站装有6台贯流式轴流泵，扬程，单台泵流量40m3/s，该站的水泵及其他设备均由中央控制室远距离操作。为保证新川河口的水位稳定在设计范围内，采用自动调节水泵叶片安装角和自动选择运转台数的控制机构，并根据内外水位差的变化，可发出开启自动排水闸的信号。该站的其他辅助设备和自动清污装置，也均由中央控制室操作。 欧洲泵站工程自动化（1）罗马尼亚提水灌区的自动化。1971～1978年英国乔治？温比（George Wimpy）公司为罗马尼亚奥尔特？卡尔马齐提水灌区设计了用计算机控制的自动化系统。该灌区是欧洲最大的自动化灌区，它自多瑙河提水，一级泵站采用浮动式泵房，安装5台立式轴流泵，提水36 m3/s；二级泵站和三级泵站安装若干台立式离心泵，然后通过34个小型加压泵站，送入田间喷灌系统，灌溉 47万 hm2农田。（2）荷兰、奥地利、法国泵站的自动化。在欧洲，泵站自动化程度较高。荷兰、奥地利的一些泵站，基本上都实现了全自动监控。荷兰泵站采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等，它本身能长期进行自动记录，一般数据不存档。3 国外泵站工程的管理体制和经费来源和其他水利工程一样，“有法可依、有法必依”是泵站工程稳定发展的基础和保证，充足的经费是泵站保证正常持续运转、实行有效管理的动力源泉。不同制度下的国家对泵站工程投资、管理的方法不同，其中管理、投资体制比较完善的国家有日本、荷兰和美国等。 日本泵站工程的管理体制和经费来源（1）灌排设施建设的申请立项日本通过泵站工程和灌排设施的建设，达到土地改良的目的。在土地改良地区范围内，需由国家或县（都、道、府）出资新建的项目，应由15名以上的农户提出申请，由有资格参加事业的农户同意并负担费用。改建项目可通过全体大会决议后申请。（2）工程建设的管理新建灌溉排水设施、规划治理工程的建设项目管理，通常根据工程规模大小和技术复杂程度等条件，由土地改良区、村（市、町）政府、县（都、道、府）政府或国家主持，并按事业主体单位的不同，划分为团体营事业（土地改良区或市、町、村项目）或公团营事业（县、国家项目）等，实行分级管理。它们在《土地改良法》、《公团法》及县府条例、市町村条例中，都有明确的规定。（3）灌排设施的维护与管理灌排工程设施，建成后原则上交给利用该建设设施的土地改良区在自觉且负担费用的情况下管理。不仅要求他们管理好这些设施，维护其功能，而且还要通过运转和操作设施来管好当地的水资源。（4）土地改良区农民的经费负担土地改良区受益农户的经费负担，分为建设费和运行管理费两种。建设费根据工程的大小、性质来定。一般的灌溉排水设施，受益面积在3000hm2以上的（北海道为1000hm2以上），国家投资75%～80%，县（都、道、府）投资5%～17%，村（市、町）和农户分别承担其余部分，农户一般负担低于10%.对大型工程，因投资较大，往往出现农户难于一次付清的情况。对此，农民可以从国家设立的“农林渔业金融公库”接受长期的低息贷款，年息一般在2%左右，10年宽限期，用15年还清。也就是说，工程受益后，农民用25年时间还清贷款。小于3000hm2（北海道为1000hm2以下）的灌区，由县（都、道、府）负责，市（町、村）只负责200hm2以下的小型灌区。属于只有社会效益的环境治理工程，如用于防洪、排涝的堤防和泵站等，则无论工程大小，均由国家承担。土地改良区受益农户的运行管理经费负担金，因考虑到丰水年不一定要动用灌溉设施，所以按实际控制面积分摊，一般为收3000日元，而不以实际灌溉水量和灌溉面积计收水费。据分析，农户负担的工程建设费用与运行管理费的总和，约占农户收入的5%以下。（5）中央政府及县对土地改良区的监督土地改良区必须接受农林水产大臣或县知事的监督。这种监督包括督促土地改良区遵守法令和章程，认真地履行土地改良事业，以及管理好土地改良区等。也可以要求当地提供业务报告、会计报告或进行实地检查等，如检查发现有违规现象，则有权令其纠正。 美国泵站工程的管理体制和经费来源美国是联邦制国家，各州都有相当大的立法权，州政府与联邦政府的关系相对较为松散，这就形成了其在泵站管理上实行以州为基本单位的管理体制。在政治体制上，美国实行私有制，在经济管理上，政府主要任务是基础设施的建设。在过去的一百多年里，联邦政府对水利建设十分重视，兴建了一大批水利设施，收到了明显的经济效益。近二十年来，由于联邦财政困难，其职责更多地由州政府履行，从而更加确立了以州为基本管理单位的管理体制。泵站的运行管理费用则由受益人根据受益的多少来承担。以城市供水为例，它主要通过向用水部门和个人征收水费而获得。在水费的具体收费办法上，各地一般分为七至八项。第一项为发行供水债券，主要用于新增供水及污水处理能力；第二项为地产税中有10%左右为水资源税；第三项为供水与污水处理统一收费；第四项为地下管线接管费；第五项为家庭排污年附加费；第六项为企业单位废水检测费；第七项为取水许可费及违规罚款等。水费的定价为一年一定。每年各城市及各供水区的水务部门会同用户代表，对下一年度的水供需情况进行分析，同时对下一年度的供水及污水处理的财务情况也进行预测，在财务平衡的基础上制订水价。美国政府对水的管理主要集中在水权的管理。至于供水、配水的管理，则主要依靠市场自发的调节和民间机构的运作。尤其在农村，水的管理主要是通过一些灌溉公司或民间组织来进行，灌溉公司主要由水权拥有人组成。这样，既减少了政府的直接干预，也降低了政府在水资源管理方面的开支，使得政府机构运作效率更高，可以集中精力进行水管理中的重大问题的研究和决策，也避免了由于政府直接干预过多造成的效率低下问题。在加州，中央河谷工程共兴建了约20座水坝和水库以及长达800多公里的运河等，水力发电产生的电力可满足200万人的需求，加州10个农业高产县中有6个靠这一工程供水。据估计，美联邦政府在中央河谷工程上投资30亿美元，在农业等领域共产生了约100倍的回报。而包括32座水库和湖泊、1000多公里运河的加州北水南调工程，也帮助解决了占该州总人口三分之二的约2300万居民以及数千家企业的用水问题，满足了66万英亩农田的灌溉需求。以上数据表明，水利工程，特别是泵站工程在获得减灾、抗旱和排涝等直接效益的同时，还在工业增产、农业增收、人民正常生产生活等方面获得间接效益。所以，由受益单位和个人来支付其运行管理费用是不无道理的。33 荷兰泵站工程的管理体制和经费来源荷兰采用水务一体化管理的历史悠久，对水利工程的投资与管理采取统一的管理模式，泵站的投资与管理也是如此。关于荷兰泵站的管理成本及资金来源问题，荷兰政府在提供经费方面提供了三项优先权：一是成本应由那些受益部门及职责部门负担；二是如果水主管部门的投资不能被专项拨给的话，这些投资将会以税的形式分摊到各受益者或有连带责任的成员当中；三是如果以上两种方法都是不可能的，资金将会从国家的专项预算中列支。第一项优先权意味着按照成文法规而建立的新工程投资应当由企业本身去支付。按第二项优先权，由水务局具体执行的堤防投资及具体的地方与地区水管理所需要的投资是由用户来支付，这主要是根据用户受益的大小来决定他们的税额及权限。按第三种优先权，国家和省在与其他部门协调治水活动中的资金投入主要来自于国家预算。而且对于那些大的工程，如防洪大坝、拦海大堤的投资及对于可操作性强的起核心作用的水管理方面的投资也是从中央预算中列支。对于由省负责的地下水管理的投入，部分是靠征税来获得，即根据工业和饮用水的地下开采量征税，多用水多交税。1994年主管水的公共事业部门总共投入了60亿荷兰盾，用于防洪和水质、水量管理。这部分的投入占国民收入的1%。这60亿荷兰盾的投入并不包含供饮用水和私人部门的投入。对于公共水管理的资金来源，有如下四个方面：国家预算、按利润分配原则由水务局所征收的税、由水务局根据“排污者付费原则”所征收的排污费以及由民政部门收取的生活污水治理费等。4 国外泵站技术和管理制度值得学习和借鉴的地方 国外泵站技术装备好、自动化程度高国外水泵的性能指标明显优于国内，机组的结构、配套和传动方式也丰富多彩。国外大型水泵生产企业制造出来的泵，一般具有转速高、体积小、重量轻等优点，其流量是我国同口径水泵流量的倍。如荷兰的水泵与我国的水泵性能相同，但前者的重量为吨，后者的重量却是48吨，两者相差一倍以上。另外，采用齿轮传动，可以大幅度地减小电动机的体积和重量。如荷兰口径的贯流泵，采用齿轮变速传动的结构设计后，与其配套的高速电机直径仅，电机和齿轮箱的总重量是15吨。如果将这台泵改用我国的直接传动，其电机直径将由原来的增加到，重量由15吨增加到49吨。由此可见，国外机组的高速化，不仅使机组的体积减小、重量变轻，而且还使厂房和土建投资大幅度降低，特别是考虑不同机组的装置形式（立、卧、斜式）对泵房结构的影响后，这种效果更明显。国外水利工程建设，十分注意严把质量关。如荷兰的水泵生产和泵站管理，两者在业务上的关系要比我国密切得多，水泵厂的设计人员对泵站的运行管理非常熟悉，他们与泵站管理单位在设计、生产、制造、试验、安装、调试、运行和检修等各个环节上配合默契，协调一致。水泵的内外表面平整光滑，叶片铝青铜表面加工光洁度高。这样就确保了水泵符合泵站的使用要求，不仅效率高，空化性能好，而且大大地延长了水泵的使用寿命，减少了事故的发生。而国内的泵站质量是令人置疑的。如某些泵站，运行一段时间后就发生地基下陷和建筑物开裂。国内水泵品种规格较少、结构形式单一、制造质量普遍较差，价格方面甚至低于与其配套的电动机。泵站设计时，只能选用性能差不多的那么几种定型产品，这样不但降低了泵站效率，而且还留下了许多不安全隐患。国外泵站的自动化程度较高，对泵站运行的各种指标、长期跟踪、监测和记录，随时发现问题可随时加以解决。同时，记录下来的数据也将成为水泵开发和性能完善的依据。另外，自动化大大减少了事故的发生，也减少了泵站的管理工作人员。如美国，几十公里的输水干线上，只有几个工作人员。国内泵站一般建于六七十年代，设备陈旧，自动化程度低，往往采用经验管理和定期大修的办法。这样，大大地影响了泵站经济，增加了管理开支，造成经济上不必要的损失。 国外泵站运行管理人员少、素质好、社会分工严密国外泵站运行管理人员只相当于我国的1/10，而运行管理有条不紊，长期保持正常运转。以荷兰为例，事实上，STORK泵厂负责核心部件的生产和总装，泵站的管理人员只负责值班运行、小规模的检修和大规模的检查，而大规模的检修则由泵厂完成，甚至于清洁卫生工作都由专业人员承包，更没有沉重的行政包袱。这些社会分工与协作方面的成功经验，值得我们认真研究和借鉴学习。国外泵站一般采用懂专业、有经验的管理人员。在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事件。而国内许多泵站管理人员素质差，专业技能低，地方保护严重，不注重人才的培养和新技术的引用，导致泵站运行管理水平相当落后。 国外十分注重工程的维护和保养、运行管理费用充足国外泵站的清洁工作做得好，一般都配有清污、清淤机械，它是保证泵站安全运行、节能、减少水泵磨损、延长机组寿命必不可少的泵站设备。但国内泵站的水泵工作环境差，设施不配套，很多泵站都没有配置清污机械，已设置的也不好用，问题在于关键技术不掌握，落后，资金投入也不足。在费用方面，国外泵站以受益者支付或国家拨款等方式获得充足的资金，有条件、有能力根据不同的需求进行改造、维修和扩建。而我国泵站建设资金短缺，且许多泵站主体工程在一次性投资建成后，工程配套滞后，续建费用少，这样就使一部分泵站长期不配套，工程迟迟达不到设计效益。另外，泵站运行管理资金少，甚至连职工工资都无保障，更谈不上泵站机电设备的更新和改造。5 结 语泵站是为水提供势能和压能，解决无自流条件下的排灌、供水和水资源调配问题的唯一动力来源，是解决洪涝灾害、干旱缺水的重要工程措施和实现水利现代化的重要标志之一。由于泵站的作用和特殊地位，各国都很重视。国外特别是在泵站技术装备、投资和经营管理机制方面，很多都值得我们借鉴和学习。这里只是根据作者收集到的部分资料，特别是一些专家近几年来的考察报告，对国外泵站的发展、运行和管理情况进行了一些归纳和叙述。更多的有待我们更深入的考察、了解、研究和学习，并调整政策，加大投入，脚踏实地地作好工作，力争在较短的时间内，使我国泵站工程的发展出现一个新的局面。参考文献1、 刘竹溪、冯广志主编，中国泵站工程，北京：水利电力出版社，1993；2、 黄良勇，考察荷兰泵站工程的几点体会，机电排灌，；3、 刘润堂，日本灌排事业与土地改良，中国水利科技网；4、 钟 震、沈日迈等，国内外泵站监控自动化技术设备现状与发展，中国农村水利水电，；5、 赵乐诗，我国泵站建设与管理的现状和任务，农田水利与小水电，；更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：
国外特别是俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进行了大量的研究。俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴塔诺戈夫技术科学副博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫通过对2000～ 3500kW异步电动机直接投入电网全电压起动与矿井高扬程水泵双电机拖动的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动的无可争辩的优越性。简要介绍矿井高扬程水泵双电机拖动装置的结构、技术性能、实际运行情况及较适用的方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵双电机拖动设计和运行中需要注意的一些问题。为了提高矿井排水设备运行的经济性，必须对水泵的使用期和管道的清理周期进行优化。俄罗斯国立莫斯科开放大学技术科学副博士.马祖连科依据费用相等的原则，推导出水泵最佳使用期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式。详细介绍了优化式的求解程序、有关参数的计算方法，以及不同使用期的水泵实际流量的测量方法等。论文中推荐的优化方法即使在通货膨胀条件下仍能保持其正确性，因此具有实用价值。矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排水设备的设计和使用阶段，都进行能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副博士.马祖连科介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能耗估算方法。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例。具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况。此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产方面，取得了突飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立综合信息基础框架，使全体开采过程与集成化支持系统连成网络;大力发展生产监控方面的传感技术，减小排水设备的自动控制和监测的误差;还要发展遥控机器人和全矿机器人技术。芬兰采矿工业则发布了智能化矿山技术项目，目标是实现实时资源管理和生产控制;全矿范围的信息网络;新型机器和自动化;以及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿山设备的研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操作系统。无论是发展传感器技术，还是建立统一的通信网络，都关系到自动排水系统的发展。在许多发达国家里，矿井水资源管理己进入了系统化管理阶段。集中了规范化、统计化、实时化和运筹化管理水资源质量及水环境的优点，运用了系统论、信息论、控制论和计算机技术，建立起了水资源管理信息系统。他们在采区工作面水文地质探测，地下水动态观测，水害预测，应急堵截水方面和矿井水综合治理方面均有成熟的技术可以让我们借鉴。虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方面的内容列入了矿山整体水资源管理的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中给中心控制室，进行统一控制。
1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.
写在前面的话：本文来自于本人的一次课程作业综述，当时还是写了很久的，不想交上去就完了，所以发上来留个纪念。 将注意力机制用在计算机视觉任务上，可以有效捕捉图片中有用的区域，从而提升整体网络性能。计算机视觉领域的注意力机制主要分为两类：(1) self-attention；(2) scale attention。这两类注意力从不同的角度进行图片内容理。本文将分别就这两种注意力机制进行说明，并列举相关的文献。 注意力是人类大脑固有的一种信号处理机制。人类大脑通过快速从视觉信号中选择出需要重点关注的区域，也就是通常所说的注意力焦点，然后重点处理这些区域的细节信息。通过注意力机制可以利用有限的大脑资源从大量的信息中筛选出有价值的信息。注意力机制最初被用在深度学习任务上是在机器语言翻译领域，将源语言翻译成目标语言，目标语言中的词并非与源语言的所有词都同等相关，而是仅与特定的几个词有相关性。因此，注意力机制可以将这个词的注意力分配到这些最相关的词上。之后，[1]中提出自注意力机制 (self-attention)，并将其用于Transformer模块中，极大提升了翻译模型的精度和并行性。与传统的注意力机制不同，self-attention的查询（query）和键（key）属于同一个域，计算的是同一条语句（或同一张图片）中不同位置之间的注意力分配，从而提取该语句（或图片）的特征。 [2]首先将self-attention用于视觉任务中，提出了non-local network，来捕获图片（或视频）中的长程依赖（long-range dependency）。Self-attention机制在视觉任务，如语义分割[3]，生成对抗网络[4]中取得了巨大的成功。它解决了卷积神经网络的局部视野域问题，使得每个位置都可以获得全局的视野域。不过，由于在视觉任务中，像素数极多，利用所有位置来计算每个位置的attention会导致巨大的计算和显存开销；另一方面，由于self-attention简单将图像当成一个序列进行处理，没有考虑不同位置之间的相对位置关系，使得所得到的attention丧失了图像的结构信息。之后对于self-attention的一个改进方向就是，在self-attention中加入相对位置信息或绝对位置信息编码。 除了self-attention，视觉任务中另一类注意力机制为scale attention。与self-attention不同，scale attention基于每个位置本身的响应。就分类任务而言，每个位置的响应越大，则其对于最终的分类结果影响越大，那么这个位置本身的重要性就越强。根据响应大小有选择地对特征图进行强化或抑制，就可以在空间（或其他维度）上达到分配attention的目的。[5]所提出的SENet，就相当于channel-wise的attention。类似的还有GENet[6]，CBAM[7]等，GENet将SENet中的channel-wise attention扩展到了spatial上，CBAM设计了串行的两个模块，分别进行channel-wise attention和spatial-wise attention的计算。另一篇工作residual attention network[8]也属于这一类attention，与SENet系列不同之处在于，本文采用bottom-up top-down形式得到spatial attention，再将其以残差的形式作用回原来的特征。这一类注意力机制仅仅基于图像中每个位置本身，对显著区域进行增强，非显著区域进行抑制，比self-attention机制更接近与人类视觉系统的注意力机制。 普通卷积将特征图的每个位置作为中心点，对该位置及其周围的位置进行加权求和，得到新的特征图上该位置对应的滤波结果，对于边缘，必要时可以用0进行填充。这一操作可以有效提取图片的局部信息。随着网络加深，卷积层不断堆叠，每个位置的视野域也越来越大，网络提取到的特征也逐渐由一些low-level的特征，如颜色、纹理，转变到一些high-level的结构信息。但是，简单通过加深网络来获取全局视野域，所带来的计算开销是很大的，并且，更深的网络会带来更大的优化难度。 Self-attention操作[2]可以有效地捕获不同位置之间的long-range dependency，每个位置的特征都由所有位置的加权求和得到，这里的权重就是attention weight。由此，每个位置都可以获取全局的视野域，并且不会造成特征图的退化（分辨率降低），这对于一些密集的预测任务，如语义分割、目标检测等，具有很大的优势。 图1展示了self-attention的网络结构。给定输入X，将两个1x1卷积分别作用于X上，得到的两个特征利用f(⋅)得到相关性矩阵，图中展示的f(⋅)为矩阵乘法。最后将相关性矩阵作用在原特征经过1x1卷积变换后的特征上。 公式（1）展示了第i个位置的相应的计算方法，其中f(⋅)为相关性函数，g(⋅)为变换函数，x_i为输入第i个位置的特征，y_i为第i个位置的输出特征，C(x)为归一化因子，一般采用总位置的个数。 由于self-attention可以有效捕获图片（或视频）中的长距离依赖，从而在不影响特征分辨率的同时获取全局的视野域，在视觉任务上引入self-attention，可以带来较大的性能提升。 论文[2]将self-attention用在视频动作识别任务上，如图2，对于视频中动作的识别，可能会跨越多帧，需要建立多帧视频之间的联系，self-attention的这种长距离依赖的特征就能有效建立多帧不同位置之间的联系。 论文[2]将self-attention用在分割任务上。由于孤立预测每个位置的类别很容易导致分错，分割任务需要结合每个位置的上下文对该位置进行分类。文章定义了所谓物体上下文（object context），即每个位置所属于的类别构成的集合，即为这个位置所属于的object context。 Object context是由不同位置的特征相似度来定义的，也就是self-attention过程中的相似度矩阵，将相似度矩阵与原特征进行相乘，即可将object context作用于该特征图。由此，文章提出了Object Context Network（OCNet），如图3。其中，base-OC为基本的self-attention模块，pyramid-OC和ASP-OC分别将self-attention与PSP模块和ASPP模块结合，在提取object context的同时，利用不同倍率的pooling操作或不同ratio的dilated convolution获取多尺度的特征，最大程度的利用context信息对原图进行分割。不过，本文虽然提出object context为每个像素及所有其他与其属于同一类的像素构成的集合，在实际操作的时候却并不是这样计算每个位置的object context的，特征上的相似性并不一定代表属于同一位置。因此，用object context来给self-attention新的解释，在说服力上还是存在一定问题的。 Scale attention是另一种注意力机制，与self-attention不同，scale attention是只基于key context的，对图像中的显著性区域进行增强，其他区域相应的进行抑制，从而使得输出的特征具有更强的区分性。这一类注意力机制的代表工作包括，residual attention network[8]，squeeze-and-excite network[5]，gather-and-excite network[6]以及CBAM[7]。 [8]提出，在分类网络中，网络深层比浅层更关注于被分类的物体，也就是图片的主体内容，这是因为，深层网络具有更大的视野域，可以看到更广的范围；而浅层网络只能看到每个位置及其邻域。因此，如果将网络较深层的信息作为一种mask，作用在较浅层的特征上，就能更好的增强浅层特征中对于最终分类结果有帮助的特征，抑制不相关的特征。如图5所示，将attention作为mask作用在原来特征上，得到的输出就会更加集中在对分类有帮助的区域上。 因此，文章提出一种bottom-up top-down的前向传播方法来得到图片的attention map，并且将其作用在原来的特征上，使得输出的特征有更强的区分度。图6展示了这种attention的计算方式。由于更大的视野域可以看到更多的内容，从而获得更多的attention信息，因此，作者设计了一条支路，通过快速下采样和上采样来提前获得更大的视野域，将输出的特征进行归一化后作用在原有的特征上，将作用后的特征以残差的形式加到原来的特征上，就完成了一次对原有特征的注意力增强。文章还提出了一个堆叠的网络结构，即residual attention network，中间多次采用这种attention模块进行快速下采样和上采样。 这篇文章在视觉领域开前向传播的注意力机制的先河，之后的注意力机制都是采用这种前向传播过程中得到的attention进行增强，并且一般为了优化方便，都会以残差的方式进行。 Squeeze-and-excite是另一类scale attention。与residual attention不同，squeeze-and-excite通过global pooling来获得全局的视野域，并将其作为一种指导的信息，也就是attention信息，作用到原来的特征上。 [5]提出了squeeze-and-excite network（SENet），提出了channel-wise的scale attention。特征图的每个通道对应一种滤波器的滤波结果，即图片的某种特定模式的特征。对于最终的分类结果，这些模式的重要性是不同的，有些模式更重要，因此其全局的响应更大；有些模式不相关，其全局的响应较小。通过对不同通道的特征根据其全局响应值，进行响应的增强或抑制，就可以起到在channel上进行注意力分配的作用。其网络结构如图7所示，首先对输入特征进行global pooling，即为squeeze阶段，对得到的特征进行线性变换，即为excite阶段，最后将变换后的向量通过广播，乘到原来的特征图上，就完成了对不同通道的增强或抑制。SENet在2017年的ImageNet2017的分类比赛上获得了冠军，比之前的工作有了较大的性能提升。 [6]进一步探索了squeeze-and-excite在更细的粒度上的表现，提出了gather-excite操作。SENet将每个通道的特征图通过global pooling得到一个值，本文采用了不同步长的pooling（2x，4x，8x，global），然后利用上采样将pooling后的特征插值恢复到原来大小，最后作用在原来特征图上，具体操作如图8所示。不过，实验结果显示，global pooling的性能最好，将特征区间划分得更细致虽然增加了参数，但是反而会带来性能的下降。 [1] Vaswani A, Shazeer N, Parmar N, et al. Attention is all you need[C]//Advances in neural information processing systems. 2017: 5998-6008. [2] Wang X, Girshick R, Gupta A, et al. Non-local neural networks[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2018: 7794-7803. [3] Yuan Y, Wang J. Ocnet: Object context network for scene parsing[J]. arXiv preprint arXiv:, 2018. [4] Zhang H, Goodfellow I, Metaxas D, et al. Self-attention generative adversarial networks[J]. arXiv preprint arXiv:, 2018. [5] Hu J, Shen L, Sun G. Squeeze-and-excitation networks[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2018: 7132-7141. [6] Hu J, Shen L, Albanie S, et al. Gather-Excite: Exploiting feature context in convolutional neural networks[C]//Advances in Neural Information Processing Systems. 2018: 9401-9411. [7] Woo S, Park J, Lee J Y, et al. Cbam: Convolutional block attention module[C]//Proceedings of the European Conference on Computer Vision (ECCV). 2018: 3-19. 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论文: Coordinate Attention for Efficient Mobile Network Design
目前，轻量级网络的注意力机制大都采用SE模块，仅考虑了通道间的信息，忽略了位置信息。尽管后来的BAM和CBAM尝试在降低通道数后通过卷积来提取位置注意力信息，但卷积只能提取局部关系，缺乏长距离关系提取的能力。为此，论文提出了新的高效注意力机制coordinate attention，能够将横向和纵向的位置信息编码到channel attention中，使得移动网络能够关注大范围的位置信息又不会带来过多的计算量。 coordinate attention的优势主要有以下几点：
Coordinate Attention可看作增强移动网络特征表达能力的计算单元，接受中间特征 作为输入，输出与 大小相同的增强特征 。
Coordinate Attention基于coordinate information embedding和coordinate attention generation两个步骤来编码通道关系和长距离关系。
channel attention常用全局池化编码全局空间信息，将全局信息压缩成一个标量，难以保留重要的空间信息。为此，论文将全局池化改造成两个1维向量的编码操作。对于输入 ，使用池化核 和 来编码水平方向和垂直方向特征，即第 维特征的输出为：
上面的公式从不同的方向集成特征，输出一对方向可知的特征图。对比全局池化的压缩方式，这样能够允许attention block捕捉单方向上的长距离关系同时保留另一个方向上的空间信息，帮助网络更准确地定位目标。
为了更好地利用上述的coordinate infomation，论文提出了配套的coordinate attention generation操作，主要基于以下三点准则进行设计：
首先将公式4和公式5的输出concatenate起来，使用 卷积、BN和非线性激活进行特征转化：
为包含横向和纵向空间信息的中间特征， 为缩减因子。这里两个方向的特征没有做激烈的融合，concatenate的主要目的我觉得是进行统一的BN操作。随后将 分为两个独立的特征 和 ，使用另外两个 卷积和sigmoid函数进行特征转化，使其维度与输入 一致：
将输出 和 合并成权重矩阵，用于计算coordinate attention block输出：
coordinate attention block与se block的最大区别是，coordinate attention block的每个权重都包含了通道间信息、横向空间信息和纵向空间信息，能够帮助网络更准确地定位目标信息，增强识别能力。
将coordinate attention block应用于MobileNetV2和MobileNeXt上，block结构如图3所示。
基于MobileNetV2进行模块设置的对比实验。
不同注意力结构在不同主干网络上的性能对比。
对目标检测网络的性能对比。
对语义分割任务的性能对比。
论文提出新颖的轻量级通道注意力机制coordinate attention，能够同时考虑通道间关系以及长距离的位置信息。通过实验发现，coordinate attention可有效地提升模型的准确率，而且仅带来少量的计算消耗，十分不错。
论文： 题目:《A Contextualized Temporal Attention Mechanism for Sequential Recommendation》 地址： 序列推荐任务很少使用时间和上下文信息对h(h就是rnn，gru等序列建模网络输出的状态)进行加权，www这篇论文融合了上下文和时间信息的加权信号，一起看看吧，虽然笔者觉得这篇论文非常笨重。。 这篇论文的背景其实可以放在sequence recommendation任务中去看待，根据历史记录中用户的先后行为来预测用户的偏好对于现代推荐系统而言具有挑战性且至关重要。现有的大多数序列推荐算法都将重点放在顺序动作之间的传递结构上，但是在对历史事件对当前预测的影响进行建模时，很大程度上会忽略时间和上下文信息。 论文认为，过去事件对用户当前动作的影响应随时间推移以及在不同背景下发生变化。因此，我们提出了一个基于上下文和时间的注意机制，该机制可以学会权衡历史行为对行为的影响，不仅影响行为是什么，而且还影响行为发生的时间和方式。更具体地说，为了动态地校准自注意机制的相对输入依存关系，我们设计了多个参数化的核函数来学习各种时间动态，然后使用上下文信息来确定对每个输入遵循哪些weight kernel函数。 上面的说法可能有点晦涩难懂，下面结合一张图来描述一下以上图中所示的在线购物场景为例：系统获得了一系列用户行为记录，并且需要推荐下一组商品。 我们应该注意，在此场景中，我们假设这些交互行为不是彼此独立的， 这更好地反映了推荐系统只能访问脱机数据和部分用户行为记录的情况。好了，接着看上图中的场景，用户在过去的一段时间内点击来网球拍，手机，运动鞋，智能手环，然后在昨天一直在浏览手机，那么这个时候我们需要预估用户的下一次点击，这个时候的用户正想买一个手表，那么这个时候系统是给用户推荐运动手表呢，还是推荐电子手表呢，因为用户过去的浏览有运动类的物品和智能设备的物品。 按照时间的分段性来看：长期的历史记录表明用户对购物体育相关产品感兴趣。 现在，用户正在寻找手表，该系统可以推荐一些运动手表。 从本质上讲，长期的用户历史记录通常可能会携带稀少但至关重要的用户偏好信息，影响着现在的意图，而最近的交互操作应该会更能代表用户在将来的意图。 按上下文细分：由于用户仔细浏览几个智能手机（比平均时间间隔短得多的时间间隔），因此可以认为这些物品跟当前用户的偏爱非常相关，因此智能手表可能比传统手表更受青睐。 通常，用户浏览日志的某些时间段可能看起来是异构的，这个时间段里面充满了用户的短期兴趣偏好，用户在这个时间点上会以重复的方式专注于一小部分同类物品。 很容易理解，时间因素可以理解为用户的长期兴趣偏好，即使在很遥远的历史，也会对现在的兴趣产生影响，上下文偏好可以理解为用户的短期兴趣偏好，也就是用户在近期浏览的物品表征了用户现在的短期意图。说白了就是对用户进行长短期兴趣建模。 本来不想说这三个问题的，无奈部分论文说的太抽象了，或许是越抽象越容易中稿？ 说实话这篇论文在解释时间跟上下文关系的时候说的太晦涩难懂了，笔者看的也是很头疼，比如下面这段话： 首先，我们看第一个问题，我的理解就是用self-attention进行序列建模，第二个就是确定时间因素和上下文因素的影响，第三个就是综合考虑时间和上下文的影响。 还是直接看模型吧，扯一堆什么因果关系看得头大：用户空间 U ，大小为U；物品空间 V ，大小为V。 用户的历史行为序列为{ },其中 ={( , ), ( , ) , ... },其中 用户u的交互时间， 代表交互的物品。 模型的输入为包括窗口大小为L的用户历史记录:{ ( ) i: 0 -> L},当前需要推荐的时间戳 ,输入序列的embedding X表示： 同时将输入序列的时间信息使用时间戳差来表示： 模型整体上分为三个部分：content-based attention，temporal kernels和contextualized mixture 三层模型可以表示为： 其中， 根据content X来计算每个输入的权重，输出权重序列α ∈ ； 将时间信息 T 通过K temporal kernels计算每个输入的temporal权重β ∈ ； 从 X 中提取context信息，并结合前两个阶段获得的α 和β 来计算得到最终的contextualized temporal权重γ ∈ 。 最终被推荐的物品的表示为： 其中，F-out是一个feed-forward层。 这里用到的是self-attention机制，具体的细节不在赘述，只需要知道结果输出就行：其中 表示最后一个物品的输入embedding，其实就是用最后一个物品的embedding作为key，self-attention最后一层的状态 作为query来计算 的。 基于观察：用户随意浏览的物品对短期的影响会急剧下降，但是在长期来说仍有着重要的作用。用户仔细浏览过的物品对用户短期的兴趣有着重要的作用。 所以，文章提出了很多temporal kernels来建模这种时间变化，不同的kernel函数 : → 如下所示： (1) = ,假设一个用户操作的影响会随着时间指数下降，但是永远不会消失。 (2) ,假设一个用户操作的影响会随着时间而减弱，最终可以忽略不计。 (3) -alT + b,假设一个用户操作的影响会随着时间线性下降，之后的softmax操作会将某个时间段内的影响置为0。 (4) 假设一个用户操作的影响不受时间影响。 根据K个kernal函数{ },我们可以将 T 转为K个temporal权重集合： 作为下一阶段的输入。 这一阶段的目标是基于提取到的context信息融合前两个阶段获得的content和temporal信息。 使用Bidirectional RNN结构来获得context信息。从输入序列embedding表示X中，我们可以计算得到循环隐藏层的状态： 其中，⊕是拼接操作，C_attr是可选择的context特征（可以是特定推荐系统中每个行为的属性，表示行为发生时的上下文），本文中只使用了Bi-RNN的输出作为context特征。 行为i的context特征需要映射为一个长度为K的权重向量，每一个元素 都是这个行为经过 后的结果，使用feed forwaed层Fγ将它们映射到概率空间 ，然后经过softmax操作得到概率分布：最后将context和temporal信息进行融合：其中， , 其中，r是每一个item的分数，对于给定的用户，通过softmax层对item分数进行归一化，该层会在item表上产生概率分布，也就是进行多分类的意思。其中Ns是根据频率进行负采样的负样本。