光学前沿技术

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光学前沿技术范文第1篇

关键词：光纤通信；实验教学；仿真技术

作者简介：陈琳（1978-），女，江苏常州人，上海电力学院电子与信息工程学院，副教授；朱武（1969-），男，湖北随州人，上海电力学院电子与信息工程学院，教授。（上海 200090）

基金项目：本文系上海市教委重点课程资助项目（项目编号：沪教委高（2011）48号）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0147-02

光纤通信是以光波为载波，以光导纤维作为传输媒质的一种信息传输方式。该技术因具有传输容量大、中继距离长等优良传输特性，被广泛应用于电力传输网、通信网和接入网等领域。

“光纤通信”作为通信工程、光电信息工程、电子信息工程专业的核心课程，主要讲述了光纤通信的基本概念、传输理论、系统组成、新技术等内容。[1]该课程具有涉及内容广、基础理论深、知识更新快等特点。为了进一步提高“光纤通信”课程的教学质量，开设了光纤通信实验课和光纤通信系统课程设计，加强了学生对理论知识的理解，培养了实际动手能力和创新能力。

传统的实验教学一般都是安排学生在硬件实验箱上实现。此类实验基本为验证性实验，只需根据实验指导书进行简单操作，无法调动学生的实验兴趣，也限制了对学生创新能力的培养。此外，光通信器件成本较高，需要及时维护，且随着科技的进步，新的理论和技术迅速产生与发展，需要投入充足的设备经费，不断更新实验设备。[2]因此，实践教学部分除了利用光纤通信实验箱开设固定的验证性实验外，还可利用仿真软件MATLAB和OPTISYSTEM构建光纤通信系统模型，以提高学生的实验效率，有效地节省实验教学成本。[3-6]

一、MATLAB仿真软件的应用

由于“光纤通信”课程概念繁多，物理规律较为抽象，特别是其中的一些光学现象和规律缺乏细致的数学推导，为学生学习该课程带来了诸多困难。因此，在“光纤通信”课程教学中可以适当地使用MATLAB仿真软件所提供的可视化界面，使学生获得对光学物理现象的感性认识，缩小理论与实际的差距，提高学习效率和效果。

MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体，具有编程方式自由、简单易学等特点，已广泛应用于工程计算和系统仿真等开发环境。利用MATLAB软件不但可以摆脱繁杂的大规模计算，而且还可以使学生自己动手进行编程，加深对光纤通信基本理论的理解。在编程过程中，可以通过改变仿真参数来直观地对实验结果进行计算和分析，大大节省了时间，提高了实验效率。

在光纤传输原理章节中，对于波动理论，一般是通过求解麦克斯韦方程组来导出波动方程，分析电磁场的分布性质，最后获得光纤的传输特性。公式推导过程繁杂，涉及的电磁场与数学知识较多，学生理解困难。因此，在课堂教学中除了引入多媒体的辅助教学手段外，还可以借助MATLAB仿真软件，帮助学生理解多模和单模光纤的模场分布。

多模光纤中，存在更多的高阶模式。根据LP模的特征方程，得到阶跃型折射率光纤的模场分布。如第一个高次模LP11模的二维、三维模场分布如图1（c）、（f）所示。从图1可以看出，当归一化频率V=5时，LP11模有两个对称的主瓣，不存在旁瓣现象。

在“光纤通信”课程教学中，引入MATLAB仿真，能够进一步加深对抽象概念的理解。通过仿真，学生弄清了数学公式和物理概念之间的内在联系，使理论教学中枯燥的概念可视化，极大地调动了学习主动性和趣味性，有效地提高了教学质量。同时，在编程过程中，学生通过查询文献资料和相互讨论，较好地培养了团队合作精神，提高了创新能力。

二、OPTISYSTEM仿真软件的应用

系统实验有助于培养学生对理论知识的综合运用。针对实验箱可供开设的综合性、系统性实验项目较少的情况，可以利用OPTISYSTEM仿真软件对光学器件和通信系统进行建模。通过仿真软件对实际操作过程进行模拟，以获得数据加以分析。

OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司开发的一套光通信系统模拟软件。它可以帮助用户规划、测试和模拟传输层的各种类型的光通信网络，包括局域网、城域网和广域网；同时提供了从组件、器件到系统各个层面的光通信系统设计和规划，如TDM/WDM、SDH、光孤子通信等，并利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳系统性能。

在OPTISYSTEM系统仿真实验中，学生可以通过调整参数，对一个光学元器件甚至整个通信系统进行优化设计，直观地模拟整个光纤通信系统的传输过程。利用仿真软件进行系统性能分析，有利于引导学生对复杂系统进行探索，提高学生对系统性能的全面认识。

例如，波分复用（WDM）系统是现行光纤通信系统的主要架构形式，利用波分复用技术可以实现大容量、长距离的网络传输。但是由于传统实验箱的限制，WDM系统难以通过硬件平台来构建。因此，可以通过OPTISYSTEM软件来搭建WDM系统，并进行系统性能分析。

WDM系统实验在OPTISYSTEM仿真平台上完成。要求学生使用光传输系统仿真软件，搭建8信道的WDM系统，如图2（a）所示。该系统由波分复用器（WDM）、掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤链路、解复用器（WDM Demux）和光接收机等光学器件组成。学生自行设计和搭建系统，配置波分复用、解复用、调制器等参数，并利用虚拟光谱分析仪来观察8通道波分复用系统的频谱、误码率等特性，如图2（b）、（c）所示。学生通过调整各模块的参数、搭建系统模型和分析仿真结果，巩固了EDFA、波分复用/解复用等方面的理论知识，也为今后对实际WDM系统规划打下了坚实的基础。

又如，用OPTISYSTEM软件设计搭建单模光纤通信系统，如图3（a）所示。传输速率是40Gbit/s，传输距离是60km。信源使用的是伪随机码发生器，它将数据流发送到非归零（NRZ）码电脉冲发生器。经NRZ调制的电信号具有紧凑的频谱特性，经过马赫曾德尔调制器（MZM）后转换成光信号送往光纤信道。为了减小光纤传输损耗和色散的影响，在光纤链路上添加了掺铒光纤放大器。接收端经过光纤信道传输过来的光信号接入PIN光电检测器，转化为电信号后送入低通贝塞尔滤波器。

为了观测光信号的波形，在光纤通信系统中设置了观察仪器：光谱仪、光时域信号观察仪及误码率分析仪。对系统中的器件参数设置后进行系统仿真，得到调制后的光信号时域波形和频谱，如图3（b）、（c）所示。

这些光器件都可以在OPTISYSTEM软件的器件库中选取，并根据需要对每个器件设定参数来获得较好的系统性能。因此，通过用OPTISYSTEM软件设计分析，可以了解光通信系统各个器件节点处的波形和频谱特点，简单直观、形象生动。教师可以根据教学大纲设置相应的实验项目，让学生课后学习OPTISYSTEM软件，并引导学生根据实验内容建立相应的系统模型进行仿真实验分析。

三、结束语

运用MATLAB/OPTISYSTEM仿真软件进行实验教学，很好地弥补了缺少硬件实验器件所带来的不足，丰富了实验教学内容；同时节省了实验课堂教学时间，加深了学生对系统理论知识的理解和应用。通过对“光纤通信”实验教学手段和内容的改革，学生对实验的积极性和创造性得到了普遍提高，实验教学效果和质量也得到了明显提升。

参考文献：

[1]刘增基.光纤通信[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[2]王文珍.光纤通信实践教学探索[J].中国电力教育，2013，（1）：134.

[3]周雪芳，王天枢.仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J].实验科学与技术，2011，9（5）：53-56.

[4]汪徐德，李素文，窦德召，等.软件仿真在《光纤通信》课程中的应用[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2012，33（4）：91-94.

光学前沿技术范文第2篇

关键词：技术训练课型；示范教学；实践运用

随着课程改革的不断深入及中等职业教育的不断发展，对于中等职业教育的课堂教学有了更深层次的要求。“十二五”规划中，强调了中职教育的发展目标及方向，提出我国职业教育改革发展进入到加快建设现代职业教育体系、全面提高技能型人才培养质量的新阶段，我国将大力发展职业教育。职业教育的优势和重点在于技能的学习和掌握。教师不仅要让学生理解知识要领，更要使学生学以致用。职业教育改革发展对教师队伍建设提出了新的更高要求，未来中职教育的发展前景决定了技术应用是教育的一个重要目的和目标。笔者作为中等职业学校的艺术教师，结合自身教学经验探析“技术训练课型”在色彩教学中的应用。

一、技术训练课型的理解与思考

技术训练课型是指在一个相对单一的技术情境中，学生需要反复训练与应用而获得技术操作能力的一类课。美国著名教育家杜威的实用主义教育理论是技术训练课型的理论指导，学徒制的学习方式是技术训练课型的先驱。

技术训练课型是以技术习得与技术应用为主要目标，培养学生获得职业行动能力的工具性知识与技能，同时强调师徒传承、熟能生巧。该课型的教学重视技术的示范、模仿和应用，主要运用于技能类课程教学中。学生不断解决生产实践中的技能点，逐步实现新手向熟手、能手的转变。它的主要特征有：首先，要重视教师示范；其次，在教师示范之后学生要进行模仿，并加以练习；最后，学生学会运用是课程的最终结果。示范、模仿、运用，环环相扣，缺一不可，而技能的掌握正是技术训练课型的目的及意义。

二、广告设计专业色彩教学中技术训练课型的运用意义

中等职业学校广告设计专业的色彩教学设置主要是根据社会需要，以就业为导向，为培养广告设计应用人才而设置，它不仅是专业基础课，也是技术训练课。色彩基础教学的实践操作性较强，教学的直观性与参与性要求教师不仅要有专业的色彩学理论知识，还必须具备较强的示范能力。教师在教授时应结合课程专业重点难点讲清讲明，用准确规范、生动形象的语言讲解色彩课程的大量实例，提高学生的理解能力。在理解的基础上进行示范绘画教育，把色彩课程的技术知识展示给学生，详细讲解实际色彩绘画中应注意的重点难点，例如，不同物体之间的质感表现、干湿画法的区别、油画技法、水粉技法、水彩技法等。教师言传身教，学生模仿练习并从练习中总结经验、突破难点、掌握技法、巩固练习，才能逐渐掌握色彩的绘画要领。实际教学中要理论与实际运用相结合、训练与专业特点相结合，既有针对性又有实用性，技术训练课型的运用在色彩教学中是不可或缺的。

三、技术训练课型运用于广告设计专业色彩教学中的实例教学

以静物水粉画写生花卉组合教学为例，从实例中分析技术训练课型在实际色彩教学中的应用。水粉画的绘画技法有许多，例如：平涂、叠色、刮色、水渍利用、干画法、湿画法、干湿结合画法等。静物水粉画写生有相对固定的着色方法步骤和技法，在绘画技法上重视干湿画法的结合、色彩的衔接、用笔表现等，因此适宜应用技术训练课型。生理和心理定向教学阶段教师通过展示不同绘画技法的绘画成品，让学生从视觉触觉多角度体会干湿画法的不同表现魅力，引导学生思考不同绘画表现的具体技法，明确课程目标。

1.讲解示范和模仿练习教学阶段

由教师示范写生步骤，学生模仿教师的绘画技法，并应用于实际绘画中。第一步，作画前先整体观察对象，确定构图取景。根据其大小比例，布局在画纸上。第二步，确定色调铺大调子。颜色可画得稀薄一些，以便最后作调整时覆盖。第三步，局部刻画细节处理，笔触质感的表现，花卉绘画技能。例如，花的色彩可分红、黄两大色调，从整体比较颜色的区别，区别包括色相的不同、冷暖和纯度的不同，以及受光所产生的明度不同等等，才能使主体部分的色彩丰富多彩。用笔要根据花形与结构特征，但不要太细碎，而应先概括地将颜色铺满，再进行局部刻画。最后，整体调整，完成作品。作画过程中，时时需要退远看画面的整体效果，不断作修改调整。

2.技术应用教学阶段

学生运用在上一阶段所习得的技能，通过临摹练习掌握技能，完成一幅花卉组合水粉画写生。通过不断练习熟练掌握水粉干湿画法的技法，在之后的风景写生课学习时能灵活运用干湿画法表现。

综上所述，色彩教学中的技术训练课型离不开范例教学，色彩绘画技术范例教学是以典型范例为中心的教与学，使学生在完成一个范例的基础上，学习到相关的信息技术知识、方法和技能。它是通过主体与客体、问题解决学习与系统学习、传授知识与培养能力的学，使学生获得基本性的、基础性的和范例性的知识的方法。技术训练课型既是色彩教学的理论支撑又是色彩教学的技术实践，技术训练课型的研究对实际色彩教学有着重要的作用及意义。

光学前沿技术范文第3篇

关键词：信息论;研究生教学;教学改革

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0131-02

《信息论》是本校电子科学与工程学院电路与系统专业硕士研究生（学术型）的专业必修理论课程，也是一般高等院校通信与信息工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等一级学科下相关专业的本科生、研究生的主修专业课程[1-5]。通过对本课程的学习，使学生掌握有关信息论的基本理论以及编码的理论、实现原理和具体应用。虽然人们在本科生的《信息论》教学改革方面做了一定的工作[6-9]，但其改革内容不符合电路与系统学科特点，更不符合研究生教学需要。笔者结合本学院学生基础、学校政策及本人近年来的教学实践，在学校研究生教学改革项目支持下，开展了本门课程的教学改革与实践。

一、课程特点

1.需要坚实的数学基础。该课程存在大量的公式推导与证明，与概率论、随机过程、近世代数等数学知识密切相关。若无扎实的数学基础，学生无法看懂推导过程，更无法从根本上理解信息论的数学意义及物理含义。

2.学生学习兴趣不高。由于电子专业硕士研究生的数学基础仅限于本科生学过的概率论与随机过程，对近世代数的了解几乎为零。学生面对繁杂、抽象的理论问题时，无法宏观地理解和把握，致使学生无法提高学习兴趣。

3.课程联系实际困难。课程抽象概念多、定理证明多，与实际应用有一定距离，且与其他课程联系较少。多数学生在学习过程中觉得内容枯燥、难度大，而且与将来就业方向联系较少。

鉴于以上问题，为了激发学生学习的积极性和主动性，促进学生更好地掌握本门课程，笔者从课程的教学内容、教学方法与考核方式三方面入手，提出了教学改革的相应措施。

二、教学内容改革――三个强化

1.强化离散信息论的基础作用。信息论的主要内容是信源概念、信息度量方式及三个香农基本定理，相应的内容又分别面向连续信源与离散信源。二者的区别在于，连续信源/信道及相应的定理一般需要结合随机过程知识来学习，而离散信源/信道及相应的定理是建立在概率论、线性代数的基础上。从推导过程和公式形式来看，二者具有内在的统一性。这可从连续信源信息熵的推导过程看出：将连续信源进行离散化，变为离散信源后再利用离散信源信息熵的求解公式并求解极限得到。因此笔者重点强化了对离散信源、离散信道及其容量、无失真信源编码定理、无失真的信源编码的内容。这对学生进一步掌握连续信源、信道及相关问题奠定了基础。

2.强化信息论的现实物理意义。笔者从课程本源出发，让学生理解公式或定理蕴含的深刻物理含义，使理论结果可视化，概念直观化。例如，在讲解离散信源的极值性定理时，可提炼出如下物理含义：第一层含义是，当信源各取值的概率相等时，人们对信源取何值的不确定性最大，由于各信源服从等概率分布，信源的平均不确定性即为各事件的不确定性，因此信息熵也越大;第二层含义是，对于具有不同数量事件的两个信源，若二者同时满足等概率分布，则预测数量较多事件的信源的难度较大，因此该信源的信息熵也较大。

3.强化教学案例的实用性。在本次教学改革中，共自创或搜集教学案例11例，每个教学案例都与教材内容有关，将晦涩难懂的理论内容变为鲜活的例子，让学生去感受和体会案例中蕴含的问题，从而为更好地理解教学内容奠定基础。以引入的六个视频教学案例为例，该案例以美国国家航天局发射的新火星探测器为背景，讲解了信息如何传播、如何加密等问题。通过这部分教学案例的学习，学生深刻地认识到了信息论的价值与实践意义。

三、教学方法改革――三个联系

1.联系计算机仿真。笔者鼓励学生应用MATLAB中SIMULINK工具设计具体的通信系统模型，如基于开关键控或正交频分复用的射频通信系统。让学生看到实验现象的同时，更加深刻地体会信息的传递过程，了解信源、信宿、信道的构成，学习信源编码、信道编码、加密、信道译码、信源译码等信息处理过程，加强学生对信道容量、信息传输速率、误码率等概念的把握。笔者督促学生将上述问题作为课程设计的作业，使其结合信息论所学的知识，提炼出相关问题、建立模型，加以认真分析解决;再将提炼问题和解决问题的过程以及结论进行汇总，撰写成研究报告。这既巩固了学生的基础知识，又锻炼了学生运用计算机进行建模和仿真的能力。

2.联系工程实际。由于研究生日常的工作大多在实验室从事工程项目的研究或开发工作，若能将这些工作与信息论知识联系到一起，无论对信息论的学习还是科研都将起到促进作用。笔者首先开展了调查研究工作，统计了各个学生从事科研项目的情况，然后让学生结合课程知识，从信息获取、处理、传输、存储的角度去解释。例如，在讲述信息不增性原理时，笔者结合温度传感器的设计问题：将大气环境温度看成连续信源，将传感器系统看作信道，将显示终端看作信宿。因此，设计该系统的关键问题――如何设计传感器才能最大化地得到信息而不丢失信息？学生带着这个问题去思考，就可以真正地体会传感器中信息传递过程。

3.联系科学前沿。为鼓励学生大胆创新，笔者尝试将科学前沿技术引入信息论课程，例如，室内、外可见光通信技术。笔者结合自己近年来从事可见光通信研究的经历，向学生讲授了可见光通信系统的设计、研制、实验测试等一系列过程;然后结合信息论课程所学的知识，将其与研制的可见光通信系统联系在一起。笔者也鼓励学生探索与信息论相关的科学前沿问题，开展课堂讨论与课下交流。让学生查询保密学、光学信息论等方面的文献，详细阅读并做总结。然后，切实提出自己的想法，再予以验证，从而将学生所学知识真正地和科学前沿结合在一起。

四、考核方式改革――三个引入

该课程原来采取任课教师命题、纸质考试方式。其弊端在于，教师命题规律和出题形式规定，学生只要做一遍往年考试题目，就可得到较高的分数。虽然这种考核形式能在一定程度上反映出学生的知识水平，但却无法体现其学术水平和实践能力。为此，笔者在考核方式上做了三个引入的变化。

1.引入随堂能力测验。随堂能力测验是考查学生运用所学信息论知识分析解决实际问题的能力。由于采取随堂考试形式，因此，对学生课堂学习效率和前期积累提出了较高的要求。例如，在学习香农公式时，笔者考查了学生运用香农公式计算射频通信所需带宽的问题;在学习无失真的信源编码时，笔者考查了应用霍夫曼编码对离散信源进行编码的能力。该测验在总成绩中占10%的比例，从而激励学生很好地利用课堂来学习知识。

2.引入学术论文加分。提升学术水平是研究生教学的任务之一。笔者针对信息论教学中每章的重点问题，均设置开放性的论题供学生选择，让其查阅文献、资料，进行认真的设计、理论推导、计算机仿真、现场实验，并将其总结成文，然后以学术论文的形式提交。笔者根据学生在文中阐述的观点、论证的严密性、结论的正确性与普遍性等方面予以考核。学术论文在总成绩中占20%的比例，是本次教学改革的重点。

3.引入上机考试。往年的信息论期末考试中，题目是由任课老师自行拟定。由于种种原因，考试题目重复率高、知识点考查单一，这给学生突击考试并取得好成绩提供了可能。为此，笔者将期末教师出题测试改为上机随机抽题考试。笔者建立了试题库，题型包括：客观题（选择、判断）、主观题（概念、简答、计算、综合）。在本校计算机学院协助下，建成了信息论上机考试系统，学生登陆系统后，按照教师设定的题目数量和难度，随机抽取试题。上机考试的在总成绩中占据70%的比例，也是这次教学改革的重点。该考核方式经试运行后，效果良好。

五、结语

笔者根据电路与系统专业信息论课程的特点以及目前教学中存在的问题，从教学内容、教学方法及考核方式三个方面提出了相应的改革措施。通过本次的教学实践证明，采取的这些措施有效地改善了课程教学效果，提高了学生的学习积极性、知识掌握程度和应用知识解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]陈运.信息论与编码[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]叶中行.信息论基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]李梅.信息论基础教程（2版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.

[4]曹雪虹.信息论与编码[M].北京：清华大学出版社，2003.

[5]吴伟陵.信息处理与编码[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[6]李迎春，等.《信息论与编码》教学改革探讨[J].科技信息，2010，（20）：18-20.

[7]邓家先.信息论与编码课程教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：111-114.

光学前沿技术范文第4篇

1999年3月受聘于清华大学生命科学与工程研究院任教授、博士生导师、生物芯片研究开发中心主任、教育部“长江学者计划特聘教授”。

2000年9月30日,以北京清华大学企业集团为主要发起人,联合北京协和医药科技开发总公司、武汉华中科技大产业集团有限公司和北京四环科技开发公司组建了博奥生物有限公司。接着原国家计委批准以博奥为依托,建立生物芯片北京国家工程研究中心,以促进博奥的生物芯片创新能力建设与产业化,由程京担任主任。

2009年,当选中国工程院医药卫生学部院士。

从电气工程到生物芯片工程

――适应科技融合与创新的潮流

程京院士安徽安庆市人,1963年7月生于北京。父亲从西南政法大学毕业后,响应党“到祖国最需要的地方去”的号召,来到了四川凉山彝族自治州金阳县,程京在这里度过了念大学前的时光。金阳是位于四川和云南交界处的一个偏僻的小县城。父亲后来在西南政法大学工作。母亲和姑姑都是医生。1979年程京高中毕业,违背了他的母亲,姑姑,和哥哥的期望,自作主张决定报考上海铁道学院(现已合并到上海同济大学)。1983年毕业后在铁道部资阳内燃机厂,成为一名电气工程专业的技术人员。开始在厂内以引进的罗马尼亚的内燃机车图纸为蓝本,从事设计工作,主要任务是绘图。资阳内燃机厂是位于成都和重庆之间的一个交通不太便利的小山城。资阳内燃机厂是一家三线工厂,现在和戚树堰机车车辆研究所等企业联合属于“南车系统”。

年轻的程京不甘寂寞,希望能有一个能让他充满好奇、想象和激情的工作。1986年,机会出现了,他父亲所在的西南政法大学按计划要建立一个全新的司法鉴定中心,急需理工科人才。有强电专业学习背景的程京便成为了人选之一。在新单位上班以后,中心的负责人说:“你是学电的,我们这里买了一台很贵的扫描电子显微镜,就由你来负责。” 于是,程京开始研究起电子显微镜的原理和操作使用,以及各种有关分析,鉴定方法。学校的学习环境比较好,为了适应工作需要,他还注意阅读司法刑侦教科书,关注各种专业和非专业的报纸杂志,并且在英语上下了不少功夫。

1989年,机会又来了,程京以优异的成绩通过了考试,被国家教委送到英国斯特莱斯克莱德大学(University of Strathclyde)留学。从此,程京的命运旅程开始了彻底的转变。

在该校,程京的导师布莱恩・凯迪(Brian Caddy)教授是国际著名刑事技术专家。布莱恩・凯迪为程京制定的从事司法化学研究“1年计划”,程京只用了9个月就完成了。于是导师希望程京继续攻读博士学位,并完成“DNA指纹鉴定新策略”的博士课题。布莱恩・凯迪说:“我观察了你1年,你有工程的背景,又学了1年的化学和仪器分析,这个课题就需要用分析化学的方式设计一套工作系统去解决生物学的问题,实现的过程需要做仪器的设计。虽然我以前也从没做过这样的事情,也感到没有把握。但是这是技术发展的需要;如果你愿意赌,我就赌,咱们赌一把!”程京没有辜负老师的厚望。1992年,从来没有生物专业学习背景的程京拿到了我国第一个司法生物学博士学位。随后,他又完成了细胞及分子生物学博士后的研究。

无独有偶。1994年,机会再度出现。程京偶然看到美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)医学院刊登的一则招聘广告,要求应聘人员“本科学工程,研究生学生物学,分子生物学更好,并愿意从事生物芯片研究”。作为上个世纪末生命科学领域中迅速崛起的一项高新技术,生物芯片主要是指通过微加工技术和微阵列点样技术,在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、DNA等的准确、快速、大信息量的检测。

面对美国宾夕法尼亚大学看似奇特而又严苛的条件,程京觉得自己完全符合要求。这个位置好象是特意为他准备的一样。在全球70多名应聘者中,他是以“perfect match”(完美契合)的条件进入了美国宾夕法尼亚大学。于是程京开始师从生物芯片开拓者彼得・威尔丁(彼得・威尔丁)教授,幸运地迈入蓬勃发展的生物芯片研究领域。

从电气工程专业,到分子生物学、再到生物芯片工程。程京传了一大圈,又回过来为医学领域服务。从报考大学开始,经过曲折的道路,程京在不知不觉中还是进入了医学领域。

回想起这段经历,程京忍不住感慨地说:“这就是命,冥冥之中天注定。但是仔细分析,其中也隐含着真理。这也是诸多偶然性中的必然性。因为学科交叉正是当代科学发展的方向,会有更大的运用空间。”

程京自幼热爱阅读武侠小说,回顾自己将近十年的留学经历,他觉得这个过程颇像是武侠小说中的情节,但凡武林高手,要练就一身绝技,不打通几个重要的命脉,就练不到那个境界。在人生的“江湖”中,感悟和收获也绝非三言两语可以道尽。其中打拼的艰险也是预料中的事。经过刻苦努力,程京在生物芯片的开发领域又开始大放异彩。

1998年,身为美国纳米基因(Nanogen)公司首席科学家,程京和他的团队首次在国际上研究完成了集血液中细菌分离、胞解及杂交检测为一体的芯片实验室系统,这是世界上第一个厘米见方的超小型生物实验室。该成果以《芯片实验室》(Laboratory on a chip)为封面故事发表在《自然・生物技术》(Nature Biotechnology)上,并被《科学》杂志评选为当年世界十大科技突破之一。

生物芯片的用途非常广泛,除用于人类基因研究、医学诊断等方面外,还可应用于新药开发、农业研究、航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域。因分析的对象和集成方式不同,生物芯片一般包括:基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片和芯片实验室。

在20世纪科技史上,微电子芯片,作为计算机和许多家电的心脏,它丰富和改变了人类的经济和文化生活;而生物芯片,人们预计它将改变生命科学的研究方式,进而影响到人类延续生命的方式。

这时的程京已经成为国际生物芯片领域的一颗耀眼的新星。但出国多年的程京却觉得自己应跳出已有的成绩,重新自我设计。他开始萌生了报效祖国的强烈愿望。

报效祖国――回国任教创办企业

――创办国家级研究中心

1997年,程京应邀参加了在北京召开的以生物芯片技术为主题的第80次“香山科学会议”。他的关于中国应自主发展生物芯片技术的重要性的发言引起了业界同行和主管单位的重视。此时的程京敏锐地注意到中国在科技重大领域重新布局的决心和能力,他开始关注国内生物行业的发展新动向。隐隐约约地感觉到报效祖国的时机来到了。

1998年,清华大学生物科学与技术系副主任、博士生导师周玉祥教授在美国与程京一席长谈,让一直希望回国的程京最终锁定清华大学作为自己回国的落脚点。

1999年3月,程京成为清华大学第一位“百名人才引进计划”入选者,并受聘清华大学生命科学与工程研究院,担任教授、博士生导师,清华大学生物芯片研究与开发中心主任。

从此开时,程京的名字就和中国生物芯片技术和产业的发展联系在一起,同国家实践科技进步战略紧密地联系在一起。“回国的时候,别人告诉我,你回清华大学当教授,一个月拿到的工资是900多元,实验室是地下室,科研启动费最多30万美元。生活和工作条件与美国相比,都很悬殊。”程京回忆着说道,“我觉得清华大学的教授能过,我肯定也能过,而且在国外多年,我经济条件上还是要好一点。”

1999年,中国生物医药行业跨跃式发展的蓝图已经初露端倪。国家科学技术部起草了《医药生物技术“十五”及2015年规划》。规划所列15个关键技术项目中,就有8个项目(基因组学技术、重大疾病相关基因的分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学和生物芯片技术)要使用生物芯片。生物芯片技术被单列,作为一个专门项目进行规划。国家科技攻关计划、自然科学基金、火炬计划等科学技术和产业发展计划,都把生物技术和生物技术产业列为优先发展的对象,力争在功能基因组和生物芯片的研究开发中获得一批有重要商业价值的专利,以保障中国生物技术产业发展的空间。

这样的宏观背景为程京进一步研发生物芯片奠定了坚实的基础。2000年2月29日,在“国务院办公厅第十次科技讲座”上,程京做了主题为《生物芯片――下个世纪革命性的技术》的报告。程京在报告中建议:“中国应加大在生物芯片研发方面的投资力度,实施强强结合,尽快建立国家级的生物芯片工程研究中心,以迅速研究开发出一批具有我国自主知识产权的专门技术,积极参与到国际竞争的行列中去。”此建议引起了国家对生物芯片技术的高度重视。中国生物芯片发展的列车开始提速。

2000年9月30日,以北京清华大学企业集团为主要发起人,联合北京协和医药科技开发总公司、武汉华中科技大产业集团有限公司和北京四环科技开发公司共同组建了博奥生物有限公司。原国家计委批准以博奥为依托,建立生物芯片北京国家工程研究中心,由程京担任主任。

经2001年、2002年两次重组后,博奥的注册资本增至3.765亿元,其中包括首钢股份等6家国内投资公司1.365亿元创业投资。此外,凭借强大的科研能力,博奥还以8项生物芯片专利技术国外使用权入股一家位于美国加州的生物芯片公司,占其15%的股权。

经业内人士评估,认为博奥公司产权结构清晰,是着眼于全球定位布局建立的高科技企业。

急国家之所急

2003年4月,博奥第一个以生物芯片为基础的产品EcoScan扫描仪问世。当时正是SARS爆发的前1个月。随后国内的疫情迅猛发展。当时的博奥人已经意识到生物芯片在战胜这场灾难中的重要性。他们急国家之所急,成立了SARS病毒检测基因芯片研发项目组,并与国家疾病预防控制中心病毒疾病控制研究所联系,建立了合作研究关系,SARS病毒检测基因芯片研发项目正式启动。只用了7天时间,4月26日凌晨1点43分,项目组研制出了专门用于SARS病毒检测的基因芯片。

5月,博奥的研究人员带着他们的最新成果来到了SARS战斗的前线,参与了北京市SARS疑似患者的检测与甄别工作。在1周内,对404例临床样品(血液、痰液、粪便等)进行了检测和分析。当制止住SARS疫情蔓延的时候,博奥生物芯片检测的结果已经成了某些检测的标准。

虽然只是小范围试用,但作为一种新兴的前沿技术,生物芯片在我国第一次投入临床应用就开始提供权威的结论。

程京说:“虽然SARS影响了企业的正常行为,但这也成为我们大练兵的机会,既是困难,也是机遇。当时的情形虽然看起来有些悲壮,但经过这次洗礼,公司和中心内部上下取得了高度的一致,国家和部门领导对企业作出了高度评价,公司的产品也得到了市场的检验。”

随后,博奥获得了第一张国家医疗器械证书、第一项生物芯片外国专利授权,推出世界第一张全基因组家蚕芯片,转录因子活性谱芯片、细胞活力电旋转检测芯片、遗传性耳聋检测基因芯片……。

走国际化道路

在生物芯片的发展过程中,开疆拓土的国际化竞争是博奥不得不面对的一场硬仗。

经过9年多的努力,博奥开发出包括系列生物芯片及相关试剂盒、仪器设备、化学材料、软件和数据库在内的60多项产品,另有10项左右的产品正在开发过程之中。在此期间,博奥走过了从启动生物芯片技术研究到开始使其成果迈向产业化之路。员工由最初的几个人发展到400多人,人员结构也从最初清一色的科研人员,向研发、销售、管理人员均衡发展的方向调整。在博奥的人才队伍中,有相当一部分是归国留学生,他们都有在国外公司和大学任职的经历,既具备国际化的科学研究和管理经验,又了解中国市场和文化。

2005年,世界著名生物芯片公司昂飞(Affymetrix)开始关注中国市场,并且还通过种种关系主动找上门来探索合作的可能性。昂飞公司创建于1992年,是全球生物芯片行业的先驱,占有30%的全球生物芯片市场份额。

不久,博奥和昂飞签署了合作协议,这被看作是博奥融入全球市场的重要一步。双方技术、专利、市场共享,并打算共建行业标准,博奥将在其微阵列服务项目中为昂飞公司提供全线基因芯片产品的服务。

接着昂飞要求博奥开发专门读取昂飞基因芯片的个人扫描仪。经过3个多月的努力,博奥的第一台样机便出炉了。按照昂飞公司的经验一般需要六七个月甚至1年的开发时间。但是博奥为了赶进度,员工们春节连家都顾不上回。程京说,博奥能有这样的速度,不仅仅是因为中国人聪明,更重要的是大家肯吃苦,有紧迫感:“我们已经落后别人很多了,只有快马加鞭。”

当博奥的主管国际市场开发的副总裁孙英豪带着产品到达昂飞公司时,对方所有高层都围在一起观看,经过1天多的各项测试,认为比较满意。第一炮终于打响了。

从此双方开展了深入的合作。以前博奥的扫描仪可以读到5微米,但读昂飞芯片的扫描仪,分辨率高达1微米,这就要求机械加工能力、光学能力、数据处理的软件系统都要跟得上。

这一年,博奥生物的销售收入达到2600万元,而在3年前,仅为16万元。

重视知识产权保护,参与标准制订

在生物、医药等行业,产业标准大多是由欧美国家制定。由于没有参加产业标准的制订不仅使我们缺少在行业内的话语权,更重要的是常常使我们处于受制于人的被动状态。在具体实践中,“产业标准”的缺失将会给生物制药这个极其强调创新的产业形成严重的拖累。

据统计,2005年全球生物芯片的产值约为23亿美元左右,其中美国市场产值约为15.8 亿美元。预计2010年全球生物芯片市场产值将达到42亿美元,年平均增长率约为14.1%。由于美国在全球生物芯片研发中长期居于主导地位,美国的很多著名生物芯片企业在全球市场中也扮演了技术、产品、专利和标准等全方位的特殊角色。

而在国内的科研领域,科研人员、管理人员最开始是单纯强调发表文章,到后来开始注重专利保护,再到今天,大家已经意识到必须占领一个新的制高点――制定标准。

博奥人清醒地意识到这一点,并走在了前列。2009年12月30日,由博奥作为主要起草人所起草的生物芯片基本术语、生物芯片用醛基基片、体外诊断用DNA微阵列芯片、激光共聚焦扫描仪等5个行业标准经过国家食品药品监督管理局审定通过。

走过9年多的建设发展历程,博奥已基本建成了集技术创新、成果转化、综合服务、人才培养于一体,具有国际先进水平的生物芯片研究、开发和产业化基地。建立起了包括基因、蛋白质、细胞和组织“四位一体”的系统化生物芯片技术服务平台,研制开发出了生物芯片、配套仪器设备、试剂耗材、软件数据库等4个系列60余项具有自主知识产权和较强国际竞争力的产品。博奥生物以市场为导向,成功地探索出了一条“中心+公司”的企业化运行模式,基本具备了持续的技术创新能力和成果转化能力,走上了良性循环的发展轨道。2009年博奥公司的销售收入首次突破亿元大关并全面盈利。

不断创新

由博奥开发出多种与生物芯片相关的仪器,其性能指标已在国际处于领先地位;研制的晶芯 LuxScan 10K系列芯片扫描仪不仅获得了欧盟CE认证和国家医疗器械注册证书。

博奥的HLA基因芯片分型服务曾先后3次在国际大型HLA DNA分型测试中达到100%的准确率。

博奥的HLA分型实验室成为中国第一家拥有实验室国家认可委员会和ISO17025认证的HLA分型检测实验室,目前,中华骨髓库已采用该技术并将其作为HLA分型入库的主要方法之一,打破了国外的垄断。以程京为技术带头人的博奥研发团队,利用自主创新技术,研制开发的“系统化生物芯片和相关仪器设备的研制及应用”项目于2007年获得国家技术发明奖二等奖。

目前国内5大生物芯片研究中心都使用了博奥生产的仪器。成立近10年来,博奥生物已在相关领域申请专利127项,其中申请国际专利75项,已获得授权的国际专利为34项,已获得授权的国内专利达到77项,这样的成绩,不仅在国内同行中居于绝对领先地位,也为我国生物芯片产业的国际化,全球化作出了贡献。

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