冷 曄
(同濟(jì)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 200092)
生理學(xué)是生物科學(xué)的重要分支,是一門研究機(jī)體生命活動(dòng)各種現(xiàn)象及其功能活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[1],理論性實(shí)踐性極強(qiáng),其課程教學(xué)由理論與實(shí)驗(yàn)兩部分組成。生理學(xué)的發(fā)展本身就來(lái)源于實(shí)踐,又從實(shí)踐中獲得驗(yàn)證并不斷推動(dòng)其向前發(fā)展,所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有舉足輕重的地位。它與其他醫(yī)學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程以及臨床醫(yī)學(xué)課程有著密切的關(guān)系,同時(shí)也為后繼臨床實(shí)踐以及生命科學(xué)在臨床中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ),起著承前啟后的作用。生理學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程在國(guó)內(nèi)絕大部分高校生物技術(shù)專業(yè)中都作為專業(yè)基礎(chǔ)骨干課程開設(shè),同時(shí)各高校人才培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)不同,生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法、學(xué)時(shí)數(shù)等都有所不同[2-3]。
長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)多在動(dòng)物離體或在模型上觀察循環(huán)、呼吸、消化、泌尿、神經(jīng)等系統(tǒng)的正常生理功能及其調(diào)控機(jī)理,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。而國(guó)外生理學(xué)實(shí)驗(yàn)更重視人體實(shí)驗(yàn)、重視醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與臨床實(shí)踐的結(jié)合、重視團(tuán)隊(duì)討論,設(shè)置更多的探究性實(shí)驗(yàn),這些措施有利于培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新能力[4-5]。
同濟(jì)大學(xué)生理學(xué)理論課程及其配套的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)、生物信息專業(yè)以及拔尖人才實(shí)驗(yàn)班的專業(yè)基礎(chǔ)課程。近年來(lái),同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院以解決重大疾病發(fā)生發(fā)展為目標(biāo),以“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”為抓手,著力發(fā)展干細(xì)胞與表觀遺傳學(xué)、生物信息學(xué),產(chǎn)出了一批在世界范圍內(nèi)頗具影響力的研究成果。在此背景下,通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀的分析,生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教改在原有的基礎(chǔ)上,刪除過(guò)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,引入新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,編寫新的實(shí)驗(yàn)教材;改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,增加創(chuàng)新性、探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果;在實(shí)驗(yàn)課中融入課程思政內(nèi)容。通過(guò)對(duì)該課程的建設(shè),使得實(shí)驗(yàn)課程與理論課程結(jié)合更加緊密,更加貼合學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加新穎、科學(xué)、實(shí)用,更加注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考問(wèn)題的能力,從而有利學(xué)生對(duì)理論課程的理解和科研能力的提高。
課程在已有生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,結(jié)合生命醫(yī)學(xué)學(xué)部的大型儀器公用平臺(tái)和醫(yī)學(xué)院解剖教研室實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,始終堅(jiān)持以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo),通過(guò)改革以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,達(dá)到教改目的(對(duì)象為本科2年級(jí)學(xué)生)。
膜片鉗技術(shù)是一種以記錄通過(guò)離子通道的離子電流反映細(xì)胞膜上單一的或多數(shù)的離子通道分子活動(dòng)的技術(shù)。該技術(shù)可應(yīng)用于許多細(xì)胞系的研究,也是目前唯一可記錄一個(gè)蛋白分子電活動(dòng)的方法,膜片鉗技術(shù)和克隆技術(shù)并駕齊驅(qū)給生命科學(xué)研究帶來(lái)巨大的前進(jìn)動(dòng)力[6]。但由于價(jià)格昂貴,一般不用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)院2002年獲批國(guó)家生命科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)基地,每年一半以上的本科畢業(yè)生可獲得免試推薦進(jìn)入本校研究生階段的學(xué)習(xí)資格。為適應(yīng)學(xué)生保研繼續(xù)科學(xué)研究的需求,迫切需要在本科階段實(shí)行有計(jì)劃的本碩培養(yǎng),為今后快速進(jìn)入科研軌道奠定基礎(chǔ)。經(jīng)和學(xué)院大型儀器公用平臺(tái)協(xié)商,有效解決了諸多瓶頸,實(shí)現(xiàn)了在本科生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中增加膜片鉗技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié),同時(shí)在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中編寫了適合本科生膜片鉗技術(shù)學(xué)習(xí)的相應(yīng)章節(jié)——膜片鉗技術(shù)全細(xì)胞模式記錄心肌細(xì)胞膜通道電流。通過(guò)6學(xué)時(shí)的教學(xué),使學(xué)生初步了解膜片鉗微電極與心肌細(xì)胞封接的過(guò)程。觀察大鼠心肌細(xì)胞全細(xì)胞通道電流的獲得過(guò)程,加深對(duì)膜片鉗技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解。
生理學(xué)實(shí)驗(yàn)大部分將通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來(lái)進(jìn)行,除此以外,學(xué)生參加各種創(chuàng)新科研訓(xùn)練、國(guó)內(nèi)外學(xué)科競(jìng)賽以及將來(lái)升入研究生階段的學(xué)習(xí),都需要借助各種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行科研實(shí)踐。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)課程體系梳理,發(fā)現(xiàn)缺乏實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué),生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中第一門需要借助各類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來(lái)完成的實(shí)驗(yàn)課程,同時(shí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)這部分內(nèi)容非常重要,而這部分內(nèi)容也涉及生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程必備的一些操作技能,因此在教學(xué)中增加了這部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。主要包括:實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)發(fā)展歷程,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的多樣性,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的福利和倫理原則、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生物安全管理,常用實(shí)驗(yàn)方法及檢查方法,行為學(xué)研究技術(shù)等并穿插動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基本技術(shù)的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練[7]。
同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院和生命學(xué)院以學(xué)部制的形式進(jìn)行管理和建設(shè),2個(gè)學(xué)院本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的形式開展,部分實(shí)驗(yàn)課程共享空間、師資和儀器設(shè)備,生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程便是以此方式進(jìn)行。從2016年開始,由于課程體系改革,醫(yī)學(xué)院不能承擔(dān)生命學(xué)院生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程,需由生命學(xué)院獨(dú)立承擔(dān),從教材、儀器開始從頭建設(shè)。通過(guò)對(duì)兄弟院校相關(guān)課程調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)、期刊論文以及前期實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中與學(xué)生交流后的建議和意見,結(jié)合MD3000生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能完成了對(duì)先期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化和補(bǔ)充。結(jié)合學(xué)院干細(xì)胞轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)拔尖人才培養(yǎng)的目標(biāo),將傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聚焦普通生理學(xué)的電生理、圍繞3大類肌肉組織的生理特點(diǎn)重新編排,為后續(xù)科研工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)[8-11]。
人體解剖相關(guān)知識(shí)是生理學(xué)學(xué)習(xí)的先期必備基礎(chǔ)。由于課程體系設(shè)置和課時(shí)數(shù)的原因,生命學(xué)院未開設(shè)單獨(dú)人體解剖課程。因此在生理學(xué)理論課教學(xué)中,我們?cè)诿恳徽鹿?jié)前都增加了相關(guān)的解剖學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié),但缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生有時(shí)很難理解吃透相關(guān)內(nèi)容。因此通過(guò)前期和醫(yī)學(xué)院人體解剖教研室的協(xié)商,在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中增設(shè)了人體解剖實(shí)踐環(huán)節(jié),在教學(xué)計(jì)劃以外,邀請(qǐng)醫(yī)學(xué)院人體解剖教學(xué)組的老師充分利用同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院人體解剖館,3D數(shù)字人等教學(xué)資源開設(shè)4學(xué)時(shí)的人體解剖實(shí)踐學(xué)習(xí)課程。這起到了良好的教學(xué)效果。
把實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)延伸到課堂以外,利用網(wǎng)絡(luò)慕課、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、自制錄像、文獻(xiàn)資料等資源,增加學(xué)生課前自我學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié),并將其作為考核的一部分。如生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課和生理學(xué)理論課分別獨(dú)立設(shè)課,兩者同步開課,在進(jìn)行制作坐骨神經(jīng)腓腸肌標(biāo)本前,理論課還未進(jìn)行到相應(yīng)章節(jié)的講解。故教學(xué)方式調(diào)整為課前讓學(xué)生學(xué)習(xí)并觀看相關(guān)實(shí)驗(yàn)錄像,包括標(biāo)本制作的基本操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)要求及注意事項(xiàng)等,使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)有初步的了解和認(rèn)識(shí)。上課時(shí),通過(guò)學(xué)生親自制作標(biāo)本,并使用鋅銅弓觀察到刺激坐骨神經(jīng)后引起腓腸肌的收縮現(xiàn)象,借此引導(dǎo)學(xué)生思考為什么刺激坐骨神經(jīng)后,腓腸肌會(huì)收縮,在這個(gè)現(xiàn)象的背后,從宏觀和微觀不同角度分析,都發(fā)生了哪些生理變化的過(guò)程?通過(guò)親自試驗(yàn)觀察到有趣的生理現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)到機(jī)理的探究,進(jìn)而通過(guò)理論課上分組展示及討論,通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)更好地深入了解相關(guān)理論知識(shí),從而也實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)課到理論課的無(wú)縫銜接,激發(fā)了學(xué)生探索科學(xué)真理的積極性。同時(shí)為了更高效地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo),體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課的預(yù)期效果,實(shí)行“布置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目—引導(dǎo)檢索—操作—交流討論—完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[12]。
在正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容完成的基礎(chǔ)上,通過(guò)教師引導(dǎo),鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)開展創(chuàng)新性、探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施,在更深入了解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開拓了學(xué)生眼界,激發(fā)了他們的創(chuàng)新思維,為后續(xù)相關(guān)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃(Students innovation training program,SITP)的選題、開展競(jìng)賽奠定了基礎(chǔ)。如:在利用坐骨神經(jīng)腓腸肌標(biāo)本做完電刺激強(qiáng)度、頻率與骨骼肌收縮反應(yīng)的關(guān)系后,學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)和現(xiàn)場(chǎng)操作,提出如果將刺激不是加在坐骨神經(jīng)上,而是直接加在肌肉上,會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果?同時(shí)這樣的結(jié)果又是如何產(chǎn)生的?通過(guò)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,查閱文獻(xiàn),分析思考,撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,得到最終的結(jié)論。
多年來(lái)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)一直沿用醫(yī)學(xué)院校的教程,但隨著包括生理學(xué)在內(nèi)的生命科學(xué)日新月異的發(fā)展,以及學(xué)院學(xué)科方向和人才培養(yǎng)目標(biāo)的進(jìn)一步凝練,原有的課程內(nèi)容教學(xué)方法已不能適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求。隨著新型生理學(xué)生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)的使用以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重新編排,研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加以及教學(xué)方式的改變,編寫了適應(yīng)我院專業(yè)特色和學(xué)科優(yōu)勢(shì)的《生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》。該指導(dǎo)以MD3000生理信號(hào)采集處理系統(tǒng)為平臺(tái)結(jié)合實(shí)際操作,聚焦3大類肌肉組織的生理特點(diǎn),將傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重新編寫,并添加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)相應(yīng)章節(jié)及膜片鉗實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,滿足學(xué)生上課的需求,為學(xué)生預(yù)復(fù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)的順利開展提供保障,也為同行提供參考。同時(shí)自制了一批實(shí)驗(yàn)操作視頻,供學(xué)生學(xué)習(xí)。
在課堂教學(xué)過(guò)程中始終堅(jiān)持價(jià)值引導(dǎo)與知識(shí)傳授相統(tǒng)一。通過(guò)深度挖掘及不斷完善課程的建設(shè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),確立和強(qiáng)化立德樹人的核心要素,推動(dòng)課堂從單向的知識(shí)傳授向立體化育人轉(zhuǎn)變。在課堂教學(xué)中結(jié)合相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、不畏艱辛的勇氣、直面挫折和勇于創(chuàng)新的探索精神。如在講授生理學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展歷史中,講到生理學(xué)奠基人巴普洛夫的事例,告訴學(xué)生許多科學(xué)家就是通過(guò)反復(fù)實(shí)踐失敗再實(shí)踐再總結(jié)從而推動(dòng)學(xué)科不斷發(fā)展。在講述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)時(shí)給學(xué)生講述動(dòng)物福利;在進(jìn)行人體解剖實(shí)踐課程時(shí),將生命與感恩教育融入專業(yè)課,通過(guò)對(duì)人體各系統(tǒng)生理現(xiàn)象的實(shí)踐與探索讓同學(xué)們?cè)讷@得知識(shí)的同時(shí),更加敬畏生命、善待生命、珍惜生命和熱愛生命,并學(xué)會(huì)從生命的角度觀察世界、認(rèn)識(shí)人類與自己,培養(yǎng)正確的世界觀[13-15]。
在保障實(shí)驗(yàn)內(nèi)容順利完成的前提下,滿足學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新需求。根據(jù)課程內(nèi)容的需要,增加單次實(shí)驗(yàn)的課時(shí)數(shù)。由每次4學(xué)時(shí)增加到6學(xué)時(shí),在基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)完成的前提下,學(xué)生可以進(jìn)行一些探索性的實(shí)驗(yàn),在教師的引導(dǎo)下,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),提高創(chuàng)造性思維的能力。在課前做好預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)之上,對(duì)一些創(chuàng)新課題,鼓勵(lì)學(xué)生提前設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案,帶著問(wèn)題,通過(guò)自主實(shí)驗(yàn)來(lái)尋求答案。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,學(xué)生在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)習(xí)到了比較系統(tǒng)的生理學(xué)基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作技能,逐步掌握了生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技術(shù),了解了生理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理,進(jìn)一步了解了獲得生理學(xué)知識(shí)的方法,驗(yàn)證和鞏固了生理學(xué)的有關(guān)基本理論。學(xué)生通過(guò)掌握生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中核心的技術(shù)和方法,滿足了后期各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽及其他課程學(xué)習(xí)或科研工作的需要。
在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱、表達(dá)交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等各方面的能力培養(yǎng),通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn),精心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容,不僅讓學(xué)生鞏固了生理學(xué)基本理論知識(shí),同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、操作、思維和創(chuàng)新能力,極大提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)課程的積極性和參與程度,激發(fā)了創(chuàng)新思維和潛能。課程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)更是直接助力他們的課題選題,如:拔尖班學(xué)生結(jié)合在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)及理論課中所學(xué)到的電生理學(xué)相關(guān)知識(shí),結(jié)合光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)等,利用光遺傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)線蟲簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的控制。在線蟲控制前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎的特定神經(jīng)元及全身肌肉中表達(dá)視蛋白這種光敏感型通道蛋白,以特定波長(zhǎng)光照將其激活,進(jìn)而激活某類神經(jīng)元活動(dòng),最終達(dá)到控制線蟲運(yùn)動(dòng)的目的。該實(shí)驗(yàn)在神經(jīng)退行性及癱瘓等疾病治療中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,獲得了國(guó)際基因工程機(jī)器設(shè)計(jì)大賽(iGEM)金獎(jiǎng)。學(xué)院從2014年起每年派出團(tuán)隊(duì)參加國(guó)際基因工程機(jī)器設(shè)計(jì)大賽,憑借優(yōu)異的團(tuán)隊(duì)水平、富有創(chuàng)意的參賽項(xiàng)目以及穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮,最終在全球總決賽中獲得全球金獎(jiǎng)6項(xiàng),全球銀獎(jiǎng)3項(xiàng),銅獎(jiǎng)1項(xiàng)。學(xué)院2020年申報(bào)SITP創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目達(dá)38項(xiàng)。2018級(jí)本科生學(xué)科競(jìng)賽或SITP參與率達(dá)到90%以上。通過(guò)有機(jī)融入課程思政的內(nèi)容,讓學(xué)生們?cè)讷@得知識(shí)的同時(shí),更加敬畏生命、善待生命、珍惜生命、熱愛生命,并學(xué)會(huì)從生命的角度觀察世界、認(rèn)識(shí)人類與自己,培養(yǎng)了正確的世界觀。
隨著學(xué)院國(guó)家級(jí)細(xì)胞干性與命運(yùn)編輯前沿科學(xué)中心及國(guó)家干細(xì)胞轉(zhuǎn)化資源庫(kù)獲批,干細(xì)胞與表觀遺傳學(xué)和生物信息學(xué)已成為同濟(jì)生命學(xué)科的優(yōu)勢(shì)與特色學(xué)科。后續(xù)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程將緊緊圍繞學(xué)院學(xué)科建設(shè)特點(diǎn),聚焦干細(xì)胞方向,不斷拓展干細(xì)胞生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,并且同干細(xì)胞方向先期的其他內(nèi)容緊密聯(lián)系,打造新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)體系。