劉亞豐,吳 穎,李奇志,吳政星,馬 聰
(華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,分子生物物理教育部重點實驗室,武漢 430074)
生物物理學(xué)是用物理學(xué)的概念和方法研究生物的結(jié)構(gòu)與功能、研究生命活動的物理和物理化學(xué)過程與規(guī)律的一門交叉學(xué)科[1]。我國在1958 年就成立專門的科研機構(gòu)-中國科學(xué)院生物物理研究所,貝時璋先生任第一任所長。2009 年,設(shè)立“貝時璋獎”,這是生物物理領(lǐng)域的最高榮譽[2]。我校較早地將生物物理學(xué)作為重點發(fā)展的學(xué)科方向,2007 年獲批國家重點學(xué)科,2008 年分子生物物理教育部重點實驗室獲批建設(shè),2012 年通過教育部驗收,具有較強的生物物理科研平臺和學(xué)科隊伍。
為培養(yǎng)生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握生物物理學(xué)的知識和實驗技能,開設(shè)了生物物理學(xué)和生物物理學(xué)大實驗課程,學(xué)時分別為48、32,學(xué)分分別為3、1,并建立專業(yè)教學(xué)實驗室-生物物理實驗室。實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實際的重要橋梁、是培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的重要途徑。由于比較重視實驗教學(xué),以學(xué)生為中心,采取了多項有效舉措,所以教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到了不斷提升。
學(xué)科交叉是生物物理學(xué)的基本特征,始終緊抓這個特征并結(jié)合學(xué)科最新發(fā)展,積極推動科研成果轉(zhuǎn)化,構(gòu)建新的實驗項目,并補充到生物物理學(xué)大實驗培養(yǎng)大綱中。如新開設(shè)光敏感通道蛋白表達與測量實驗項目,使學(xué)生接觸最新的光遺傳學(xué)技術(shù)(Optogenetics)[3-4],讓學(xué)生掌握如何在HEK293 細胞上表達光敏感通道蛋白如ChR2 等,如何利用細胞膜片鉗系統(tǒng)記錄光刺激條件下的膜電流。該項目涉及細胞培養(yǎng)、質(zhì)粒轉(zhuǎn)染、熒光標記、顯微觀察、電生理、激光掃描等內(nèi)容。項目交叉性和綜合性強,能夠充分鍛煉學(xué)生的實踐能力和探索能力,啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維。
電生理技術(shù)以測量生物電為對象,是生物物理學(xué)中廣泛應(yīng)用的技術(shù),我校在1989 年就研發(fā)出國內(nèi)第一臺膜片鉗系統(tǒng)[5]。從2011 年為本科生開設(shè)了細胞膜片鉗電活動記錄實驗。膜片鉗電活動記錄需要熟練使用多種儀器和技術(shù),難度大、入門門檻高,但該實驗不僅有利于學(xué)生理解電生理測量基本原理,而且可使學(xué)生獲得初步的膜片鉗電生理記錄的方法與技能。實驗教學(xué)采取先易后難、循序漸進的原則與方法,首先開展斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量實驗,用尖端直徑10~30 μm的玻璃電極做斑馬魚眼角膜封接,記錄視網(wǎng)膜電位。在此基礎(chǔ)上,再練習(xí)尖端直徑1 μm 玻璃電極與動物細胞的封接與細胞膜電位記錄。此方法不僅利于學(xué)生克服對復(fù)雜實驗的恐懼,更重要的是加快了教學(xué)的進度,在有限的時間內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容,充分訓(xùn)練學(xué)生實踐動手能力,掌握胞內(nèi)、胞外電生理技術(shù)。
儀器設(shè)備是推進實驗項目實施的重要基礎(chǔ)和保障,其先進性也決定著實驗內(nèi)容的先進性。為使學(xué)生接觸最新技術(shù)、先進方法,研發(fā)教學(xué)設(shè)備是多年來一直堅持的一項重要工作,并構(gòu)建與之相適應(yīng)的實驗教學(xué)體系,凸顯專業(yè)特色,這里列舉兩個例子說明最近開展的工作。
視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram,ERG)具有非創(chuàng)傷性、定量性和可重復(fù)性,已成為醫(yī)院眼科重要檢查項目之一和科學(xué)研究的重要指標[6-7]。目前商用ERG系統(tǒng)由于接觸電極過大、無法固定小動物,無法開展斑馬魚視覺功能的研究。為此,采用玻璃電極、LED 刺激光源、電生理放大器以及特制樣品池,搭建了適于幼小斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量的系統(tǒng),如圖1 所示,目前國內(nèi)尚未見有這樣的系統(tǒng),可用于斑馬魚視覺系統(tǒng)發(fā)育、遺傳學(xué)研究等。利用該自制設(shè)備為本科生開設(shè)了斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量實驗項目,同時還向研究生開放,博士生利用該設(shè)備已在Human Molecular Genetics 等期刊發(fā)表SCI論文4 篇。
圖1 視網(wǎng)膜電圖測量系統(tǒng)
光遺傳學(xué)(Optogenetics)已發(fā)展成為21 世紀神經(jīng)科學(xué)研究的一項重要技術(shù),它通過將光敏感通道蛋白表達到細胞中,利用光學(xué)手段實現(xiàn)細胞活性的雙向、精準調(diào)控。較早開展這方面研究,采用高速無慣性掃描器件-聲光偏轉(zhuǎn)器在顯微鏡系統(tǒng)上搭建了隨機掃描光刺激系統(tǒng)[8-9],如圖2 所示,主要包括激光光纖耦合模塊、激光掃描模塊、電路控制模塊及軟件控制模塊。學(xué)生利用該系統(tǒng)可以控制激光在二維空間任意移動、激活不同位置的細胞,同時利用細胞膜片鉗系統(tǒng)記錄這些細胞的電活動,掌握光遺傳學(xué)這一最新神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)。同時,推動該設(shè)備開展科研應(yīng)用,已與中科院上海神經(jīng)科學(xué)研究所、浙江大學(xué)、北京師范大學(xué)等單位合作,在Nature Neuroscience、Neuron 等雜志上發(fā)表多篇SCI論文[10-12]。
圖2 隨機掃描光刺激系統(tǒng)
研發(fā)先進的教學(xué)儀器設(shè)備,解決了課程建設(shè)與發(fā)展存在的問題,使學(xué)生可接觸學(xué)科最新發(fā)展和前沿技術(shù),拓展知識的廣度與深度,拉近課程教學(xué)與科研之間的距離;有助于提高教師理論知識水平和科技攻關(guān)能力,推動教師積極參與教學(xué)改革;同時還服務(wù)于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及科學(xué)研究。
當前互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)高度發(fā)達,大量MOOC 已上線,學(xué)生獲取知識非常便捷,教育信息化的格局已形成。為適應(yīng)實驗教學(xué)信息化,使學(xué)生在開放、自主、交互的環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗,在國家級生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的統(tǒng)一規(guī)劃下,積極謀劃,圍繞課程培養(yǎng)大綱已開發(fā)2 個虛擬仿真實驗項目(見圖3):斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量虛擬仿真實驗和全細胞膜片鉗虛擬仿真實驗。它們利用Unity3D
圖3 虛擬仿真實驗項目截圖
軟件構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境、儀器設(shè)備和交互場景,使得學(xué)生在電腦終端開展仿真操作,了解儀器設(shè)備構(gòu)造、線路連接、設(shè)備操作、實驗流程、操作細節(jié)及注意事項等。
為推進生物物理實驗室信息化和智能化,在實驗室里安裝了校園卡管理系、3D 投影系統(tǒng)、紅外報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等,并配備滅火器、防火毯、防毒面具、醫(yī)用箱等。授權(quán)許可的學(xué)生可自如進入實驗室,教師通過電腦終端可實時了解實驗室運行情況,這些為實驗室開放運行提供了堅實的保障。
本課程所開設(shè)的實驗項目大都很復(fù)雜,學(xué)生難以在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)掌握相關(guān)技術(shù);另外受實驗室面積的限制,每個實驗項目僅配置一臺設(shè)備,不能安排全班學(xué)生在一次課同時進行實驗操作。
為解決上述問題,并保證教學(xué)質(zhì)量,積極推動實驗室全面開放,構(gòu)建一種虛實融合的教學(xué)模式,具體運行流程見圖4,以虛促實、以虛補實,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動實踐,積極拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容廣度與深度。
圖4 虛實融合教學(xué)模式流程圖
為配合虛實融合教學(xué)模式實施、客觀公正評價學(xué)生實驗水平,完善建立了相應(yīng)的過程考核評價體系,主要包含以下幾個內(nèi)容:
(1)課堂紀律,占10%,主要考查出勤、值日、課堂紀律、愛護設(shè)備、衛(wèi)生等方面;
(2)虛擬仿真操作,占10%,主要考查實驗流程仿真操作、人機交互和在線操作熟練程度等;
(3)實驗動手環(huán)節(jié),占40%,考核每個學(xué)生實踐動手能力、對儀器設(shè)備熟悉程度、操作的規(guī)范性和標準化、對碰到問題的應(yīng)對能力等;
(4)實驗報告,占40%,包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、討論與結(jié)論、思考題以及收獲體會等,考查書寫工整規(guī)范、內(nèi)容完整性、圖表處理合理、數(shù)據(jù)真實可靠、分析得當?shù)取?/p>
實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐動手能力的重要環(huán)節(jié),實驗教學(xué)水平直接影響教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量[13],以學(xué)生為中心,扎根生物物理學(xué)大實驗課程改革與實踐,不斷提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力。實驗教學(xué)改革取得一些成效,完成一項省級教改項目并獲得優(yōu)秀、圍繞本課程獲批4 項校實驗技術(shù)項目并順利結(jié)題、圍繞儀器研發(fā)及應(yīng)用發(fā)表科研論文8 篇、圍繞課程改革發(fā)表論文3 篇、研發(fā)儀器獲批2 項國家發(fā)明專利、自制儀器設(shè)備獲得全國、湖北省及學(xué)校教學(xué)設(shè)備成果獎8 項。
“雙一流”和“雙萬”計劃對人才培養(yǎng)提出了新要求、高要求,這就要求要因時而變,順勢而為,繼續(xù)深化教學(xué)改革,為培養(yǎng)生命學(xué)科領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才創(chuàng)造一流的支撐保障條件和教學(xué)體系。