激光掃描共聚焦顯微技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

李成輝， 鄧冬艷

（四川大學(xué)a.分析測試中心；b.化學(xué)學(xué)院，成都610064）

0 引 言

隨著生命科學(xué)和材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，激光掃描共聚焦顯微成像技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于疾病檢查治療和材料的相關(guān)研究，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最先進(jìn)的分析儀器之一［1-2］。激光掃描共聚焦顯微鏡主要用于熒光標(biāo)記的活細(xì)胞、生物組織切片、活體、熒光材料等的實(shí)時動態(tài)觀察、成像、三維立體重建以及在亞細(xì)胞水平對生物物質(zhì)、離子進(jìn)行定性、定量、定時和定位分布檢測等［3］。共聚焦顯微成像技術(shù)因其具有高分辨率和斷層掃描成像等獨(dú)特優(yōu)勢，目前已成為生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域重要的研究工具之一。但是，由于大型儀器價格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，操作相對復(fù)雜等因素，目前國內(nèi)大部分高校儀器的使用模式為委托測樣模式［4-6］。使得儀器的普及率和使用率在很大程度上受到了限制，同時影響其在研究生教學(xué)及科研領(lǐng)域發(fā)揮作用。為了更好地滿足研究生科研實(shí)際需求，彌補(bǔ)研究生培養(yǎng)過程中對大型儀器設(shè)備應(yīng)用及操作能力培養(yǎng)的忽視，拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生的科研實(shí)踐能力，開設(shè)共聚焦顯微實(shí)驗(yàn)課程，貫通實(shí)驗(yàn)教學(xué)、理論教學(xué)、科學(xué)研究等教育教學(xué)環(huán)節(jié)，建立共聚焦顯微鏡開放共享資源平臺，不僅可以拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生的科研實(shí)踐能力，以科研促教學(xué)，進(jìn)而培養(yǎng)出既掌握扎實(shí)的專業(yè)知識，又具備豐富實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。

1 激光掃描共聚焦顯微鏡教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科研項(xiàng)目的逐步增多和科學(xué)研究的不斷深入，激光共聚焦技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域。但該技術(shù)僅在醫(yī)學(xué)課程中介紹儀器原理和應(yīng)用，并未設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)樣品的制備過程，更不會實(shí)際操作儀器，導(dǎo)致所學(xué)知識過于抽象，學(xué)生不能真正掌握儀器的核心功能、實(shí)驗(yàn)方法。這不僅對深入開發(fā)共聚焦顯微鏡的潛在應(yīng)用造成缺憾，而且無法有效對接學(xué)生在科研過程中的實(shí)際需求。針對這一現(xiàn)狀，通過近幾年共聚焦顯微技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)和測試服務(wù)的反饋意見總結(jié)出兩方面原因：①當(dāng)前的課堂理論知識缺乏針對性和實(shí)踐指導(dǎo)意義，學(xué)生很難將老師講述的理論和科研實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果和教學(xué)目的。②共聚焦顯微鏡本身構(gòu)造比較復(fù)雜，儀器價格昂貴，當(dāng)前這種委托測樣的模式使學(xué)生很難有自己動手操作的機(jī)會，無法掌握儀器使用條件。并且當(dāng)前儀器需求量大，正常的委托測試時間無法充分滿足師生的科研需求。學(xué)生在教學(xué)過程中很難起到作為科研人員的主導(dǎo)作用，無法結(jié)合自身的研究方向和實(shí)際需求設(shè)計(jì)共聚焦實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。因此開設(shè)以學(xué)生科研需求為導(dǎo)向的共聚焦顯微技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程變得尤為必要，這也是實(shí)現(xiàn)大型儀器開放共享及儀器自身價值的關(guān)鍵步驟。

2 激光掃描共聚焦顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

2.1 教學(xué)模式

針對現(xiàn)有激光共聚焦顯微技術(shù)課堂教學(xué)中存在的問題，共聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，貫通了理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究等教育教學(xué)環(huán)節(jié)，建立了包含基礎(chǔ)理論教學(xué)、專業(yè)技術(shù)拓展、操作技巧培訓(xùn)、探索實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4 個層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［7］（見表1）。該模式豐富了課程的授課形式，使學(xué)習(xí)方式更加多樣化，學(xué)習(xí)內(nèi)容更具針對性，學(xué)習(xí)時間更加靈活，可有效調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)相互促進(jìn)、相得益彰的良性循環(huán)。課程采取大班講授，小班實(shí)操的方式，全員參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足了學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求和科研需求，讓教師更加了解學(xué)生實(shí)際情況，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。在此基礎(chǔ)上，建立共聚焦顯微鏡開放共享資源平臺，實(shí)驗(yàn)課程考核合格的同學(xué)可申請自主上機(jī)測試資格。開放實(shí)驗(yàn)室，避免委托測樣模式造成的儀器使用率低等問題，充分發(fā)揮共聚焦顯微鏡在教學(xué)、科研和人才培養(yǎng)中的重要作用。

表1 共聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2.2 教學(xué)理念

整個教學(xué)過程通過任務(wù)驅(qū)動的方式組織教學(xué)。以學(xué)生科研為導(dǎo)向，理論聯(lián)系實(shí)際，及時更新教學(xué)內(nèi)容，充實(shí)學(xué)生可能利用到的共聚焦知識，注重教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)用性。刪繁就簡地講授基礎(chǔ)理論知識，深入淺出地介紹一些必備的光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等知識［8］，使學(xué)生對儀器的基本原理、組成有一個基本的了解。以實(shí)際研究工作為講授的重點(diǎn)，讓學(xué)生在不同的、具體的研究工作中學(xué)習(xí)、理解共聚焦顯微技術(shù)的特點(diǎn)及用途。如選擇一些典型的實(shí)驗(yàn)案例，用共聚焦顯微鏡技術(shù)原位檢測細(xì)胞凋亡、測定細(xì)胞內(nèi)Ca2＋濃度的動態(tài)變化、活細(xì)胞膜電位的變化等［9］。通過這些生動、實(shí)際的例子激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們透徹地理解理論知識，把理論學(xué)習(xí)與科研工作結(jié)合到一起。結(jié)合科研、理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)理念打破了傳統(tǒng)課堂的限制，擴(kuò)大了課堂的形式和內(nèi)涵，將與學(xué)習(xí)、科研相關(guān)的活動均納入課堂教學(xué)與討論的范疇，不僅拓展了師生的交流渠道，還培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)散性思維，有效提升了教學(xué)效果。

2.3 教學(xué)內(nèi)容

研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時少、學(xué)科專業(yè)分散等問題一直是影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的重要原因之一。因此，共聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的制定應(yīng)從整體性和先進(jìn)性原則出發(fā)，充分考慮研究生專業(yè)和科研的需要來設(shè)置授課內(nèi)容，建立系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施計(jì)劃［10］。通過查閱資料、前沿文獻(xiàn)，并根據(jù)研究生專業(yè)特點(diǎn)編寫包含從儀器基本原理、應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)功能、操作技巧及樣品制備5 個方面的實(shí)驗(yàn)教材，同時制定相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃。另外，還簡單地介紹其他相關(guān)分析技術(shù)，強(qiáng)調(diào)多種分析技術(shù)聯(lián)用的樣品分析方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品體系全面、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)與形態(tài)分析，有助于研究生開拓性與創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，教師全過程指導(dǎo)、考核，強(qiáng)化儀器原理及操作技巧，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索的科研精神。

3 結(jié) 語

共聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新意識發(fā)展為理念，將實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)和研究生科研方向有機(jī)整合，目標(biāo)是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性，打造實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放課程，靈活安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間，建立共聚焦開放共享資源平臺，為大型儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟新途徑。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生全過程參與到共聚焦實(shí)驗(yàn)中，有利于學(xué)生更好地掌握儀器應(yīng)用，提高實(shí)驗(yàn)技能，讓實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)服務(wù)于科研課題，更好地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。