走自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備之路 凸顯學(xué)科專業(yè)特色

劉亞豐，楊祥良，趙元弟，魯明波，馬 聰，盧群偉

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引言

特色專業(yè)是高校人才培養(yǎng)質(zhì)量、教學(xué)水平和辦學(xué)特色的集中體現(xiàn)和重要載體，是形成辦學(xué)特色的最基本要素，它在一定程度上影響著高校的辦學(xué)類型和學(xué)科發(fā)展定位，決定著學(xué)校人才培養(yǎng)的學(xué)科領(lǐng)域和行業(yè)方向［1］。在“雙一流”和“雙萬”計(jì)劃建設(shè)背景下，要培養(yǎng)生命學(xué)科領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才，需要順勢(shì)而動(dòng)，因時(shí)而變，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢(shì)，大力開發(fā)專業(yè)特色的自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬仿真項(xiàng)目，構(gòu)建虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和多層次多模式的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐保障體系，不斷豐富一流學(xué)科、一流專業(yè)建設(shè)內(nèi)涵。從開發(fā)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備服務(wù)本科人才培養(yǎng)出發(fā)，總結(jié)這方面建設(shè)情況及在生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中應(yīng)用，探討其在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用與意義，旨在拋磚引玉，推動(dòng)課程教學(xué)研究與改革，提升專業(yè)特色和學(xué)科優(yōu)勢(shì)。

1 以多學(xué)科交叉形成設(shè)備自制的突破口和特色

生物物理學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)理論、方法和技術(shù)研究生物結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系、生命活動(dòng)物理或物化過程以及物質(zhì)在生命活動(dòng)中表現(xiàn)的物理特性的一門交叉性學(xué)科，是生命科學(xué)的重要分支學(xué)科和熱門研究領(lǐng)域。生物物理學(xué)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)是電生理學(xué)，它以生物電為研究對(duì)象，研究生物電的發(fā)生機(jī)制、調(diào)節(jié)以及機(jī)體內(nèi)外環(huán)境變化對(duì)這些生物電的影響。如1976 年德國(guó)Neher等［2］創(chuàng)建的膜片鉗技術(shù)就是以細(xì)胞膜電流為研究對(duì)象的電生理學(xué)技術(shù)，該技術(shù)于1991 年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)，凸顯該技術(shù)在生命科學(xué)研究中的重要性，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、心血管科學(xué)、藥理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、病理生理學(xué)等領(lǐng)域研究。

我院較早將生物物理學(xué)作為重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科方向，2007 年獲批國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，2008 年建成“國(guó)家理科基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地”，具有較完善的生物物理學(xué)科研平臺(tái)和較強(qiáng)的學(xué)科團(tuán)隊(duì)。為推動(dòng)這方面人才的培養(yǎng)，在第6 學(xué)期為生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)生物物理學(xué)和生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)課程，其中理論課48 學(xué)時(shí)2 個(gè)學(xué)分，實(shí)驗(yàn)課32 學(xué)時(shí)1 個(gè)學(xué)分。針對(duì)生物物理學(xué)商用教學(xué)設(shè)備少、缺乏針對(duì)性和前瞻性、滯后學(xué)科發(fā)展等問題，自制教學(xué)設(shè)備是解決上述問題的有效措施。由于電生理學(xué)技術(shù)是最基本的，也是廣泛應(yīng)用的技術(shù)，為此以細(xì)胞膜片鉗系統(tǒng)為重點(diǎn)突破方向，結(jié)合我校強(qiáng)大工科背景，1989 年我校研發(fā)出國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)膜片鉗系統(tǒng)［3］。它是一種以記錄離子通道電流來反映細(xì)胞膜上單一的（或多個(gè)的）離子通道分子活動(dòng)的電生理技術(shù)，它是研究離子通道的“金標(biāo)準(zhǔn)”。至今用于細(xì)胞膜離子通道研究的第2 代膜片鉗已達(dá)到批量生產(chǎn)規(guī)模［4］，為開發(fā)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

學(xué)生進(jìn)行細(xì)胞膜片鉗實(shí)驗(yàn)時(shí)，要在顯微鏡視野中觀察操控玻璃電極的移動(dòng)，即三維方向移動(dòng)尖端僅有1～2 μm的玻璃電極靠近并接觸直徑10～20 μm的細(xì)胞。電極運(yùn)動(dòng)速度控制及顯微視角下三維方向移動(dòng)成為實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵：移動(dòng)得快則容易把玻璃電極碰碎，移動(dòng)得慢則需長(zhǎng)時(shí)間才觸及細(xì)胞。在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生完成這種高難度的實(shí)驗(yàn)非常困難，實(shí)驗(yàn)成功率非常低，通常都要借助老師細(xì)心指導(dǎo)才能完成。如何讓學(xué)生更多實(shí)踐、主動(dòng)實(shí)驗(yàn)，真正掌握細(xì)胞膜片鉗技術(shù)，開發(fā)了國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)測(cè)量斑馬魚視覺功能的視網(wǎng)膜電圖儀［5］，并開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在體式顯微鏡下操控尖端10～30 μm 電極封接到直徑0.2～0.3 mm的斑馬魚眼球上，進(jìn)而測(cè)量不同光照條件下視網(wǎng)膜電信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目把電極的尺寸、操作對(duì)象都擴(kuò)大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，使學(xué)生很容易控制電極移動(dòng)的速度和方向。學(xué)生先做斑馬魚視網(wǎng)膜電圖實(shí)驗(yàn)，再做細(xì)胞膜片鉗電生理實(shí)驗(yàn)，先宏觀實(shí)驗(yàn)再微觀實(shí)驗(yàn)，先易后難，不僅提高了實(shí)驗(yàn)成功率和操作效率，也將胞內(nèi)電生理技術(shù)拓展到胞外電生理技術(shù)，將視覺功能研究從分子遺傳學(xué)層次拓展到環(huán)路功能層次。

如何使學(xué)生不斷接觸到最新科研技術(shù)、不斷提升實(shí)踐創(chuàng)新能力？新設(shè)備研制和方法創(chuàng)新是有效途徑。將當(dāng)前最前沿的神經(jīng)科學(xué)技術(shù)-光遺傳學(xué)技術(shù)（Optogenetics）與電生理技術(shù)結(jié)合起來，在細(xì)胞膜片鉗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，搭建了隨機(jī)掃描光刺激系統(tǒng)［6］，學(xué)生用光學(xué)手段激活不同位置處的細(xì)胞，同時(shí)利用細(xì)胞膜片鉗系統(tǒng)檢測(cè)細(xì)胞電活動(dòng)。該系統(tǒng)不僅使學(xué)生了解到光學(xué)調(diào)控細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)，還能掌握光學(xué)手段調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)的方法以及電學(xué)方法調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)的技術(shù)，使學(xué)生接觸到最新科研進(jìn)展，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

為進(jìn)一步完善研究層次，還開發(fā)了小動(dòng)物行為記錄裝置，可統(tǒng)計(jì)分析動(dòng)物活動(dòng)情況，研究基因表達(dá)狀況或基因突變?cè)斐傻南嚓P(guān)疾??；開發(fā)了光片式顯微成像系統(tǒng)，對(duì)熒光標(biāo)記的斑馬魚進(jìn)行快速大尺度的成像。緊跟學(xué)科前沿，對(duì)科研成果有效轉(zhuǎn)化，研制先進(jìn)的教學(xué)科研設(shè)備，不斷豐富生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生接觸學(xué)科前沿技術(shù)與方法，構(gòu)建本校的專業(yè)特色。

2 依托自制設(shè)備打造特色鮮明的實(shí)驗(yàn)課程體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、科研思想和實(shí)踐動(dòng)手能力的重要手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果直接影響整體教學(xué)質(zhì)量水平和學(xué)生綜合素質(zhì)的高低。要提高生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量，需要持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新與發(fā)展，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，是教學(xué)研究開展的物質(zhì)基礎(chǔ)。這就要求實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的配置必須與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容同步配套才能適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要。

為此對(duì)生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱進(jìn)行了修改，以研發(fā)的自制設(shè)備為主要教學(xué)儀器，開設(shè)一系列新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)生物物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性和創(chuàng)新性，如“隨機(jī)掃描光刺激系統(tǒng)”涉及光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械制造、軟件編程等學(xué)科知識(shí)，用于培養(yǎng)鍛煉學(xué)生如何操控激光快速掃描，精確調(diào)控不同空間位置處表達(dá)光敏感通道蛋白細(xì)胞的光激活，從而將最新光遺傳學(xué)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目光敏感通道蛋白表達(dá)與測(cè)量、微電極制備與測(cè)量、細(xì)胞膜片鉗封接實(shí)驗(yàn)、斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測(cè)量的訓(xùn)練，使學(xué)生了解電生理測(cè)量基本原理、掌握細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、熒光標(biāo)記技術(shù)、膜片鉗測(cè)量細(xì)胞膜電流的方法和胞內(nèi)胞外電生理記錄技術(shù)，學(xué)會(huì)用物理學(xué)的思維與方法進(jìn)行生物現(xiàn)象和生物過程的觀察、測(cè)定與分析。目前國(guó)內(nèi)只有我院在本科生階段開設(shè)了細(xì)胞膜片鉗實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這對(duì)于學(xué)生未來從事神經(jīng)科學(xué)研究及電生理技術(shù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，成為我校實(shí)踐教學(xué)的鮮明特色。

另外，為使學(xué)生深入了解大型設(shè)備工作原理及構(gòu)造，深入推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放和實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化，還構(gòu)建了與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和全細(xì)胞膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用碎片化時(shí)間開展在線操作、反復(fù)演練，通過虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)，提高學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人際交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作對(duì)象，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(jì)的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或者難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果［7-8］，并且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)展性強(qiáng)、方便開放共享。

為推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，需要完善教學(xué)大綱，建立與之相適應(yīng)的虛實(shí)融合教學(xué)模式，以虛促實(shí)、以虛補(bǔ)實(shí)。虛實(shí)融合教學(xué)模式是實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向現(xiàn)代化、信息化的一種新教學(xué)模式，是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)在需求［8-9］。

3 發(fā)揮自制設(shè)備在教學(xué)和科研中的作用

通過儀器設(shè)備的自制，解決了我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不斷創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)程中所產(chǎn)生的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，拓寬了生物物理學(xué)大實(shí)驗(yàn)的廣度與深度，使學(xué)生觸及前沿技術(shù)和學(xué)科最新進(jìn)展，增強(qiáng)專業(yè)自信和興趣，激發(fā)他們自主設(shè)計(jì)、主動(dòng)參與創(chuàng)新的熱情，從已知中發(fā)現(xiàn)未知，拉近了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)與科研之間的距離，同時(shí)也提高了教師的理論知識(shí)水平和科技攻關(guān)能力，極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，起到了很好的教學(xué)效果。

自制儀器設(shè)備除用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還用于課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及科學(xué)研究，如開發(fā)的隨機(jī)掃描光刺激系統(tǒng)，在中科院上海神經(jīng)科學(xué)研究所、浙江大學(xué)、北京師范大學(xué)等單位應(yīng)用，已在Nature Neuroscience、Neuron等雜志上發(fā)表多篇高水平論文。該自制設(shè)備獲得我校第十屆實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、第四屆全國(guó)自制教學(xué)設(shè)備評(píng)比二等獎(jiǎng)，自制儀器設(shè)備的應(yīng)用和推廣，增強(qiáng)了我院的實(shí)力和影響力。

4 結(jié)語

自制設(shè)備與教學(xué)、科研密切結(jié)合，有助于加強(qiáng)科研、教學(xué)團(tuán)隊(duì)的合作，推動(dòng)科研成果落地生根，有助于學(xué)科交叉和融合共建。通過問題導(dǎo)向和目的導(dǎo)向開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、實(shí)用性強(qiáng)、系統(tǒng)完整、特色鮮明的儀器設(shè)備，并構(gòu)建與之相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程體系，既能提升師資隊(duì)伍水平、豐富教學(xué)內(nèi)容，又能推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、凸顯學(xué)科專業(yè)特色。