科研反哺在神經(jīng)生物學(xué)本科教學(xué)中的實(shí)踐探索

劉 玲，武勝昔，薛 茜，鄺 芳

(空軍軍醫(yī)大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 神經(jīng)生物學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

腦科學(xué)(brain science)是一門多學(xué)科的交叉前沿學(xué)科，其終極目的是解析腦的高級功能，探索腦疾病的發(fā)生機(jī)制，是生命科學(xué)領(lǐng)域最后一塊激烈競爭的高地[1]。而創(chuàng)新性是其根本。為了保持腦科學(xué)旺盛的生命力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的腦科學(xué)專門人才，教育者無論從思維方式到教學(xué)手段，從知識拓展到評價手段，都必須使腦科學(xué)的科研發(fā)展對教學(xué)起到“質(zhì)”的推進(jìn)作用。

近些年來，高校教師教學(xué)與科研的平衡卻被嚴(yán)重打破，成為制約高校發(fā)展的一種突出矛盾。如何平衡矛盾，是所有教育者一直思考和探索的重要問題；而科研資源、教師素質(zhì)、高校評價體系、學(xué)風(fēng)建設(shè)都成為了平衡矛盾的著力點(diǎn)[2-6]?？蒲行袨槭且环N創(chuàng)新，將科研融入教學(xué)，讓科研反哺教學(xué)(scientific research back-feeding teaching)，無疑是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和解決科研教學(xué)矛盾的一條重要思路。空軍軍醫(yī)大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教研室經(jīng)過多年努力，嘗試把科研思維融入教學(xué)全過程，利用科研平臺支撐教學(xué)實(shí)踐，利用科研進(jìn)展增強(qiáng)教學(xué)活力，將科研設(shè)計(jì)導(dǎo)入教學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生回歸常識，砥礪真本領(lǐng)。教學(xué)實(shí)踐證明，科研反哺教學(xué)是提高神經(jīng)生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要和有效途徑。

1 科研精神和科研思維對教學(xué)的引領(lǐng)

本科教育階段是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新活動、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的關(guān)鍵時期。相較于研究生以科研培訓(xùn)為主體，本科教育著重于教學(xué)手段的改革，“PBL(problem-based learning,基于問題的學(xué)習(xí))”“微課(Microlecture)”“慕課(massive online open course,MOOC，大規(guī)模在線課程)”“對分課堂(presentation-assimilation-discussion,PAD Class)”等目的都是打破學(xué)生固有思維模式，摒棄“吃現(xiàn)成”的思維定式，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。巴斯德曾經(jīng)說過“人們告訴你，要證明你是對的。而我要告訴你，要證明你是錯的”，這是空軍軍醫(yī)大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教研室一貫秉承的教學(xué)理念之一。將這樣的科研精神融入教學(xué)，就是教學(xué)生思考問題，勇于挑戰(zhàn)權(quán)威。例如“垂體前葉神經(jīng)-體液雙重調(diào)節(jié)假說”就是由科研衍生出的原創(chuàng)性課程，是創(chuàng)新思維在教學(xué)中的具體體現(xiàn)。下丘腦-垂體的調(diào)節(jié)被奉為生理學(xué)經(jīng)典，但同時也成為理念突破的壁壘。在此次課程設(shè)計(jì)中，遵循學(xué)生認(rèn)知的自然規(guī)律，以問題為導(dǎo)向，在舊知的基礎(chǔ)上示證新知。垂體前葉內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量肽類神經(jīng)纖維[7]，其存在的意義是什么呢？在這個提示下，學(xué)生自然想到結(jié)構(gòu)和功能的對應(yīng)。但這些神經(jīng)纖維如何發(fā)揮作用呢？神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元傳遞信息的解剖結(jié)構(gòu)是突觸，結(jié)合之前的知識積累，電鏡下如果找到突觸結(jié)構(gòu)就可以解決這個問題。當(dāng)一張張突觸的照片展現(xiàn)給學(xué)生時，他們似乎已經(jīng)不能滿足已有的證據(jù)，因?yàn)樾碌膯栴}又提出了：有了結(jié)構(gòu)的支持，如何調(diào)控呢？是興奮的還是抑制的？是運(yùn)動的還是感覺的？課堂完全由老師的“講”變成了學(xué)生的“問”，在一個個問題的合理串聯(lián)下，課堂教學(xué)體現(xiàn)了“教”“學(xué)”“研”三者的完美統(tǒng)一。

2 科研平臺對教學(xué)的支撐

高級腦功能是神經(jīng)生物學(xué)授課的重點(diǎn)內(nèi)容，獎賞授課中發(fā)現(xiàn)抽象的概念過多，視頻、模具、病例等多元信息化手段提升授課效果十分有限。如內(nèi)隱性的情緒體驗(yàn)如何在動物上得以體現(xiàn)，其情緒的表達(dá)用什么方法檢測，學(xué)生完全感受不到幻燈片上展示的數(shù)據(jù)意味著什么，究竟什么樣的行為就代表小鼠心情愉悅了，它們怎么就獲得了情緒相關(guān)的記憶呢？為了更好的解決這些問題，借助神經(jīng)生物學(xué)國家級重點(diǎn)學(xué)科、國家“雙一流”軍事腦科學(xué)學(xué)科平臺，加大科研平臺開放共享職能，深度挖掘其潛在教學(xué)價值，在分子、細(xì)胞、器官以及動物四個層面，將授課內(nèi)容中涉及的相關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能以及他們的聯(lián)系直觀的展示給學(xué)生，形象化的加深學(xué)生的理解。

2.1 微觀研究平臺

腦功能的執(zhí)行離不開神經(jīng)元的活動，當(dāng)獎賞發(fā)生時相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元的興奮或抑制可通過電生理記錄儀檢測，遞質(zhì)的釋放、細(xì)胞的蛋白表達(dá)以及環(huán)路可塑性變化通過神經(jīng)元三維重建軟件、活細(xì)胞工作站等展示，這樣從形態(tài)、物理的角度幫助學(xué)生判斷神經(jīng)元的活動。

2.2 動物整體功能研究平臺

科室擁有完善的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室，利用曠場實(shí)驗(yàn)、高架十字、新物體識別或者三箱實(shí)驗(yàn)去評判動物的情緒、認(rèn)知以及社交能力，用動物的行為語言來揭示動物的“內(nèi)心”。

2.3 人高級腦功能研究平臺

科室擁有人腦情感和認(rèn)知功能的評估虛擬平臺，利用神經(jīng)反饋技術(shù)對學(xué)生進(jìn)行心理健康及學(xué)習(xí)效果的干預(yù)。通過實(shí)時采集學(xué)生當(dāng)下的腦電波活動狀態(tài)，同大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對進(jìn)而得出一個完整的腦功能評估報(bào)告，并結(jié)合這份報(bào)告通過計(jì)算機(jī)程序?qū)W(xué)生所觀看的訓(xùn)練視頻實(shí)施控制。

學(xué)生在獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后，如何將這些數(shù)據(jù)與書本或課堂上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相聯(lián)系呢？老師會幫學(xué)生借助計(jì)算機(jī)軟件、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等將數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析、轉(zhuǎn)化，而這些軟實(shí)力也是科研平臺的重要支撐。有了以上的科研拓展，教學(xué)中晦澀的知識變得明晰，這本身就是對學(xué)生進(jìn)行科研思維培養(yǎng)的有效方式之一。

3 科研進(jìn)展對教學(xué)的推動

神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展日新月異，不斷沖擊著傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，甚至產(chǎn)生顛覆性的認(rèn)識改變。如何讓學(xué)生跟上速度，理解所學(xué)知識的局限性和不確性，需要老師將科研工作的思路、方法和進(jìn)展引入教學(xué)領(lǐng)域，適時的利用課堂及課外科研進(jìn)行有效傳遞，這樣教學(xué)就“活”了。比如，在膠質(zhì)細(xì)胞章節(jié)，星形膠質(zhì)細(xì)胞是數(shù)量最多的一群細(xì)胞，功能是支撐、營養(yǎng)神經(jīng)元，地位是附屬的，功能是被動的。沿襲這些經(jīng)典內(nèi)容講授，學(xué)生對星形膠質(zhì)細(xì)胞的理解也就僅限于此。但有了科研的推動，教師必然根據(jù)科研成果的更新頻率對教學(xué)內(nèi)容更新。很自然，學(xué)生就會了解到星形膠質(zhì)細(xì)胞具有在損傷狀態(tài)下會逆分化為神經(jīng)干細(xì)胞的干細(xì)胞分化特性；星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能異常與各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病緊密相關(guān)，胼胝體處丟失星形膠質(zhì)細(xì)胞后會出現(xiàn)小鼠發(fā)聲的長時間停頓，這與人類的口吃現(xiàn)象直接相關(guān)；甚至可不依賴于神經(jīng)元而獨(dú)自控制動物的行為，逆襲成生物行為的掌控者。這些點(diǎn)滴的科研進(jìn)展?jié)B透已經(jīng)激發(fā)了學(xué)生的思考，開始關(guān)注其細(xì)胞的主動性以及與疾病的關(guān)系，這種“點(diǎn)”匯聚成“面”的效應(yīng)必然為課堂帶來新的活力，達(dá)到激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的實(shí)際效應(yīng)。

4 學(xué)生課外科研活動對教學(xué)的促進(jìn)

有了科研平臺的支撐，科研進(jìn)展的助力，如何切實(shí)有效地將科研活動引入學(xué)生的學(xué)習(xí)中呢？實(shí)驗(yàn)操作、文獻(xiàn)閱讀、撰寫綜述以及科研報(bào)告等環(huán)節(jié)都是有效提升教學(xué)效果的實(shí)際操練。課堂外的實(shí)驗(yàn)室里，被動聽課變成了自主學(xué)習(xí)，個人學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)隊(duì)交流。學(xué)習(xí)的內(nèi)容不再局限于書本，不再局限于專業(yè)知識獲取，科研道德、實(shí)驗(yàn)室安全等人文因素也一同在課外科研活動中得到體現(xiàn)。老師指導(dǎo)學(xué)生最終以發(fā)表論文、項(xiàng)目申報(bào)和科技競賽等方式進(jìn)行效果檢驗(yàn)。整個實(shí)踐探索過程，以空醫(yī)大神經(jīng)生物學(xué)教研室為依托，學(xué)生參與發(fā)表多篇論文，最高影響因子8.25，多人次參加全國大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新論壇暨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽，并屢獲殊榮。

這些驕人的成績不僅是科研與教學(xué)相互融合的產(chǎn)物，更是以學(xué)生為本、注重能力和素質(zhì)培養(yǎng)的教育理念體現(xiàn)。

5 科研反哺教學(xué)實(shí)踐帶來的成效

對2017級五年制臨床、航空航天醫(yī)學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)和心理學(xué)專業(yè)共122名本科生進(jìn)行隨機(jī)問卷調(diào)查(回收問卷122份，試卷有效率為100%)，內(nèi)容涉及課程內(nèi)容建設(shè)的合理性、課程的啟發(fā)性、課程擴(kuò)展建設(shè)等方方面面。問卷中82%的學(xué)生認(rèn)為開設(shè)的神經(jīng)生物學(xué)理論課程已不能滿足他們的學(xué)習(xí)需求，認(rèn)為有必要開設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課(圖1A)，46.72%的學(xué)生被課程的前沿進(jìn)展所吸引(圖1B)，并有51.64%的學(xué)生在課后通過檢索科學(xué)文獻(xiàn)解決遇到的有關(guān)神經(jīng)科學(xué)問題(圖1C)。在采取以上一系列科研融入教學(xué)的措施后，87%的學(xué)生表示有興趣參加課外科研，并且認(rèn)為這對他們未來的職業(yè)選擇具有一定的指導(dǎo)意義(圖1D)。這些數(shù)據(jù)真實(shí)的反映了學(xué)生對利用科研手段探索知識的極大渴求，同樣在主觀問題“你希望本課程還能講到哪些感興趣的神經(jīng)科學(xué)問題”的調(diào)查統(tǒng)計(jì)中，學(xué)生提到的科學(xué)問題涉及領(lǐng)域包括意識存在與形成的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制、長期記憶的形成與皮層內(nèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)系等高級腦功能問題，包括孤獨(dú)癥等精神類疾病問題，包括人工智能、“腦控”和“控腦”等前沿問題。這些問題既有廣度也有深度，都是目前神經(jīng)科學(xué)的前沿問題和熱點(diǎn)問題[1]，說明我們的課程在多方位融入科研因素后充滿了極大的活力，成功調(diào)動了學(xué)生的積極性，一方面激發(fā)了對未知部分的探索和興趣，一方面強(qiáng)化了對現(xiàn)有已知領(lǐng)域的更新和批判。

6 存在的問題和前景

盡管意識到科研對教學(xué)的重要性，看到了科研助力教學(xué)帶來的顯著變化，但在實(shí)踐過程中仍存在眾多阻力和困難。較為突出的一個矛盾就是教學(xué)實(shí)施過程中如何處理好神經(jīng)科學(xué)基本理論與前沿進(jìn)展的關(guān)系以及教學(xué)考核的把控。制定并及時更新教學(xué)大綱可能是解決這一矛盾的有效對策。要真正達(dá)到實(shí)際意義的教學(xué)、科研全融合還有很長的道路要走。中華民族追求的“茍日新，日日新，又日新”理念需要一直貫穿人才培養(yǎng)的全過程，離不開有科研經(jīng)驗(yàn)的教師，離不開科研環(huán)境對教學(xué)的支持和保障，離不開科研、教學(xué)管理的和諧運(yùn)轉(zhuǎn)，它們是相互依賴、相互促進(jìn)的，這將是專業(yè)學(xué)科和高校持續(xù)性發(fā)展的動力源泉。

A.你覺得本課程是否需要開設(shè)實(shí)驗(yàn)課？B.你覺得這門課最值得稱道的是哪方面？C.本課程之后你是否通過搜索引擎搜索你感興趣的神經(jīng)科學(xué)問題？D.本課程后你是否有興趣參加神經(jīng)科學(xué)的課外科研？圖1 科研反哺教學(xué)成效調(diào)查問卷結(jié)果Fig 1 Survey results of scientific research back-feeding teaching