走自制實驗設備之路 凸顯學科專業(yè)特色

劉亞豐，楊祥良，趙元弟，魯明波，馬 聰，盧群偉

（華中科技大學生命科學與技術學院分子生物物理教育部重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

特色專業(yè)是高校人才培養(yǎng)質量、教學水平和辦學特色的集中體現(xiàn)和重要載體，是形成辦學特色的最基本要素，它在一定程度上影響著高校的辦學類型和學科發(fā)展定位，決定著學校人才培養(yǎng)的學科領域和行業(yè)方向［1］。在“雙一流”和“雙萬”計劃建設背景下，要培養(yǎng)生命學科領域拔尖創(chuàng)新人才，需要順勢而動，因時而變，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢，大力開發(fā)專業(yè)特色的自制實驗設備和虛擬仿真項目，構建虛實融合的實驗實踐教學平臺和多層次多模式的本科實驗教學支撐保障體系，不斷豐富一流學科、一流專業(yè)建設內涵。從開發(fā)自制實驗設備服務本科人才培養(yǎng)出發(fā)，總結這方面建設情況及在生物物理學大實驗課程教學中應用，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，推動課程教學研究與改革，提升專業(yè)特色和學科優(yōu)勢。

1 以多學科交叉形成設備自制的突破口和特色

生物物理學是運用物理學理論、方法和技術研究生物結構與功能關系、生命活動物理或物化過程以及物質在生命活動中表現(xiàn)的物理特性的一門交叉性學科，是生命科學的重要分支學科和熱門研究領域。生物物理學中廣泛應用的技術是電生理學，它以生物電為研究對象，研究生物電的發(fā)生機制、調節(jié)以及機體內外環(huán)境變化對這些生物電的影響。如1976 年德國Neher等［2］創(chuàng)建的膜片鉗技術就是以細胞膜電流為研究對象的電生理學技術，該技術于1991 年獲得諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，凸顯該技術在生命科學研究中的重要性，廣泛應用于神經(jīng)科學、心血管科學、藥理學、細胞生物學、病理生理學等領域研究。

我院較早將生物物理學作為重點發(fā)展的學科方向，2007 年獲批國家重點學科，2008 年建成“國家理科基礎科學研究和教學人才培養(yǎng)基地”，具有較完善的生物物理學科研平臺和較強的學科團隊。為推動這方面人才的培養(yǎng)，在第6 學期為生物科學專業(yè)學生開設生物物理學和生物物理學大實驗課程，其中理論課48 學時2 個學分，實驗課32 學時1 個學分。針對生物物理學商用教學設備少、缺乏針對性和前瞻性、滯后學科發(fā)展等問題，自制教學設備是解決上述問題的有效措施。由于電生理學技術是最基本的，也是廣泛應用的技術，為此以細胞膜片鉗系統(tǒng)為重點突破方向，結合我校強大工科背景，1989 年我校研發(fā)出國內第1 臺膜片鉗系統(tǒng)［3］。它是一種以記錄離子通道電流來反映細胞膜上單一的（或多個的）離子通道分子活動的電生理技術，它是研究離子通道的“金標準”。至今用于細胞膜離子通道研究的第2 代膜片鉗已達到批量生產(chǎn)規(guī)模［4］，為開發(fā)綜合設計實驗、創(chuàng)新研究實驗奠定了基礎。

學生進行細胞膜片鉗實驗時，要在顯微鏡視野中觀察操控玻璃電極的移動，即三維方向移動尖端僅有1～2 μm的玻璃電極靠近并接觸直徑10～20 μm的細胞。電極運動速度控制及顯微視角下三維方向移動成為實驗成功的關鍵：移動得快則容易把玻璃電極碰碎，移動得慢則需長時間才觸及細胞。在有限的教學時間內，學生完成這種高難度的實驗非常困難，實驗成功率非常低，通常都要借助老師細心指導才能完成。如何讓學生更多實踐、主動實驗，真正掌握細胞膜片鉗技術，開發(fā)了國內第1 臺測量斑馬魚視覺功能的視網(wǎng)膜電圖儀［5］，并開發(fā)了相應的實驗項目。在該實驗中，學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，進而測量不同光照條件下視網(wǎng)膜電信號。該實驗項目把電極的尺寸、操作對象都擴大了一個數(shù)量級，使學生很容易控制電極移動的速度和方向。學生先做斑馬魚視網(wǎng)膜電圖實驗，再做細胞膜片鉗電生理實驗，先宏觀實驗再微觀實驗，先易后難，不僅提高了實驗成功率和操作效率，也將胞內電生理技術拓展到胞外電生理技術，將視覺功能研究從分子遺傳學層次拓展到環(huán)路功能層次。

如何使學生不斷接觸到最新科研技術、不斷提升實踐創(chuàng)新能力？新設備研制和方法創(chuàng)新是有效途徑。將當前最前沿的神經(jīng)科學技術-光遺傳學技術（Optogenetics）與電生理技術結合起來，在細胞膜片鉗系統(tǒng)基礎上，搭建了隨機掃描光刺激系統(tǒng)［6］，學生用光學手段激活不同位置處的細胞，同時利用細胞膜片鉗系統(tǒng)檢測細胞電活動。該系統(tǒng)不僅使學生了解到光學調控細胞的優(yōu)勢，還能掌握光學手段調控神經(jīng)活動的方法以及電學方法調控神經(jīng)活動的技術，使學生接觸到最新科研進展，豐富了實驗內容。

為進一步完善研究層次，還開發(fā)了小動物行為記錄裝置，可統(tǒng)計分析動物活動情況，研究基因表達狀況或基因突變造成的相關疾病；開發(fā)了光片式顯微成像系統(tǒng)，對熒光標記的斑馬魚進行快速大尺度的成像。緊跟學科前沿，對科研成果有效轉化，研制先進的教學科研設備，不斷豐富生物物理學大實驗教學內容，使學生接觸學科前沿技術與方法，構建本校的專業(yè)特色。

2 依托自制設備打造特色鮮明的實驗課程體系

實驗教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、科研思想和實踐動手能力的重要手段，實驗教學效果直接影響整體教學質量水平和學生綜合素質的高低。要提高生物物理學大實驗課程教學質量，需要持續(xù)推進實驗教學改革，推動實驗教學體系、教學內容創(chuàng)新與發(fā)展，不斷提高實驗教學水平。實驗教學儀器設備是實驗教學的重要組成部分，是教學研究開展的物質基礎。這就要求實驗儀器設備的配置必須與實驗教學體系、實驗教學內容同步配套才能適應人才培養(yǎng)的需要。

為此對生物物理學大實驗課程教學大綱進行了修改，以研發(fā)的自制設備為主要教學儀器，開設一系列新的實驗項目，強調生物物理實驗技術與方法在生命科學研究中的應用，強調科研成果轉化為本科實驗教學內容，體現(xiàn)實驗內容的綜合性和創(chuàng)新性，如“隨機掃描光刺激系統(tǒng)”涉及光學、電子學、機械制造、軟件編程等學科知識，用于培養(yǎng)鍛煉學生如何操控激光快速掃描，精確調控不同空間位置處表達光敏感通道蛋白細胞的光激活，從而將最新光遺傳學技術應用到實驗教學中。通過實驗項目光敏感通道蛋白表達與測量、微電極制備與測量、細胞膜片鉗封接實驗、斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量的訓練，使學生了解電生理測量基本原理、掌握細胞培養(yǎng)技術、熒光標記技術、膜片鉗測量細胞膜電流的方法和胞內胞外電生理記錄技術，學會用物理學的思維與方法進行生物現(xiàn)象和生物過程的觀察、測定與分析。目前國內只有我院在本科生階段開設了細胞膜片鉗實驗內容，這對于學生未來從事神經(jīng)科學研究及電生理技術應用奠定了堅實基礎，成為我校實踐教學的鮮明特色。

另外，為使學生深入了解大型設備工作原理及構造，深入推進實驗室開放和實驗教學信息化，還構建了與實體實驗相對應的虛擬仿真實驗：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，讓學生利用碎片化時間開展在線操作、反復演練，通過虛實互補、以虛促實，提高學生實踐技能和創(chuàng)新能力。這些虛擬仿真實驗是借助虛擬現(xiàn)實、多媒體、人際交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡通信等技術，構建逼真的實驗環(huán)境和操作對象，使學生在開放、自主、交互的環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗，達到真實實驗不具備或者難以實現(xiàn)的教學效果［7-8］，并且虛擬仿真實驗可擴展性強、方便開放共享。

為推進虛擬仿真實驗的應用，需要完善教學大綱，建立與之相適應的虛實融合教學模式，以虛促實、以虛補實。虛實融合教學模式是實驗教學面向現(xiàn)代化、信息化的一種新教學模式，是高等教育信息化發(fā)展的內在需求［8-9］。

3 發(fā)揮自制設備在教學和科研中的作用

通過儀器設備的自制，解決了我校實驗教學體系、實驗教學內容不斷創(chuàng)新發(fā)展進程中所產(chǎn)生的重點、難點問題，拓寬了生物物理學大實驗的廣度與深度，使學生觸及前沿技術和學科最新進展，增強專業(yè)自信和興趣，激發(fā)他們自主設計、主動參與創(chuàng)新的熱情，從已知中發(fā)現(xiàn)未知，拉近了理論教學與實驗教學、學習與科研之間的距離，同時也提高了教師的理論知識水平和科技攻關能力，極大地推動了實驗教學改革，起到了很好的教學效果。

自制儀器設備除用于實驗教學，還用于課程設計、畢業(yè)設計，以及科學研究，如開發(fā)的隨機掃描光刺激系統(tǒng)，在中科院上海神經(jīng)科學研究所、浙江大學、北京師范大學等單位應用，已在Nature Neuroscience、Neuron等雜志上發(fā)表多篇高水平論文。該自制設備獲得我校第十屆實驗技術成果獎一等獎、第四屆全國自制教學設備評比二等獎，自制儀器設備的應用和推廣，增強了我院的實力和影響力。

4 結語

自制設備與教學、科研密切結合，有助于加強科研、教學團隊的合作，推動科研成果落地生根，有助于學科交叉和融合共建。通過問題導向和目的導向開發(fā)技術先進、實用性強、系統(tǒng)完整、特色鮮明的儀器設備，并構建與之相適應的實驗課程體系，既能提升師資隊伍水平、豐富教學內容，又能推動實驗室建設、凸顯學科專業(yè)特色。