激光共聚焦顯微技術多元化教學實踐探討
——基于開放共享背景

舒 薇，周靜韻，徐漢虹

（華南農業大學 a.測試中心；b.植物保護學院，廣東 廣州 510642）

引言

高校測試中心不僅是集高精尖大型精密儀器的公共測試平臺，更是高校重要的科技創新和高層次人才培養的前沿基地。近幾年來，隨著科研水平的不斷提高，測試中心大型儀器的使用率不斷增加，8小時工作時間難以滿足廣大師生科研測試需求。為了支持科研，充分提高儀器利用率和效益，大型儀器全天候對外開放勢在必行［1］。在校領導和資產處等部門指導和支持下，華南農業大學測試中心決定試點并逐步開放大型儀器的全天候使用。

激光掃描共聚焦顯微鏡是20世紀80年代發展起來的集各種先進組件及技術于一體的大型精密儀器，是形態學、分子生物學、神經科學、藥理學、病理學、免疫學、發育生物學等領域不可替代的科研利器。測試中心LEICA TCS SP8 STED 3X超高分辨激光共聚焦顯微鏡自2017年2月安裝運行以來，使用率一直居高不下，是測試中心使用率最高的大型精密儀器之一，為科研尤其是重點科研團隊的前沿科研提供了強有力的技術支持和保障。

應廣大師生的強烈要求，2018年初測試中心決定首推激光共聚焦顯微鏡作為全天候開放使用的試點儀器。

一、激光共聚焦開放共享實驗室建設與管理

（一）激光共聚焦開放實驗室建設

經充分調研和與上級部門研討規劃，激光共聚焦開放實驗室確立了“開放共享、預約有序、儀器用得好、實驗做得好、儀器無故障”的開放管理目標，并先后制訂和完善了一系列相應配套的管理制度，保證了有章可循的科學規范與制度化管理，同時積極對接并參與學校一體化的“華農設備共享平臺系統”建設，實現了網上預約、審核、門禁刷卡或掃碼進入實驗室、屏幕控制器管理等。此外，共聚焦實驗室安裝了可對講攝像頭，做到了實驗室和儀器24小時開放可監管、學生緊急求助可應答，真正實現了開放實驗室科學化、信息化和可控化管理。

（二）開放實驗室管理

開放實驗室管理包括體系運行管理、儀器管理和用戶管理，其中學生用戶的流動性、知識基礎與實踐能力的差異性給開放運行和實現開放管理目標帶來了挑戰。開放實驗室在做好體系和儀器管理的基礎上，嚴格用戶管理，不僅對上機學生進行實驗室安全教育，而且著重加強學生知識與技能的培養與管理。

1.體系運行日常管理和儀器維護。共聚焦開放運行離不開日常的體系運行管理和儀器維護。機組老師根據系統不斷推送的信息提示，做好預約審核、更新統計、發送儀器的各類通知等體系運營工作。此外，實驗室還要做好儀器和儀器工作環境的日常維護，確保每次實驗時共聚焦顯微鏡都處于良好的工作狀態。

2.加強用戶管理，全面構建和探索多元化教學培訓體系。用戶是開放共享體系的主體，合格的用戶不僅是正確開展共聚焦實驗和儀器安全使用的保障，更是關乎整個開放管理體系穩定順暢運行的核心要素。如何源源不斷地把共聚焦“小白”們培養成為勝任共聚焦實驗的合格用戶是開放實驗室面臨的一項重要課題和工作。為此，本文對共聚焦開放實驗室構建的多元化教學培訓體系開展了實踐探討。

二、激光共聚焦顯微技術教學體系構建與實踐探討

由于激光共聚焦顯微鏡具有價格昂貴、功能復雜強大、專業技術強，以及實驗全程均需與儀器交互的動手操作特點，該儀器在全天候開放使用中發生損壞和故障的風險較大。在開放體系運行下，要實現實驗準確可靠而儀器又無故障無損壞的目標，就必須加強技術教學培訓，提高用戶的知識與技能水平。以打牢專業理論基礎、加強運用操作技能為目標，共聚焦開放實驗室構建和實踐探索了以課程教學、上機培訓為主，技術講座與專題報告、見習觀摩教學、微信學習交流等為輔的多層次、多形式的教學培訓體系，以促使不同基礎層次、不同需求的學生靈活而又全面地學習掌握該技術。

（一）研究生課程的教學改革實踐

2010年以來，我校測試中心開設了春秋兩季“生物激光共聚焦顯微應用技術”研究生選修課程。2018年，為了配合儀器全天候開放并實現開放使用管理目標，激光共聚焦實驗室確立了“優化和緊扣核心理論、強化上機實操能力培養”的教改思路，并對研究生課程進行了深入的教改實踐探索［2］。

1.學時：總學時為32學時，其中理論課學時由20學時壓縮為18學時，實驗課學時由12學時增加為14學時。

2.教學內容：在原有理論課內容的基礎上有增有減，圍繞核心知識點，優化梳理出清晰的知識結構，形成了聚焦該技術發展前沿、環環緊扣該技術核心的課程體系［3-4］。此外實驗課內容除了必做的基礎實驗以外，還增加了學生自主探索實驗，以貼近學生今后的實驗目標。具體情況見表1。

表1 生物激光共聚焦顯微應用技術的課程體系

3.教學方式：在教學中穿插實驗視頻。使用微視頻、圖片等可視化手段，將理論對應的實驗狀況和操作過程逐一展示和講解，效果直觀而深刻，為后續實驗教學的開展做好了鋪墊。

4.教學特點：突出重點、難點。由表1可見，光譜知識是教學重點之一，更是教學的難點，正確的光譜分析和光路設置是獲得準確、可靠實驗結果的關鍵。

隨著共聚焦實驗設計更加精細和近活體層面，雙標、三標以上的多標樣品十分普遍，因而實驗中熒光光譜交叉串色、激發光譜重疊互激、自發熒光干擾等問題非常普遍，也較為復雜。課堂上，教師要結合具體實例加以分析，教會學生解決復雜的多色熒光成像方法和原則。如分析熒光光譜竄色程度及其強度情況而采取多種不同的處理方法，順序掃描的核心思想和如何設置Seq程序，在激發光譜重疊而出現嚴重互激情況時如何調整和選擇一條合適的激發光譜線，以及如何采用λ光譜掃描拆分或規避自發熒光范圍檢測或開啟HyD檢測器時間門控等各種方法靈活解決自發熒光干擾問題等。又如，在樣品制備技術教學中，要結合實驗中典型和常見的制樣問題，強調制樣的要求和原則，以提高樣品制備質量。

5.效果分析：激光共聚焦顯微技術是理論性和實踐性都很強的技術，只有系統全面地掌握該技術的基礎理論并具備一定的上機操作技能，學生在今后的實驗中才能正確而靈活地開展科研，并大大提高儀器的使用質量，降低錯誤操作率。

實踐證明，研究生課程教學是一種重要的傳授知識與培養技能的教學形式。通過全面而系統的理論學習和實驗演練后，學生能夠明白每步操作的其然和其所以然，使知識前后貫通，并在實驗過程做到隨機應變和正確靈活運用。如根據熒光信號強弱選用不同檢測器甚至是改用不同的激光器等知識點講授，深受學生歡迎，在每學期的學生教學盲評中均獲得學生的高度認可，教學效果良好。

（二）上機培訓及效果分析

上機培訓是另一種主要的教學形式，側重于儀器的操作使用。共聚焦實驗室根據學生報名申請人數，規定每10～15人為一組在共聚焦實驗空檔時間組織一次上機培訓。由于培訓周期短、可多次報名參加，上機培訓對一些想快速學習掌握共聚焦操作技術并急于使用共聚焦的師生有很大吸引力，報名踴躍。

1.培訓內容和過程：首先，對實驗室環境及要求、儀器各組件名稱及其功能、共聚焦開機順序及軟件包開啟等逐一介紹講解。為了便于開機，把開機的各按鍵和鑰匙按開機順序進行了編號，同時將開機操作流程和注意事項等內容打印塑封后放置于工作臺面上。

其次，教師重點演示講解實驗操作全過程和技術技巧，包括上樣、鏡下聚焦和熒光信號預覽、激光器選擇、單色光路和多色成像光路設置及程序編輯、采圖常用各模塊的選擇及使用、功能模塊間的轉換、圖像采集時各參數的按鍵功能和注意事項、參數優化和原則、熒光定量和共定位測定要點、圖像分析和處理工具的使用、數據存儲和輸出、單純采圖時的圖像藝術構圖等，期間也穿插少部分原理、各種操作小技巧、使用原則與經驗介紹［5］。

最后，學生在教師的指導下輪流上機，體會儀器的操作使用，進一步加深對該技術相關知識和內容的理解；學生可多次參加現場培訓及觀看培訓錄像反復學習，考核通過后作為初級用戶即可預約實驗。

2.培訓方式：現場培訓與共享資源學習。學生在現場培訓和演練后，可登錄公共郵箱，下載當次或以往錄制的現場培訓視頻反復觀看學習，以鞏固掌握的技術。

3.效果分析：激光共聚焦實驗不是簡單的儀器操作和軟件包各模塊的使用，而是要根據樣品本身特點和樣品制備質量等多因素做出正確的光路和程序設置、采圖各參數的優化和平衡、熒光信號和干擾信號的分析和處理。理論是實踐的基礎，缺少共聚焦相關的基礎理論知識而僅僅掌握儀器的常規操作和使用，常常使學生在共聚焦實驗中出現各種問題，如樣品破碎、漂移、樣品過密或過疏或過厚、熒光探針標記不上或發光蛋白轉導問題、找不到焦面、檢測不到熒光信號、串色干擾、背景臟、自發光干擾、熒光檢測值或共定位比率不準確、激光過曝、熒光信號過飽和等，這些問題反映出以學習儀器的使用和操作為主的上機培訓具有局限性和不足。

鑒于此，在培訓過程中教師會講授少部分相關理論和結論，并提醒和建議學生在培訓后多學習共聚焦有關的理論知識，多看一些相關參考文獻或進群交流等以彌補不足。

（三）其他教學模式

開放實驗室在加強課程教學與上機培訓的同時，還開展了多形式的知識普及與技術提升工作，以滿足廣大師生的各類需求。

如每年多次邀請徠卡公司資深應用專家和實驗室教師共同舉辦激光共聚焦技術講座，建立了測試中心共聚焦自主上機用戶群、共聚焦學習交流群、研究生課程學習群等。在群里，不僅教師會發送通知、上傳拍攝的實驗短視頻、分享通報小故障及排除方法、告知操作問題及注意事項、推送共聚焦科普小知識等，學生也能在群里交流使用心得和分享經驗。

此外，共聚焦開放實驗室鼓勵想進一步加深學習體驗的學生進入實驗室，觀摩見習他人的共聚焦實驗，有不懂的地方可以隨時請教學習，這對加深理解、快速掌握該技術有所幫助。

結語

綜上所述，在開放共享背景下，激光共聚焦開放實驗室通過加強多方面管理，尤其是通過構建和開展教學培訓體系的實踐探索，扎扎實實打牢了學生的理論基礎，強化了學生的運用操作技能，不僅培養出一批批高科技人才，而且確保了儀器安全使用和開放共享體系的穩定順暢運行，最大化發揮出該儀器助力科研和培養創新人才的作用，工作成效得到了廣大師生的高度認可。然而，由于儀器少、課時總數少、培訓周期短、儀器科研重等客觀原因，學生上機實操的時間和機會仍有限，學習效果見效慢，因而構建激光共聚焦虛擬仿真模擬操作系統十分必要，這也是今后激光共聚焦開放實驗室要開展的一項主要工作。相信該模擬操作系統的建立將對提升廣大師生的實操能力、培養高層次科技人才提供強大助力。