激光扫描共聚焦显微镜技术在医学院校创新型实验教学中的应用

2020-12-28郑易楼永良

温州医科大学学报 2020年10期

郑易，楼永良

（温州医科大学检验医学院生命科学学院检验医学教育部重点实验室，浙江温州 325035）

医学院校承担着培养高素质医学研究人才的重担，而培养创新型科研人才，促进医学事业的发展，必须依靠先进的科学实验技术[1]。激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope，LSCM）是近四五十年间快速发展的一项形态学显微分析技术，是以不同波段的激光作为激发光源，可以对组织或细胞进行不间断的光学切片拍摄，还能对活细胞或模式生物进行动态观察，实现单色、多色荧光通道实时成像，且光毒性较低[2-3]。近些年，LSCM已经广泛应用于基础医学、毒理学、药理学、发育生物学、分子生物学和生物材料学等科研领域[4-5]。此类技术性课程在实验教学中的不断推广，一方面极大地促进了当前医学院校高等教育模式的改革与发展，另一方面也让大型仪器在满足科学研究的同时，充分发挥其在高校实验教学中的作用，推动大型仪器设备的共享应用，不断提高学生的创新和实践操作能力。笔者针对大型仪器技术支撑实验教学的要求，以LSCM技术在本校实验教学中的应用做一探讨。

1 LSCM在实验教学中的应用现状

近年来，随着科技的进步和发展，国家对高等学校的大型仪器的购置额度不断提升。LSCM作为大型仪器的一员，其本身价格昂贵，操作复杂，耗材消耗较大，使用及维护成本较高，一般各学院的科研平台只配备一台，且较多用于科研实验，并采取专人专管制度，学生自主上机时间较少，普及性和开放性具有一定的局限。如本平台LSCM实验室每年用于学院内部科研和附属医院间合作的使用机时近1 000 h，但是其中开放学生实验教学机时只有不到50 h。各大高校普遍重视LSCM高新功能和科研应用领域的开发，对教学应用关注度不高，且本科的实验教学基本也是采取示范性演示实验为主，学生完全没有动手操作的机会，这极大地妨碍此项技术在实验教学中的开展和应用，对学生的实践和创新能力的培养极为不利。

2 探索新的实验教学模式

为了响应教育部大力倡导各地方高校推进国家级大学生创新创业训练计划，力争建好创新创业示范高校，创新人才的培养已经成为各高校提高教学质量和改革工程的重要组成部分。而教育部出台的新文件明确要求高校为参与项目的学生提供技术、场地、实验设备等条件支持和创业孵化服务[6]。LSCM是形态学成像的第一把手，为能更好地将此先进仪器应用于实验教学中去，拓展和提高学生的创新实践能力，我们对本科生及研究生相应课程进行一定的设计和优化，开展创新型实践教学，旨在培养学生对此技术理论、操作和应用能力的有效结合。

2.1 优化实验教学内容和方法 LSCM的实验教学一般分为理论部分和上机部分。医学本科生的教学中，课堂上更多采用PPT讲解和实验室现场示教相结合。现场教学借助多媒体技术，将实验过程动态化，并利用各种小程序和App通过手机或平板操作实现体验的乐趣；另一方面，共聚焦结果能将图、文、声等因素有机结合在一起，把抽象的理论通过3D重构、flash、movie等手段直观并生动地表现出来，使学生更容易获得所需的知识[7]。为了保证教学质量，上机部分以小组为单位，每组人员不超过10人。不同的小组随机选取不同的实验标本，在教师指导下选择性地进行观察拍摄。从培养医学研究生层面来说，实验教学的课堂更多是在实验室，我们通过每学期举办LSCM技术培训和推广讲座，并形成定期考核制，让学生在掌握基本操作方法的前提下，在一定时间内轮流上机，接触不同的实验类型，在实验操作中针对性地解决碰到的问题，把教学完全融入到每一次实际实验中。后续考核合格后成为助教，做到自主上机，并能有效利用8 h工作制外的其余时间，充分发挥LSCM的有效使用时间。另外，考虑到LSCM台数有限，我们也积极利用现今热门的虚拟仿真技术，打造LSCM虚拟仿真实验室，让更多的学生可以通过先进的网络环境，了解这一技术的优势和应用领域。LSCM技术是一个最终需要脱离课本，运用到科研实践中去的教学过程，怎样去繁就简地让学生明白原理和结构，了解基本的理论知识，使理论和实践相结合，是重中之重[8]。

2.2 开展创新型实践教学新模式随着教学改革的不断深入，为了适应不同层次和专业的学生实际需求，我们查阅大量的资料并结合医学背景，开展创新型实践教学新模式。医学院校的创新型实践教学一般涉及较多知识点，涵盖技术类型和知识面都较广，除基本的细胞培养、组织切片制作和免疫荧光染色技能外，还要有扎实的细胞生物学、分子生物学和免疫学等相关知识基础，所以一般面向研究生或本科毕业设计的学生开放申请。此教学模式针对每个申请LSCM实验的不同研究方向，指导学生查阅相关文献，鼓励学生积极创新实验方法，经教师确定可行性后，开展实验标本的制备和实验条件的摸索。以学生动手为主，教师教学为辅，分段指导贯穿整个实验环节，将教学无形地融入到实验之中，让学生在寻找“为什么”中逐步明白仪器的原理、使用方法和应用领域。同时还可以锻炼学生综合设计实验和解决问题的能力，从而更好地掌握这门技术，应用这门技术，以便今后能更好地开展课题研究。

总结近5年以LSCM为技术支撑的创新型实践教学，除基本的用于观察细胞形态和线粒体、溶酶体、内质网等亚细胞结构的多色荧光通道XY-2D图像拍摄外，还有多色荧光通道XYZ-3D重构、细胞内钙离子动态分析和基于活细胞工作站的长时间实时观测等方面的实验。实验标本也是从细胞到细菌，从植物到动物，还有临床病例标本乃至模式生物，涵盖面极广。这种创新型实践教学模式以学生为主体，根据课题研究方向和实验情况确定教学方式和实验内容，极大地增强了学生的实验兴趣，提高了学生的参与度，锻炼了学生的动手能力。

3 推动大型仪器共享应用

大型仪器设备作为高校科研水平的一个体现，无论是在学科建设还是科技创新方面，都能给予极大的技术支持。LSCM是学校大型仪器设备中不可或缺的重要部分，结合流式细胞仪、高效液相质谱等其他大型仪器资源，在服务好科研工作的同时，积极参与“双创”活动。年均参与指导各类科学科技竞赛超100人次，承担国家级大学生创新创业训练计划项目、全国大学生生命科学竞赛项目及浙江省大学生新苗人才计划项目近30余项。学生每年在“挑战杯”“互联网+”和省部级各类创新创业比赛中屡获佳绩，同时发表研究性论文10余篇。同时，将大型仪器设备投入实验教学，一方面有利于整合实验资源，建设开放共享平台，另外一方面对于推动建立大型仪器共享管理机制，提高仪器使用率也是一条创造性的思路。推动大型仪器设备共享并应用于大学生科研实践活动，其实质就是将实验教学同科研训练和创新实践相结合，完善人才培养体系，加强学生的科技创新能力培养，促进科技成果的推广和转化，提高实验教学改革的整体水平。