走自制实验设备之路凸显学科专业特色

2021-01-26刘亚丰杨祥良赵元弟鲁明波卢群伟

实验室研究与探索 2021年2期

刘亚丰，杨祥良，赵元弟，鲁明波，马聪，卢群伟

（华中科技大学生命科学与技术学院分子生物物理教育部重点实验室，武汉 430074）

0 引言

特色专业是高校人才培养质量、教学水平和办学特色的集中体现和重要载体，是形成办学特色的最基本要素，它在一定程度上影响着高校的办学类型和学科发展定位，决定着学校人才培养的学科领域和行业方向［1］。在“双一流”和“双万”计划建设背景下，要培养生命学科领域拔尖创新人才，需要顺势而动，因时而变，充分发挥专业特色优势，大力开发专业特色的自制实验设备和虚拟仿真项目，构建虚实融合的实验实践教学平台和多层次多模式的本科实验教学支撑保障体系，不断丰富一流学科、一流专业建设内涵。从开发自制实验设备服务本科人才培养出发，总结这方面建设情况及在生物物理学大实验课程教学中应用，探讨其在创新人才培养中的作用与意义，旨在抛砖引玉，推动课程教学研究与改革，提升专业特色和学科优势。

1 以多学科交叉形成设备自制的突破口和特色

生物物理学是运用物理学理论、方法和技术研究生物结构与功能关系、生命活动物理或物化过程以及物质在生命活动中表现的物理特性的一门交叉性学科，是生命科学的重要分支学科和热门研究领域。生物物理学中广泛应用的技术是电生理学，它以生物电为研究对象，研究生物电的发生机制、调节以及机体内外环境变化对这些生物电的影响。如1976 年德国Neher等［2］创建的膜片钳技术就是以细胞膜电流为研究对象的电生理学技术，该技术于1991 年获得诺贝尔医学和生理学奖，凸显该技术在生命科学研究中的重要性，广泛应用于神经科学、心血管科学、药理学、细胞生物学、病理生理学等领域研究。

我院较早将生物物理学作为重点发展的学科方向，2007 年获批国家重点学科，2008 年建成“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”，具有较完善的生物物理学科研平台和较强的学科团队。为推动这方面人才的培养，在第6 学期为生物科学专业学生开设生物物理学和生物物理学大实验课程，其中理论课48 学时2 个学分，实验课32 学时1 个学分。针对生物物理学商用教学设备少、缺乏针对性和前瞻性、滞后学科发展等问题，自制教学设备是解决上述问题的有效措施。由于电生理学技术是最基本的，也是广泛应用的技术，为此以细胞膜片钳系统为重点突破方向，结合我校强大工科背景，1989 年我校研发出国内第1 台膜片钳系统［3］。它是一种以记录离子通道电流来反映细胞膜上单一的（或多个的）离子通道分子活动的电生理技术，它是研究离子通道的“金标准”。至今用于细胞膜离子通道研究的第2 代膜片钳已达到批量生产规模［4］，为开发综合设计实验、创新研究实验奠定了基础。

学生进行细胞膜片钳实验时，要在显微镜视野中观察操控玻璃电极的移动，即三维方向移动尖端仅有1～2 μm的玻璃电极靠近并接触直径10～20 μm的细胞。电极运动速度控制及显微视角下三维方向移动成为实验成功的关键：移动得快则容易把玻璃电极碰碎，移动得慢则需长时间才触及细胞。在有限的教学时间内，学生完成这种高难度的实验非常困难，实验成功率非常低，通常都要借助老师细心指导才能完成。如何让学生更多实践、主动实验，真正掌握细胞膜片钳技术，开发了国内第1 台测量斑马鱼视觉功能的视网膜电图仪［5］，并开发了相应的实验项目。在该实验中，学生在体式显微镜下操控尖端10～30 μm 电极封接到直径0.2～0.3 mm的斑马鱼眼球上，进而测量不同光照条件下视网膜电信号。该实验项目把电极的尺寸、操作对象都扩大了一个数量级，使学生很容易控制电极移动的速度和方向。学生先做斑马鱼视网膜电图实验，再做细胞膜片钳电生理实验，先宏观实验再微观实验，先易后难，不仅提高了实验成功率和操作效率，也将胞内电生理技术拓展到胞外电生理技术，将视觉功能研究从分子遗传学层次拓展到环路功能层次。

如何使学生不断接触到最新科研技术、不断提升实践创新能力？新设备研制和方法创新是有效途径。将当前最前沿的神经科学技术-光遗传学技术（Optogenetics）与电生理技术结合起来，在细胞膜片钳系统基础上，搭建了随机扫描光刺激系统［6］，学生用光学手段激活不同位置处的细胞，同时利用细胞膜片钳系统检测细胞电活动。该系统不仅使学生了解到光学调控细胞的优势，还能掌握光学手段调控神经活动的方法以及电学方法调控神经活动的技术，使学生接触到最新科研进展，丰富了实验内容。

为进一步完善研究层次，还开发了小动物行为记录装置，可统计分析动物活动情况，研究基因表达状况或基因突变造成的相关疾病；开发了光片式显微成像系统，对荧光标记的斑马鱼进行快速大尺度的成像。紧跟学科前沿，对科研成果有效转化，研制先进的教学科研设备，不断丰富生物物理学大实验教学内容，使学生接触学科前沿技术与方法，构建本校的专业特色。

2 依托自制设备打造特色鲜明的实验课程体系

实验教学是培养学生创新思维、科研思想和实践动手能力的重要手段，实验教学效果直接影响整体教学质量水平和学生综合素质的高低。要提高生物物理学大实验课程教学质量，需要持续推进实验教学改革，推动实验教学体系、教学内容创新与发展，不断提高实验教学水平。实验教学仪器设备是实验教学的重要组成部分，是教学研究开展的物质基础。这就要求实验仪器设备的配置必须与实验教学体系、实验教学内容同步配套才能适应人才培养的需要。

为此对生物物理学大实验课程教学大纲进行了修改，以研发的自制设备为主要教学仪器，开设一系列新的实验项目，强调生物物理实验技术与方法在生命科学研究中的应用，强调科研成果转化为本科实验教学内容，体现实验内容的综合性和创新性，如“随机扫描光刺激系统”涉及光学、电子学、机械制造、软件编程等学科知识，用于培养锻炼学生如何操控激光快速扫描，精确调控不同空间位置处表达光敏感通道蛋白细胞的光激活，从而将最新光遗传学技术应用到实验教学中。通过实验项目光敏感通道蛋白表达与测量、微电极制备与测量、细胞膜片钳封接实验、斑马鱼视网膜电图测量的训练，使学生了解电生理测量基本原理、掌握细胞培养技术、荧光标记技术、膜片钳测量细胞膜电流的方法和胞内胞外电生理记录技术，学会用物理学的思维与方法进行生物现象和生物过程的观察、测定与分析。目前国内只有我院在本科生阶段开设了细胞膜片钳实验内容，这对于学生未来从事神经科学研究及电生理技术应用奠定了坚实基础，成为我校实践教学的鲜明特色。

另外，为使学生深入了解大型设备工作原理及构造，深入推进实验室开放和实验教学信息化，还构建了与实体实验相对应的虚拟仿真实验：斑马鱼视网膜电图测量虚拟仿真实验和全细胞膜片钳虚拟仿真实验，让学生利用碎片化时间开展在线操作、反复演练，通过虚实互补、以虚促实，提高学生实践技能和创新能力。这些虚拟仿真实验是借助虚拟现实、多媒体、人际交互、数据库以及网络通信等技术，构建逼真的实验环境和操作对象，使学生在开放、自主、交互的环境中开展高效、安全、经济的实验，达到真实实验不具备或者难以实现的教学效果［7-8］，并且虚拟仿真实验可扩展性强、方便开放共享。

为推进虚拟仿真实验的应用，需要完善教学大纲，建立与之相适应的虚实融合教学模式，以虚促实、以虚补实。虚实融合教学模式是实验教学面向现代化、信息化的一种新教学模式，是高等教育信息化发展的内在需求［8-9］。

3 发挥自制设备在教学和科研中的作用

通过仪器设备的自制，解决了我校实验教学体系、实验教学内容不断创新发展进程中所产生的重点、难点问题，拓宽了生物物理学大实验的广度与深度，使学生触及前沿技术和学科最新进展，增强专业自信和兴趣，激发他们自主设计、主动参与创新的热情，从已知中发现未知，拉近了理论教学与实验教学、学习与科研之间的距离，同时也提高了教师的理论知识水平和科技攻关能力，极大地推动了实验教学改革，起到了很好的教学效果。

自制仪器设备除用于实验教学，还用于课程设计、毕业设计，以及科学研究，如开发的随机扫描光刺激系统，在中科院上海神经科学研究所、浙江大学、北京师范大学等单位应用，已在Nature Neuroscience、Neuron等杂志上发表多篇高水平论文。该自制设备获得我校第十届实验技术成果奖一等奖、第四届全国自制教学设备评比二等奖，自制仪器设备的应用和推广，增强了我院的实力和影响力。