激光掃描共聚焦顯微技術實驗教學方法探索

李成輝， 鄧冬艷

（四川大學a.分析測試中心；b.化學學院，成都610064）

0 引 言

隨著生命科學和材料科學的迅猛發展，激光掃描共聚焦顯微成像技術已越來越多地應用于疾病檢查治療和材料的相關研究，成為生物醫學領域最先進的分析儀器之一［1-2］。激光掃描共聚焦顯微鏡主要用于熒光標記的活細胞、生物組織切片、活體、熒光材料等的實時動態觀察、成像、三維立體重建以及在亞細胞水平對生物物質、離子進行定性、定量、定時和定位分布檢測等［3］。共聚焦顯微成像技術因其具有高分辨率和斷層掃描成像等獨特優勢，目前已成為生物、醫學、材料等領域重要的研究工具之一。但是，由于大型儀器價格昂貴，維護費用高，操作相對復雜等因素，目前國內大部分高校儀器的使用模式為委托測樣模式［4-6］。使得儀器的普及率和使用率在很大程度上受到了限制，同時影響其在研究生教學及科研領域發揮作用。為了更好地滿足研究生科研實際需求，彌補研究生培養過程中對大型儀器設備應用及操作能力培養的忽視，拓寬學生視野，提高學生的科研實踐能力，開設共聚焦顯微實驗課程，貫通實驗教學、理論教學、科學研究等教育教學環節，建立共聚焦顯微鏡開放共享資源平臺，不僅可以拓寬學生視野，提高學生的科研實踐能力，以科研促教學，進而培養出既掌握扎實的專業知識，又具備豐富實踐能力的復合型人才。

1 激光掃描共聚焦顯微鏡教學應用現狀

隨著科研項目的逐步增多和科學研究的不斷深入，激光共聚焦技術已越來越多地應用于生命科學、醫學及材料科學等領域。但該技術僅在醫學課程中介紹儀器原理和應用，并未設置相應的實驗課程，學生沒有學習樣品的制備過程，更不會實際操作儀器，導致所學知識過于抽象，學生不能真正掌握儀器的核心功能、實驗方法。這不僅對深入開發共聚焦顯微鏡的潛在應用造成缺憾，而且無法有效對接學生在科研過程中的實際需求。針對這一現狀，通過近幾年共聚焦顯微技術培訓經驗和測試服務的反饋意見總結出兩方面原因：①當前的課堂理論知識缺乏針對性和實踐指導意義，學生很難將老師講述的理論和科研實驗聯系起來，難以達到預期的教學效果和教學目的。②共聚焦顯微鏡本身構造比較復雜，儀器價格昂貴，當前這種委托測樣的模式使學生很難有自己動手操作的機會，無法掌握儀器使用條件。并且當前儀器需求量大，正常的委托測試時間無法充分滿足師生的科研需求。學生在教學過程中很難起到作為科研人員的主導作用，無法結合自身的研究方向和實際需求設計共聚焦實驗，不利于培養學生的實踐能力和創新能力。因此開設以學生科研需求為導向的共聚焦顯微技術實驗課程變得尤為必要，這也是實現大型儀器開放共享及儀器自身價值的關鍵步驟。

2 激光掃描共聚焦顯微鏡實驗教學方法探索

2.1 教學模式

針對現有激光共聚焦顯微技術課堂教學中存在的問題，共聚焦實驗教學改變了傳統的實驗教學模式，貫通了理論教學、實驗教學、科學研究等教育教學環節，建立了包含基礎理論教學、專業技術拓展、操作技巧培訓、探索實驗設計4 個層次的實驗教學模式［7］（見表1）。該模式豐富了課程的授課形式，使學習方式更加多樣化，學習內容更具針對性，學習時間更加靈活，可有效調動學生的主觀能動性，實現教與學相互促進、相得益彰的良性循環。課程采取大班講授，小班實操的方式，全員參與實驗教學，滿足了學生多樣化的學習需求和科研需求，讓教師更加了解學生實際情況，提高學生學習效果。在此基礎上，建立共聚焦顯微鏡開放共享資源平臺，實驗課程考核合格的同學可申請自主上機測試資格。開放實驗室，避免委托測樣模式造成的儀器使用率低等問題，充分發揮共聚焦顯微鏡在教學、科研和人才培養中的重要作用。

表1 共聚焦實驗教學模式

2.2 教學理念

整個教學過程通過任務驅動的方式組織教學。以學生科研為導向，理論聯系實際，及時更新教學內容，充實學生可能利用到的共聚焦知識，注重教學內容的先進性和實用性。刪繁就簡地講授基礎理論知識，深入淺出地介紹一些必備的光學、電子學、計算機技術等知識［8］，使學生對儀器的基本原理、組成有一個基本的了解。以實際研究工作為講授的重點，讓學生在不同的、具體的研究工作中學習、理解共聚焦顯微技術的特點及用途。如選擇一些典型的實驗案例，用共聚焦顯微鏡技術原位檢測細胞凋亡、測定細胞內Ca2＋濃度的動態變化、活細胞膜電位的變化等［9］。通過這些生動、實際的例子激發學生的學習興趣，使他們透徹地理解理論知識，把理論學習與科研工作結合到一起。結合科研、理論聯系實際的教學理念打破了傳統課堂的限制，擴大了課堂的形式和內涵，將與學習、科研相關的活動均納入課堂教學與討論的范疇，不僅拓展了師生的交流渠道，還培養了學生發散性思維，有效提升了教學效果。

2.3 教學內容

研究生實驗教學課時少、學科專業分散等問題一直是影響學生學習積極性的重要原因之一。因此，共聚焦實驗教學內容的制定應從整體性和先進性原則出發，充分考慮研究生專業和科研的需要來設置授課內容，建立系統的教學內容和實施計劃［10］。通過查閱資料、前沿文獻，并根據研究生專業特點編寫包含從儀器基本原理、應用范圍、結構功能、操作技巧及樣品制備5 個方面的實驗教材，同時制定相應的教學計劃。另外，還簡單地介紹其他相關分析技術，強調多種分析技術聯用的樣品分析方法，實現復雜樣品體系全面、準確的結構與形態分析，有助于研究生開拓性與創新性思維的培養。探索性實驗內容則根據學生專業方向，由學生自行設計并完成實驗，教師全過程指導、考核，強化儀器原理及操作技巧，培養學生獨立探索的科研精神。

3 結 語

共聚焦實驗教學以學生實踐能力培養和創新意識發展為理念，將實驗課程的學習和研究生科研方向有機整合，目標是提升實驗教學課程的高階性、創新性、挑戰性，打造實驗教學開放課程，靈活安排實驗教學時間，建立共聚焦開放共享資源平臺，為大型儀器的實驗教學開辟新途徑。創新實驗教學模式，讓學生全過程參與到共聚焦實驗中，有利于學生更好地掌握儀器應用，提高實驗技能，讓實驗課程學習服務于科研課題，更好地發揮學生學習的主動性和積極性，培養學生實踐能力和創新能力。