生物物理學大實驗課程改革與實踐

劉亞豐，吳 穎，李奇志，吳政星，馬 聰

（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

生物物理學是用物理學的概念和方法研究生物的結構與功能、研究生命活動的物理和物理化學過程與規律的一門交叉學科［1］。我國在1958 年就成立專門的科研機構-中國科學院生物物理研究所，貝時璋先生任第一任所長。2009 年，設立“貝時璋獎”，這是生物物理領域的最高榮譽［2］。我校較早地將生物物理學作為重點發展的學科方向，2007 年獲批國家重點學科，2008 年分子生物物理教育部重點實驗室獲批建設，2012 年通過教育部驗收，具有較強的生物物理科研平臺和學科隊伍。

為培養生物科學專業學生掌握生物物理學的知識和實驗技能，開設了生物物理學和生物物理學大實驗課程，學時分別為48、32，學分分別為3、1，并建立專業教學實驗室-生物物理實驗室。實驗教學是理論聯系實際的重要橋梁、是培養學生實踐動手能力的重要途徑。由于比較重視實驗教學，以學生為中心，采取了多項有效舉措，所以教學效果和教學質量得到了不斷提升。

1 推進科研成果轉化，構建綜合創新性實驗項目

學科交叉是生物物理學的基本特征，始終緊抓這個特征并結合學科最新發展，積極推動科研成果轉化，構建新的實驗項目，并補充到生物物理學大實驗培養大綱中。如新開設光敏感通道蛋白表達與測量實驗項目，使學生接觸最新的光遺傳學技術（Optogenetics）［3-4］，讓學生掌握如何在HEK293 細胞上表達光敏感通道蛋白如ChR2 等，如何利用細胞膜片鉗系統記錄光刺激條件下的膜電流。該項目涉及細胞培養、質粒轉染、熒光標記、顯微觀察、電生理、激光掃描等內容。項目交叉性和綜合性強，能夠充分鍛煉學生的實踐能力和探索能力，啟迪學生的創新思維。

電生理技術以測量生物電為對象，是生物物理學中廣泛應用的技術，我校在1989 年就研發出國內第一臺膜片鉗系統［5］。從2011 年為本科生開設了細胞膜片鉗電活動記錄實驗。膜片鉗電活動記錄需要熟練使用多種儀器和技術，難度大、入門門檻高，但該實驗不僅有利于學生理解電生理測量基本原理，而且可使學生獲得初步的膜片鉗電生理記錄的方法與技能。實驗教學采取先易后難、循序漸進的原則與方法，首先開展斑馬魚視網膜電圖測量實驗，用尖端直徑10～30 μm的玻璃電極做斑馬魚眼角膜封接，記錄視網膜電位。在此基礎上，再練習尖端直徑1 μm 玻璃電極與動物細胞的封接與細胞膜電位記錄。此方法不僅利于學生克服對復雜實驗的恐懼，更重要的是加快了教學的進度，在有限的時間內完成教學內容，充分訓練學生實踐動手能力，掌握胞內、胞外電生理技術。

2 注重教學與前沿研究相結合，自制教學設備

儀器設備是推進實驗項目實施的重要基礎和保障，其先進性也決定著實驗內容的先進性。為使學生接觸最新技術、先進方法，研發教學設備是多年來一直堅持的一項重要工作，并構建與之相適應的實驗教學體系，凸顯專業特色，這里列舉兩個例子說明最近開展的工作。

視網膜電圖（electroretinogram，ERG）具有非創傷性、定量性和可重復性，已成為醫院眼科重要檢查項目之一和科學研究的重要指標［6-7］。目前商用ERG系統由于接觸電極過大、無法固定小動物，無法開展斑馬魚視覺功能的研究。為此，采用玻璃電極、LED 刺激光源、電生理放大器以及特制樣品池，搭建了適于幼小斑馬魚視網膜電圖測量的系統，如圖1 所示，目前國內尚未見有這樣的系統，可用于斑馬魚視覺系統發育、遺傳學研究等。利用該自制設備為本科生開設了斑馬魚視網膜電圖測量實驗項目，同時還向研究生開放，博士生利用該設備已在Human Molecular Genetics 等期刊發表SCI論文4 篇。

圖1 視網膜電圖測量系統

光遺傳學（Optogenetics）已發展成為21 世紀神經科學研究的一項重要技術，它通過將光敏感通道蛋白表達到細胞中，利用光學手段實現細胞活性的雙向、精準調控。較早開展這方面研究，采用高速無慣性掃描器件-聲光偏轉器在顯微鏡系統上搭建了隨機掃描光刺激系統［8-9］，如圖2 所示，主要包括激光光纖耦合模塊、激光掃描模塊、電路控制模塊及軟件控制模塊。學生利用該系統可以控制激光在二維空間任意移動、激活不同位置的細胞，同時利用細胞膜片鉗系統記錄這些細胞的電活動，掌握光遺傳學這一最新神經科學研究技術。同時，推動該設備開展科研應用，已與中科院上海神經科學研究所、浙江大學、北京師范大學等單位合作，在Nature Neuroscience、Neuron 等雜志上發表多篇SCI論文［10-12］。

圖2 隨機掃描光刺激系統

研發先進的教學儀器設備，解決了課程建設與發展存在的問題，使學生可接觸學科最新發展和前沿技術，拓展知識的廣度與深度，拉近課程教學與科研之間的距離；有助于提高教師理論知識水平和科技攻關能力，推動教師積極參與教學改革；同時還服務于課程設計、畢業設計及科學研究。

3 建設數字化教學資源，推動實驗室信息化

當前互聯網、移動網高度發達，大量MOOC 已上線，學生獲取知識非常便捷，教育信息化的格局已形成。為適應實驗教學信息化，使學生在開放、自主、交互的環境中開展高效、安全、經濟的實驗，在國家級生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中心的統一規劃下，積極謀劃，圍繞課程培養大綱已開發2 個虛擬仿真實驗項目（見圖3）：斑馬魚視網膜電圖測量虛擬仿真實驗和全細胞膜片鉗虛擬仿真實驗。它們利用Unity3D

圖3 虛擬仿真實驗項目截圖

軟件構建虛擬的實驗環境、儀器設備和交互場景，使得學生在電腦終端開展仿真操作，了解儀器設備構造、線路連接、設備操作、實驗流程、操作細節及注意事項等。

為推進生物物理實驗室信息化和智能化，在實驗室里安裝了校園卡管理系、3D 投影系統、紅外報警系統、視頻監控系統等，并配備滅火器、防火毯、防毒面具、醫用箱等。授權許可的學生可自如進入實驗室，教師通過電腦終端可實時了解實驗室運行情況，這些為實驗室開放運行提供了堅實的保障。

4 堅持實驗室全面開放，推進虛實融合教學模式應用

本課程所開設的實驗項目大都很復雜，學生難以在有限的教學學時內掌握相關技術；另外受實驗室面積的限制，每個實驗項目僅配置一臺設備，不能安排全班學生在一次課同時進行實驗操作。

為解決上述問題，并保證教學質量，積極推動實驗室全面開放，構建一種虛實融合的教學模式，具體運行流程見圖4，以虛促實、以虛補實，引導學生自主學習、主動實踐，積極拓寬學習內容廣度與深度。

圖4 虛實融合教學模式流程圖

5 完善過程考核評價體系

為配合虛實融合教學模式實施、客觀公正評價學生實驗水平，完善建立了相應的過程考核評價體系，主要包含以下幾個內容：

（1）課堂紀律，占10%，主要考查出勤、值日、課堂紀律、愛護設備、衛生等方面；

（2）虛擬仿真操作，占10%，主要考查實驗流程仿真操作、人機交互和在線操作熟練程度等；

（3）實驗動手環節，占40%，考核每個學生實踐動手能力、對儀器設備熟悉程度、操作的規范性和標準化、對碰到問題的應對能力等；

（4）實驗報告，占40%，包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據記錄與處理、討論與結論、思考題以及收獲體會等，考查書寫工整規范、內容完整性、圖表處理合理、數據真實可靠、分析得當等。

6 結語

實驗教學是培養學生創新思維和實踐動手能力的重要環節，實驗教學水平直接影響教學水平與教學質量［13］，以學生為中心，扎根生物物理學大實驗課程改革與實踐，不斷提升學生的創新思維和實踐動手能力。實驗教學改革取得一些成效，完成一項省級教改項目并獲得優秀、圍繞本課程獲批4 項校實驗技術項目并順利結題、圍繞儀器研發及應用發表科研論文8 篇、圍繞課程改革發表論文3 篇、研發儀器獲批2 項國家發明專利、自制儀器設備獲得全國、湖北省及學校教學設備成果獎8 項。

“雙一流”和“雙萬”計劃對人才培養提出了新要求、高要求，這就要求要因時而變，順勢而為，繼續深化教學改革，為培養生命學科領域拔尖創新人才創造一流的支撐保障條件和教學體系。