科研反哺在神經生物學本科教學中的實踐探索

劉 玲，武勝昔，薛 茜，鄺 芳

(空軍軍醫大學 基礎醫學院 神經生物學教研室，陜西 西安 710032)

腦科學(brain science)是一門多學科的交叉前沿學科，其終極目的是解析腦的高級功能，探索腦疾病的發生機制，是生命科學領域最后一塊激烈競爭的高地[1]。而創新性是其根本。為了保持腦科學旺盛的生命力，培養具有創新精神的腦科學專門人才，教育者無論從思維方式到教學手段，從知識拓展到評價手段，都必須使腦科學的科研發展對教學起到“質”的推進作用。

近些年來，高校教師教學與科研的平衡卻被嚴重打破，成為制約高校發展的一種突出矛盾。如何平衡矛盾，是所有教育者一直思考和探索的重要問題；而科研資源、教師素質、高校評價體系、學風建設都成為了平衡矛盾的著力點[2-6]。科研行為是一種創新，將科研融入教學，讓科研反哺教學(scientific research back-feeding teaching)，無疑是培養創新型人才和解決科研教學矛盾的一條重要思路。空軍軍醫大學神經生物學教研室經過多年努力，嘗試把科研思維融入教學全過程，利用科研平臺支撐教學實踐，利用科研進展增強教學活力，將科研設計導入教學實驗，讓學生回歸常識，砥礪真本領。教學實踐證明，科研反哺教學是提高神經生物學教學質量的重要和有效途徑。

1 科研精神和科研思維對教學的引領

本科教育階段是激發學生創新活動、培養創新思維、進行創新實踐的關鍵時期。相較于研究生以科研培訓為主體，本科教育著重于教學手段的改革，“PBL(problem-based learning,基于問題的學習)”“微課(Microlecture)”“慕課(massive online open course,MOOC，大規模在線課程)”“對分課堂(presentation-assimilation-discussion,PAD Class)”等目的都是打破學生固有思維模式，摒棄“吃現成”的思維定式，培養創新思維。巴斯德曾經說過“人們告訴你，要證明你是對的。而我要告訴你，要證明你是錯的”，這是空軍軍醫大學神經生物學教研室一貫秉承的教學理念之一。將這樣的科研精神融入教學，就是教學生思考問題，勇于挑戰權威。例如“垂體前葉神經-體液雙重調節假說”就是由科研衍生出的原創性課程，是創新思維在教學中的具體體現。下丘腦-垂體的調節被奉為生理學經典，但同時也成為理念突破的壁壘。在此次課程設計中，遵循學生認知的自然規律，以問題為導向，在舊知的基礎上示證新知。垂體前葉內發現大量肽類神經纖維[7]，其存在的意義是什么呢？在這個提示下，學生自然想到結構和功能的對應。但這些神經纖維如何發揮作用呢？神經系統神經元傳遞信息的解剖結構是突觸，結合之前的知識積累，電鏡下如果找到突觸結構就可以解決這個問題。當一張張突觸的照片展現給學生時，他們似乎已經不能滿足已有的證據，因為新的問題又提出了：有了結構的支持，如何調控呢？是興奮的還是抑制的？是運動的還是感覺的？課堂完全由老師的“講”變成了學生的“問”，在一個個問題的合理串聯下，課堂教學體現了“教”“學”“研”三者的完美統一。

2 科研平臺對教學的支撐

高級腦功能是神經生物學授課的重點內容，獎賞授課中發現抽象的概念過多，視頻、模具、病例等多元信息化手段提升授課效果十分有限。如內隱性的情緒體驗如何在動物上得以體現，其情緒的表達用什么方法檢測，學生完全感受不到幻燈片上展示的數據意味著什么，究竟什么樣的行為就代表小鼠心情愉悅了，它們怎么就獲得了情緒相關的記憶呢？為了更好的解決這些問題，借助神經生物學國家級重點學科、國家“雙一流”軍事腦科學學科平臺，加大科研平臺開放共享職能，深度挖掘其潛在教學價值，在分子、細胞、器官以及動物四個層面，將授課內容中涉及的相關腦結構和功能以及他們的聯系直觀的展示給學生，形象化的加深學生的理解。

2.1 微觀研究平臺

腦功能的執行離不開神經元的活動，當獎賞發生時相應腦區神經元的興奮或抑制可通過電生理記錄儀檢測，遞質的釋放、細胞的蛋白表達以及環路可塑性變化通過神經元三維重建軟件、活細胞工作站等展示，這樣從形態、物理的角度幫助學生判斷神經元的活動。

2.2 動物整體功能研究平臺

科室擁有完善的行為學實驗室，利用曠場實驗、高架十字、新物體識別或者三箱實驗去評判動物的情緒、認知以及社交能力，用動物的行為語言來揭示動物的“內心”。

2.3 人高級腦功能研究平臺

科室擁有人腦情感和認知功能的評估虛擬平臺，利用神經反饋技術對學生進行心理健康及學習效果的干預。通過實時采集學生當下的腦電波活動狀態，同大數據庫進行比對進而得出一個完整的腦功能評估報告，并結合這份報告通過計算機程序對學生所觀看的訓練視頻實施控制。

學生在獲得相關數據后，如何將這些數據與書本或課堂上的實驗結論相聯系呢？老師會幫學生借助計算機軟件、統計學方法等將數據進一步分析、轉化，而這些軟實力也是科研平臺的重要支撐。有了以上的科研拓展，教學中晦澀的知識變得明晰，這本身就是對學生進行科研思維培養的有效方式之一。

3 科研進展對教學的推動

神經生物學的發展日新月異，不斷沖擊著傳統教學內容，甚至產生顛覆性的認識改變。如何讓學生跟上速度，理解所學知識的局限性和不確性，需要老師將科研工作的思路、方法和進展引入教學領域，適時的利用課堂及課外科研進行有效傳遞，這樣教學就“活”了。比如，在膠質細胞章節，星形膠質細胞是數量最多的一群細胞，功能是支撐、營養神經元，地位是附屬的，功能是被動的。沿襲這些經典內容講授，學生對星形膠質細胞的理解也就僅限于此。但有了科研的推動，教師必然根據科研成果的更新頻率對教學內容更新。很自然，學生就會了解到星形膠質細胞具有在損傷狀態下會逆分化為神經干細胞的干細胞分化特性；星形膠質細胞的功能異常與各類神經系統疾病緊密相關，胼胝體處丟失星形膠質細胞后會出現小鼠發聲的長時間停頓，這與人類的口吃現象直接相關；甚至可不依賴于神經元而獨自控制動物的行為，逆襲成生物行為的掌控者。這些點滴的科研進展滲透已經激發了學生的思考，開始關注其細胞的主動性以及與疾病的關系，這種“點”匯聚成“面”的效應必然為課堂帶來新的活力，達到激發學生創新思維的實際效應。

4 學生課外科研活動對教學的促進

有了科研平臺的支撐，科研進展的助力，如何切實有效地將科研活動引入學生的學習中呢？實驗操作、文獻閱讀、撰寫綜述以及科研報告等環節都是有效提升教學效果的實際操練。課堂外的實驗室里，被動聽課變成了自主學習，個人學習轉變為團隊交流。學習的內容不再局限于書本，不再局限于專業知識獲取，科研道德、實驗室安全等人文因素也一同在課外科研活動中得到體現。老師指導學生最終以發表論文、項目申報和科技競賽等方式進行效果檢驗。整個實踐探索過程，以空醫大神經生物學教研室為依托，學生參與發表多篇論文，最高影響因子8.25，多人次參加全國大學生基礎醫學創新論壇暨實驗設計大賽，并屢獲殊榮。

這些驕人的成績不僅是科研與教學相互融合的產物，更是以學生為本、注重能力和素質培養的教育理念體現。

5 科研反哺教學實踐帶來的成效

對2017級五年制臨床、航空航天醫學、口腔醫學和心理學專業共122名本科生進行隨機問卷調查(回收問卷122份，試卷有效率為100%)，內容涉及課程內容建設的合理性、課程的啟發性、課程擴展建設等方方面面。問卷中82%的學生認為開設的神經生物學理論課程已不能滿足他們的學習需求，認為有必要開設相關的實驗課(圖1A)，46.72%的學生被課程的前沿進展所吸引(圖1B)，并有51.64%的學生在課后通過檢索科學文獻解決遇到的有關神經科學問題(圖1C)。在采取以上一系列科研融入教學的措施后，87%的學生表示有興趣參加課外科研，并且認為這對他們未來的職業選擇具有一定的指導意義(圖1D)。這些數據真實的反映了學生對利用科研手段探索知識的極大渴求，同樣在主觀問題“你希望本課程還能講到哪些感興趣的神經科學問題”的調查統計中，學生提到的科學問題涉及領域包括意識存在與形成的神經生物學機制、長期記憶的形成與皮層內結構的關系等高級腦功能問題，包括孤獨癥等精神類疾病問題，包括人工智能、“腦控”和“控腦”等前沿問題。這些問題既有廣度也有深度，都是目前神經科學的前沿問題和熱點問題[1]，說明我們的課程在多方位融入科研因素后充滿了極大的活力，成功調動了學生的積極性，一方面激發了對未知部分的探索和興趣，一方面強化了對現有已知領域的更新和批判。

6 存在的問題和前景

盡管意識到科研對教學的重要性，看到了科研助力教學帶來的顯著變化，但在實踐過程中仍存在眾多阻力和困難。較為突出的一個矛盾就是教學實施過程中如何處理好神經科學基本理論與前沿進展的關系以及教學考核的把控。制定并及時更新教學大綱可能是解決這一矛盾的有效對策。要真正達到實際意義的教學、科研全融合還有很長的道路要走。中華民族追求的“茍日新，日日新，又日新”理念需要一直貫穿人才培養的全過程，離不開有科研經驗的教師，離不開科研環境對教學的支持和保障，離不開科研、教學管理的和諧運轉，它們是相互依賴、相互促進的，這將是專業學科和高校持續性發展的動力源泉。

A.你覺得本課程是否需要開設實驗課？B.你覺得這門課最值得稱道的是哪方面？C.本課程之后你是否通過搜索引擎搜索你感興趣的神經科學問題？D.本課程后你是否有興趣參加神經科學的課外科研？圖1 科研反哺教學成效調查問卷結果Fig 1 Survey results of scientific research back-feeding teaching