激光扫描共聚焦显微技术实验教学方法探索

李成辉， 邓冬艳

（四川大学a.分析测试中心；b.化学学院，成都610064）

0 引 言

随着生命科学和材料科学的迅猛发展，激光扫描共聚焦显微成像技术已越来越多地应用于疾病检查治疗和材料的相关研究，成为生物医学领域最先进的分析仪器之一［1-2］。激光扫描共聚焦显微镜主要用于荧光标记的活细胞、生物组织切片、活体、荧光材料等的实时动态观察、成像、三维立体重建以及在亚细胞水平对生物物质、离子进行定性、定量、定时和定位分布检测等［3］。共聚焦显微成像技术因其具有高分辨率和断层扫描成像等独特优势，目前已成为生物、医学、材料等领域重要的研究工具之一。但是，由于大型仪器价格昂贵，维护费用高，操作相对复杂等因素，目前国内大部分高校仪器的使用模式为委托测样模式［4-6］。使得仪器的普及率和使用率在很大程度上受到了限制，同时影响其在研究生教学及科研领域发挥作用。为了更好地满足研究生科研实际需求，弥补研究生培养过程中对大型仪器设备应用及操作能力培养的忽视，拓宽学生视野，提高学生的科研实践能力，开设共聚焦显微实验课程，贯通实验教学、理论教学、科学研究等教育教学环节，建立共聚焦显微镜开放共享资源平台，不仅可以拓宽学生视野，提高学生的科研实践能力，以科研促教学，进而培养出既掌握扎实的专业知识，又具备丰富实践能力的复合型人才。

1 激光扫描共聚焦显微镜教学应用现状

随着科研项目的逐步增多和科学研究的不断深入，激光共聚焦技术已越来越多地应用于生命科学、医学及材料科学等领域。但该技术仅在医学课程中介绍仪器原理和应用，并未设置相应的实验课程，学生没有学习样品的制备过程，更不会实际操作仪器，导致所学知识过于抽象，学生不能真正掌握仪器的核心功能、实验方法。这不仅对深入开发共聚焦显微镜的潜在应用造成缺憾，而且无法有效对接学生在科研过程中的实际需求。针对这一现状，通过近几年共聚焦显微技术培训经验和测试服务的反馈意见总结出两方面原因：①当前的课堂理论知识缺乏针对性和实践指导意义，学生很难将老师讲述的理论和科研实验联系起来，难以达到预期的教学效果和教学目的。②共聚焦显微镜本身构造比较复杂，仪器价格昂贵，当前这种委托测样的模式使学生很难有自己动手操作的机会，无法掌握仪器使用条件。并且当前仪器需求量大，正常的委托测试时间无法充分满足师生的科研需求。学生在教学过程中很难起到作为科研人员的主导作用，无法结合自身的研究方向和实际需求设计共聚焦实验，不利于培养学生的实践能力和创新能力。因此开设以学生科研需求为导向的共聚焦显微技术实验课程变得尤为必要，这也是实现大型仪器开放共享及仪器自身价值的关键步骤。

2 激光扫描共聚焦显微镜实验教学方法探索

2.1 教学模式

针对现有激光共聚焦显微技术课堂教学中存在的问题，共聚焦实验教学改变了传统的实验教学模式，贯通了理论教学、实验教学、科学研究等教育教学环节，建立了包含基础理论教学、专业技术拓展、操作技巧培训、探索实验设计4 个层次的实验教学模式［7］（见表1）。该模式丰富了课程的授课形式，使学习方式更加多样化，学习内容更具针对性，学习时间更加灵活，可有效调动学生的主观能动性，实现教与学相互促进、相得益彰的良性循环。课程采取大班讲授，小班实操的方式，全员参与实验教学，满足了学生多样化的学习需求和科研需求，让教师更加了解学生实际情况，提高学生学习效果。在此基础上，建立共聚焦显微镜开放共享资源平台，实验课程考核合格的同学可申请自主上机测试资格。开放实验室，避免委托测样模式造成的仪器使用率低等问题，充分发挥共聚焦显微镜在教学、科研和人才培养中的重要作用。

表1 共聚焦实验教学模式

2.2 教学理念

整个教学过程通过任务驱动的方式组织教学。以学生科研为导向，理论联系实际，及时更新教学内容，充实学生可能利用到的共聚焦知识，注重教学内容的先进性和实用性。删繁就简地讲授基础理论知识，深入浅出地介绍一些必备的光学、电子学、计算机技术等知识［8］，使学生对仪器的基本原理、组成有一个基本的了解。以实际研究工作为讲授的重点，让学生在不同的、具体的研究工作中学习、理解共聚焦显微技术的特点及用途。如选择一些典型的实验案例，用共聚焦显微镜技术原位检测细胞凋亡、测定细胞内Ca2＋浓度的动态变化、活细胞膜电位的变化等［9］。通过这些生动、实际的例子激发学生的学习兴趣，使他们透彻地理解理论知识，把理论学习与科研工作结合到一起。结合科研、理论联系实际的教学理念打破了传统课堂的限制，扩大了课堂的形式和内涵，将与学习、科研相关的活动均纳入课堂教学与讨论的范畴，不仅拓展了师生的交流渠道，还培养了学生发散性思维，有效提升了教学效果。

2.3 教学内容

研究生实验教学课时少、学科专业分散等问题一直是影响学生学习积极性的重要原因之一。因此，共聚焦实验教学内容的制定应从整体性和先进性原则出发，充分考虑研究生专业和科研的需要来设置授课内容，建立系统的教学内容和实施计划［10］。通过查阅资料、前沿文献，并根据研究生专业特点编写包含从仪器基本原理、应用范围、结构功能、操作技巧及样品制备5 个方面的实验教材，同时制定相应的教学计划。另外，还简单地介绍其他相关分析技术，强调多种分析技术联用的样品分析方法，实现复杂样品体系全面、准确的结构与形态分析，有助于研究生开拓性与创新性思维的培养。探索性实验内容则根据学生专业方向，由学生自行设计并完成实验，教师全过程指导、考核，强化仪器原理及操作技巧，培养学生独立探索的科研精神。

3 结 语

共聚焦实验教学以学生实践能力培养和创新意识发展为理念，将实验课程的学习和研究生科研方向有机整合，目标是提升实验教学课程的高阶性、创新性、挑战性，打造实验教学开放课程，灵活安排实验教学时间，建立共聚焦开放共享资源平台，为大型仪器的实验教学开辟新途径。创新实验教学模式，让学生全过程参与到共聚焦实验中，有利于学生更好地掌握仪器应用，提高实验技能，让实验课程学习服务于科研课题，更好地发挥学生学习的主动性和积极性，培养学生实践能力和创新能力。