生物技术专业生理学实验课程建设与改革

冷 晔

(同济大学 生命科学与技术学院，上海 200092)

生理学是生物科学的重要分支，是一门研究机体生命活动各种现象及其功能活动规律的科学[1]，理论性实践性极强，其课程教学由理论与实验两部分组成。生理学的发展本身就来源于实践，又从实践中获得验证并不断推动其向前发展，所以实验教学占有举足轻重的地位。它与其他医学生物学基础课程、专业课程以及临床医学课程有着密切的关系，同时也为后继临床实践以及生命科学在临床中的转化应用奠定基础，起着承前启后的作用。生理学及其实验课程在国内绝大部分高校生物技术专业中都作为专业基础骨干课程开设，同时各高校人才培养侧重点不同，生理学实验课程的教学内容、方法、学时数等都有所不同[2-3]。

长期以来，我国的生理学实验多在动物离体或在模型上观察循环、呼吸、消化、泌尿、神经等系统的正常生理功能及其调控机理，并对实验结果进行分析，以验证性实验为主。而国外生理学实验更重视人体实验、重视医学基础与临床实践的结合、重视团队讨论，设置更多的探究性实验，这些措施有利于培养学生的思考和创新能力[4-5]。

同济大学生理学理论课程及其配套的生理学实验是生命科学与技术学院生物技术、生物信息专业以及拔尖人才实验班的专业基础课程。近年来，同济大学生命科学与技术学院以解决重大疾病发生发展为目标，以“转化医学”为抓手，着力发展干细胞与表观遗传学、生物信息学，产出了一批在世界范围内颇具影响力的研究成果。在此背景下，通过对现状的分析，生理学实验教改在原有的基础上，删除过时的实验内容，引入新的实验项目，编写新的实验教材；改革传统实验教学方式，增加创新性、探索性实验的设计和实施，增强实验效果；在实验课中融入课程思政内容。通过对该课程的建设，使得实验课程与理论课程结合更加紧密，更加贴合学院的人才培养目标，实验内容更加新颖、科学、实用，更加注重培养学生的动手能力、独立思考问题的能力，从而有利学生对理论课程的理解和科研能力的提高。

1 改革实验教学内容

课程在已有生命科学与技术学院实验教学中心实验教学平台的基础上，结合生命医学学部的大型仪器公用平台和医学院解剖教研室实验教学资源，始终坚持以创新人才培养为目标，通过改革以下实验教学内容，达到教改目的(对象为本科2年级学生)。

1.1 增加研究性实验内容

膜片钳技术是一种以记录通过离子通道的离子电流反映细胞膜上单一的或多数的离子通道分子活动的技术。该技术可应用于许多细胞系的研究，也是目前唯一可记录一个蛋白分子电活动的方法，膜片钳技术和克隆技术并驾齐驱给生命科学研究带来巨大的前进动力[6]。但由于价格昂贵，一般不用于本科实验教学，学院2002年获批国家生命科学与技术人才培养基地，每年一半以上的本科毕业生可获得免试推荐进入本校研究生阶段的学习资格。为适应学生保研继续科学研究的需求，迫切需要在本科阶段实行有计划的本硕培养，为今后快速进入科研轨道奠定基础。经和学院大型仪器公用平台协商，有效解决了诸多瓶颈，实现了在本科生理学实验中增加膜片钳技术的教学环节，同时在实验指导中编写了适合本科生膜片钳技术学习的相应章节——膜片钳技术全细胞模式记录心肌细胞膜通道电流。通过6学时的教学，使学生初步了解膜片钳微电极与心肌细胞封接的过程。观察大鼠心肌细胞全细胞通道电流的获得过程，加深对膜片钳技术的认识和理解。

1.2 增加实验动物学相关内容

生理学实验大部分将通过各种实验动物来进行，除此以外，学生参加各种创新科研训练、国内外学科竞赛以及将来升入研究生阶段的学习，都需要借助各种实验动物进行科研实践。通过对实验课程体系梳理，发现缺乏实验动物学相关内容的教学，生理学实验是学院生物技术专业培养方案中第一门需要借助各类实验动物来完成的实验课程，同时对学生来说这部分内容非常重要，而这部分内容也涉及生理学实验课程必备的一些操作技能，因此在教学中增加了这部分实验教学的内容。主要包括：实验动物学发展历程，实验动物的多样性，实验动物的选择与动物实验的设计，实验动物的福利和伦理原则、实验动物的生物安全管理，常用实验方法及检查方法，行为学研究技术等并穿插动物实验基本技术的实验操作训练[7]。

1.3 实验项目的优化和补充

同济大学医学院和生命学院以学部制的形式进行管理和建设，2个学院本科生的实验教学以医学和生命科学实验教学中心的形式开展，部分实验课程共享空间、师资和仪器设备，生理学实验课程便是以此方式进行。从2016年开始，由于课程体系改革，医学院不能承担生命学院生理学实验的课程，需由生命学院独立承担，从教材、仪器开始从头建设。通过对兄弟院校相关课程调研、网络、期刊论文以及前期实验教学过程中与学生交流后的建议和意见，结合MD3000生物信号采集处理系统的各项功能完成了对先期实验项目的优化和补充。结合学院干细胞转化医学拔尖人才培养的目标，将传统生理学实验内容重新设计，实验内容聚焦普通生理学的电生理、围绕3大类肌肉组织的生理特点重新编排，为后续科研工作打下扎实基础[8-11]。

1.4 增加人体解剖实践环节

人体解剖相关知识是生理学学习的先期必备基础。由于课程体系设置和课时数的原因，生命学院未开设单独人体解剖课程。因此在生理学理论课教学中，我们在每一章节前都增加了相关的解剖学教学环节，但缺乏相应的实验教学，学生有时很难理解吃透相关内容。因此通过前期和医学院人体解剖教研室的协商，在生理学实验中增设了人体解剖实践环节，在教学计划以外，邀请医学院人体解剖教学组的老师充分利用同济大学医学院人体解剖馆，3D数字人等教学资源开设4学时的人体解剖实践学习课程。这起到了良好的教学效果。

2 鼓励创新性、探索性实验的设计和实施

把实验课的教学延伸到课堂以外，利用网络慕课、虚拟实验教学、自制录像、文献资料等资源，增加学生课前自我学习的环节，并将其作为考核的一部分。如生理学实验课和生理学理论课分别独立设课，两者同步开课，在进行制作坐骨神经腓肠肌标本前，理论课还未进行到相应章节的讲解。故教学方式调整为课前让学生学习并观看相关实验录像，包括标本制作的基本操作过程、实验要求及注意事项等，使学生对该实验有初步的了解和认识。上课时，通过学生亲自制作标本，并使用锌铜弓观察到刺激坐骨神经后引起腓肠肌的收缩现象，借此引导学生思考为什么刺激坐骨神经后，腓肠肌会收缩，在这个现象的背后，从宏观和微观不同角度分析，都发生了哪些生理变化的过程？通过亲自试验观察到有趣的生理现象，激发学生从现象到本质到机理的探究，进而通过理论课上分组展示及讨论，通过翻转课堂教学更好地深入了解相关理论知识，从而也实现了从实验课到理论课的无缝衔接，激发了学生探索科学真理的积极性。同时为了更高效地完成实验教学目标，体现实验课的预期效果，实行“布置实验项目—引导检索—操作—交流讨论—完成实验报告”的实验教学模式[12]。

在正常实验教学内容完成的基础上，通过教师引导，鼓励学有余力的同学开展创新性、探索性实验的设计和实施，在更深入了解相关知识点的基础上，开拓了学生眼界，激发了他们的创新思维，为后续相关大学生创新实践训练计划(Students innovation training program，SITP)的选题、开展竞赛奠定了基础。如：在利用坐骨神经腓肠肌标本做完电刺激强度、频率与骨骼肌收缩反应的关系后，学生通过课前预习和现场操作，提出如果将刺激不是加在坐骨神经上，而是直接加在肌肉上，会出现什么样的结果？同时这样的结果又是如何产生的？通过自己动手设计实验方案，反复实验验证，查阅文献，分析思考，撰写实验报告，得到最终的结论。

3 配套教材建设

多年来生理学实验一直沿用医学院校的教程，但随着包括生理学在内的生命科学日新月异的发展，以及学院学科方向和人才培养目标的进一步凝练，原有的课程内容教学方法已不能适应人才培养的要求。随着新型生理学生物信号采集处理系统的使用以及实验教学内容的重新编排，研究性实验内容的增加以及教学方式的改变，编写了适应我院专业特色和学科优势的《生理学实验指导》。该指导以MD3000生理信号采集处理系统为平台结合实际操作，聚焦3大类肌肉组织的生理特点，将传统生理学实验项目重新编写，并添加实验动物学相应章节及膜片钳实验项目，满足学生上课的需求，为学生预复习及实验的顺利开展提供保障，也为同行提供参考。同时自制了一批实验操作视频，供学生学习。

4 有机融入课程思政的内容

在课堂教学过程中始终坚持价值引导与知识传授相统一。通过深度挖掘及不断完善课程的建设及评价标准，确立和强化立德树人的核心要素，推动课堂从单向的知识传授向立体化育人转变。在课堂教学中结合相关教学内容，引导学生学习科学家严谨的治学态度、不畏艰辛的勇气、直面挫折和勇于创新的探索精神。如在讲授生理学实验发展历史中，讲到生理学奠基人巴普洛夫的事例，告诉学生许多科学家就是通过反复实践失败再实践再总结从而推动学科不断发展。在讲述实验动物学时给学生讲述动物福利；在进行人体解剖实践课程时，将生命与感恩教育融入专业课，通过对人体各系统生理现象的实践与探索让同学们在获得知识的同时，更加敬畏生命、善待生命、珍惜生命和热爱生命，并学会从生命的角度观察世界、认识人类与自己，培养正确的世界观[13-15]。

5 课时数调整

在保障实验内容顺利完成的前提下，满足学生自主实验的创新需求。根据课程内容的需要，增加单次实验的课时数。由每次4学时增加到6学时，在基本实验教学任务完成的前提下，学生可以进行一些探索性的实验，在教师的引导下，激发学生的好奇心和求知欲，培养创新意识，提高创造性思维的能力。在课前做好预习的基础之上，对一些创新课题，鼓励学生提前设计好实验方案，带着问题，通过自主实验来寻求答案。

6 课程建设与教学改革对人才培养的成果体现

通过实验教学改革，学生在生理学实验课程中学习到了比较系统的生理学基本知识和实验操作技能，逐步掌握了生理学实验的基本操作技术，了解了生理学实验设计的基本原理，进一步了解了获得生理学知识的方法，验证和巩固了生理学的有关基本理论。学生通过掌握生理学实验中核心的技术和方法，满足了后期各级大学生创新项目、学科竞赛及其他课程学习或科研工作的需要。

在生理学实验课教学过程中加强对学生的文献查阅、表达交流、团队协作等各方面的能力培养，通过鼓励学生进行探索性实验，精心设计课程内容，不仅让学生巩固了生理学基本理论知识，同时培养了学生的观察、操作、思维和创新能力，极大提高了学生参与实验课程的积极性和参与程度，激发了创新思维和潜能。课程中所涉及的知识点更是直接助力他们的课题选题，如：拔尖班学生结合在生理学实验及理论课中所学到的电生理学相关知识，结合光学、软件控制、基因操作技术等，利用光遗传技术实现对线虫简单运动的控制。在线虫控制前进后退转弯的特定神经元及全身肌肉中表达视蛋白这种光敏感型通道蛋白，以特定波长光照将其激活，进而激活某类神经元活动，最终达到控制线虫运动的目的。该实验在神经退行性及瘫痪等疾病治疗中具有潜在的应用价值，获得了国际基因工程机器设计大赛(iGEM)金奖。学院从2014年起每年派出团队参加国际基因工程机器设计大赛，凭借优异的团队水平、富有创意的参赛项目以及稳定的现场发挥，最终在全球总决赛中获得全球金奖6项，全球银奖3项，铜奖1项。学院2020年申报SITP创新创业项目达38项。2018级本科生学科竞赛或SITP参与率达到90%以上。通过有机融入课程思政的内容，让学生们在获得知识的同时，更加敬畏生命、善待生命、珍惜生命、热爱生命，并学会从生命的角度观察世界、认识人类与自己，培养了正确的世界观。

随着学院国家级细胞干性与命运编辑前沿科学中心及国家干细胞转化资源库获批，干细胞与表观遗传学和生物信息学已成为同济生命学科的优势与特色学科。后续生理学实验课程将紧紧围绕学院学科建设特点，聚焦干细胞方向，不断拓展干细胞生理学的实验教学内容，并且同干细胞方向先期的其他内容紧密联系，打造新的实验教学知识体系。