大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)及未來發(fā)展

武麗濤,楊旭東,寧啟蘭,李夢(mèng)瑤,蔣小英,閆小飛,李亞昭,藍(lán) 茜,鄭 芳,李冬民△

(1西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系, 西安 710061; 2西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心; △通訊作者)

隨著“985工程”“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的不斷推進(jìn),高等教育的硬件裝備也得到了大幅度的完善和提升。從我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)教育的角度出發(fā),為貫徹和落實(shí)“健康中國”戰(zhàn)略,培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才,我校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也在“中央高校改善基本辦學(xué)條件”項(xiàng)目推動(dòng)下,逐步完善和充實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的大型儀器設(shè)備。

大型儀器平臺(tái)是指由多種高精尖儀器設(shè)備組成的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái),這些儀器設(shè)備在科研、教學(xué)和產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,大型儀器平臺(tái)為學(xué)生提供了更加全面、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件,有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。因此,探討大型儀器平臺(tái)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)目前擁有多臺(tái)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器,包括實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀、全波長(zhǎng)多功能酶標(biāo)儀、化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)、紫外凝膠成像系統(tǒng)、蛋白電泳系統(tǒng)以及蛋白純化系統(tǒng)等大型儀器設(shè)備。中心秉承開放共享的理念,充分發(fā)揮設(shè)備作用,提高使用效率,旨在更好地服務(wù)于教學(xué)與科研,為新世紀(jì)創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)提供硬件支持。

1 大型儀器平臺(tái)在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

1.1 提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)踐技能是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容。為應(yīng)對(duì)擴(kuò)招后的本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃,確保學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不受影響,我校逐步加大了對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器的投資力度,完善了現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以動(dòng)手操作和儀器使用為主,每一節(jié)實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置可引入1-2個(gè)大型儀器。在實(shí)驗(yàn)課程中,實(shí)驗(yàn)教師將學(xué)生按照2-4人每組完成實(shí)驗(yàn)操作,每個(gè)學(xué)年即可保障所有學(xué)生完全掌握本實(shí)驗(yàn)室所有大型儀器的操作使用。

大型儀器平臺(tái)為學(xué)生提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件。學(xué)生可以通過操作這些儀器設(shè)備,了解其基本原理、操作方法和應(yīng)用領(lǐng)域,從而加深對(duì)醫(yī)學(xué)生物學(xué)相關(guān)理論知識(shí)的理解。同時(shí),學(xué)生也可以在教師的指導(dǎo)下開展自主探究和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。將大型儀器設(shè)備融入多層次的實(shí)驗(yàn)課程中,不僅可以使學(xué)生有實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作的機(jī)會(huì),確保不影響和耽誤實(shí)驗(yàn)教學(xué),同時(shí)逐步培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力,滿足了學(xué)生的求知欲,激發(fā)了學(xué)生探索生命科學(xué)奧秘的熱情[2]。

1.2 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果

實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)在醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著極為重要的作用。我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)承擔(dān)醫(yī)學(xué)本科生生物化學(xué)、整合實(shí)驗(yàn)II、整合實(shí)驗(yàn)III以及留學(xué)生本科生生物化學(xué)共計(jì)4門重要的醫(yī)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。為實(shí)現(xiàn)緊跟時(shí)代的醫(yī)學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng),我們必然要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動(dòng)手操作環(huán)節(jié)接觸到學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)技術(shù),使其能在學(xué)習(xí)中切身體會(huì)到先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)在解決生命科學(xué)問題中發(fā)揮的重要作用。近年來,我們將新購置的熒光定量PCR儀、組織勻漿器、蛋白純化系統(tǒng)、全波長(zhǎng)多功能酶標(biāo)儀以及熒光化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)等大型儀器設(shè)備應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),一方面豐富了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,完善了蛋白質(zhì)與核酸從提取到定量再到表達(dá)純化各個(gè)階段內(nèi)容的教授。另一方面,替代了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù),極大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)。

大型儀器平臺(tái)的使用可以減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的人為誤差和操作誤差,提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí),我們通過大型儀器平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。

1.3 促進(jìn)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研的結(jié)合

大型儀器平臺(tái)涵蓋了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,可以滿足不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,促進(jìn)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以促進(jìn)不同學(xué)科之間的交叉融合,拓寬學(xué)生的知識(shí)面,培養(yǎng)復(fù)合型人才。

2019年,教育部下發(fā)的《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中提到,高校應(yīng)積極推動(dòng)科研反哺教學(xué),將科研理念融入教學(xué),促進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容,達(dá)到激發(fā)與提升學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣的目的[3]。大型儀器在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛使用,已經(jīng)成為目前高等學(xué)校教育改革中非常重要的環(huán)節(jié)[4]。在生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域,科學(xué)研究具有系統(tǒng)性、研究思維連貫、研究?jī)?nèi)容前沿以及解決實(shí)際存在的問題等特點(diǎn)。我們將科研熱點(diǎn)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,有助于培養(yǎng)學(xué)生的研究思維,打開科研興趣,培養(yǎng)學(xué)生的綜合性實(shí)驗(yàn)探索能力及拓展前沿?zé)狳c(diǎn)。

1.4 提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力

實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員是實(shí)驗(yàn)室管理的核心要素,是支撐和維護(hù)大型儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部分[5]。實(shí)驗(yàn)室的專職教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員主要負(fù)責(zé)本實(shí)驗(yàn)室大型儀器的日常操作與定時(shí)維護(hù),以保證正常的教學(xué)、培訓(xùn)及測(cè)試任務(wù)[6,7]。因此,我們?cè)谝M(jìn)大型儀器完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí),也相應(yīng)地提升了實(shí)驗(yàn)專職人員的知識(shí)儲(chǔ)備和專業(yè)技能,促進(jìn)其自身管理能力完善,使新型的實(shí)驗(yàn)室專職技術(shù)人員突破傳統(tǒng)意義上的“儀器保管員”稱號(hào),旨在可以打造一支掌握扎實(shí)的學(xué)術(shù)背景和理論基礎(chǔ),并擁有實(shí)踐實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的“儀器操作員”。

2 大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與教學(xué)課程的整合

近年來,大型儀器設(shè)備的配備和數(shù)量成為衡量高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)力的重要指標(biāo)之一。為進(jìn)一步完善和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué),我校逐步加大了對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器的投資力度,并將大型儀器切實(shí)地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革優(yōu)化上[8]。我院生物化學(xué)專業(yè)面向所有醫(yī)學(xué)專業(yè)以及醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)5年制、7年制本科生、侯宗濂醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)班(8年)、醫(yī)學(xué)研究生以及留學(xué)生開設(shè)多門課程,對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)專業(yè)人才的重要實(shí)踐部分。大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的引入,優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)的合理設(shè)置及教學(xué)的組織形式,并逐步完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件設(shè)施。在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上,我們從傳統(tǒng)的通過比色在視覺上觀察蛋白質(zhì)濃度的高低、酶活性以及酶動(dòng)力學(xué)強(qiáng)弱的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中,引入多功能酶標(biāo)儀、蛋白質(zhì)電泳系統(tǒng)以及蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)等設(shè)備,分別從樣品的提取、定量及定性等多方面使得學(xué)生對(duì)生物化學(xué)中的物質(zhì)基礎(chǔ),即“酶”與“蛋白質(zhì)”在縱向上有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi),每一位學(xué)生對(duì)生物化學(xué)理論知識(shí)有了更加全面而又具象的掌握。

3 大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架起教學(xué)與科研的橋梁

大型儀器設(shè)備是現(xiàn)階段進(jìn)行生命科學(xué)探究的基礎(chǔ)條件,是加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)的強(qiáng)力保障,也是培養(yǎng)創(chuàng)新科技人才的有效“利器”[9]。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是連接理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的重要橋梁。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大型儀器的引用,一方面可以使得學(xué)生盡早接觸并掌握大型儀器的使用,為日后進(jìn)入科研團(tuán)隊(duì)開展工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),另一方面,也為“雙一流”學(xué)校建設(shè)的教學(xué)發(fā)展和學(xué)生教育做出了積極貢獻(xiàn)[10]。另外,實(shí)驗(yàn)室配備的大型儀器也可以為教師搭建一個(gè)高水平實(shí)驗(yàn)平臺(tái),促進(jìn)教師在教學(xué)工作之余開展科學(xué)研究,將自身的研究成果與大型儀器設(shè)備的功能及特色相結(jié)合。更重要的是,教師可以將科學(xué)研究的成果,轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一部分傳授于學(xué)生,不僅促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的革新,也實(shí)現(xiàn)了科研與教學(xué)的有效連接[11]。

另外,我們的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在空閑時(shí)間也面向本科生開放,為參與本科創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐項(xiàng)目的學(xué)生提供一個(gè)平臺(tái)。學(xué)生可以利用本平臺(tái)的大型儀器完成各自的科研項(xiàng)目與訓(xùn)練,達(dá)到科研能力的提升。這也正是大型儀器引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的正向反饋。從2013年起,本系教師陸續(xù)指導(dǎo)和培養(yǎng)“基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新論壇暨創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目”“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”“課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽”等百余項(xiàng),參與項(xiàng)目的學(xué)生也取得了相當(dāng)優(yōu)異的成績(jī)。

4 大型儀器平臺(tái)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

目前,許多高校已經(jīng)建立了大型儀器平臺(tái),并廣泛應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。這些平臺(tái)為學(xué)生提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件和自主探究的環(huán)境,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。首先,這些儀器可以極大提高實(shí)驗(yàn)的效率和精確度,從而使學(xué)生有更多的時(shí)間和精力投入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析中。其次,大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有高度的自動(dòng)化和智能化,可以極大減少人工操作的誤差和繁瑣性。最后,這些儀器還可以為學(xué)生提供更加豐富和深入的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果,從而有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科研能力[12]。

然而,大型儀器平臺(tái)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在一些問題與挑戰(zhàn),例如儀器的使用和維護(hù)問題。大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常比較昂貴和復(fù)雜,因此需要專業(yè)的人員進(jìn)行使用和維護(hù)[13]。然而,在實(shí)際教學(xué)中,高校缺乏專業(yè)的技術(shù)人員,導(dǎo)致儀器的使用和維護(hù)存在一定的問題。例如,學(xué)生在使用儀器時(shí)可能會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而導(dǎo)致儀器損壞或測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確;同時(shí),儀器的日常維護(hù)和保養(yǎng)也需要專業(yè)的人員來進(jìn)行。另外,也可能帶來一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果方面的問題,例如,由于儀器的高度自動(dòng)化和智能化,學(xué)生可能會(huì)忽略一些基本操作和原理,影響對(duì)理論知識(shí)的熟練掌握。另一方面,由于儀器的數(shù)量有限,難以滿足所有學(xué)生的需求也是不可忽視的一個(gè)問題。

5 大型儀器平臺(tái)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的未來發(fā)展方向

5.1 跨學(xué)科合作拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用領(lǐng)域

高校之間可以加強(qiáng)儀器平臺(tái)的共享與合作,實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。鼓勵(lì)不同學(xué)科的教師和學(xué)生共同參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng),促進(jìn)學(xué)科交叉融合,拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域和研究范圍。

高校加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性和針對(duì)性。通過與企業(yè)合作開展項(xiàng)目研究和技術(shù)開發(fā),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。同時(shí),加強(qiáng)與國際知名高校和科研機(jī)構(gòu)的交流與合作,引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和技術(shù),提高我國大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的國際影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。通過聯(lián)合培養(yǎng)、交換生培養(yǎng)項(xiàng)目等方式,為學(xué)生提供更多的國際交流機(jī)會(huì),拓展他們的國際視野和跨文化交流能力。

5.2 技術(shù)革新推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)升級(jí)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,大型儀器平臺(tái)可以借此實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化和智能化。未來的大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將更加注重智能化和自動(dòng)化的技術(shù)應(yīng)用。通過引入人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的自動(dòng)化和智能化,提高實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性。另外,隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷優(yōu)化,學(xué)生可以利用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件,提供更加豐富多樣的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。同時(shí),虛擬仿真技術(shù)還有助于降低實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 教學(xué)模式創(chuàng)新提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該更加注重學(xué)生的個(gè)性化和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。我們可以借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),分析學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和特點(diǎn),為他們提供個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性。同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生開展自主探究和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。通過設(shè)置開放性的實(shí)驗(yàn)題目、多樣化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和自主探究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生的興趣和主動(dòng)性,培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是醫(yī)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程中一門重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善為實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)化以及大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目提供了高水平的研究工具和技術(shù),增加了每位學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)手的機(jī)會(huì),極大提高創(chuàng)新性醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的未來發(fā)展方向涉及技術(shù)進(jìn)步、教學(xué)模式創(chuàng)新以及跨學(xué)科合作等多個(gè)方面,通過不斷探索和實(shí)踐,相信我國的大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將會(huì)取得更加顯著的進(jìn)步和發(fā)展,為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才做出更大的貢獻(xiàn)。