大型儀器實驗平臺助力實驗教學及未來發展

武麗濤,楊旭東,寧啟蘭,李夢瑤,蔣小英,閆小飛,李亞昭,藍 茜,鄭 芳,李冬民△

(1西安交通大學醫學部基礎醫學院生物化學與分子生物學系, 西安 710061; 2西安交通大學第一附屬醫院轉化醫學中心; △通訊作者)

隨著“985工程”“211工程”重點建設項目的不斷推進,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醫學教育的角度出發,為貫徹和落實“健康中國”戰略,培養全面發展的高素質醫學人才,我?；A醫學實驗教學中心也在“中央高校改善基本辦學條件”項目推動下,逐步完善和充實了實驗教學平臺的大型儀器設備。

大型儀器平臺是指由多種高精尖儀器設備組成的綜合性實驗平臺,這些儀器設備在科研、教學和產業中具有廣泛的應用[1]。在本科實驗教學中,大型儀器平臺為學生提供了更加全面、先進的實驗條件,有助于提高學生的實踐能力和創新能力。因此,探討大型儀器平臺在本科實驗教學中的應用與實踐具有重要的現實意義。

本中心實驗教學平臺目前擁有多臺先進的實驗儀器,包括實時熒光定量PCR儀、全波長多功能酶標儀、化學發光成像系統、紫外凝膠成像系統、蛋白電泳系統以及蛋白純化系統等大型儀器設備。中心秉承開放共享的理念,充分發揮設備作用,提高使用效率,旨在更好地服務于教學與科研,為新世紀創新型醫學人才的培養提供硬件支持。

1 大型儀器平臺在本科生實驗教學中的意義

1.1 提高學生的實踐能力與創新能力

培養學生的實驗操作與實踐技能是實驗教學的核心內容。為應對擴招后的本科生實驗教學計劃,確保學生的實驗教學質量不受影響,我校逐步加大了對教學實驗室實驗儀器的投資力度,完善了現有教學平臺的實驗儀器設備。生物化學實驗教學以動手操作和儀器使用為主,每一節實驗課的設置可引入1-2個大型儀器。在實驗課程中,實驗教師將學生按照2-4人每組完成實驗操作,每個學年即可保障所有學生完全掌握本實驗室所有大型儀器的操作使用。

大型儀器平臺為學生提供先進的實驗條件。學生可以通過操作這些儀器設備,了解其基本原理、操作方法和應用領域,從而加深對醫學生物學相關理論知識的理解。同時,學生也可以在教師的指導下開展自主探究和創新實驗,提高實踐能力和創新能力。將大型儀器設備融入多層次的實驗課程中,不僅可以使學生有實驗動手操作的機會,確保不影響和耽誤實驗教學,同時逐步培養了學生的動手實踐能力、團結協作能力,滿足了學生的求知欲,激發了學生探索生命科學奧秘的熱情[2]。

1.2 提高實驗教學的質量和效果

實驗與實踐教學在醫學人才培養中發揮著極為重要的作用。我?；A醫學實驗教學中心生物化學實驗平臺承擔醫學本科生生物化學、整合實驗II、整合實驗III以及留學生本科生生物化學共計4門重要的醫學專業基礎課程的實驗課教學。為實現緊跟時代的醫學創新人才的培養,我們必然要讓學生在實驗教學的動手操作環節接觸到學科的前沿和熱點技術,使其能在學習中切身體會到先進設備及技術在解決生命科學問題中發揮的重要作用。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、全波長多功能酶標儀以及熒光化學發光成像系統等大型儀器設備應用于本科生實驗教學,一方面豐富了傳統的實驗內容,完善了蛋白質與核酸從提取到定量再到表達純化各個階段內容的教授。另一方面,替代了傳統實驗技術,極大節省了實驗時間,進一步優化了實驗課程的設計。

大型儀器平臺的使用可以減少傳統實驗教學中的人為誤差和操作誤差,提高實驗數據的準確性和可靠性。同時,我們通過大型儀器平臺的實驗教學,可以激發學生的學習興趣和主動性,提高實驗教學的質量和效果。

1.3 促進跨學科實驗教學與科研的結合

大型儀器平臺涵蓋了多個學科領域,可以滿足不同學科的實驗教學需求,促進跨學科實驗教學的發展?？鐚W科的實驗教學,可以促進不同學科之間的交叉融合,拓寬學生的知識面,培養復合型人才。

2019年,教育部下發的《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中提到,高校應積極推動科研反哺教學,將科研理念融入教學,促進研究成果轉化為教學內容,達到激發與提升學生專業學習興趣的目的[3]。大型儀器在本科生實驗教學中的廣泛使用,已經成為目前高等學校教育改革中非常重要的環節[4]。在生命科學與生物技術領域,科學研究具有系統性、研究思維連貫、研究內容前沿以及解決實際存在的問題等特點。我們將科研熱點融入實驗教學體系,有助于培養學生的研究思維,打開科研興趣,培養學生的綜合性實驗探索能力及拓展前沿熱點。

1.4 提高實驗技術人員的業務能力

實驗技術人員是實驗室管理的核心要素,是支撐和維護大型儀器正常運轉的重要部分[5]。實驗室的專職教學實驗技術人員主要負責本實驗室大型儀器的日常操作與定時維護,以保證正常的教學、培訓及測試任務[6,7]。因此,我們在引進大型儀器完善實驗教學的同時,也相應地提升了實驗專職人員的知識儲備和專業技能,促進其自身管理能力完善,使新型的實驗室專職技術人員突破傳統意義上的“儀器保管員”稱號,旨在可以打造一支掌握扎實的學術背景和理論基礎,并擁有實踐實驗經驗的“儀器操作員”。

2 大型儀器實驗平臺與教學課程的整合

近年來,大型儀器設備的配備和數量成為衡量高校實驗教學實力的重要指標之一。為進一步完善和優化實驗教學,我校逐步加大了對教學實驗室實驗儀器的投資力度,并將大型儀器切實地應用于實驗教學內容的改革優化上[8]。我院生物化學專業面向所有醫學專業以及醫學相關專業5年制、7年制本科生、侯宗濂醫學實驗班(8年)、醫學研究生以及留學生開設多門課程,對應的實驗教學也是培養創新型醫學專業人才的重要實踐部分。大型實驗儀器設備的引入,優化了實驗課程環節的合理設置及教學的組織形式,并逐步完善了實驗教學的硬件設施。在生物化學實驗教學內容上,我們從傳統的通過比色在視覺上觀察蛋白質濃度的高低、酶活性以及酶動力學強弱的基礎實驗中,引入多功能酶標儀、蛋白質電泳系統以及蛋白質純化系統等設備,分別從樣品的提取、定量及定性等多方面使得學生對生物化學中的物質基礎,即“酶”與“蛋白質”在縱向上有了更加深刻的認識。在規定的教學時間內,每一位學生對生物化學理論知識有了更加全面而又具象的掌握。

3 大型儀器實驗平臺架起教學與科研的橋梁

大型儀器設備是現階段進行生命科學探究的基礎條件,是加強基礎學科建設的強力保障,也是培養創新科技人才的有效“利器”[9]。生物化學實驗教學是連接理論知識和實踐應用的重要橋梁。實驗教學中大型儀器的引用,一方面可以使得學生盡早接觸并掌握大型儀器的使用,為日后進入科研團隊開展工作打下堅實的基礎,另一方面,也為“雙一流”學校建設的教學發展和學生教育做出了積極貢獻[10]。另外,實驗室配備的大型儀器也可以為教師搭建一個高水平實驗平臺,促進教師在教學工作之余開展科學研究,將自身的研究成果與大型儀器設備的功能及特色相結合。更重要的是,教師可以將科學研究的成果,轉化為實驗教學改革的一部分傳授于學生,不僅促進了實驗教學內容的革新,也實現了科研與教學的有效連接[11]。

另外,我們的教學實驗室在空閑時間也面向本科生開放,為參與本科創新實驗與實踐項目的學生提供一個平臺。學生可以利用本平臺的大型儀器完成各自的科研項目與訓練,達到科研能力的提升。這也正是大型儀器引入教學實驗室的正向反饋。從2013年起,本系教師陸續指導和培養“基礎醫學創新論壇暨創新實驗設計項目”“大學生創新實驗項目”“課外學術競賽”等百余項,參與項目的學生也取得了相當優異的成績。

4 大型儀器平臺在本科實驗教學中的應用現狀及問題

目前,許多高校已經建立了大型儀器平臺,并廣泛應用于本科實驗教學中。這些平臺為學生提供了先進的實驗條件和自主探究的環境,促進了實驗教學的發展。大型儀器實驗平臺在生物化學實驗教學中發揮著重要作用。首先,這些儀器可以極大提高實驗的效率和精確度,從而使學生有更多的時間和精力投入實驗設計和數據分析中。其次,大型儀器實驗平臺具有高度的自動化和智能化,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生提供更加豐富和深入的實驗數據和結果,從而有助于提高學生的實驗技能和科研能力[12]。

然而,大型儀器平臺在本科實驗教學中也存在一些問題與挑戰,例如儀器的使用和維護問題。大型儀器實驗平臺通常比較昂貴和復雜,因此需要專業的人員進行使用和維護[13]。然而,在實際教學中,高校缺乏專業的技術人員,導致儀器的使用和維護存在一定的問題。例如,學生在使用儀器時可能會因為操作不當而導致儀器損壞或測量結果不準確;同時,儀器的日常維護和保養也需要專業的人員來進行。另外,也可能帶來一些實驗教學效果方面的問題,例如,由于儀器的高度自動化和智能化,學生可能會忽略一些基本操作和原理,影響對理論知識的熟練掌握。另一方面,由于儀器的數量有限,難以滿足所有學生的需求也是不可忽視的一個問題。

5 大型儀器平臺在本科實驗教學中的未來發展方向

5.1 跨學科合作拓展實驗教學平臺應用領域

高校之間可以加強儀器平臺的共享與合作,實現資源共享和優勢互補。鼓勵不同學科的教師和學生共同參與實驗教學活動,促進學科交叉融合,拓展實驗教學的應用領域和研究范圍。

高校加強與產業界的合作,將實驗教學與實際生產相結合,提高實驗教學的實用性和針對性。通過與企業合作開展項目研究和技術開發,培養學生的實際操作能力和創新創業精神。同時,加強與國際知名高校和科研機構的交流與合作,引進先進的實驗教學理念和技術,提高我國大型儀器實驗教學平臺的國際影響力和競爭力。通過聯合培養、交換生培養項目等方式,為學生提供更多的國際交流機會,拓展他們的國際視野和跨文化交流能力。

5.2 技術革新推進實驗教學平臺升級

隨著科學技術的不斷發展,大型儀器平臺可以借此實現實驗教學的數字化和智能化。未來的大型儀器實驗教學平臺將更加注重智能化和自動化的技術應用。通過引入人工智能、機器學習等技術,實現實驗操作的自動化和智能化,提高實驗效率和準確性。另外,隨著虛擬仿真實驗技術的不斷優化,學生可以利用虛擬仿真技術模擬真實的實驗環境和條件,提供更加豐富多樣的實驗體驗。同時,虛擬仿真技術還有助于降低實驗成本和風險。

5.3 教學模式創新提升實驗教學效果

未來的實驗教學應該更加注重學生的個性化和創新能力培養。我們可以借助大數據和人工智能技術,分析學生的學習需求和特點,為他們提供個性化的實驗教學方案,激發學生的學習熱情和主動性。同時,引導學生開展自主探究和創新實驗,培養他們的創新思維和實踐能力。通過設置開放性的實驗題目、多樣化的實驗項目和自主探究的實驗內容,激發學生的興趣和主動性,培養具有創新精神和實踐能力的人才。

生物化學實驗課是醫學專業基礎課程中一門重要的實驗教學環節。大型儀器實驗平臺的完善為實驗課程的優化以及大學生創新訓練項目提供了高水平的研究工具和技術,增加了每位學生實驗操作動手的機會,極大提高創新性醫學人才的培養質量。大型儀器實驗教學平臺的未來發展方向涉及技術進步、教學模式創新以及跨學科合作等多個方面,通過不斷探索和實踐,相信我國的大型儀器實驗教學平臺將會取得更加顯著的進步和發展,為培養具有創新精神和實踐能力的人才做出更大的貢獻。