大型仪器平台在本科创新人才培养中的探索与实践——以同济大学生物电镜平台为例.pdf

大型仪器平台在本科创新人才培养中的探索与实践以同济大学生物电镜平台为例杜喜玲，盛哲津，张敬（）同济大学生命科学与技术学院，上海，200092摘 要：大型仪器平台是高校提高科研水平的重要硬件设施，主要用于科研服务，但在本科创新人才培养方面发挥的功能在以往非常有限。为提高大型仪器平台在本科创新人才培养中的作用，本文以同济大学生物电镜平台为例，通过在课程教学中注重新增实践与科研导向内容，指导大学生创新科研项目和学科竞赛，教学中结合大型仪器虚拟仿真实验系统等一系列举措，提高大型仪器实验教学效率，提高学生的实践技能和科研思维。实践证明这些措施提高了本科生自主学习能力、综合能力和科研兴趣，为本科生继续深造或进行科研工作奠定基础。关键词：大型仪器，实验教学，创新人才培养，生物电镜The Exploration and Practice of Large-Scale Instruments Platform in the Training of Scientific Research and Innovative UndergraduatesA Case of Biological Electron Microscope Platform of Tongji UniversityDU Xi-ling，SHENG Zhe-jin，ZHANG Jing（）School of Life Science and Technology，Tongji University，Shanghai 20092，China高校生物学教学研究（电子版）2023 年 4 月，13（2）：43-46ISSN 2095-1574 CN 11-9307/R DOI 10.3868/j.issn.2095-1574.2023.02.011专题实践教学收稿日期：2022-11-24；修回日期：2023-02-13基金项目：同济大学第 16 期实验教改项目“生物电镜技术电子教材的开发与建设”（2000104100）通讯作者：张敬，E-mail：随着高新技术向科学研究和社会经济的不断渗透，我国在高校科研领域的投入逐年增加，各高校大型仪器平台的设备资源不断丰富，为提升高校科研能力提供了重要的硬件基础和技术保障。近年来，高校大型仪器平台满足科研服务的同时，也逐渐在科研创新型人才培养方面进行尝试1-4。高校作为国家人才培养的基地，利用大型仪器平台培养人才，不仅是响应国家政策的号召，更是充分利用资源的体现1。同济大学生命科学与技术学院生物电镜平台拥有透射电镜、扫描电镜、高压冷冻仪及超薄切片机等大型仪器，主要用于生命科学及基础医学相关领域的科学研究，为众多教师和研究生开展科研实践提供了极大的便利；同时，平台还承担了两门以生物电镜技术为主的本科生课程。如何利用生物电镜平台为本科教学服务，充分发挥其在本科创新人才培养中的作用，是一项需要不断探索和实践的课题。我院生物电镜平台根据自身特点开设了较为丰富的教学活动，通过多年不断改革和实践，摸索出了一套行之有效的、基于生物电镜平台的本科创生物（23年4月刊）-正文.indd 432023-6-12 15:21:3844 杜喜玲等：大型仪器平台在本科创新人才培养中的探索与实践以同济大学生物电镜平台为例新人才培养措施，通过实践教学活动，让学生充分感受电子显微镜下生物超微结构的神奇，激发学生探索微观世界的好奇心，以此引导本科生在实践中不断将所学技术应用于课题研究。1 大型仪器平台在本科生培养中存在的问题本科生培养在高校发展中占有重要的战略地位，培养具有科研创新思维的本科人才是高校教育的重要目标。高校大型仪器平台作为公共服务平台，长期以来主要用于教师和研究生的科研工作，尽管在提升高校科研实力方面起到了非常重要的作用，但是，如果不能在本科生培养方面发挥作用，将是教育资源的巨大浪费。近些年，不少大型仪器平台也积极在本科教学和培养方面进行探索，但由于承担了较多科研任务，在本科生培养方面所倾注的精力相对有限。依托大型仪器平台开设的本科生课程，往往以理论教学、教师演示和学生观摩为主，仅安排几个课时的实践教学5-6，真正让学生能动手操作的机会并不多，对于学生实验技能和科研思维的培养相对有限。由于大型仪器平台本科实践教学偏重理论知识而非实验技能的掌握，在培养学生的实验操作能力、自主学习能力、创新精神和创造能力等诸多方面不能发挥应有的作用。尤其对于生物电镜平台来说，实践教学课程包含生物样品固定、树脂包埋，样品超薄切片等众多关键技术，实验过程复杂、技术难度较高，并且涉及超薄切片机、透射电镜、扫描电镜等多种大型仪器；课堂上枯燥的理论教学、实验演示或图片展示，很难吸引本科生的兴趣；较少的实践教学也难以让学生掌握生物电镜技术，达不到启发学生科研思维的效果。大型仪器实践教学理应注重学生实验技能培训，这是培养本科生动手能力和创新思维的主要环节7。因此，针对以上问题，我院生物电镜平台在科研创新型本科生培养方面进行了一系列的优化和改革措施，提升本科生的大型仪器操作实验技能及科研思维能力。2 生物电镜平台培养本科生科研素养的措施2.1 开设实践和科研并重的实验课程我院作为同济大学下辖的 3 个国家级人才培养基地之一，尤为重视培养创新、创业型生物技术应用型人才。为了培养学生的学术研究水平，服务本学科建设，加强学生实践操作能力，我院生物电镜平台充分利用仪器资源优势，以加强实验技术创新为主线，开设具有科研探索性质的本科实验课程“显微及亚显微技术”，着力将生物电镜平台打造成高层次技术人才培养、高水平仪器技术孵化的教学科研基地，为新时代高校科研发展提供技术支撑。该课程中的“亚显微技术”教学在生物电镜平台开展，共安排 20 学时，理论讲解和实验操作穿插进行。理论部分主要讲述生物样品固定包埋及超薄切片技术、生物电镜的基本原理和应用范围；实验部分包括生物样品制备、超薄切片和电镜上机实践。教学中将亚显微技术虚拟仿真实验作为先修内容，让学生通过虚拟仿真实验系统模拟实验操作，提前熟悉超薄切片机和透射电镜的使用，为线下实践做准备；由于仪器资源数量限制，电镜上机实践以开放课堂形式开展，建立本科生仪器预约机制，学生以小组为单位利用课余时间预约使用，以保证每位学生都有充足的大型仪器实践训练机会。实验课程教学中不仅培养学生大型仪器实验技能，还注重培养学生科研素质，关键是促使学生养成实事求是的科研态度以及设计课题的能力。教学中引导学生利用生物电镜技术设计研究课题，学生以小组为单位讨论课题设计思路、预期结果等，再由教师有针对性地进行专业指导。小组成员合理安排课内外时间完成实验，实验受阻时能够主动分析问题，查阅资料，提出解决方案。课题研究式的实验设计要求小组合作完成，锻炼了学生的协作能力8，增强了学生的团队合作精神。通过这种“理论学习-操作技术训练-课题讨论与提高”环环相扣的开放课堂模式，不仅锻炼了学生的生物电镜实验技能，还培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的科研素养，激发学生创新思维能力。生物技术专业的本科生可系统学习亚显微技术的基本原理和应用，并熟练掌握电镜上机操作，从基本技能训练到自主创新科研，从课内到课外循序渐进地激发学生的创新思维和科研兴趣9。课程结束后，每年都有本科生选择生物电镜相关的课题在电镜平台完成毕业设计，比如“MYB 基因在拟南芥细胞脱分化中的作用研究”“春化拟南芥种子显微及亚显微结构分析”及“果蝇发育过程中生物（23年4月刊）-正文.indd 442023-6-12 15:21:38杜喜玲等：大型仪器平台在本科创新人才培养中的探索与实践以同济大学生物电镜平台为例 45组织亚显微结构变化分析及研究”等本科毕业论文均在生物电镜平台教师的指导下完成。选修“显微及亚显微技术”课程的学生，超过 60%在本科毕业后进入我院或兄弟高校生命科学相关专业或出国继续攻读硕士学位，基于生物电镜平台的实验课程为他们硕士期间的课题研究奠定了科研思维能力和技术基础。2.2 开展大型仪器开放课堂，引导本科生参加创新实践项目为吸引更多本科生加入生物电镜平台进行实践训练，我院生物电镜平台面向本科生不定期开展生物电镜等大型仪器操作技能培训课，开展旨在培养本科生创新能力的大学生创新训练项目（SITP）等实践活动，鼓励学生参加各级学科竞赛，将大型精密仪器应用到科研创新项目中。通过生物电镜平台技术培训，学生不仅了解大型仪器的原理、应用等理论知识和实践技能，还能在生物电镜平台亲自参与操作，并在老师的指导下学会数据分析及处理，启发创新思路，激发学生的自主创新、学术参与、组织管理等能力，提升本科生科研创新能力与综合 素质。近年来，生物电镜平台教学团队指导的学生科研成果显著提升。比如“同济大学校园植物花粉形态及分类研究”“肥胖症 ob 雄鼠糖脂代谢异常与附睾超微结构差异研究”及“蝴蝶器官超微结构分析及分类研究”等多项大学生创新训练项目利用平台的透射电镜和扫描电镜完成；平台还借助一些其他的科研活动，比如指导大学生参加“国际基因工程机器大赛（iGEM）”“创新创业大赛”“科学显微摄影大赛”及“全国大学生生命科学竞赛”等各级竞赛活动，培养本科生实践技能和科研兴趣；我院本科生在 20182021 年间连续多年获得“iGEM”金奖和银奖；并有多名学生在各级“科学显微摄影大赛”中获得奖项。参加此类竞赛并获奖是对学生自身综合素质的肯定，激发了学生参与科研的兴趣。2.3 开设学科交叉型通识实验课程交叉学科是高校提高人才培养质量和科学研究的重要环节，开设通识教育选修课是高校人才培养计划的重要组成部分，也是拓宽学生知识面、提高学生创新能力的一项重要措施。为此，我院生物电镜平台在全校范围内开设通识课“微观生物世界”，吸纳其他专业有兴趣的本科生加入。“微观生物世界”教学内容涉及多个专题，其中生物电镜技术是重要的专题之一，共设置 10 课时，包括透射电镜技术和扫描电镜技术，并将生物电镜技术延伸到相关领域交叉学科的实验教学中。2017 年至今，“微观生物世界”通识课已开设 7 个学期，吸引了来自不同学院不同学科的 170 名本科生选修。教学中，理论辅以实践，再结合生物电镜虚拟仿真实验进行线上线下融合教学，让学生了解电子显微镜技术在各领域的应用、取得的成就，以及相关领域的知名科学家，使学生初步掌握这些大型精密仪器的原理，启发学生在交叉学科方面的创新性思维，培养具有广博知识和良好品性的复合型创新型科技人才10。利用大型仪器平台资源优势开展交叉型通识实验课教学，可为学科交叉创新性人才培养的探索提供借鉴。2.4 虚拟仿真实验系统的应用大型仪器的实践教学之所以对本科生开放程度有限，主要是因为仪器价格昂贵、设备数量少，并且技术难度高、操作复杂。因此，如何使学生快速高效掌握大型仪器的操作技能、提高教学效率是实践教学的关键。随着虚拟现实、云计算、大数据处理等信息技术的快速发展，虚拟仿真实验系统成为提高大型仪器实践教学效率的有效途径。2019 年我院生物电镜平台开发了“细胞超微结构分析虚拟仿真实验系统”，营造“以学生为中心”的自主学习、主动实践的虚拟仿真实验环境。实验教学中采用线上线下教学相结合的信息化教学模式，将虚拟仿真实验作为课程的先修内容，学生借助虚拟仿真实验模拟操作生物电镜，增强对实验过程及原理的深度理解。学生利用碎片化时间随时随地线上进行虚拟仿真实验，可反复操作提高实验技能，从而为线下电镜上机实践打下良好的技术基础，使学生在线下实验中快速掌握电镜操作技能，实践能力得到了有效提升，大大提高了线下教学中电子显微镜操作效率11。虚拟仿真实验系统作为理论教学和上机实践的“纽带”，与大型仪器实践教学相结合，开展“先虚生物（23年4月刊）-正文.indd 452023-6-12 15:21:3946 杜喜玲等：大型仪器平台在本科创新人才培养中的探索与实践以同济大学生物电镜平台为例后实、虚实结合”的教学模式，进一步促进学生自主学习能力和实践创新能力，提高了线下实验教学效率。该虚拟仿真实验教学体系已在“显微和亚显微技术”和“微观生物世界”两门本科课程中应用了 7 个学期，承担本校教学人时数达 3 512 人时。问卷调查表明，90%以上的学生认为“细胞超微结构分析虚拟仿真实验系统”对线下超薄切片实验和电镜上机实践具有很大帮助，有助于较快掌握大型仪器操作技巧。该虚拟仿真实验系统不受时间、空间限制，比实体实验更容易实现共享，扩大了学习大型仪器实验技能的受众群体，成为生物电镜平台辅助本科实践教学强有力的工具。3 结语培养具有创新能力的高素质生命科学专业本科生，大型仪器实践教学是完成这一艰巨任务的重要一环。通过生物电镜平台在实验教学和大学生创新项目中一系列的应用探索和实践，挖掘学生学习潜能，培养本科生科研兴趣，提高科研素养，为造就出具有科学探索精神、活跃的创新思维能力的科研人才打下基础9。虽然生物电镜平台在一系列实践和探索后初显成效，但是仍存一些困难和不足之处，未来将通过生物电镜平台教学团队的努力以及国家和学校的支持，更好地发挥生物电镜平台在本科创新人才培养中的作用。参考文献1宋兴辉，刘双双，黄莹莹，等.高校大型仪器共享平台人才培养模式路径探析基于浙江大学医学院公共技术平台的实践与探索J.实验技术与管理，2022，39（4）：232-235.2赵阳，管利萍，李海燕.高校大型科研仪器应用于本科创新人才培养中的研究与思考J.高校实验室工作研究，2018（2）：125-130.3辛艳青，王昆仑，宋淑梅，等.大型仪器设备实验教学的几点思考J.教育教学论坛，2018（35）：279-280.4吴孔林.浅谈大型仪器与提高大学生科研修养之间的关系J.广州化工，2019（47）：175-177.5李红梅，李茵茵，李晓筠，等.电子显微镜在本科教学中的应用J.实验室科学，2021，24（4）：156-158.6孙婧婧，陈莹，廉冀琼，等.透射电子显微镜在本科教学中的应用探索J.教育教学论坛，2020（16）：151-152.7曾琦，谢晖，陈丹，等生物技术大实验课程教学改革与实践J.生物学杂志，2017，34（6）：116-119.8王启立，胡亚非，何敏将科研项目带入课堂，将学生带入科研训练计划研究型大学专业课程教学改革探讨J.化学工程与装备，2010（5）：12-14.9廖诗平，郑焱江，植茂辉，等.递进性开放式实验教学模式培养学生创新能力J.实验室科学，2019，22（4）：116-119.10马近远，李敏辉.理工科大学的人文通识课程构建以跨文化交际为例J.北京航空航天大学学报（社会科学版），2021，34（6）：126-132.11杜喜玲，盛哲津，邢丽波，等.生物电镜技术虚拟仿真实验设计及应用J.高校生物学教学研究（电子版），2021，11（5）：50-53.（责编 陈亦君）生物（23年4月刊）-正文.indd 462023-6-12 15:21:39