大型仪器实验平台助力实验教学及未来发展

武丽涛,杨旭东,宁启兰,李梦瑶,蒋小英,闫小飞,李亚昭,蓝 茜,郑 芳,李冬民△

(1西安交通大学医学部基础医学院生物化学与分子生物学系, 西安 710061; 2西安交通大学第一附属医院转化医学中心; △通讯作者)

随着“985工程”“211工程”重点建设项目的不断推进,高等教育的硬件装备也得到了大幅度的完善和提升。从我校基础医学教育的角度出发,为贯彻和落实“健康中国”战略,培养全面发展的高素质医学人才,我校基础医学实验教学中心也在“中央高校改善基本办学条件”项目推动下,逐步完善和充实了实验教学平台的大型仪器设备。

大型仪器平台是指由多种高精尖仪器设备组成的综合性实验平台,这些仪器设备在科研、教学和产业中具有广泛的应用[1]。在本科实验教学中,大型仪器平台为学生提供了更加全面、先进的实验条件,有助于提高学生的实践能力和创新能力。因此,探讨大型仪器平台在本科实验教学中的应用与实践具有重要的现实意义。

本中心实验教学平台目前拥有多台先进的实验仪器,包括实时荧光定量PCR仪、全波长多功能酶标仪、化学发光成像系统、紫外凝胶成像系统、蛋白电泳系统以及蛋白纯化系统等大型仪器设备。中心秉承开放共享的理念,充分发挥设备作用,提高使用效率,旨在更好地服务于教学与科研,为新世纪创新型医学人才的培养提供硬件支持。

1 大型仪器平台在本科生实验教学中的意义

1.1 提高学生的实践能力与创新能力

培养学生的实验操作与实践技能是实验教学的核心内容。为应对扩招后的本科生实验教学计划,确保学生的实验教学质量不受影响,我校逐步加大了对教学实验室实验仪器的投资力度,完善了现有教学平台的实验仪器设备。生物化学实验教学以动手操作和仪器使用为主,每一节实验课的设置可引入1-2个大型仪器。在实验课程中,实验教师将学生按照2-4人每组完成实验操作,每个学年即可保障所有学生完全掌握本实验室所有大型仪器的操作使用。

大型仪器平台为学生提供先进的实验条件。学生可以通过操作这些仪器设备,了解其基本原理、操作方法和应用领域,从而加深对医学生物学相关理论知识的理解。同时,学生也可以在教师的指导下开展自主探究和创新实验,提高实践能力和创新能力。将大型仪器设备融入多层次的实验课程中,不仅可以使学生有实验动手操作的机会,确保不影响和耽误实验教学,同时逐步培养了学生的动手实践能力、团结协作能力,满足了学生的求知欲,激发了学生探索生命科学奥秘的热情[2]。

1.2 提高实验教学的质量和效果

实验与实践教学在医学人才培养中发挥着极为重要的作用。我校基础医学实验教学中心生物化学实验平台承担医学本科生生物化学、整合实验II、整合实验III以及留学生本科生生物化学共计4门重要的医学专业基础课程的实验课教学。为实现紧跟时代的医学创新人才的培养,我们必然要让学生在实验教学的动手操作环节接触到学科的前沿和热点技术,使其能在学习中切身体会到先进设备及技术在解决生命科学问题中发挥的重要作用。近年来,我们将新购置的荧光定量PCR仪、组织匀浆器、蛋白纯化系统、全波长多功能酶标仪以及荧光化学发光成像系统等大型仪器设备应用于本科生实验教学,一方面丰富了传统的实验内容,完善了蛋白质与核酸从提取到定量再到表达纯化各个阶段内容的教授。另一方面,替代了传统实验技术,极大节省了实验时间,进一步优化了实验课程的设计。

大型仪器平台的使用可以减少传统实验教学中的人为误差和操作误差,提高实验数据的准确性和可靠性。同时,我们通过大型仪器平台的实验教学,可以激发学生的学习兴趣和主动性,提高实验教学的质量和效果。

1.3 促进跨学科实验教学与科研的结合

大型仪器平台涵盖了多个学科领域,可以满足不同学科的实验教学需求,促进跨学科实验教学的发展。跨学科的实验教学,可以促进不同学科之间的交叉融合,拓宽学生的知识面,培养复合型人才。

2019年,教育部下发的《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提到,高校应积极推动科研反哺教学,将科研理念融入教学,促进研究成果转化为教学内容,达到激发与提升学生专业学习兴趣的目的[3]。大型仪器在本科生实验教学中的广泛使用,已经成为目前高等学校教育改革中非常重要的环节[4]。在生命科学与生物技术领域,科学研究具有系统性、研究思维连贯、研究内容前沿以及解决实际存在的问题等特点。我们将科研热点融入实验教学体系,有助于培养学生的研究思维,打开科研兴趣,培养学生的综合性实验探索能力及拓展前沿热点。

1.4 提高实验技术人员的业务能力

实验技术人员是实验室管理的核心要素,是支撑和维护大型仪器正常运转的重要部分[5]。实验室的专职教学实验技术人员主要负责本实验室大型仪器的日常操作与定时维护,以保证正常的教学、培训及测试任务[6,7]。因此,我们在引进大型仪器完善实验教学的同时,也相应地提升了实验专职人员的知识储备和专业技能,促进其自身管理能力完善,使新型的实验室专职技术人员突破传统意义上的“仪器保管员”称号,旨在可以打造一支掌握扎实的学术背景和理论基础,并拥有实践实验经验的“仪器操作员”。

2 大型仪器实验平台与教学课程的整合

近年来,大型仪器设备的配备和数量成为衡量高校实验教学实力的重要指标之一。为进一步完善和优化实验教学,我校逐步加大了对教学实验室实验仪器的投资力度,并将大型仪器切实地应用于实验教学内容的改革优化上[8]。我院生物化学专业面向所有医学专业以及医学相关专业5年制、7年制本科生、侯宗濂医学实验班(8年)、医学研究生以及留学生开设多门课程,对应的实验教学也是培养创新型医学专业人才的重要实践部分。大型实验仪器设备的引入,优化了实验课程环节的合理设置及教学的组织形式,并逐步完善了实验教学的硬件设施。在生物化学实验教学内容上,我们从传统的通过比色在视觉上观察蛋白质浓度的高低、酶活性以及酶动力学强弱的基础实验中,引入多功能酶标仪、蛋白质电泳系统以及蛋白质纯化系统等设备,分别从样品的提取、定量及定性等多方面使得学生对生物化学中的物质基础,即“酶”与“蛋白质”在纵向上有了更加深刻的认识。在规定的教学时间内,每一位学生对生物化学理论知识有了更加全面而又具象的掌握。

3 大型仪器实验平台架起教学与科研的桥梁

大型仪器设备是现阶段进行生命科学探究的基础条件,是加强基础学科建设的强力保障,也是培养创新科技人才的有效“利器”[9]。生物化学实验教学是连接理论知识和实践应用的重要桥梁。实验教学中大型仪器的引用,一方面可以使得学生尽早接触并掌握大型仪器的使用,为日后进入科研团队开展工作打下坚实的基础,另一方面,也为“双一流”学校建设的教学发展和学生教育做出了积极贡献[10]。另外,实验室配备的大型仪器也可以为教师搭建一个高水平实验平台,促进教师在教学工作之余开展科学研究,将自身的研究成果与大型仪器设备的功能及特色相结合。更重要的是,教师可以将科学研究的成果,转化为实验教学改革的一部分传授于学生,不仅促进了实验教学内容的革新,也实现了科研与教学的有效连接[11]。

另外,我们的教学实验室在空闲时间也面向本科生开放,为参与本科创新实验与实践项目的学生提供一个平台。学生可以利用本平台的大型仪器完成各自的科研项目与训练,达到科研能力的提升。这也正是大型仪器引入教学实验室的正向反馈。从2013年起,本系教师陆续指导和培养“基础医学创新论坛暨创新实验设计项目”“大学生创新实验项目”“课外学术竞赛”等百余项,参与项目的学生也取得了相当优异的成绩。

4 大型仪器平台在本科实验教学中的应用现状及问题

目前,许多高校已经建立了大型仪器平台,并广泛应用于本科实验教学中。这些平台为学生提供了先进的实验条件和自主探究的环境,促进了实验教学的发展。大型仪器实验平台在生物化学实验教学中发挥着重要作用。首先,这些仪器可以极大提高实验的效率和精确度,从而使学生有更多的时间和精力投入实验设计和数据分析中。其次,大型仪器实验平台具有高度的自动化和智能化,可以极大减少人工操作的误差和繁琐性。最后,这些仪器还可以为学生提供更加丰富和深入的实验数据和结果,从而有助于提高学生的实验技能和科研能力[12]。

然而,大型仪器平台在本科实验教学中也存在一些问题与挑战,例如仪器的使用和维护问题。大型仪器实验平台通常比较昂贵和复杂,因此需要专业的人员进行使用和维护[13]。然而,在实际教学中,高校缺乏专业的技术人员,导致仪器的使用和维护存在一定的问题。例如,学生在使用仪器时可能会因为操作不当而导致仪器损坏或测量结果不准确;同时,仪器的日常维护和保养也需要专业的人员来进行。另外,也可能带来一些实验教学效果方面的问题,例如,由于仪器的高度自动化和智能化,学生可能会忽略一些基本操作和原理,影响对理论知识的熟练掌握。另一方面,由于仪器的数量有限,难以满足所有学生的需求也是不可忽视的一个问题。

5 大型仪器平台在本科实验教学中的未来发展方向

5.1 跨学科合作拓展实验教学平台应用领域

高校之间可以加强仪器平台的共享与合作,实现资源共享和优势互补。鼓励不同学科的教师和学生共同参与实验教学活动,促进学科交叉融合,拓展实验教学的应用领域和研究范围。

高校加强与产业界的合作,将实验教学与实际生产相结合,提高实验教学的实用性和针对性。通过与企业合作开展项目研究和技术开发,培养学生的实际操作能力和创新创业精神。同时,加强与国际知名高校和科研机构的交流与合作,引进先进的实验教学理念和技术,提高我国大型仪器实验教学平台的国际影响力和竞争力。通过联合培养、交换生培养项目等方式,为学生提供更多的国际交流机会,拓展他们的国际视野和跨文化交流能力。

5.2 技术革新推进实验教学平台升级

随着科学技术的不断发展,大型仪器平台可以借此实现实验教学的数字化和智能化。未来的大型仪器实验教学平台将更加注重智能化和自动化的技术应用。通过引入人工智能、机器学习等技术,实现实验操作的自动化和智能化,提高实验效率和准确性。另外,随着虚拟仿真实验技术的不断优化,学生可以利用虚拟仿真技术模拟真实的实验环境和条件,提供更加丰富多样的实验体验。同时,虚拟仿真技术还有助于降低实验成本和风险。

5.3 教学模式创新提升实验教学效果

未来的实验教学应该更加注重学生的个性化和创新能力培养。我们可以借助大数据和人工智能技术,分析学生的学习需求和特点,为他们提供个性化的实验教学方案,激发学生的学习热情和主动性。同时,引导学生开展自主探究和创新实验,培养他们的创新思维和实践能力。通过设置开放性的实验题目、多样化的实验项目和自主探究的实验内容,激发学生的兴趣和主动性,培养具有创新精神和实践能力的人才。

生物化学实验课是医学专业基础课程中一门重要的实验教学环节。大型仪器实验平台的完善为实验课程的优化以及大学生创新训练项目提供了高水平的研究工具和技术,增加了每位学生实验操作动手的机会,极大提高创新性医学人才的培养质量。大型仪器实验教学平台的未来发展方向涉及技术进步、教学模式创新以及跨学科合作等多个方面,通过不断探索和实践,相信我国的大型仪器实验教学平台将会取得更加显著的进步和发展,为培养具有创新精神和实践能力的人才做出更大的贡献。