中国科学技 术大学 *实验教学研讨会 - 53 -建设有科研特色的神经生物学实验课程和教学实验室生命科学学院 白永胜 李祥瑞 徐天乐摘 要：注重 实验教学与科学研究相结合，将有利于提高教学质量，培养创新人才。文章围绕这一课题，以膜片钳技术实验课程的建设为 例，就我们如何将科研的设备、技术和思维方法引入 实验教学，在 实验教学中培养学生的科研能力，并在教学实验室开展大学生研究计划等方面进行了阐述。关键词：神经生物学，科研，实验教学，大学生研究计划Introducing Research Idea into Teaching Laboratory of NeurobiologyBai Yongsheng, Li Xiangrui, Xu Tianle(University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, 230027)Abstract: Combined with research, Laboratory course should be beneficial to cultivating creative people. Taking example for laboratory course of patch clamp technique, this paper discusses three issues concerning introduction of research methods, enhancement of research ability, and execution of undergraduate research program in teaching laboratory.Key words: neurobiology, research, laboratory course, undergraduate research program随着神经生物学研究的不断深入，神经生物学的研究方法和实验技术也在不断进步。如何建设好神经生物学实验课程，以提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与动手能力，是摆在我们面前的课题。为适应神经生物学发展的需要，将最新的实验技术和方法引入实验教学，我们尝试将实验教学与科学研究相结合，创造条件使学生较早地参与科学研究活动，以利于提高本科教学质量，提高学生的创新能力，使学生能够较好地适应日后的科研工作和社会需求。一、发挥科研优势，将科研设备和技术引入实验教学近年来神经生物学研究的飞速发展已经涉及到包括整体、系统、器官、细-54 - 白永胜等 建设有科研特色的神经生物学实验课程和教学实验室胞和分子水平的各个层次，研究的内容和方法越来越多。要想在较短时间内使学生掌握所有的最新研究方法是不太现实的。在全面发展的同时，必须根据自身的特点有所侧重，有所选择。我们在建设神经生物学实验课程的过程中，选择膜片钳技术实验作为将科研引入实验教学的切入点，正是基于膜片钳技术的重要性和我们在神经电生理学和膜片钳技术方面的巨大科研优势。首先，膜片钳技术现已成为神经科学、药理学等学科的基本研究方法之一。自从德国科学家 Neher 和 Sakmann 创立该技术 1,2 并应用于分离的单细胞以来，该技术一直在完善和发展，先后在离体脑片 3、整体动物 4,5上有了用武之地。由于该技术在神经科学等学科中的重要作用，Neher 和 Sakmann 获得了 1991 年诺贝尔医学与生理学奖，这是因技术而获得诺贝尔奖的少数几个例子之一。其次，神经电生理学研究也一直是我院的优势和特色项目之一，目前已有较多的实验室开展以膜片钳技术为手段的研究工作，从而也拥有技术全面、力量强大的膜片钳技术师资队伍。同时，在科研实验室的建设过程中我们与相关单位的合作和研发也为相应的硬件和技术提供了保障。这些都为膜片钳技术实验课程的开设创造了必要的条件。目前，神经生物学研究中所使用的仪器设备越来越先进和精密，价格也相当昂贵。例如，一套完整的膜片钳实验装置需投资几十万人民币。如此高的投入，对于许多科研实验室来说，也不是容易的事。况且教学实验往往需要重复的若干套设备，才能保证一定的受益面。因此，在将科研设备引入教学实验室的过程中，经费的投入是一个迫切需要解决的问题。在建设膜片钳教学实验室的过程中，我们利用科研实验已有的基础，采取了购置与自主开发设备相结合的方法，大大缓解了经费不足的压力。一方面，在学校教学经费的支持下，我们购置了必要的相关设备；另一方面，我们利用自身的优势和科研过程中的设备创新，自行开发部分设备和软件，利用有限的经费建设高水平的教学实验室。例如，一套全套的 AXON 膜片钳放大器和数据采集系统的价格为 17300 美元，其中数据采集的硬件和软件就需 6900 美元；然而，同样高性能的 NI 数据采集硬件其价格仅为 1000 美元。因此，我们采用 AXON 放大器、NI 采集卡、自主开发软件的方法，达到了同样的性能，但成本降低约三分之一。再如，我们利用科研实验室的技术开发的细胞震动分离装置，不仅大大降低了通常神经细胞分离或培养所需的设备经费，而且基本上不再需要神经细胞分离或培养所需药中国科学技 术大学 *实验教学研讨会 - 55 -品的费用。由于这些方法大多是我们在建设科研实验室时积累的经验，经过了科研实践的检验，所以保证了设备和技术的整体水平没有降低。同时，由于对整个系统了解的加深，更为今后实验内容的进一步扩展提供了方便。二、在实验教学中注重培养学生的科研能力在实验教学中引入科学研究的设备和技术，为学生掌握先进的技术方法创造了条件。但要真正培养学生的科研思维和创新精神，还应该将科研方法和科研思路引入实验教学。为此，我们需要在实验课的内容的设置和教学方法方面进行新的探索。传统的实验教学目的的目的是使学生掌握相关的实验方法和技术，并利用这些方法对理论课的一些内进行验证，从而加深和巩固理论知识。这些固然重要，但却在客观上造成了学生缺乏思考的后果。这对于培养学生的科研能力和创新精神极为不利。因此我们选择课程内容宗旨是，既要让学生能够掌握有关的技术，锻炼学生的动手能力，同时又能够开发学生科学研究的潜力，锻炼和培养他们的创造力。具体方法为通过合理安排教学内容和和采用适当的教学方法，使实验课程成为科学实验过程的模拟。例如，在实验前，学生不一定知道实验结果（与验证性实验不同） ，学生可以根据自己的知识预测实验结果，并对出现的可能结果给予一定的解释。尽管有些解释显得片面，甚至似是而非，但却可以使他们了解科学研究的过程和思维，并养成勤于思考的习惯。由于学生实验往往是第一次涉及有关内容，操作生疏不可避免。只要达到了掌握方法和培养思维能力的目的，很多方面不应求全责备。同样，对学生的实验报告的要求也是如此。我们要求学生按照科研论文的形式完成报告，不同的是报告应着重对实验方法和结果给出自己分析、总结和讨论，而不一定要求结果的完美和分析的准确。在学生掌握科研实验的技能和方法后，根据不同学生的特点和能力，要求学生自行设计实验内容和步骤，完成实验项目，从而锻炼他们解决问题的实际能力。在实验课程中适当组织讨论和交流，不仅可以起到了及时反馈实验教学效果和不足的作用，而且能培养学生发现问题、分析问题和总结问题的能力。通过这些形式，使学生在实验教学中掌握进行科学研究的思路，真正掌握科学研-56 - 白永胜等 建设有科研特色的神经生物学实验课程和教学实验室究的方法。通过一学期膜片钳技术实验选修可的实践，我们了解到，开设这样的实验课，学生不仅产生了浓厚的学习兴趣，而且取得了较大的收获。同时，部分学生也提出了增加研究性内容的要求。三、在教学实验室开展大学生研究计划，将教学内容扩展到科研大学生研究计划是我校在探索提高本科教学质量，适应社会对高素质创新人才需求的重要措施。几年来，我校的大学生研究计划已经为本科生提供了大量的研究机会，对开发大学生的研究潜能，亲身体验科研工作的意义和培养创新精神起到了积极的作用。教学实验室设备水平的提高和完善，使我们可以有计划地在教学实验室开展大学生研究计划，将教学实验室的功能扩展到科研领域，这将对我校的大学生研究计划起到积极的推进作用，也是我们合理利用资源，扩展教学内容的途径。教学实验室的大学生研究计划，可以是实验室教学内容的进一步扩展，因而更有利于学生开展研究工作。一方面，在教学实验室开展大学生研究计划，是对我们常规实验教学在培养学生的创新能力和实验动手能力的一个检验，实验任课教师在组织和开展大学生研究计划的同时，可以根据学生的研究进展情况，了解实验内容、方法等设置的长处和不足，因而可以促进我们对实验教学质量的提高和对实验教学的进一步改革。另一方面，在教学实验室开展大学生研究计划，可以认为是将大学生研究计划开始于教学阶段，在进行实验教学时即可根据学生的特点和能力，进行个性化的教学和培养，在掌握基本技能的同时，指导他们选择大学生研究计划的内容，并在教学实验内容的安排上注重于对他们即将从事的研究工作的锻炼，以便他们能够更好地完成大学生研究计划。在教学实验室开展大学生研究计划，对于培养学生的科研态度，倡导学术自由和科学协作的精神，也大有益处。教学实验室的设备较多，可以同时接纳多名学生进行研究。因而，研究指导教师和实验室教学管理人员可以有计划地组织他们开展学术讨论和交流，共同分析和解决研究中的问题，总结经验，指导他们相互学习、协同工作。教学实验室的大学生研究计划充分利用了教学实验室的资源，也避免了实中国科学技 术大学 *实验教学研讨会 - 57 -验室设备的闲置造成的浪费。教学实验室所承担的教学任务通常不可能一直占用先进的专业化设备，有相当的空闲时间。如果没有有效地发挥设备作用的手段，如此昂贵的设备闲置造成的浪费将是惊人的。教学实验室的先进设备用于大学生研究计划，可以在不影响教学任务的同时，为更多大学生的研究创新活动提供设备支持，实现大学生教学和研究的资源共享。通过膜片钳技术实验课程的开设，我们取得了建设有科研特色神经生物学实验课程的经验。我们将根据自身的科研优势和特点，逐步开设分子神经生物学、脑功能成像等先进的神经生物学实验课程，形成新的神经生物学实验教学体系，更好地培养学生的科学研究能力和创新精神。参 考 文 献1 Neher E, Sakmann B, Steinbach J H. The extracellular patch clamp: a method for resolving currents through individual open channels in biological membranesJ. Pflugers Arch, 1978, 375(2): 219-228.2 Hamill O P, Marty A, Neher E, et al. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesJ. Pflugers Arch, 1981, 391(2): 85-100.3 Edwards F A, Konnerth A, Sakmann B, et al. A thin slice preparation for patch clamp recordings from neurones of the mammalian central nervous systemJ. Pflugers Arch, 1989, 414(5): 600-612.4 Margrie T W, Brecht M, Sakmann B. In vivo, low-resistance, whole-cell recordings from neurons in the a