“现代生物仪器分析”课程实验教学模式探索

胡茂志，王志峰，王赪胤

[摘 要] 为了提高“现代生物仪器分析”课程的实验教学效果，针对该课程教学过程中存在的问题，分别从实验课程的设置、技术的发展前沿、学科专业的科研需求、仪器的特点、实验室的质量管理和理论联系实际的考核评价等方面，对其实验教学模式进行了探索，并通过实践形成了一套“研究生现代化分析测试技术实践教学体系”，增强了学生对现代生物仪器分析技术的理解和掌握，不仅提高了教学质量与教学效果，而且也培养了学生的创新精神和实践能力。

[关键词] 现代生物仪器分析;实验教学;教学改革

[基金项目] 2015年度江苏省高校实验室研究会研究课题“大型仪器实验技术队伍建设与管理研究”

[作者简介] 胡茂志（1976—），男，山东临沂人，博士，扬州大学测试中心副研究员，主要从事现代生物仪器分析技术理论及教学研究;王志峰（1980—），男，江苏扬州人，博士，扬州大学测试中心助理研究员，主要从事现代仪器分析技术理论及教学研究;王赪胤（1967—），男，江苏苏州人，博士，扬州大学测试中心教授，主要从事现代仪器分析技术理论及教学研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）46-0109-04    [收稿日期] 2021-05-30

一、引言

“现代生物仪器分析”是面向生物技术专业研究生的一门重要的专业技术课程，在我校涉及生物学、医学、兽医学、农学、食品科学和环境科学等多个专业的学生。教学内容不仅要求掌握仪器分析的技术原理，而且要求紧跟先进技术的国际发展前沿，目前已被多个学院列为研究生专业学位的必修课程。2015年国务院要求高等学校全面深化高校创新创业教育改革。目前，多个学院已经开设了常规的仪器分析课程。随着科学技术的发展，大型科学仪器分析技术在生物学领域的应用已越来越广泛。特别是在当前“大众创业，万众创新”的大环境下，常规的分析技术已经不能满足当前创新、创业的需求，因此，必須将现代大型生物仪器分析技术融入研究生的培养过程，以提高研究生的培养质量。

扬州大学自2002年以来就对先进大型仪器设备进行集中共享管理。在教学方面，已经开设以大型仪器分析技术为主的“现代生物仪器分析”课程十余年。随着技术的发展和科研需求的提高，对该课程教学的要求也不断提高。由于大型科学仪器设备多为国外进口，精密昂贵，损坏后修复成本高，所以该类课程一般以理论知识讲解为主，仪器演示实验（参观）为辅。在长期的教学过程中发现，该课程内容不仅教师难教，而且学生也难学。研究生运用现代分析技术能力的需求与研究生实践不足之间的矛盾已成为研究生培养过程中亟待解决的问题。如何提高该课程的教学质量，近年来，我校按照该课程的教学要求，对教学模式进行了探索，密切结合我校学科专业的发展方向，开展了专业研究方向与大型仪器实验设计相结合的实验教学模式，形成了一套“研究生现代化分析测试技术实践教学体系”，取得了较好的实践效果。

二、“现代生物仪器分析”教学模式的构建与实践

（一）结合研究生的培养过程，分阶段设置实验课程

“现代生物仪器分析”课程的实验教学要求与本科生实验教学要求不同。本科生的实验教学一般侧重于常规的既定实验方法的学习，操作步骤一般按图索骥式地进行，而研究生的培养则需要调动他们的主观能动性，充分利用现代化的技术手段来分析问题和解决问题。针对目前存在的问题，我校结合研究生的培养过程，将该课程分为两个阶段来实施，学生可以根据需要自由选课。

在新生入学的第一学期开设了研究生公选课“现代分析测试技术与仪器”，介绍当前现代生物仪器分析技术的现状和对我校相关科研的支撑作用，通过参观实验室、成果展和技术交流等方式，让学生初步了解大型仪器分析技术。通过一些重要科研成果（如诺贝尔奖等）、典型事例、国内外重大新闻以及当前的热点话题等来激发学生的好奇心和探索未知世界的兴趣。例如，结合目前新型冠状病毒肺炎疫情的爆发，从疾病的诊断、病毒的分离鉴定、基因序列的比对分析、病毒的致病机理、药物的筛选，以及疫苗的研发与效果评价等不同方面，讲述现代仪器在不同过程中的作用等。

经过一年的专业学习，在第一学年结束时，集中一个星期的时间，我们又开设了研究生公选课“仪器分析样品处理和实验操作技术”。此时，研究生培养已经进入了开题阶段，并且对实验室或导师的研究方向有了初步的了解，该课程的设置正好与其衔接，将大型仪器设备技术融入其课题的设计过程中。例如，某学生在进行疫苗相关的研究设计时，需要利用流式细胞术等技术进行疫苗效果的评价。这时就需要详细考虑实验的整个过程，包括细胞样品的来源、检测哪些指标、样品怎样处理及数据如何分析等。对该技术的理解就不会仅停留在表面上，而是会积极参与并主动跟教师交流探讨，通过实战式的训练，在不增加额外负担的情况下可以取得更加实用的效果。

通过多年的实验教学实践，将课程的设置与研究生的培养过程有机结合，具有较强的针对性和实战性，既得到了研究生指导教师的认可，也极大地吸引了研究生的参与。每年的选课人数达200人左右。

（二）结合技术的发展前沿，紧跟国际先进技术水平

科学研究的发展与创新离不开技术的革新。实验技术队伍是高校大型仪器平台建设发展的骨干力量。高校人才培养体系中需要一支稳定且水平高的专业化实验技术队伍，这是实现高水平人才培养的重要保障[1]。因此，实验技术队伍的稳定和技术水平是影响实验教学的关键因素之一。

我校负责大型仪器设备技术的技术人员多数具有博士学位，并具有参与重大科研项目的经历。在“现代生物仪器分析”课程教学过程中，每位任课教师均由负责大型仪器设备技术并且经验丰富的技术人员担任。我校鼓励技术人员结合学校科研实际进行大型仪器技术的二次开发。从样品前处理、实验测试到数据分析，每一个环节都可能成为技术研究的靶点。另外，为了使大型仪器技术水平与国际接轨，必须了解相关技术的国际发展前沿。这样，在技术开发过程中，技术人员便会通过不同的渠道关注技术的国际水平，以提高自身的技术水平。例如，邀请国际著名的技术专家进行讲学、派出技术人员出国培训及与兄弟院校进行技术交流等。此外，每家公司的不同型号的仪器都有各自的优势，对于不同的测试目的，可以对研究生的样品测试提供可操作性的建议，指导其利用哪种型号的仪器进行实验更合适。除此之外，生物仪器的样品分析往往需要对生物样品进行前处理后才能测试。对于样品量较多、面向学科广泛的仪器，往往由多名具有不同学科专业背景的技术人员负责，更好地发挥与学科发展的交融，如电子显微镜的观察分析等。这既提高了仪器的利用率和使用效率，推动了学校科研的发展，又有助于技术人员自身水平的提高，稳定了实验技术队伍，丰富了实验教学内容。

（三）结合学校科研发展的需求，突出实验教学内容与科研需求的融合

为学校教学、科研服务是高校测试中心的主要职责之一。大型仪器的添置必须以学科的发展为核心。

一般来说，学科的科研往往专业性比较强，而实验技术人员的研究则更偏重于技术的开发，如大型仪器测试方法与技术标准的研究、科学仪器的升级改造、公共教学体系的建设和技能培训等。两者相辅相成，相互促进。专业的科学研究需要先进的技术来支撑，而先进的大型科学仪器设备技术又能促进科学研究的创新。两者若能够有机融合，则可以起到事半功倍的效果。平时，技术人员需要了解相关学科专业和研究生指导教师的研究方向，结合其实验室学生的日常测试内容，注意收集、整理典型测试事例和成果案例，将其融入实验课程的教学过程。另外，某些测试数据的分析还需要了解样品的背景知识，如流式细胞术样品分析，需要清楚该样品的物种来源、细胞种类、标记分子的特性及实验目的等，才能更好地设门和设置参数并进行科学的分析。此外，对于学科专业科研过程中的技术瓶颈问题，也可以融合学科专业人员和实验技术人员的优势，进行联合攻关。将这些日常积累的典型事例融入实验教学过程中，可以强化研究生与教师的互动，理论结合实际，既符合我校科研发展的实际情况，又能激发学生的科研兴趣。

（四）结合仪器技术的特点，采取合适的实验教学模式

现代生物仪器往往结构比较复杂，原理比较抽象。在该课程的教学过程中，以效果最大化为目标，应用现代化教学手段，实验教学模式可以多种多样，具体由负责教师根据日常测试过程中的实际情况来设置。目前，我校除了常规的样品前处理和仪器操作实验教学模式外，负责流式细胞术、高内涵细胞成像技术、圆二色光谱技术和透射电镜技术等技术的教师还制作了多媒体、实验操作和讲解视频及虚拟仿真动画等，形象、生动地展示了相关技术的原理、样品处理和数据分析等全过程。研究生不仅可以在实验教学过程中学习，而且还可以根据科研的实际需要反复观看，弥补了常规实验课仪器设备台数不足的缺陷。特别是在疫情期间，在减少人员接触的情况下发挥了较好的作用。

另外，在教学过程中，对于样品制备、仪器原理和应用范围等方面相近的仪器分析技术，往往整合在一起来讲，既阐述其相似点，又突出其差异。如流式细胞仪、共聚焦显微镜、高内涵细胞成像系统等都可以对细胞样品进行分析，并且样品的前处理过程中均涉及荧光染料的标记，在荧光染料的选择和多种荧光素的组合使用方面具有同样的要求，因此，将这些技术进行归纳和对比来进行实验教学，可以使学生既有全面、整体的认识，又有个性化的了解，便于科研过程中有选择地应用。

此外，由于不同学校的学科专业不同，所添置的仪器设备种类也不同。目前，关于该课程尚无统一完整的教材可以参考。为了进一步补充和完善实验教学内容，我们组织经验丰富的技术人员编写了“现代生物仪器分析”教材，内容包括仪器分析技术的基本原理、样品处理、数据分析和在不同学科领域的应用等，该教材目前已被我校推荐为研究生精品教材。

除此之外，随着我国综合国力的增强，越来越多的外国留学生选择到中国攻读博士或硕士学位。因此，留学生的培养质量也不能忽视。由于语言交流的障碍，我们专门组织相关教师进行辅导。从实验设计、样品测试和结果分析等方面进行全方位的讲解，为他们顺利开展论文研究奠定了基础。

（五）结合质量管理体系的要求，强化仪器分析的规范化管理

现代大型科学仪器一般对实验室的要求比较高，并且需要专人维护和管理。为了保证仪器的正常状态，根据《中华人民共和国计量法》及其实施细则、《中华人民共和国认证认可条例》等法律、行政法规的规定，我们自2004年开始申请并获得了国家实验室资质认定（China Metrology Accredidation，CMA）合格证书，严格按照实验室质量管理体系的要求开展工作，并多次通过教育部高校评审组的复查和扩项评审。我们组织人员对每台仪器編写了作业指导书，定期进行仪器的校准和标准的核查，积极参加教育行业仪器分析方法通则和仪器校准规范的修订，以及教育部高校评审组和认监委组织的能力验证。既保证了实验室的正常运行和技术能力的提高，又给学生起到了很好的示范作用。

（六）结合课题的研究方向，注重理论联系实际的考核评价

“现代生物仪器分析”课程根据学时数设置了适当的学分，需要有一定的考核方式和成绩。单纯考试的方法容易导致学生为通过考试拿到学分而学，分数取代学习效果成为他们最关心的问题。探索合理的评价考核方法可以促使学生重视平时的学习过程，关心能力的锻炼多于关心学分的获得。为了避免“重理论而轻实践”的现象，我们强化技术与课题研究方向的有机结合，鼓励研究生理论联系实际，在获得课程学分的同时，极大地提升课题的实验设计，得到导师和研究生的好评。

经过一年的专业学习，研究生已经初步掌握了相关专业的知识，通过听师兄师姐的课题汇报等途径，不断了解和掌握了导师的研究方向。此时，在导师的指导下，对自己所要开展的课题研究也有了初步的了解。结合该课程的实验教学，可以明确哪门技术可以融合到自己的课题中。然后，通过查阅资料，提出问题，并利用相关技术来解决问题。这不仅提升了研究生课题的设计，而且也提高了学生提出问题并分析问题的思维能力。

三、教学模式的实践效果

社会经济的高速发展需要研究生层次的人才具有运用现代分析技术解决实际问题的能力。通过强化实践训练，有利于研究生技能的掌握与形成。对于具有科研创新精神的研究生，鼓励他们结合感兴趣的实验内容亲自操作仪器，提高分析问题和解决问题的能力。目前，我们已经开展多次操作技能培训，近百人获得仪器操作证，在仪器空闲时间可以相对独立地开展实验研究。该实践教学体系的实施，极大地提高了研究生的科研论文质量。如兽医学院临床兽医学博士生利用流式细胞仪开展重金属中毒方面的研究，其博士论文获评“全国百篇优秀博士学位论文”等。

科研儀器是支撑科技进步和创新的重要物质基础，也是引领前沿科技创新、吸引顶尖人才的重要手段，其规模、质量和利用效率直接关系到国家科技创新的实力和竞争力[2]。近年来，国家连续出台了多项政策，要求加快推进科研设施与仪器的开放共享。“现代生物仪器分析”课程的教学正是满足这一要求的良好平台。通过实验教学，可以促进高端仪器功能的高效率发挥。“现代生物仪器分析”课程的内容是不断发展的，其实验教学方法也不应是固定不变的，而是要符合当前仪器发展的现状，既要强调实用性，又要有前沿性。为了更好地理论联系实际，突出实效性，一方面，需要考虑仪器技术的发展前沿，了解技术的发展动态，不断扩展其在不同领域的应用，将新的技术和应用融入实验教学过程中;另一方面，还要考虑学科专业的发展实际，使学生在接受新技术的同时能够很容易地与自己的专业方向结合起来，提高课程的感染力和吸引力。

参考文献

[1]封振宇，冉栋刚，占金华.高校大型仪器平台的一流技术人才队伍建设[J].实验室科学，2020，23（5）：176-179+183.

[2]吴月辉.高端仪器，还需要高效率[N].人民日报，2019-05-14（12）.

Exploration on the Experimental Teaching of Modern Biological Instrument Analysis Course

HU Mao-zhia，b， WANG Zhi-fenga， WANG Cheng-yina

（a. Testing Center， b. Jiangsu Co-innovation Center for Prevention and Control of Important Animal Infectious Diseases and Zoonoses， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009， China）

Abstract： In order to improve the experimental teaching effect of Modern Biological Instrument Analysis course， this research aims at the problems in the course of teaching， explores the experimental teaching model from the aspects of the setting of experimental course， the development of technology， the scientific research needs of the disciplines， the characteristics of instruments， the quality management of laboratory， and the assessment and evaluation of the integration of theory with practice. And a set of practice teaching systems for postgraduate modern analysis and testing technology have been formed in the practice， which can enhance students understanding of modern bio-instrument analysis technology. This system can not only improve the teaching quality and teaching effect， but also cultivate students innovative spirit and practical ability.

Key words： Modern Biological Instrument Analysis; experimental teaching; teaching reform