光學(xué)生物成像技術(shù)教學(xué)改革實(shí)踐

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[摘要]根據(jù)光學(xué)生物成像技術(shù)的課程內(nèi)容，從教學(xué)理念，教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)技能四個(gè)方面進(jìn)行積極的嘗試與探索，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力，為今后的課程教學(xué)提供參考，利于我校專業(yè)人才培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]光學(xué)生物成像技術(shù)；創(chuàng)新性；教學(xué)改革和實(shí)踐

生物光子學(xué)是由生命科學(xué)和物理科學(xué)相互交叉所形成的一門(mén)新興學(xué)科[1]。生物光子學(xué)是研究光子和生命體相互作用的微觀機(jī)制和物理本質(zhì)，涉及到生物醫(yī)學(xué)，光子學(xué)，材料科學(xué)，成像技術(shù)等多學(xué)科內(nèi)容，是近年來(lái)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中光學(xué)生物成像技術(shù)是本文教學(xué)改革的重點(diǎn)。光學(xué)生物成像是利用生物體某些光學(xué)特性(反射、散射、吸收、熒光等)的空間、時(shí)間變化來(lái)獲得光學(xué)圖像。隨便科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)形成了熒光成像、激光共聚焦掃描成像、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨顯微成像、多光子熒光成像、光學(xué)相干層析等不同技術(shù)[2-3]。光學(xué)生物成像由于其檢測(cè)儀器發(fā)展成熟，操作簡(jiǎn)單，高靈敏度、高分辨率，成像速度快和結(jié)果直觀等顯著優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥研發(fā)、生命科學(xué)和環(huán)境領(lǐng)域[4-5]。因此光學(xué)生物成像技術(shù)對(duì)研究生或者本科生在今后的學(xué)習(xí)和工作中非常重要。接下來(lái)如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)成為當(dāng)務(wù)之急。本文是結(jié)合作者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)光學(xué)生物成像技術(shù)課程內(nèi)容的教學(xué)改革和實(shí)踐問(wèn)題進(jìn)行初步探索。

1升華光學(xué)生物成像技術(shù)教學(xué)理念

傳統(tǒng)的光學(xué)生物成像技術(shù)教學(xué)過(guò)程中，重點(diǎn)傳授已形成的知識(shí)理論體系，忽視對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，與現(xiàn)代教育理念的熱點(diǎn)“培養(yǎng)創(chuàng)新人才”相背[6]。在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的社會(huì)，各學(xué)科之間廣泛的交融結(jié)合及知識(shí)更新周期的縮短，都要求老師轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，聚焦高質(zhì)量教學(xué)，反對(duì)形式教學(xué)。

1.1以學(xué)生為本，堅(jiān)持素質(zhì)教育

與重視知識(shí)傳授、輕視實(shí)踐能力、重視考試分?jǐn)?shù)的傳統(tǒng)教育相比，現(xiàn)代教育更注重知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛造，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能，以幫助學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和強(qiáng)化素質(zhì)為基本教育目標(biāo)，旨在全面挖掘?qū)W生的自身素質(zhì)潛能，使知識(shí)、能力、素質(zhì)和諧發(fā)展，提高學(xué)生的整體發(fā)展水準(zhǔn)。

1.2提高教學(xué)質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新能力教育觀

改變傳統(tǒng)的授課模式，以師生互動(dòng)的探究式教育思想，推進(jìn)光學(xué)生物技術(shù)課堂教學(xué)的“質(zhì)”與“量”的改革。教師將教學(xué)內(nèi)容和前沿研究相結(jié)合，更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)和獨(dú)立思考的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

1.3延伸教學(xué)課堂，尊重學(xué)生個(gè)體差異觀

使教師由原來(lái)單純講課方式轉(zhuǎn)化為師生共同參與和積極探索的模式，提高學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性，培養(yǎng)他們獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。重視個(gè)體差異，讓學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和掌握光學(xué)生物技術(shù)的能力去探索，積極提出自己的新觀點(diǎn)、新問(wèn)題和新意圖等。通過(guò)課堂的延伸教育，啟發(fā)學(xué)生的各種潛力。

2強(qiáng)化光學(xué)生物成像技術(shù)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)光學(xué)生物成像技術(shù)內(nèi)容主要介紹了普通顯微成像、激光顯微成像、非線性光學(xué)顯微成像、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨顯微成像、層析成像、全身活體熒光成像的工作原理、各自特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，忽略了這些技術(shù)在醫(yī)藥和生物領(lǐng)域的應(yīng)用。除了課本上知識(shí)的講解，教學(xué)過(guò)程中還需要教師結(jié)合國(guó)際前沿研究在課堂上講授，從光學(xué)生物成像技術(shù)課程的教學(xué)思想上抓住本質(zhì)的內(nèi)容，活化教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.1重視互動(dòng)式、啟發(fā)式教學(xué)

課堂是傳授學(xué)生知識(shí)的主要途徑，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣成為重中之重。課堂上教師適時(shí)地提出結(jié)合實(shí)際又有一定深度的問(wèn)題，讓學(xué)生思考和討論，提高學(xué)生在課堂上的參與感。例如：在講解激光顯微成像課程中，讓學(xué)生思考如何解決激光掃描共聚焦顯微鏡光漂白嚴(yán)重的問(wèn)題？在活體發(fā)光成像教學(xué)過(guò)程中，怎樣解決發(fā)光信號(hào)弱時(shí)成像速度偏慢？這種提問(wèn)的方式，讓學(xué)生更加深刻地理解相關(guān)的理論知識(shí)，思維能力得到了鍛煉。在教師授課環(huán)節(jié)，學(xué)生可以自由分組，授課結(jié)束后，每組向老師提出問(wèn)題，由學(xué)生和老師共同討論解決。在習(xí)題課教學(xué)環(huán)節(jié)，改變傳統(tǒng)的習(xí)題課講授方法，通過(guò)學(xué)生課上的講解，再由教師補(bǔ)充、點(diǎn)評(píng)及總結(jié)的方法，使學(xué)生自主解決各種類型及各種難度的習(xí)題，深入發(fā)掘?qū)W生的潛力，發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性。

2.2結(jié)合實(shí)例，引發(fā)學(xué)生思考

隨著生物學(xué)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在體生物光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展已比較成熟，在生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)及生命科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。教師在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)?shù)囊刖唧w相關(guān)實(shí)例，使學(xué)生了解光學(xué)生物成像技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活的運(yùn)用。例如：Yang等利用光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)表達(dá)綠色熒光蛋白的腫瘤實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)非侵入性成像，記錄了腫瘤的轉(zhuǎn)移過(guò)程。Jenkins等利用在體生物光學(xué)成像技術(shù)，將標(biāo)記了熒光素酶基因的人類前列腺癌細(xì)胞注射到小鼠體內(nèi)，實(shí)時(shí)、在體監(jiān)測(cè)了前列腺癌細(xì)胞化療后的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移情況。教師將基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，讓學(xué)生學(xué)有所用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

2.3關(guān)注光學(xué)生物成像技術(shù)的發(fā)展前沿，將基礎(chǔ)理論與前沿進(jìn)展相結(jié)合的教學(xué)

大多數(shù)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)比較枯燥，適時(shí)講述相關(guān)領(lǐng)域的最新研究動(dòng)態(tài)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更濃。光聲成像由于近幾年的快速發(fā)展以及不同組織高分辨率圖像的成功重建，其在臨床醫(yī)學(xué)被廣泛應(yīng)用。在熒光顯微成像的教學(xué)中，結(jié)合熒光素酶或綠色熒光蛋白標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，揭示腫瘤發(fā)生發(fā)展的細(xì)胞和分子機(jī)制。在講解光學(xué)相干層析(OpticalCoherenceTomography，OCT)課程中，給學(xué)生講解OCT在人體組織成像和腫瘤細(xì)胞的微創(chuàng)內(nèi)窺鏡成像的應(yīng)用，通過(guò)增加相關(guān)領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生思維能力。

2.4注重理論知識(shí)和科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合教學(xué)

老師在講解激光顯微成像基礎(chǔ)理論的同時(shí)可以適時(shí)向?qū)W生介紹自己使用激光共聚焦顯微鏡的過(guò)程，向?qū)W生展示顯微鏡的操作過(guò)程，三維圖像的重建以及圖片的分析結(jié)果。通過(guò)應(yīng)用的儀器和成果介入，使相對(duì)較為枯燥的基礎(chǔ)理論具體化、形象化，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念的理解。將理論知識(shí)和科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

3多元化教學(xué)方式

現(xiàn)代多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合教學(xué)。以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容，吸引學(xué)生注意力，啟發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)用動(dòng)畫(huà)和視屏把相對(duì)抽象的基礎(chǔ)理論具體化，如光學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)，成像原理和操作過(guò)程等，將這些不易理解的內(nèi)容轉(zhuǎn)變成Flash動(dòng)畫(huà)視頻，使抽象的知識(shí)變得生動(dòng)有趣的，提升教學(xué)的效果。在講解顯微鏡存在的缺點(diǎn)時(shí)，通過(guò)提問(wèn)的方式，讓學(xué)生積極思考用什么方法可以解決這些問(wèn)題。在講解OCT的數(shù)學(xué)分析時(shí)，選用傳統(tǒng)黑板板書(shū)方式來(lái)教學(xué)，引入概念、計(jì)算公式推演過(guò)程，通過(guò)板書(shū)講解，讓學(xué)生有充分思考的時(shí)間，易于理解，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。這樣的授課方式使課堂變得更有活力，利于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。轉(zhuǎn)變老師授課的傳統(tǒng)方式，讓學(xué)生作為課堂的主講人。采用分組的方式，讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，制作ppt，上講臺(tái)展示和闡述自己所掌握某一光學(xué)儀器的理解和認(rèn)識(shí)，其他學(xué)生可以就某一問(wèn)題向主講人提出自己的問(wèn)題和看法，而教師作為輔助的身份，給予點(diǎn)評(píng)、積極啟發(fā)、引導(dǎo)加強(qiáng)師生互動(dòng)。這種講課方式很好地培養(yǎng)了學(xué)生之間的合作研究與表達(dá)能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)。圍繞光學(xué)生物成像技術(shù)專題，課外積極開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，撰寫(xiě)課程論文。隨著生物科學(xué)的發(fā)展，光學(xué)生物成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥研發(fā)和生命科學(xué)領(lǐng)域，其在探究疾病的發(fā)病機(jī)理、臨床表現(xiàn)，疾病診斷等方面具有重要的實(shí)踐意義和廣泛的應(yīng)用前景。由教師確定研究?jī)?nèi)容的范圍，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展小課題研究，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力有選擇地進(jìn)行課外研究?jī)?nèi)容，主動(dòng)去接觸學(xué)科前沿，使學(xué)生通過(guò)研究性學(xué)習(xí)，提升自身綜合素質(zhì)，養(yǎng)成探究式的思維習(xí)慣，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新的精神。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)自己查閱的相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn)，結(jié)合最新研究進(jìn)展，通過(guò)獨(dú)立思考，形成自己獨(dú)到的見(jiàn)解，從而進(jìn)行科學(xué)研究小論文的寫(xiě)作。此環(huán)節(jié)增加學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生研究和學(xué)習(xí)熱情。

4注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新理念

“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行?！彪S著光學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)將新技術(shù)引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增加光學(xué)生物成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力?？紤]到各方面的原因，為了讓所有學(xué)生的實(shí)踐能力得到的提升，我們將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三部分：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

4.1基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對(duì)學(xué)生掌握的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固和強(qiáng)化，使學(xué)生能夠更進(jìn)一步的理解所學(xué)的基本理論。這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括學(xué)習(xí)和掌握基本光學(xué)儀器的使用和調(diào)整，正確記錄和分析數(shù)據(jù)，認(rèn)真撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生重視對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的觀察，遇到不懂的現(xiàn)象和問(wèn)題，要積極提問(wèn)和認(rèn)真思考。教師要不斷巡視，認(rèn)真觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，針對(duì)學(xué)生普遍存在的問(wèn)題和遇到的個(gè)別疑問(wèn)，要及時(shí)給予糾正、指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，對(duì)于少數(shù)能力不足的學(xué)生要個(gè)別指導(dǎo)，避免學(xué)生多走錯(cuò)路、彎路，保證他們?cè)谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，認(rèn)真撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理中培養(yǎng)邏輯思維和創(chuàng)造性思維。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)提出不同的見(jiàn)解和對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)。

4.2綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)涉及的學(xué)科較多，知識(shí)面較廣，是在掌握了基本實(shí)驗(yàn)方法和技能的基礎(chǔ)上，使學(xué)生在學(xué)習(xí)光學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)中的能力得到很大的提升。這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以結(jié)合教師科研課題內(nèi)容開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如動(dòng)物體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)和藥理學(xué)過(guò)程的實(shí)時(shí)在體成像監(jiān)測(cè)的相干域光學(xué)成像的研究，既提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，同時(shí)又鍛煉了同學(xué)們做科研項(xiàng)目的思維，為培養(yǎng)學(xué)生未來(lái)從事重大科學(xué)研究項(xiàng)目的素質(zhì)打下了基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將現(xiàn)代技術(shù)與數(shù)據(jù)采集、處理方面相結(jié)合，并引入計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，充分體現(xiàn)出現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)成就帶有多種學(xué)科交叉和相互相滲透的特點(diǎn)，提高綜合利用。在數(shù)據(jù)結(jié)果分析中，將利用多種學(xué)科知識(shí)和方法研究光學(xué)生物現(xiàn)象和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、綜合分析能力、運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。教師要積極引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科交叉中得到創(chuàng)新的啟發(fā)，將各科知識(shí)融會(huì)貫通，學(xué)會(huì)舉一反三，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

4.3設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

教師根據(jù)光學(xué)生物成像技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，選擇適合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的范圍，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求，讓學(xué)生主動(dòng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師也可以讓學(xué)生對(duì)感興趣的課題做一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，如實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，這類實(shí)驗(yàn)以建立創(chuàng)新理念為最低要求，對(duì)時(shí)間和研究成果沒(méi)有嚴(yán)格的限制，學(xué)生可以自由組合，敢于提出自己的質(zhì)疑和想法，但是無(wú)論最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，均要求學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小論文。教師根據(jù)創(chuàng)新性的高低、數(shù)據(jù)的處理和分析、小論文的寫(xiě)作能力等綜合評(píng)價(jià)，對(duì)成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生給予表?yè)P(yáng)和適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生占主導(dǎo)地位，教師扮演引導(dǎo)和督促的角色，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課題提出指導(dǎo)性的意見(jiàn)，向?qū)W生介紹科學(xué)的研究方法以及科研論文的寫(xiě)作要求。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、勇于開(kāi)拓的創(chuàng)新意識(shí)和相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神。

5總結(jié)

通過(guò)對(duì)光學(xué)生物成像技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的改革，教師在教學(xué)過(guò)程中極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，營(yíng)造了良好的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)氛圍，提高了學(xué)生的實(shí)際操作能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科研態(tài)度，增強(qiáng)他們綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者：鄭璐璐 單位：上海理工大學(xué)