光学生物成像技术教学改革研究

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[摘要]根据光学生物成像技术的课程内容，从教学理念，教学内容，教学方法，实验技能四个方面进行积极的尝试与探索，以期激发学生学习的积极性，提高学生的综合应用知识能力，为今后的课程教学提供参考，利于我校专业人才培养。

[关键词]光学生物成像技术；创新性；教学改革和实践

生物光子学是由生命科学和物理科学相互交叉所形成的一门新兴学科[1]。生物光子学是研究光子和生命体相互作用的微观机制和物理本质，涉及到生物医学，光子学，材料科学，成像技术等多学科内容，是近年来生物和医药领域研究的热点。其中光学生物成像技术是本文教学改革的重点。光学生物成像是利用生物体某些光学特性(反射、散射、吸收、荧光等)的空间、时间变化来获得光学图像。随便科学技术的不断发展，光学成像技术已经形成了荧光成像、激光共聚焦扫描成像、远场超分辨显微成像、多光子荧光成像、光学相干层析等不同技术[2-3]。光学生物成像由于其检测仪器发展成熟，操作简单，高灵敏度、高分辨率，成像速度快和结果直观等显著优点被广泛应用于医药研发、生命科学和环境领域[4-5]。因此光学生物成像技术对研究生或者本科生在今后的学习和工作中非常重要。接下来如何提高该课程的教学质量，培养学生的创新意识成为当务之急。本文是结合作者多年来的教学经验，对光学生物成像技术课程内容的教学改革和实践问题进行初步探索。

1升华光学生物成像技术教学理念

传统的光学生物成像技术教学过程中，重点传授已形成的知识理论体系，忽视对学生独立思考和创新能力的培养，与现代教育理念的热点“培养创新人才”相背[6]。在当今科技飞速发展的社会，各学科之间广泛的交融结合及知识更新周期的缩短，都要求老师转变教学思想，聚焦高质量教学，反对形式教学。1.1以学生为本，坚持素质教育。与重视知识传授、轻视实践能力、重视考试分数的传统教育相比，现代教育更注重知识向能力的转化，强调学生实践能力的锻造，激发学生的创造潜能，以帮助学生主动学习和强化素质为基本教育目标，旨在全面挖掘学生的自身素质潜能，使知识、能力、素质和谐发展，提高学生的整体发展水准。1.2提高教学质量，强调创新能力教育观。改变传统的授课模式，以师生互动的探究式教育思想，推进光学生物技术课堂教学的“质”与“量”的改革。教师将教学内容和前沿研究相结合，更好的提高学生的学习兴趣，培养学生严谨治学和独立思考的能力，激发学生的创新思维，有效地提高教学质量。1.3延伸教学课堂，尊重学生个体差异观。使教师由原来单纯讲课方式转化为师生共同参与和积极探索的模式，提高学生的主动性和能动性，培养他们独立思考和解决问题的能力。重视个体差异，让学生根据自己的学习兴趣和掌握光学生物技术的能力去探索，积极提出自己的新观点、新问题和新意图等。通过课堂的延伸教育，启发学生的各种潜力。

2强化光学生物成像技术教学内容

传统光学生物成像技术内容主要介绍了普通显微成像、激光显微成像、非线性光学显微成像、远场超分辨显微成像、层析成像、全身活体荧光成像的工作原理、各自特点和存在的问题，忽略了这些技术在医药和生物领域的应用。除了课本上知识的讲解，教学过程中还需要教师结合国际前沿研究在课堂上讲授，从光学生物成像技术课程的教学思想上抓住本质的内容，活化教学内容，激发学生的学习兴趣。2.1重视互动式、启发式教学。课堂是传授学生知识的主要途径，激发学生的学习兴趣成为重中之重。课堂上教师适时地提出结合实际又有一定深度的问题，让学生思考和讨论，提高学生在课堂上的参与感。例如：在讲解激光显微成像课程中，让学生思考如何解决激光扫描共聚焦显微镜光漂白严重的问题？在活体发光成像教学过程中，怎样解决发光信号弱时成像速度偏慢？这种提问的方式，让学生更加深刻地理解相关的理论知识，思维能力得到了锻炼。在教师授课环节，学生可以自由分组，授课结束后，每组向老师提出问题，由学生和老师共同讨论解决。在习题课教学环节，改变传统的习题课讲授方法，通过学生课上的讲解，再由教师补充、点评及总结的方法，使学生自主解决各种类型及各种难度的习题，深入发掘学生的潜力，发挥他们的主观能动性。2.2结合实例，引发学生思考。随着生物学和光学技术的发展，在体生物光学成像技术发展已比较成熟，在生物医学、药物研发及生命科学等领域得到广泛应用。教师在教学过程中适当的引入具体相关实例，使学生了解光学生物成像技术在现实生活的运用。例如：Yang等利用光学成像系统对表达绿色荧光蛋白的肿瘤实现了实时非侵入性成像，记录了肿瘤的转移过程。Jenkins等利用在体生物光学成像技术，将标记了荧光素酶基因的人类前列腺癌细胞注射到小鼠体内，实时、在体监测了前列腺癌细胞化疗后的复发和转移情况。教师将基础理论和实际应用相结合教学，激发学生的学习兴趣和探索精神，让学生学有所用，培养学生的创新创业意识。2.3关注光学生物成像技术的发展前沿，将基础理论与前沿进展相结合的教学。大多数基础理论的学习比较枯燥，适时讲述相关领域的最新研究动态，使学生的学习兴趣更浓。光声成像由于近几年的快速发展以及不同组织高分辨率图像的成功重建，其在临床医学被广泛应用。在荧光显微成像的教学中，结合荧光素酶或绿色荧光蛋白标记肿瘤细胞，揭示肿瘤发生发展的细胞和分子机制。在讲解光学相干层析(OpticalCoherenceTomography，OCT)课程中，给学生讲解OCT在人体组织成像和肿瘤细胞的微创内窥镜成像的应用，通过增加相关领域的研究动态的学习，提高学生思维能力。2.4注重理论知识和科研实验相结合教学。老师在讲解激光显微成像基础理论的同时可以适时向学生介绍自己使用激光共聚焦显微镜的过程，向学生展示显微镜的操作过程，三维图像的重建以及图片的分析结果。通过应用的仪器和成果介入，使相对较为枯燥的基础理论具体化、形象化，加深学生对基础概念的理解。将理论知识和科研实验相结合，培养学生发现问题、解决问题的能力。

3多元化教学方式

现代多媒体与传统教学相结合教学。以提高教学质量为目标，精心设计课堂教学内容，吸引学生注意力，启发他们的学习兴趣。应用动画和视屏把相对抽象的基础理论具体化，如光学仪器的结构，成像原理和操作过程等，将这些不易理解的内容转变成Flash动画视频，使抽象的知识变得生动有趣的，提升教学的效果。在讲解显微镜存在的缺点时，通过提问的方式，让学生积极思考用什么方法可以解决这些问题。在讲解OCT的数学分析时，选用传统黑板板书方式来教学，引入概念、计算公式推演过程，通过板书讲解，让学生有充分思考的时间，易于理解，实现师生互动。这样的授课方式使课堂变得更有活力，利于增加学生的学习兴趣。转变老师授课的传统方式，让学生作为课堂的主讲人。采用分组的方式，让学生自己查阅文献，制作ppt，上讲台展示和阐述自己所掌握某一光学仪器的理解和认识，其他学生可以就某一问题向主讲人提出自己的问题和看法，而教师作为辅助的身份，给予点评、积极启发、引导加强师生互动。这种讲课方式很好地培养了学生之间的合作研究与表达能力，激发他们的创新意识。围绕光学生物成像技术专题，课外积极开展研究性学习活动，撰写课程论文。随着生物科学的发展，光学生物成像技术广泛应用于医药研发和生命科学领域，其在探究疾病的发病机理、临床表现，疾病诊断等方面具有重要的实践意义和广泛的应用前景。由教师确定研究内容的范围，指导学生开展小课题研究，学生可以根据自己的兴趣和能力有选择地进行课外研究内容，主动去接触学科前沿，使学生通过研究性学习，提升自身综合素质，养成探究式的思维习惯，培养勇于创新的精神。在此基础上，学生根据自己查阅的相关书籍和文献，结合最新研究进展，通过独立思考，形成自己独到的见解，从而进行科学研究小论文的写作。此环节增加学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力，拓宽学生视野，激发学生研究和学习热情。

4注重实验内容的创新理念

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”随着光学新技术的发展，应将新技术引进到实验教学中，增加光学生物成像技术实验，提升学生的动手实践能力。考虑到各方面的原因，为了让所有学生的实践能力得到的提升，我们将实验内容分为三部分：基础性实验、综合性实验、设计性实验。4.1基础性实验。基础性实验内容是对学生掌握的实验基础知识的巩固和强化，使学生能够更进一步的理解所学的基本理论。这部分实验内容包括学习和掌握基本光学仪器的使用和调整，正确记录和分析数据，认真撰写实验报告。在实验过程中，要求学生重视对光学现象的观察，遇到不懂的现象和问题，要积极提问和认真思考。教师要不断巡视，认真观察学生的实验操作，针对学生普遍存在的问题和遇到的个别疑问，要及时给予纠正、指导，以培养学生认真严谨的科研态度，对于少数能力不足的学生要个别指导，避免学生多走错路、弯路，保证他们在有限的时间内完成相应的实验任务的要求。在实验结束后，认真撰写实验报告，并分析实验数据结果，在数据处理中培养逻辑思维和创造性思维。同时，鼓励学生对实验提出不同的见解和对实验方法的改进及实验心得体会。4.2综合性实验。综合性实验涉及的学科较多，知识面较广，是在掌握了基本实验方法和技能的基础上，使学生在学习光学仪器实验中的能力得到很大的提升。这部分实验内容可以结合教师科研课题内容开展实验教学，例如动物体内药代动力学和药理学过程的实时在体成像监测的相干域光学成像的研究，既提升了学生的实验操作能力，同时又锻炼了同学们做科研项目的思维，为培养学生未来从事重大科学研究项目的素质打下了基础。在实验过程中，将现代技术与数据采集、处理方面相结合，并引入计算机技术和传感技术到相关的实验中，充分体现出现代光学技术成就带有多种学科交叉和相互相渗透的特点，提高综合利用。在数据结果分析中，将利用多种学科知识和方法研究光学生物现象和规律，培养学生获取知识的能力、实验动手能力、综合分析能力、运用多学科知识解决实际问题的能力。教师要积极引导学生从学科交叉中得到创新的启发，将各科知识融会贯通，学会举一反三，培养和发展学生的创造性思维。4.3设计性实验。教师根据光学生物成像技术研究的热点和发展趋势，选择适合的实验内容的范围，提出实验目的与要求，让学生主动查阅相关文献，设计实验方案，记录实验数据，撰写实验报告。教师也可以让学生对感兴趣的课题做一些创新实验，如实验仪器和实验方法的改进，这类实验以建立创新理念为最低要求，对时间和研究成果没有严格的限制，学生可以自由组合，敢于提出自己的质疑和想法，但是无论最终实验结果如何，均要求学生记录实验过程和实验数据，撰写创新实验小论文。教师根据创新性的高低、数据的处理和分析、小论文的写作能力等综合评价，对成绩优异的学生给予表扬和适当的奖励。在设计性实验教学中，学生占主导地位，教师扮演引导和督促的角色，对学生的实验课题提出指导性的意见，向学生介绍科学的研究方法以及科研论文的写作要求。同时培养学生严谨求实的科学态度、勇于开拓的创新意识和相互协作的团队精神。

5总结

通过对光学生物成像技术教学内容的改革，教师在教学过程中极大激发学生的学习兴趣，营造了良好的学习和实验氛围，提高了学生的实际操作能力，培养学生实事求是的科研态度，增强他们综合应用能力和创新能力，为培养创新型和应用型人才打下坚实的基础。

参考文献

[1]顾櫵著．生物光子学[M]．科学出版社，2012．

[2]Nienhaus，Karin．WhereDoWeStandwithSuper-ResolutionOpticalMicroscopy？[J]．JournalofMolecularBiology，2016，428(2)：308-322．

[3]张祥翔．现代显微成像技术综合[J]．光学仪器，2015，37(6)：550-560．

[4]BaoliY．高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用[J]．光子学报，2011，40(11)．

[5]黄燕霞，周非凡，周婷，等．多光子显微成像技术在脑部疾病研究中的应用[J]．生物化学与生物物理进展，2019，046(010)：952-965．

[6]史向华，李君求．光学课程教学改革与实践[J]．中国电力教育，2013(34)：126-127+129

作者:郑璐璐 单位:上海理工大学光电学院