光學生物成像技術教學改革實踐

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[摘要]根據(jù)光學生物成像技術的課程內(nèi)容，從教學理念，教學內(nèi)容，教學方法，實驗技能四個方面進行積極的嘗試與探索，以期激發(fā)學生學習的積極性，提高學生的綜合應用知識能力，為今后的課程教學提供參考，利于我校專業(yè)人才培養(yǎng)。

[關鍵詞]光學生物成像技術；創(chuàng)新性；教學改革和實踐

生物光子學是由生命科學和物理科學相互交叉所形成的一門新興學科[1]。生物光子學是研究光子和生命體相互作用的微觀機制和物理本質(zhì)，涉及到生物醫(yī)學，光子學，材料科學，成像技術等多學科內(nèi)容，是近年來生物和醫(yī)藥領域研究的熱點。其中光學生物成像技術是本文教學改革的重點。光學生物成像是利用生物體某些光學特性(反射、散射、吸收、熒光等)的空間、時間變化來獲得光學圖像。隨便科學技術的不斷發(fā)展，光學成像技術已經(jīng)形成了熒光成像、激光共聚焦掃描成像、遠場超分辨顯微成像、多光子熒光成像、光學相干層析等不同技術[2-3]。光學生物成像由于其檢測儀器發(fā)展成熟，操作簡單，高靈敏度、高分辨率，成像速度快和結(jié)果直觀等顯著優(yōu)點被廣泛應用于醫(yī)藥研發(fā)、生命科學和環(huán)境領域[4-5]。因此光學生物成像技術對研究生或者本科生在今后的學習和工作中非常重要。接下來如何提高該課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識成為當務之急。本文是結(jié)合作者多年來的教學經(jīng)驗，對光學生物成像技術課程內(nèi)容的教學改革和實踐問題進行初步探索。

1升華光學生物成像技術教學理念

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

1.1以學生為本，堅持素質(zhì)教育

與重視知識傳授、輕視實踐能力、重視考試分數(shù)的傳統(tǒng)教育相比，現(xiàn)代教育更注重知識向能力的轉(zhuǎn)化，強調(diào)學生實踐能力的鍛造，激發(fā)學生的創(chuàng)造潛能，以幫助學生主動學習和強化素質(zhì)為基本教育目標，旨在全面挖掘?qū)W生的自身素質(zhì)潛能，使知識、能力、素質(zhì)和諧發(fā)展，提高學生的整體發(fā)展水準。

1.2提高教學質(zhì)量，強調(diào)創(chuàng)新能力教育觀

改變傳統(tǒng)的授課模式，以師生互動的探究式教育思想，推進光學生物技術課堂教學的“質(zhì)”與“量”的改革。教師將教學內(nèi)容和前沿研究相結(jié)合，更好的提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生嚴謹治學和獨立思考的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，有效地提高教學質(zhì)量。

1.3延伸教學課堂，尊重學生個體差異觀

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

2強化光學生物成像技術教學內(nèi)容

傳統(tǒng)光學生物成像技術內(nèi)容主要介紹了普通顯微成像、激光顯微成像、非線性光學顯微成像、遠場超分辨顯微成像、層析成像、全身活體熒光成像的工作原理、各自特點和存在的問題，忽略了這些技術在醫(yī)藥和生物領域的應用。除了課本上知識的講解，教學過程中還需要教師結(jié)合國際前沿研究在課堂上講授，從光學生物成像技術課程的教學思想上抓住本質(zhì)的內(nèi)容，活化教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣。

2.1重視互動式、啟發(fā)式教學

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

2.2結(jié)合實例，引發(fā)學生思考

隨著生物學和光學技術的發(fā)展，在體生物光學成像技術發(fā)展已比較成熟，在生物醫(yī)學、藥物研發(fā)及生命科學等領域得到廣泛應用。教師在教學過程中適當?shù)囊刖唧w相關實例，使學生了解光學生物成像技術在現(xiàn)實生活的運用。例如：Yang等利用光學成像系統(tǒng)對表達綠色熒光蛋白的腫瘤實現(xiàn)了實時非侵入性成像，記錄了腫瘤的轉(zhuǎn)移過程。Jenkins等利用在體生物光學成像技術，將標記了熒光素酶基因的人類前列腺癌細胞注射到小鼠體內(nèi)，實時、在體監(jiān)測了前列腺癌細胞化療后的復發(fā)和轉(zhuǎn)移情況。教師將基礎理論和實際應用相結(jié)合教學，激發(fā)學生的學習興趣和探索精神，讓學生學有所用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

2.3關注光學生物成像技術的發(fā)展前沿，將基礎理論與前沿進展相結(jié)合的教學

大多數(shù)基礎理論的學習比較枯燥，適時講述相關領域的最新研究動態(tài)，使學生的學習興趣更濃。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)學被廣泛應用。在熒光顯微成像的教學中，結(jié)合熒光素酶或綠色熒光蛋白標記腫瘤細胞，揭示腫瘤發(fā)生發(fā)展的細胞和分子機制。在講解光學相干層析(OpticalCoherenceTomography，OCT)課程中，給學生講解OCT在人體組織成像和腫瘤細胞的微創(chuàng)內(nèi)窺鏡成像的應用，通過增加相關領域的研究動態(tài)的學習，提高學生思維能力。

2.4注重理論知識和科研實驗相結(jié)合教學

老師在講解激光顯微成像基礎理論的同時可以適時向?qū)W生介紹自己使用激光共聚焦顯微鏡的過程，向?qū)W生展示顯微鏡的操作過程，三維圖像的重建以及圖片的分析結(jié)果。通過應用的儀器和成果介入，使相對較為枯燥的基礎理論具體化、形象化，加深學生對基礎概念的理解。將理論知識和科研實驗相結(jié)合，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3多元化教學方式

現(xiàn)代多媒體與傳統(tǒng)教學相結(jié)合教學。以提高教學質(zhì)量為目標，精心設計課堂教學內(nèi)容，吸引學生注意力，啟發(fā)他們的學習興趣。應用動畫和視屏把相對抽象的基礎理論具體化，如光學儀器的結(jié)構，成像原理和操作過程等，將這些不易理解的內(nèi)容轉(zhuǎn)變成Flash動畫視頻，使抽象的知識變得生動有趣的，提升教學的效果。在講解顯微鏡存在的缺點時，通過提問的方式，讓學生積極思考用什么方法可以解決這些問題。在講解OCT的數(shù)學分析時，選用傳統(tǒng)黑板板書方式來教學，引入概念、計算公式推演過程，通過板書講解，讓學生有充分思考的時間，易于理解，實現(xiàn)師生互動。這樣的授課方式使課堂變得更有活力，利于增加學生的學習興趣。轉(zhuǎn)變老師授課的傳統(tǒng)方式，讓學生作為課堂的主講人。采用分組的方式，讓學生自己查閱文獻，制作ppt，上講臺展示和闡述自己所掌握某一光學儀器的理解和認識，其他學生可以就某一問題向主講人提出自己的問題和看法，而教師作為輔助的身份，給予點評、積極啟發(fā)、引導加強師生互動。這種講課方式很好地培養(yǎng)了學生之間的合作研究與表達能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。圍繞光學生物成像技術專題，課外積極開展研究性學習活動，撰寫課程論文。隨著生物科學的發(fā)展，光學生物成像技術廣泛應用于醫(yī)藥研發(fā)和生命科學領域，其在探究疾病的發(fā)病機理、臨床表現(xiàn)，疾病診斷等方面具有重要的實踐意義和廣泛的應用前景。由教師確定研究內(nèi)容的范圍，指導學生開展小課題研究，學生可以根據(jù)自己的興趣和能力有選擇地進行課外研究內(nèi)容，主動去接觸學科前沿，使學生通過研究性學習，提升自身綜合素質(zhì)，養(yǎng)成探究式的思維習慣，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新的精神。在此基礎上，學生根據(jù)自己查閱的相關書籍和文獻，結(jié)合最新研究進展，通過獨立思考，形成自己獨到的見解，從而進行科學研究小論文的寫作。此環(huán)節(jié)增加學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力，拓寬學生視野，激發(fā)學生研究和學習熱情。

4注重實驗內(nèi)容的創(chuàng)新理念

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”隨著光學新技術的發(fā)展，應將新技術引進到實驗教學中，增加光學生物成像技術實驗，提升學生的動手實踐能力?？紤]到各方面的原因，為了讓所有學生的實踐能力得到的提升，我們將實驗內(nèi)容分為三部分：基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗。

4.1基礎性實驗

基礎性實驗內(nèi)容是對學生掌握的實驗基礎知識的鞏固和強化，使學生能夠更進一步的理解所學的基本理論。這部分實驗內(nèi)容包括學習和掌握基本光學儀器的使用和調(diào)整，正確記錄和分析數(shù)據(jù)，認真撰寫實驗報告。在實驗過程中，要求學生重視對光學現(xiàn)象的觀察，遇到不懂的現(xiàn)象和問題，要積極提問和認真思考。教師要不斷巡視，認真觀察學生的實驗操作，針對學生普遍存在的問題和遇到的個別疑問，要及時給予糾正、指導，以培養(yǎng)學生認真嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，對于少數(shù)能力不足的學生要個別指導，避免學生多走錯路、彎路，保證他們在有限的時間內(nèi)完成相應的實驗任務的要求。在實驗結(jié)束后，認真撰寫實驗報告，并分析實驗數(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，鼓勵學生對實驗提出不同的見解和對實驗方法的改進及實驗心得體會。

4.2綜合性實驗

綜合性實驗涉及的學科較多，知識面較廣，是在掌握了基本實驗方法和技能的基礎上，使學生在學習光學儀器實驗中的能力得到很大的提升。這部分實驗內(nèi)容可以結(jié)合教師科研課題內(nèi)容開展實驗教學，例如動物體內(nèi)藥代動力學和藥理學過程的實時在體成像監(jiān)測的相干域光學成像的研究，既提升了學生的實驗操作能力，同時又鍛煉了同學們做科研項目的思維，為培養(yǎng)學生未來從事重大科學研究項目的素質(zhì)打下了基礎。在實驗過程中，將現(xiàn)代技術與數(shù)據(jù)采集、處理方面相結(jié)合，并引入計算機技術和傳感技術到相關的實驗中，充分體現(xiàn)出現(xiàn)代光學技術成就帶有多種學科交叉和相互相滲透的特點，提高綜合利用。在數(shù)據(jù)結(jié)果分析中，將利用多種學科知識和方法研究光學生物現(xiàn)象和規(guī)律，培養(yǎng)學生獲取知識的能力、實驗動手能力、綜合分析能力、運用多學科知識解決實際問題的能力。教師要積極引導學生從學科交叉中得到創(chuàng)新的啟發(fā)，將各科知識融會貫通，學會舉一反三，培養(yǎng)和發(fā)展學生的創(chuàng)造性思維。

4.3設計性實驗

教師根據(jù)光學生物成像技術研究的熱點和發(fā)展趨勢，選擇適合的實驗內(nèi)容的范圍，提出實驗目的與要求，讓學生主動查閱相關文獻，設計實驗方案，記錄實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。教師也可以讓學生對感興趣的課題做一些創(chuàng)新實驗，如實驗儀器和實驗方法的改進，這類實驗以建立創(chuàng)新理念為最低要求，對時間和研究成果沒有嚴格的限制，學生可以自由組合，敢于提出自己的質(zhì)疑和想法，但是無論最終實驗結(jié)果如何，均要求學生記錄實驗過程和實驗數(shù)據(jù)，撰寫創(chuàng)新實驗小論文。教師根據(jù)創(chuàng)新性的高低、數(shù)據(jù)的處理和分析、小論文的寫作能力等綜合評價，對成績優(yōu)異的學生給予表揚和適當?shù)莫剟睢Ｔ谠O計性實驗教學中，學生占主導地位，教師扮演引導和督促的角色，對學生的實驗課題提出指導性的意見，向?qū)W生介紹科學的研究方法以及科研論文的寫作要求。同時培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度、勇于開拓的創(chuàng)新意識和相互協(xié)作的團隊精神。

5總結(jié)

通過對光學生物成像技術教學內(nèi)容的改革，教師在教學過程中極大激發(fā)學生的學習興趣，營造了良好的學習和實驗氛圍，提高了學生的實際操作能力，培養(yǎng)學生實事求是的科研態(tài)度，增強他們綜合應用能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型和應用型人才打下堅實的基礎。

參考文獻

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作者：鄭璐璐 單位：上海理工大學