文思怡 楊 念 羅芬蘭 喬啟城

陸軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室，重慶 400038

膜片鉗技術(shù)采用尖端開口在1～5 μm 的硅酸鹽玻璃電極與細胞膜緊密接觸，形成G 歐姆級別（10～100 GΩ）的緊密封接，從而實現(xiàn)高信噪比的記錄[1]。該技術(shù)于1976 年由德國兩位科學(xué)家Neher 和Sakmann 發(fā)明，其出現(xiàn)革命性地推動了在單細胞水平對可興奮細胞（神經(jīng)元和心肌細胞等）放電活動及其離子通道基礎(chǔ)的研究，為理解神經(jīng)系統(tǒng)電活動打開了微觀世界的入口[2]。自發(fā)明以來，該技術(shù)一直是生理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科在細胞、離子通道功能研究中不可替代的技術(shù)手段[3-4]，是醫(yī)學(xué)生生理學(xué)基礎(chǔ)課程“細胞生理學(xué)”一章中“細胞的電活動”相關(guān)內(nèi)容理解的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。盡管如此，就完整理解并掌握這一技術(shù)而言，由于膜片鉗系統(tǒng)造價昂貴，且該技術(shù)在理論掌握上涉及如生物物理學(xué)、電化學(xué)等多個交叉學(xué)科知識，其在醫(yī)學(xué)本科生中的實驗課開展一直處于摸索階段，并多以觀摩為主，學(xué)生所獲甚少。陸軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡稱“我校”）生理教研室在長期成熟應(yīng)用膜片鉗技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先在我校生物技術(shù)四年制本科專業(yè)嘗試開展系統(tǒng)性的膜片鉗實驗教學(xué)探索，并于近年將膜片鉗實驗教學(xué)廣泛應(yīng)用到本科生生理創(chuàng)新實驗班的教學(xué)中。本文將近年來授課內(nèi)容、方式及經(jīng)驗進行總結(jié)，以便將該基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要技術(shù)的實驗教學(xué)在更大范圍內(nèi)進行推廣，為本科階段引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手實踐能力奠定堅實基礎(chǔ)。

1 膜片鉗實驗教學(xué)的思考和設(shè)計

1.1 膜片鉗實驗教學(xué)實施背景及必要性分析

生理學(xué)是闡述機體正常生命活動規(guī)律的科學(xué)，學(xué)習(xí)生理學(xué)要從細胞分子水平、器官和系統(tǒng)水平及整體水平的邏輯規(guī)律展開，同時將不同水平有機結(jié)合、相互關(guān)聯(lián)、相互補充，才能全面地掌握生理學(xué)的基本理論和基本技能。由此可見，“細胞的基本功能”這一章節(jié)的學(xué)習(xí)是掌握機體所有生命活動和基本生理過程的基礎(chǔ)。從細胞分子水平對生理學(xué)進行學(xué)習(xí)，既往教師通常采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法對學(xué)生進行系統(tǒng)的理論講解，結(jié)合板書、圖片或動畫展示的方法來揭示細胞生物電活動等生理過程，但由于所涉及的知識點和相關(guān)生理過程非常抽象和復(fù)雜，對學(xué)生來說理解難度非常大。此外，針對這一章節(jié)所設(shè)計的實驗課程“骨骼肌收縮”和“神經(jīng)干動作電位”也是傳統(tǒng)的驗證性實驗，對于學(xué)生的啟發(fā)和提高作用也非常有限。在這種相對傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育模式下，大部分學(xué)生更加注重對書本理論知識和基本實驗技能的掌握，通常忽視了科研能力和創(chuàng)新思維的提升，從長遠角度來看，不利于高素質(zhì)綜合型醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)[5]。膜片鉗技術(shù)作為生命科學(xué)研究領(lǐng)域最為經(jīng)典的實驗技術(shù)之一，由于其分辨率高、靈敏性佳、靈活性好、應(yīng)用范圍廣的特點，已經(jīng)成為研究細胞水平生理功能不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，具有較高的權(quán)威性和精確性[6]。該技術(shù)通過記錄全細胞電流或單個離子通道的離子電流，可以反映整個細胞或細胞膜上單一離子通道的電活動，并將這種抽象的電活動進行具象的展示和記錄，同時，膜片鉗技術(shù)也是研究細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制、離子通道及受體機制最為重要的技術(shù)手段，對這一技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握必將極大地促進學(xué)生對于“細胞的基本功能”這一章節(jié)相關(guān)內(nèi)容的理解和應(yīng)用?？紤]到膜片鉗實驗技術(shù)的獨特優(yōu)勢，我校生理教研室決定將該技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)本科生的實驗教學(xué)當(dāng)中，以期通過系統(tǒng)化的教學(xué)實現(xiàn)學(xué)生對該技術(shù)的初步掌握和應(yīng)用，不僅可以鞏固和拓展理論課的學(xué)習(xí)，還能為以后的臨床科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。

1.2 膜片鉗實驗教學(xué)對象特點分析

在實施實驗教學(xué)之前，我校生理教研室也考慮到膜片鉗技術(shù)的基本理論理解對化學(xué)和物理等交叉學(xué)科知識背景要求較高，且膜片鉗技術(shù)儀器比較精密復(fù)雜，這導(dǎo)致學(xué)生難以熟練和深入掌握該項技術(shù)[7]。雖然該階段的醫(yī)學(xué)本科生已經(jīng)進行了部分相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)，但這些學(xué)生的工科知識較為薄弱，其知識構(gòu)架對完全掌握膜片鉗技術(shù)的基本原理（電化學(xué)反應(yīng)和生物物理電路等）仍顯不足。因此，在該階段如果過多講授膜片鉗技術(shù)的基本原理不僅學(xué)生難以理解，還會影響學(xué)生對該技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

1.3 膜片鉗實驗教學(xué)設(shè)計

基于以上分析，如何在有限的時間內(nèi)，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生理解膜片鉗技術(shù)，使其掌握后續(xù)自主學(xué)習(xí)的能力是我校生理教研室在教學(xué)中需要始終貫徹的理念。因此，我校生理教研室在教學(xué)設(shè)計中僅保留了對全細胞膜片鉗記錄方式基本原理和基本操作的講述，力求在有限的理論授課時間內(nèi)引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，觸類旁通。在此基礎(chǔ)上開展的膜片鉗實驗課堂教學(xué)主要包括5 個階段：第一階段利用上課前的課余時間，目的是調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，明確方向，以布置課前思考題的方式鼓勵學(xué)生進行課前預(yù)習(xí)和查閱相關(guān)資料，為課堂教學(xué)做好準備；第二階段是課堂理論教學(xué)階段，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，夯實基礎(chǔ)，以多樣化的教學(xué)手段系統(tǒng)講授理論基礎(chǔ)和操作要點，最大限度地提高課堂教學(xué)效率；第三階段在理論教學(xué)之后，目的是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，啟發(fā)創(chuàng)新，以自主設(shè)計為主教師指導(dǎo)為輔的方式幫助指導(dǎo)學(xué)生完成實驗設(shè)計；第四階段為實驗操作階段，目的是加強學(xué)生動手實踐能力和團隊協(xié)作能力，鞏固提高，以學(xué)生合作完成實驗設(shè)計內(nèi)容的方式，解決具體的科學(xué)問題；第五階段是利用課后的課余時間，目的是訓(xùn)練學(xué)生總結(jié)分析的能力，查漏補缺，以撰寫實驗報告的形式全面分析實驗結(jié)果，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，有興趣的同學(xué)可繼續(xù)參與相關(guān)的科研項目。

1.4 教學(xué)模式及課時安排

理論授課中采取集中式授課教學(xué)（約2 個學(xué)時），然后分組（5 名學(xué)生為一組）進行實驗操作（約8 個學(xué)時），參考教材為本室自主編寫的《生理學(xué)技術(shù)及實驗指導(dǎo)》第1 版[8]和第2 版[9]。理論授課中，避免單一的講述式教學(xué)模式，結(jié)合圖片和動畫，便于學(xué)生理解復(fù)雜的膜片鉗技術(shù)原理。并借助錄制的操作視頻，結(jié)合視頻講解全細胞膜片鉗的封接要領(lǐng)。課堂教學(xué)中，注意設(shè)計啟發(fā)性的課堂問題，供學(xué)生分組討論，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的創(chuàng)新思維能力。在掌握基本理論知識后，以小組為單位進行實驗設(shè)計，嘗試解決具體的科學(xué)問題，教師對實驗方案予以適當(dāng)建議和指導(dǎo)。實驗操作中，每個學(xué)生均在教師的指導(dǎo)下完成1～2 次完整的全細胞封接練習(xí)，全面掌握細胞電活動各項指標的識別，并以小組協(xié)作的方式完成所設(shè)計的實驗方案。

2 膜片鉗實驗教學(xué)的實踐和探索

2.1 課前準備階段

課前預(yù)習(xí)對于醫(yī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)十分重要，提前熟悉學(xué)習(xí)內(nèi)容利于對專業(yè)知識更好的理解和掌握[10]。對于膜片鉗實驗教學(xué)，由于教師的講解僅占課堂時間的少數(shù)，學(xué)生要順利完成實驗任務(wù)，必須在課前進行充分準備?？紤]到膜片鉗實驗教學(xué)的特殊性，教師會提前將預(yù)習(xí)任務(wù)和需要復(fù)習(xí)的理論章節(jié)內(nèi)容告知學(xué)生，敦促學(xué)生在復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，對膜片鉗技術(shù)原理進行預(yù)習(xí)，另外引導(dǎo)學(xué)生通過查閱文獻及相關(guān)資料，完成課前思考題：以生理學(xué)“細胞的電活動”章節(jié)所學(xué)基礎(chǔ)知識舉例說明膜片鉗技術(shù)的應(yīng)用。

2.2 課堂理論教學(xué)階段

改變傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式[11]，首先通過學(xué)生對思考題的回答檢驗其預(yù)習(xí)效果，指導(dǎo)學(xué)生查閱資料及相關(guān)文獻的方法和策略，引導(dǎo)其自主學(xué)習(xí)。在授課過程中，結(jié)合動畫、錄像有針對性地精煉講解膜片鉗技術(shù)最基本原理，將理論知識用邏輯線條貫穿起來，讓學(xué)生形成系統(tǒng)思維，便于理解。安排好教學(xué)內(nèi)容的順序與重難點，由淺入深、由表及里，有層次、有步驟地給學(xué)生講授實驗基本技能和儀器操作方法，講解完成后，隨機讓學(xué)生進行發(fā)言，簡述所學(xué)內(nèi)容，了解學(xué)生對課堂所學(xué)知識的理解和掌握情況。結(jié)合臨床研究和科學(xué)前沿，重點闡述膜片鉗技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的具體應(yīng)用，并與學(xué)生進行研討互動，啟發(fā)學(xué)生用所學(xué)知識解釋或解決具體的科學(xué)問題。

2.3 課堂實驗設(shè)計階段

自主實驗設(shè)計教學(xué)有助于學(xué)生創(chuàng)新思維和科研能力的培養(yǎng)[12]，因此，我校生理教研室對學(xué)生加強了這一環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。在理論授課結(jié)束后，5 名學(xué)生為一組，根據(jù)教師提供的4～5 項創(chuàng)新性實驗提綱，每組學(xué)生自主選擇其中一項。然后結(jié)合理論課對“細胞的電活動”這一章節(jié)的學(xué)習(xí)、課前查閱的文獻資料、自身感興趣的問題及實驗課程中膜片鉗相關(guān)理論知識與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，各實驗小組圍繞實驗提綱進行組內(nèi)討論，提出自己想解決的具體科學(xué)問題，考慮如何應(yīng)用膜片鉗技術(shù)進行解決，并對實驗提綱進行進一步的補充和細化，由教師進行評估輔導(dǎo)，協(xié)助學(xué)生完善實驗設(shè)計內(nèi)容。

2.4 課堂實驗操作階段

由學(xué)生獨立完成實驗前準備，然后在教師指導(dǎo)下依次進行上機操作，進行封接和破膜操作嘗試。在這個過程中，通過自己準備實驗材料、實踐操作、觀察和分析結(jié)果，從而對膜片鉗技術(shù)的基本原理和操作有更加深刻的認識，并將其轉(zhuǎn)化為自身的技能。同時小組成員進行分工合作，通過所學(xué)技能完成自行設(shè)計的實驗方案，實驗過程中遇到的問題通過和組員及教師討論予以解決，做到學(xué)以致用，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、動手能力和科研技能均得到顯著提高。

2.5 分析總結(jié)階段

總結(jié)實驗成敗經(jīng)驗教訓(xùn)，完成實驗報告。課堂教學(xué)結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)實驗結(jié)果，利用課余時間撰寫實驗報告，將實驗過程中的發(fā)現(xiàn)和問題進行系統(tǒng)地總結(jié)，對于非預(yù)期或未成功的實驗分析原因并提出改進措施。此外，要求學(xué)生對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析整理，結(jié)合所學(xué)理論知識和查閱文獻對數(shù)據(jù)進行科學(xué)解釋，培養(yǎng)學(xué)生基本的自主科研能力。

3 膜片鉗技術(shù)實驗教學(xué)的經(jīng)驗總結(jié)

我校生理教研室多年在醫(yī)學(xué)本科生中系統(tǒng)推廣膜片鉗實驗教學(xué)，不斷擴大覆蓋人數(shù)，旨在夯實理論、培養(yǎng)技能、啟發(fā)思維、引導(dǎo)創(chuàng)新。通過膜片鉗實驗教學(xué)在醫(yī)學(xué)本科生中的推廣，學(xué)生對“細胞生理”這部分的內(nèi)容有了更加深刻的認識和理解，并在后續(xù)生理學(xué)課程的學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更加扎實的基礎(chǔ)及更加敏捷的思維，學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率均明顯提高。此外，膜片鉗實驗教學(xué)的“五階段”教學(xué)模式給予了學(xué)生更多自主學(xué)習(xí)、獨立思考和辯證討論的空間，打破了既往傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，不僅能夠最大程度地夯實專業(yè)知識，更為重要的是極大地激發(fā)了他們的探索精神和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了從“理解掌握”到“探索創(chuàng)新”的質(zhì)變，為學(xué)生以后的臨床和科研工作打下了堅實的基礎(chǔ)。從2017 年至今，通過膜片鉗實驗教學(xué)的培訓(xùn)，我校多名醫(yī)學(xué)本科生在生理教研室的指導(dǎo)下，以膜片鉗技術(shù)為基礎(chǔ)，申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目共計十余個，獲得醫(yī)學(xué)科研類競賽獎項4 項，以第一作者發(fā)表SCI 論文3 篇，參與發(fā)表SCI 論文十余篇，在此過程中學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力均得到了顯著的提升，符合當(dāng)代醫(yī)學(xué)教育對于高素質(zhì)綜合性醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的要求與目標。

3.1 需明確教學(xué)目的，合理安排教學(xué)內(nèi)容，避免“灌輸式”和“走馬觀花式”教學(xué)

膜片鉗實驗的開展是在以往經(jīng)典的驗證性生理實驗的基礎(chǔ)上，進一步引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)實驗研究的興趣，避免“灌輸式”和“走馬觀花式”教學(xué)[13-14]。我校生理教研室在教學(xué)探索過程中發(fā)現(xiàn)，由于該技術(shù)的實驗原理和實驗操作十分復(fù)雜，如果教學(xué)目的不夠明確，極易出現(xiàn)以下兩類問題。一是“灌輸式”教學(xué)，即教學(xué)過程中忽略學(xué)生知識背景體系，過分側(cè)重對復(fù)雜原理的講述。這種教學(xué)過程中，學(xué)生極易產(chǎn)生畏難情緒，并失去對該實驗主動探索的興趣。二是“走馬觀花式”教學(xué)，即什么內(nèi)容都講，但又都沒講透，授課內(nèi)容缺少主線。這類教學(xué)過程中，學(xué)生往往學(xué)而無所獲，教學(xué)效果較差。這兩類問題產(chǎn)生的根本原因均在于未能明確教學(xué)目的，合理安排教學(xué)內(nèi)容。通過長時間的教學(xué)探索，我校生理教研室認為對于本科階段的學(xué)生不應(yīng)過分強調(diào)膜片鉗技術(shù)背后的復(fù)雜原理，而應(yīng)側(cè)重于理解膜片鉗技術(shù)的應(yīng)用，即該技術(shù)可以在哪些方面應(yīng)用服務(wù)于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及如何去設(shè)計實驗幫助自己解決研究中具體的科學(xué)問題。

3.2 需特別強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

膜片鉗實驗技術(shù)課堂教學(xué)質(zhì)量的保證，需充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[15]。當(dāng)代基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育理念普遍認為在實驗教學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、思維能力、創(chuàng)新能力等綜合能力是本科教育教學(xué)的重要目標[16-17]。而膜片鉗技術(shù)實驗教學(xué)想要完成這一目標必須強調(diào)課前、課中和課后全程的自主學(xué)習(xí)，即課前要求學(xué)生預(yù)習(xí)熟悉相關(guān)理論知識（如生理學(xué)細胞的電活動章節(jié)），并通過查閱文獻增加對前沿進展的了解。在授課中，通過互動和提問來檢驗學(xué)生課前預(yù)習(xí)的效果，把握學(xué)生在理解該技術(shù)上的困難所在。之后，學(xué)生通過自主設(shè)計實驗解決具體科學(xué)問題，以此培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與實踐能力，增強學(xué)生在探索學(xué)習(xí)上的好奇心和自信心，達到培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維和創(chuàng)新能力的目的[18]。實驗教學(xué)過程中，教師的職責(zé)就是啟發(fā)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，啟發(fā)學(xué)生去思考問題、解決問題，以促成以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)體系[19-22]。通過膜片鉗實驗技術(shù)課堂教學(xué)中對學(xué)生的針對性指導(dǎo)，我校生理教研室的最終目的是使學(xué)生掌握解決相關(guān)問題的思路和方法，從而保證學(xué)生在課后有能力進行后續(xù)的自主學(xué)習(xí)，并為后續(xù)參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目奠定基礎(chǔ)。

3.3 大范圍的實踐開展尚受限于硬件設(shè)施條件

膜片鉗設(shè)備造價昂貴，在多數(shù)基礎(chǔ)實驗室中僅配備有1 臺膜片鉗記錄系統(tǒng)，且對該精密設(shè)備的操縱，需要指導(dǎo)教師進行一對一的帶教，這對于實踐階段開展大范圍的膜片鉗教學(xué)提出了師資力量的挑戰(zhàn)[23-24]。以我校生理教研室為例，配備有3 臺膜片鉗記錄系統(tǒng)。在3 名教師的帶教指導(dǎo)下，在8 個學(xué)時的上機操作中可完成對約30 人次的系統(tǒng)操作培訓(xùn)。即便如此，也遠遠不能滿足對我校醫(yī)學(xué)本科生的大范圍培訓(xùn)指導(dǎo)。對于這一問題，我校生理教研室的解決方向是將該技術(shù)的實驗課教學(xué)與第二課堂的創(chuàng)新實驗教育相結(jié)合，在課上完成基本的培訓(xùn)之后，課下鼓勵有興趣的學(xué)生利用第二課堂的時間繼續(xù)到實驗室進行學(xué)習(xí)交流。

4 小結(jié)與展望

對本科生的創(chuàng)新教育是高等教育的核心理念之一[25-26]。創(chuàng)新來源于實踐，以往的經(jīng)典生理實驗中的內(nèi)容包含過多的驗證性實驗內(nèi)容，在強調(diào)創(chuàng)新教育的今天略顯不足。近年來，我校生理教研室逐步嘗試將學(xué)科前沿技術(shù)（如本文中的膜片鉗技術(shù)）應(yīng)用到醫(yī)學(xué)本科生的實驗教學(xué)當(dāng)中。這些前沿技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用，極大地激發(fā)了學(xué)生對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的興趣并開拓了他們的視野。在這一過程中，明確教學(xué)目的并合理安排教學(xué)內(nèi)容是保障教學(xué)效果的重中之重。筆者相信，這些前沿技術(shù)走進本科課堂，必將在極大程度上幫助醫(yī)學(xué)本科學(xué)生創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)。