激光共聚焦显微技术多元化教学实践探讨

                        ——基于开放共享背景下

舒  薇¹，周静韵¹，徐汉虹²   

（1. 华南农业大学 测试中心，广东 广州510642；2.华南农业大学 植物保护学院，广东 广州510642）

[摘 要] 激光共聚焦显微镜是使用率极高的大型精密仪器，开放使用势在必行。开放共享背景下，加强开放实验室管理，尤其是加强用户的教学培训已成为一项重要的核心工作。以打牢专业理论基础、加强运用操作技能为目标，构建和实践探索了以课程教学、上机培训为主，技术讲座与专题报告、见习观摩教学、微信学习交流等为辅的“多层次、多形式”教学培训体系，为广大师生双向的教与学及开放实验室管理提供参考。

[关键词] 开放共享；激光共聚焦显微技术; 教学培训体系

[作者简介] 舒薇（1968-），女，黑龙江哈尔滨人，博士，华南农业大学测试中心副教授，主要从事生物显微技术方面的研究；周静韵（1985-），女，广东广州人，硕士，华南农业大学测试中心实验师，主要从事生物显微技术方面的研究；徐汉虹（1961-），男，湖北仙桃人，博士，华南农业大学植保学院教授（通信作者），主要从事植物性农药方面的研究。

[中图分类号] G642    [文献标志码] A   

    一、引言

高校测试中心不仅是集高、精、尖大型精密仪器的公共测试平台，更是高校重要的科技创新和高层次人才培养的前沿基地。近几年来，随着科研水平的不断提高，测试中心大型仪器的使用率不断提高，8小时工作时间难以满足广大师生科研测试需求。为了支持科研、充分提高仪器利用率和效益，大型仪器全天候对外开放势在必行^[1]。在校领导和资产处等部门指导和支持下，测试中心决定试点并逐步开放大型仪器的全天候使用。

激光扫描共聚焦显微镜是上世纪八十年代发展起来的集各种先进组件及技术于一体的大型精密仪器，是形态学、分子生物学、神经科学、药理学、病理学、免疫学、发育生物学等领域不可替代的科研利器。测试中心LEICA TCS SP8 STED 3X超高分辨激光共聚焦显微镜自2017年2月安装运行以来使用率一直居高不下，是测试中心使用率最高的大型精密仪器之一，为科研尤其是重点科研团队的前沿科研提供了强有力的技术支持和保障。

应广大师生的强烈要求， 2018年初测试中心决定首推激光共聚焦显微镜作为全天候开放使用的试点仪器。

二、激光共聚焦开放共享实验室建设与管理

   （一）激光共聚焦开放实验室建设

经充分调研和与上级部门研讨规划，激光共聚焦开放实验室确立了 “开放共享、预约有序、仪器用得好、实验作得好、仪器无故障”的开放管理目标，并先后制定和完善了一系列相应配套的管理制度，保证了有章可循的科学规范与制度化管理，同时积极对接和参与到学校一体化的“华农设备共享平台系统”建设，实现了网上预约、审核、门禁刷卡或扫码进入实验室、屏幕控制器管理等。此外，共聚焦实验室还安装了可对讲摄像头，做到了实验室和仪器24小时开放可监管、学生紧急求助可应答，真正实现了开放实验室科学化、信息化和可控化管理。

    （二）开放实验室管理

开放实验室管理包括体系运行管理、仪器管理和用户管理，其中学生用户的流动性及其在知识基础与实践能力的差异给开放运行和实现开放管理目标带来了挑战。开放实验室在做好体系和仪器层面管理基础上，严格用户管理，不仅对上机学生进行实验室安全教育，更着重加强学生知识与技能层面的培养与管理。

1.体系运行日常管理和仪器维护

    共聚焦开放运行离不开日常的体系运行管理和仪器维护。机组老师根据系统不断推送的信息提示做好预约审核、更新统计、发送仪器的各类通知等体系运营工作，此外实验室还要做好仪器和仪器工作环境的日常维护，确保每次实验时共聚焦显微镜都处于良好的工作状态。

2.加强用户管理，全面构建和探索多元化教学培训体系

用户是开放共享体系的主体，合格的用户不仅是正确开展共聚焦实验和仪器安全使用的保障，更是关乎整个开放管理体系稳定顺畅运行的核心要素。如何源源不断地把共聚焦小白们培养成为胜任共聚焦实验的合格用户是开放实验室面临的一项重要课题和工作。为此，共聚焦开放实验室构建了多元化教学培训体系，并对其开展了实践探讨。

三、激光共聚焦显微技术教学体系构建与实践探讨

激光共聚焦显微镜具有价格昂贵、功能复杂强大，专业技术强、尤其是实验全程均需与仪器交互的动手操作特点，使该仪器在全天候开放使用中发生损坏和故障的风险增大。开放体系运行下要实现实验准确可靠而仪器又无故障无损坏的目标，就必须加强该技术教学培训、提高用户的知识与技能水平。以打牢专业理论基础、加强运用操作技能为目标，共聚焦开放实验室构建和实践探索了以课程教学、上机培训为主，技术讲座与专题报告、见习观摩教学、微信学习交流等为辅的“多层次、多形式”教学培训体系，以满足不同基础层次、不同需求的同学灵活而又较全面地学习掌握该技术。

（一）研究生课程的教学改革实践

2010年以来，我校测试中心便开设了春秋两季《生物激光共聚焦显微应用技术》研究生选修课程。2018年为了配合仪器全天候开放并实现开放使用管理目标，激光共聚焦实验室确立了“优化和紧扣核心理论、强化上机实操能力培养”的教改思路，并对研究生课程进行了深入的教改实践探索^[2]。

1.学时：总学时32学时，其中理论课学时由20学时压缩为18学时，实验课学时由12学时增加为14学时。

2.教学内容：在原有理论课内容基础上有增有减，围绕核心知识点优化和梳理出清晰的知识结构，形成了聚焦该技术发展前沿、环环紧扣该技术核心的课程体系^[3,4]。此外实验课内容除了必做的基础实验，还增加了学生自主探索实验以贴近学生今后的实验目标，见表1。

表1 生物激光共聚焦显微应用技术的课程体系

3.教学方式：教学中穿插实验视频。使用微视频、图片等可视化手段，将理论对应的实验状况和操作过程逐一展示和讲解，效果直观而深刻，为后续实验教学的开展做好了铺垫。

4.教学特点：突出重点、难点。由表1可见，光谱知识这一章节是教学重点之一，更是教学的难点，正确的光谱分析和光路设置是获得准确、可靠实验结果的关键。

随着共聚焦实验设计更加精细和近活体层面，双标、三标以上的多标样品十分普遍。因而，实验中荧光光谱交叉串色问题、激发光谱重叠互激问题、自发荧光干扰等问题非常普遍也较为复杂。课堂上老师结合具体实例加以分析，教会学生解决复杂的多色荧光成像方法和原则。如分析荧光光谱窜色程度及其强度情况而采取的多种不同的处理方法、顺序扫描的核心思想和如何设置Seq程序、激发光谱重叠而出现严重互激情况时，如何调整和选择一条合适的激发光谱线、如何采用λ光谱扫描拆分或规避自发荧光范围检测或开启HyD检测器时间门控等各种方法灵活解决自发荧光干扰问题等。

又如，在样品制备技术教学中，结合实验中典型和常见的制样问题，强调制样的要求和原则，以提高样品制备质量。

5.效果分析：激光共聚焦显微技术是理论性和实践性都很强的技术，只有系统全面地掌握该技术的基础理论并具备一定的上机操作技能，学生在今后的实验中才能正确而灵活地开展科研，并大大提高仪器的使用质量和极大降低错误操作率。

实践证明，研究生课程教学是一种重要的传授知识与培养技能的教学形式。通过全面而系统地理论学习和实验演练后，学生明白了每步操作的所然和所以然，使知识得以前后贯通，并在实验过程做到随机应变和正确灵活运用，如根据荧光信号强弱选用不同检测器甚至是改用不同的激光器等，该课程深受学生欢迎，在每学期的学生教学盲评中均获得学生的高度认可，教学效果良好。

（二）上机培训及效果分析

上机培训是另一种主要的教学形式，侧重于仪器的操作使用。共聚焦实验室根据学生报名申请人数，每10-15人就会在共聚焦实验空档时间组织一次上机培训。由于培训周期短、可多次报名参加，对一些想快速学习掌握共聚焦操作技术并急于使用共聚焦的师生有很大吸引力，报名踊跃。

1.培训内容和过程：

首先是对实验室环境及要求、仪器各组件名称及其功能、共聚焦开机顺序及软件包开启等逐一介绍讲解。为了便于开机，我们已把开机的各按键和钥匙按开机顺序进行了编号，同时将开机操作流程和注意事项等内容打印过塑后放置于工作台面上。

然后，老师重点演示讲解实验操作全过程和技术技巧，包括上样、镜下聚焦和荧光信号预览、激光器选择、单色光路和多色成像光路设置及程序编辑、采图常用各模块的选择及使用、功能模块间的转换、图像采集时各参数的按键功能和注意事项、参数优化和原则、荧光定量和共定位测定要点、图像分析和处理工具的使用、数据存储和输出、单纯采图时的图像艺术构图等，期间也穿插少部分原理、各种操作小技巧、使用原则与经验介绍^[5]。

培训的最后，学生可在老师的指导下轮流上机，亲身体会仪器的操作使用，使学生进一步加深了对该技术相关知识和内容的理解。学生可多次参加现场培训以及观看培训录像反复学习，考核通过后学生作为初级用户即可预约实验。

2.培训方式：现场培训与共享资源学习。学生在现场培训和演练后，可登录公共邮箱，下载当次或以往录制的现场培训视频反复观看学习，对掌握该技术起到了巩固作用。

3.效果分析：激光共聚焦实验不是简单的仪器操作和软件包各模块的使用，而更重要的是要根据样品本身特点和样品制备质量等多因素来做出正确的光路和程序设置、采图各参数的优化和平衡、荧光信号和干扰信号的分析和处理。理论是实践的基础，缺少共聚焦相关的基础理论知识而仅仅掌握仪器的常规操作和使用，使学生在共聚焦实验中常常出现各种问题，如样品破碎、漂移、样品过密或过疏或过厚、荧光探针标记不上或发光蛋白转导问题、找不到焦面、检测不到荧光信号、串色干扰、背景脏、自发光干扰、荧光检测值或共定位比率不准确、激光过曝、荧光信号过饱和等，反映出主要以学习仪器的使用和操作的上机培训具有局限性和不足。

鉴于此，培训过程中老师会讲授少部分相关理论和结论，并提醒和建议同学们在培训后多学习一点共聚焦有关的理论知识、多看一些相关参考文献和进群交流等以弥补不足。

（三）其它教学模式

开放实验室在加强课程教学与上机培训的同时，还开展多形式的知识普及与技术提升工作以满足广大师生的各类需求。

如每年多次邀请徕卡公司资深应用专家和实验室的老师共同举办激光共聚焦技术讲座，此外还建立了 “测试中心共聚焦自主上机用户群”、 “共聚焦学习交流群”、不同学期开课建立的“研究生课程学习群”等，在群里不仅老师会发送通知、上传拍摄的实验短视频、通报小故障及排除方法、操作问题及注意事项、推送共聚焦科普小知识等，同学们也能在群里交流使用心得和分享实验经验。

    此外，共聚焦开放实验室还允许想进一步加深学习体验的同学进入实验室，观摩见习别人的共聚焦实验，有不懂的地方可以随时请教学习，这对加深理解、快速掌握该技术有所帮助。

四、结语与展望

综上所述，开放共享背景下，激光共聚焦开放实验室通过加强多方面管理，尤其是通过构建和开展教学培训体系的实践探索，扎扎实实打牢了学生的理论基础、强化了运用操作技能，不仅培养出了一批批高科技人才，同时也确保了仪器安全使用和开放共享体系的稳定顺畅运行，最大化发挥出该仪器助力科研和培养创新人才作用，工作成效得到了广大师生的高度认可。然而由于仪器少、课时总数少、培训周期短、仪器科研重等客观原因，学生上机实操的时间和机会十分有限，学习效果见效慢。因而构建“激光共聚焦虚拟仿真模拟操作系统” 十分必要，这也是今后激光共聚焦开放实验室要开展的一项主要工作。相信该模拟操作系统的建立将对提升广大师生的实操能力、培养高层次科技人才提供强大助力。

[参考文献]

[1] 杨光,周永生,王文昌.大型仪器管理模式改革探索[J].实验科学与技术,2013,11(6):343-346.

[2] 李成辉,邓冬艳.激光扫描共聚焦显微技术实验教学方法探索[J].实验室研究与探索,2020,39(12):168-170.

[3] 袁兰.激光扫描共聚焦显微镜技术教程[M].北京大学医学出版社，2004.

[4] 王春兰,黄晓峰,杨家骥,陈志南.激光扫描共聚焦显微镜技术[M].第四军医大学出版社，2004.

[5] 徕卡显微系统（上海）贸易有限公司.Leica TCS SP8 STED超高分辨共聚焦显微镜快速操作手册[M]. 徕卡显微系统（上海）贸易有限公司, 2015.

Exploration of diversified teaching system for laser scanning confocal microscopy under the open and shared background

SHU Wei1,  ZHOU Jing-yun1, XU Han-hong2

(1.Instrumental Analysis & Research Centre, South China Agricultural University, Guangzhou

Guangdong 510642, China;2.College of Plant Protection, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China)

Abstract: Laser scanning confocal microscope is a large precision instrument with high use frequency, it is imperative to open usage. Under the open and shared background, strengthening the technical teaching and training has become an important work. In order to strengthen the theoretical foundation and operational skills, constructed and explored a "multi-level and multi-form" teaching and training system, which mainly based on course teaching and training, assisted by technical lectures, special reports, observational learnning and wechat communication, It provides reference for the teaching and learning of teachers and students as well as the open laboratory management.

Key words: Opening and Sharing; Laser Scanning Confocal Microscopy; Teaching and Training System