新工科背景下的《生物荧光成像实验》与跨学科能力培养
新工科背景下的《生物荧光成像实验》与跨学科能力培养
“新工科背景下的《生物荧光成像实验》与跨学科能力培养”教学改革的主要目标是聚焦于新工科背景下的跨学科能力培养，建设以生物学为出发点的交叉学科实验课程——《生物荧光成像实验》课程，使学生通过本实验课程掌握不同荧光显微成像技术的原理及使用，通过亲自动手搭建荧光显微成像系统，减少对大型高精尖仪器的畏惧感，能自主解决科研过程中遇到的工程学问题，为培养具有数理化信工专长的生命科学交叉拔尖人才服务。
教改项目设计思路
“新工科背景下的《生物荧光成像实验》与跨学科能力培养”教学改革的主要目标是聚焦于新工科背景下的跨学科能力培养，建设以生物学为出发点的交叉学科实验课程——《生物荧光成像实验》课程，使学生通过本实验课程掌握不同荧光显微成像技术的原理及使用，通过亲自动手搭建荧光显微成像系统，减少对大型高精尖仪器的畏惧感，能自主解决科研过程中遇到的工程学问题，为培养具有数理化信工专长的生命科学交叉拔尖人才服务。具体的实施方案从四个方面展开：
1.《生物荧光成像实验》课程内容建设
指导学生分小组“从0到1”自主搭建出超分辨荧光显微成像系统，在仪器搭建过程中引导学生深入学习掌握高精尖仪器的原理，熟悉光电子元器件的使用，了解基本的光学图像处理知识。通过本次课程，引导学生形成交叉学科思维，掌握一定的工程实践经验，能够相对自主地解决未来科研中遇到的显微成像问题。
2.《生物荧光成像实验》课程匹配硬件设施建设
完成课程需要的基础硬件设备采购及搭建。与相关器件厂商进行深入交流学习，建立长期合作关系。
3.《生物荧光成像实验》课程建设的学生反馈
针对本实验课程设计课程问卷，并与学生访谈交流获取学生反馈意见，进一步改进本实验课程的教学内容和教学安排。
4.整理总结
总结形成完备的《生物荧光成像实验》课程教学大纲与教学电子讲义课件
教改项目实施过程
《生物荧光成像实验》课程共34个学时，其中包括八次课程，每次课程4学时，最后一次结课汇报占用2学时。课程授课内容采取深入递进的方式，前一个实验为后一个实验做铺垫。课程总共设计6个实验，分别为：荧光显微成像基础及光学元件使用、宽场荧光显微镜搭建及成像、结构光照明显微成像原理及光路设计、数字微镜阵列控制与结构光产生、结构光照明显微成像系统搭建及光学成像系统性能评估与测量。每次实验课程设对应的实验报告，需在下次实验课程上课之前提交。具体的课程安排见表1所示。学生成绩评定采用实验报告与结课汇报相结合的方式，每次实验报告占比10%，六次实验报告共占比60%，结课汇报占取40%。
表 1《生物荧光成像实验》课程安排
实验一：荧光显微成像基础及光学元件使用
内容包括：荧光显微成像原理介绍；几何光学基础知识；常用光学元件介绍；激光扩束光路调节和空间滤波与光纤耦合。实验目标是熟悉光学元件的使用并完成激光扩束光路调节。
实验二：宽场荧光显微镜搭建及成像
内容包括：宽场荧光显微镜和共聚焦荧光显微镜的原理对比介绍；物镜和透镜耦合调节方法和相机原理介绍及图像采集。实验目标是能画出宽场荧光显微成像系统的光路图并搭建出实物图，利用自己搭建的宽场荧光显微镜完成荧光图像采集和记录。
实验三：结构光照明显微成像原理及光路设计
内容包括：光学衍射极限介绍；超分辨荧光显微成像简介和结构光照明显微成像原理及实现。实验目标是能设计出结构光照明显微成像系统的光路图并在光学平台上初步完成器件摆放。
实验四：数字微镜阵列控制与结构光产生
内容包括：闪耀光栅原理；数字微镜阵列作为闪耀光栅的工作原理；用数字微镜阵列产生结构光；改变结构光的周期和方向观察衍射光点变化。实验目标是能通过数字微镜阵列产生结构光，并通过更改加载在数字微镜阵列上的图案来改变正负一级衍射光点的周期和方向。
实验五：结构光照明显微成像系统搭建
内容包括：结构光照明显微成像系统的调节步骤介绍；六个衍射光点偏振测量与调节；系统硬件同步控制。实验目标是利用结构光照明实现超分辨成像和光层切共聚焦成像。
实验六：光学成像系统性能评估与测量
内容包括：超分辨图像重构和光学成像系统分辨率评估。实验目标是对超分辨成像前后的系统分辨率进行评估测量。
教改项目实施成果
本项目于 2023年2月立项，4月得到学校立项批复，前期已在2022年秋季学期开展了初步探索，经过2023年秋季学期在《生物荧光成像实验》课堂教学中成功实施，达到了项目的预期教改目标，取得了很好的教学成效。本项目的成功实施使得北京大学在全球范围内首次成功推出了符合新工科背景的交叉实验课程建设，随着后续课程的进一步完善，相信本课程将在全球范围内进行广泛推广。项目实施所取得的成效如下：
- 教改项目的相关成果
本项目新开设的《生物荧光成像实验》课程以超分辨荧光显微镜里的结构光照明显微镜为例，从0到1带领同学们搭建一套超分辨荧光显微成像系统，锻炼学生的动手能力和工程实践能力。通过课堂讲解和动手实践相结合的方式展开教学，以小组为单位，增强同学之间的讨论交流，锻炼学生团队合作能力。在本教改项目的支持下，课程取得了进一步的完善和提高。
生物荧光成像实验课堂实录
本课程限选学生20人，2023年秋季学期选满20人，学生4人为一组，共分为四个小组。课程一共分八次完成，每次4个学时，课程第一个学时为理论讲授部分，后三个学时为学生动手搭建环节。课程从基础的宽场荧光显微镜搭建入手，使学生们了解基本的光学元件使用和显微成像原理，通过宽场荧光显微镜对生物样本的直接成像让学生迅速从课程中获得正反馈，激发学生兴趣。进一步引导学生思考从宽场荧光显微镜突破光学衍射极限的方法，大胆构想实现超分辨荧光成像的方法并进行光路设计。在此基础上一步步带领同学们完成结构光超分辨荧光显微镜的搭建。最后，通过光学成像系统性能评估与测量的学习，使得学生能够对任何显微系统的分辨率、信噪比等质量进行评估分析，特别是可以完成结构光照明显微镜的超分辨重建以及宽场荧光显微镜和超分辨荧光显微镜分辨率的对比分析。课程按照教学计划圆满完成，5个小组均在课程结束时完成了超分辨荧光显微镜的搭建。
教学大纲修改版系统提交
学生作业及课程汇报反馈
课程通过学生每节课的实验进度和反馈，重新制定修改了课程教学大纲并已在系统上完成修改提交。2023年秋季学期本课程共收到学生实验报告100份，这些报告中整合了课堂中详细的实验操作流程，未来将可以整理成为课程的指导实验手册。同时，课程还收取了包括个人和小组在内的共计11份结课汇报PPT，这些PPT充分展示了同学们在课堂中的学习收获，证明课程达到了预期目标。
- 学生反馈
问卷调研显示，超过一半的学生认为课程教学目标明确，安排清晰合理；课程的内容具有挑战性，可以促进学生开展主动学习；课程设置的考核评价方式能够反应学生的学习成效；课程选用的参考资料适用于课程教学；通过课程学生完善了自己的知识结构，提升了自我能力。每个同学都在课下花了一定的时间来完善课堂学习。这些正面的反馈表明课程在多个方面为学生提供了有益的学习体验，使其在学业和个人发展方面都有所提升。
也有部分学生对课程提供了非常宝贵的建议，如课程安排过于紧凑，实验任务较重，希望能够进一步增加课程学时；课程缺乏细节的指导性资料，希望能出一个详细的实验指导书/指导手册，帮助学生课堂上更顺畅地完成实验。这些都是非常宝贵的建议，也是课程下一步完善建设的重点目标。
生物荧光成像实验课程的学生反馈情况
- 项目的影响辐射
在项目执行期间，项目负责人参访了锐光凯奇和麓邦光电两家专业从事光学显微成像系统制造、搭建以及零部件生产的厂家。通过与这两家厂家的沟通学习经验，成功建立了长期的合作关系。这次合作不仅为项目提供了宝贵的实践经验和技术支持，同时也为课程和厂家之间的深度合作搭建了坚实的桥梁。在合作的基础上，项目与厂家将共同推出课程的教学成像系统工具包，使得超分辨荧光显微镜变成一个大型的乐高玩具，目前已经与麓邦签署技术秘密许可协议，完成初步转化，相关教学系统已经在麓邦官方商城网站上线，为后续课程在其他高校的推广奠定了基础。这种创新的合作方式有望为学生提供更丰富、实践性更强的学习体验，同时也促进了教育界与产业界的深度互动和合作。
课程教学系统在麓邦官方商城已上线
在北京大学第二十三届青年教师教学基本功比赛中，项目负责人在项目实施期间斩获课程思政奖、优秀教案奖、最佳教学演示奖以及最受学生欢迎奖，完美包揽了比赛的所有奖项。这充分表明课程内容深受老师和同学们的喜爱。
与此同时，项目负责人参与了“共建共享、同向同行”华东五校国家级实验教学示范中心联盟2023年交流会，与清华大学、复旦大学等高校实验教学中心的老师进行深入交流，并介绍了项目中建设的课程。这次交流也获得了老师们的一致好评，他们反馈表示期待在课程建设进一步完善后能够在其他高校展开更广泛的推广。
项目负责人参加青年教师教学基本功比赛并斩获全部奖项
来源 | 生命科学学院