文思怡 杨 念 罗芬兰 乔啟城

陆军军医大学基础医学院生理学教研室，重庆 400038

膜片钳技术采用尖端开口在1～5 μm 的硅酸盐玻璃电极与细胞膜紧密接触，形成G 欧姆级别（10～100 GΩ）的紧密封接，从而实现高信噪比的记录[1]。该技术于1976 年由德国两位科学家Neher 和Sakmann 发明，其出现革命性地推动了在单细胞水平对可兴奋细胞（神经元和心肌细胞等）放电活动及其离子通道基础的研究，为理解神经系统电活动打开了微观世界的入口[2]。自发明以来，该技术一直是生理学、神经生物学等基础学科在细胞、离子通道功能研究中不可替代的技术手段[3-4]，是医学生生理学基础课程“细胞生理学”一章中“细胞的电活动”相关内容理解的重要基础技术之一。尽管如此，就完整理解并掌握这一技术而言，由于膜片钳系统造价昂贵，且该技术在理论掌握上涉及如生物物理学、电化学等多个交叉学科知识，其在医学本科生中的实验课开展一直处于摸索阶段，并多以观摩为主，学生所获甚少。陆军军医大学（以下简称“我校”）生理教研室在长期成熟应用膜片钳技术的基础上，首先在我校生物技术四年制本科专业尝试开展系统性的膜片钳实验教学探索，并于近年将膜片钳实验教学广泛应用到本科生生理创新实验班的教学中。本文将近年来授课内容、方式及经验进行总结，以便将该基础医学领域重要技术的实验教学在更大范围内进行推广，为本科阶段引导学生创新思维和动手实践能力奠定坚实基础。

1 膜片钳实验教学的思考和设计

1.1 膜片钳实验教学实施背景及必要性分析

生理学是阐述机体正常生命活动规律的科学，学习生理学要从细胞分子水平、器官和系统水平及整体水平的逻辑规律展开，同时将不同水平有机结合、相互关联、相互补充，才能全面地掌握生理学的基本理论和基本技能。由此可见，“细胞的基本功能”这一章节的学习是掌握机体所有生命活动和基本生理过程的基础。从细胞分子水平对生理学进行学习，既往教师通常采用传统的教学方法对学生进行系统的理论讲解，结合板书、图片或动画展示的方法来揭示细胞生物电活动等生理过程，但由于所涉及的知识点和相关生理过程非常抽象和复杂，对学生来说理解难度非常大。此外，针对这一章节所设计的实验课程“骨骼肌收缩”和“神经干动作电位”也是传统的验证性实验，对于学生的启发和提高作用也非常有限。在这种相对传统的医学教育模式下，大部分学生更加注重对书本理论知识和基本实验技能的掌握，通常忽视了科研能力和创新思维的提升，从长远角度来看，不利于高素质综合型医学人才的培养[5]。膜片钳技术作为生命科学研究领域最为经典的实验技术之一，由于其分辨率高、灵敏性佳、灵活性好、应用范围广的特点，已经成为研究细胞水平生理功能不可或缺的关键技术，具有较高的权威性和精确性[6]。该技术通过记录全细胞电流或单个离子通道的离子电流，可以反映整个细胞或细胞膜上单一离子通道的电活动，并将这种抽象的电活动进行具象的展示和记录，同时，膜片钳技术也是研究细胞信号转导机制、离子通道及受体机制最为重要的技术手段，对这一技术的学习和掌握必将极大地促进学生对于“细胞的基本功能”这一章节相关内容的理解和应用。考虑到膜片钳实验技术的独特优势，我校生理教研室决定将该技术应用到医学本科生的实验教学当中，以期通过系统化的教学实现学生对该技术的初步掌握和应用，不仅可以巩固和拓展理论课的学习，还能为以后的临床科研工作奠定良好的基础。

1.2 膜片钳实验教学对象特点分析

在实施实验教学之前，我校生理教研室也考虑到膜片钳技术的基本理论理解对化学和物理等交叉学科知识背景要求较高，且膜片钳技术仪器比较精密复杂，这导致学生难以熟练和深入掌握该项技术[7]。虽然该阶段的医学本科生已经进行了部分相关基础学科的学习，但这些学生的工科知识较为薄弱，其知识构架对完全掌握膜片钳技术的基本原理（电化学反应和生物物理电路等）仍显不足。因此，在该阶段如果过多讲授膜片钳技术的基本原理不仅学生难以理解，还会影响学生对该技术学习的兴趣和积极性。

1.3 膜片钳实验教学设计

基于以上分析，如何在有限的时间内，引导启发学生理解膜片钳技术，使其掌握后续自主学习的能力是我校生理教研室在教学中需要始终贯彻的理念。因此，我校生理教研室在教学设计中仅保留了对全细胞膜片钳记录方式基本原理和基本操作的讲述，力求在有限的理论授课时间内引导学生举一反三，触类旁通。在此基础上开展的膜片钳实验课堂教学主要包括5 个阶段：第一阶段利用上课前的课余时间，目的是调动学生的学习积极性，明确方向，以布置课前思考题的方式鼓励学生进行课前预习和查阅相关资料，为课堂教学做好准备；第二阶段是课堂理论教学阶段，目的是激发学生的学习兴趣，夯实基础，以多样化的教学手段系统讲授理论基础和操作要点，最大限度地提高课堂教学效率；第三阶段在理论教学之后，目的是培养学生的自主学习能力，启发创新，以自主设计为主教师指导为辅的方式帮助指导学生完成实验设计；第四阶段为实验操作阶段，目的是加强学生动手实践能力和团队协作能力，巩固提高，以学生合作完成实验设计内容的方式，解决具体的科学问题；第五阶段是利用课后的课余时间，目的是训练学生总结分析的能力，查漏补缺，以撰写实验报告的形式全面分析实验结果，总结经验教训，有兴趣的同学可继续参与相关的科研项目。

1.4 教学模式及课时安排

理论授课中采取集中式授课教学（约2 个学时），然后分组（5 名学生为一组）进行实验操作（约8 个学时），参考教材为本室自主编写的《生理学技术及实验指导》第1 版[8]和第2 版[9]。理论授课中，避免单一的讲述式教学模式，结合图片和动画，便于学生理解复杂的膜片钳技术原理。并借助录制的操作视频，结合视频讲解全细胞膜片钳的封接要领。课堂教学中，注意设计启发性的课堂问题，供学生分组讨论，培养学生举一反三的创新思维能力。在掌握基本理论知识后，以小组为单位进行实验设计，尝试解决具体的科学问题，教师对实验方案予以适当建议和指导。实验操作中，每个学生均在教师的指导下完成1～2 次完整的全细胞封接练习，全面掌握细胞电活动各项指标的识别，并以小组协作的方式完成所设计的实验方案。

2 膜片钳实验教学的实践和探索

2.1 课前准备阶段

课前预习对于医学课程的学习十分重要，提前熟悉学习内容利于对专业知识更好的理解和掌握[10]。对于膜片钳实验教学，由于教师的讲解仅占课堂时间的少数，学生要顺利完成实验任务，必须在课前进行充分准备。考虑到膜片钳实验教学的特殊性，教师会提前将预习任务和需要复习的理论章节内容告知学生，敦促学生在复习相关理论知识的基础上，对膜片钳技术原理进行预习，另外引导学生通过查阅文献及相关资料，完成课前思考题：以生理学“细胞的电活动”章节所学基础知识举例说明膜片钳技术的应用。

2.2 课堂理论教学阶段

改变传统的“灌输式”教学模式[11]，首先通过学生对思考题的回答检验其预习效果，指导学生查阅资料及相关文献的方法和策略，引导其自主学习。在授课过程中，结合动画、录像有针对性地精炼讲解膜片钳技术最基本原理，将理论知识用逻辑线条贯穿起来，让学生形成系统思维，便于理解。安排好教学内容的顺序与重难点，由浅入深、由表及里，有层次、有步骤地给学生讲授实验基本技能和仪器操作方法，讲解完成后，随机让学生进行发言，简述所学内容，了解学生对课堂所学知识的理解和掌握情况。结合临床研究和科学前沿，重点阐述膜片钳技术在医学研究中的具体应用，并与学生进行研讨互动，启发学生用所学知识解释或解决具体的科学问题。

2.3 课堂实验设计阶段

自主实验设计教学有助于学生创新思维和科研能力的培养[12]，因此，我校生理教研室对学生加强了这一环节的训练。在理论授课结束后，5 名学生为一组，根据教师提供的4～5 项创新性实验提纲，每组学生自主选择其中一项。然后结合理论课对“细胞的电活动”这一章节的学习、课前查阅的文献资料、自身感兴趣的问题及实验课程中膜片钳相关理论知识与应用的学习，各实验小组围绕实验提纲进行组内讨论，提出自己想解决的具体科学问题，考虑如何应用膜片钳技术进行解决，并对实验提纲进行进一步的补充和细化，由教师进行评估辅导，协助学生完善实验设计内容。

2.4 课堂实验操作阶段

由学生独立完成实验前准备，然后在教师指导下依次进行上机操作，进行封接和破膜操作尝试。在这个过程中，通过自己准备实验材料、实践操作、观察和分析结果，从而对膜片钳技术的基本原理和操作有更加深刻的认识，并将其转化为自身的技能。同时小组成员进行分工合作，通过所学技能完成自行设计的实验方案，实验过程中遇到的问题通过和组员及教师讨论予以解决，做到学以致用，使学生的学习积极性、动手能力和科研技能均得到显著提高。

2.5 分析总结阶段

总结实验成败经验教训，完成实验报告。课堂教学结束后，指导学生分析总结实验结果，利用课余时间撰写实验报告，将实验过程中的发现和问题进行系统地总结，对于非预期或未成功的实验分析原因并提出改进措施。此外，要求学生对获得的实验数据进行统计分析整理，结合所学理论知识和查阅文献对数据进行科学解释，培养学生基本的自主科研能力。

3 膜片钳技术实验教学的经验总结

我校生理教研室多年在医学本科生中系统推广膜片钳实验教学，不断扩大覆盖人数，旨在夯实理论、培养技能、启发思维、引导创新。通过膜片钳实验教学在医学本科生中的推广，学生对“细胞生理”这部分的内容有了更加深刻的认识和理解，并在后续生理学课程的学习中表现出更加扎实的基础及更加敏捷的思维，学习兴趣和学习效率均明显提高。此外，膜片钳实验教学的“五阶段”教学模式给予了学生更多自主学习、独立思考和辩证讨论的空间，打破了既往传统的“灌输式”教学模式，充分发挥学生的主观能动性，不仅能够最大程度地夯实专业知识，更为重要的是极大地激发了他们的探索精神和创新能力，实现了从“理解掌握”到“探索创新”的质变，为学生以后的临床和科研工作打下了坚实的基础。从2017 年至今，通过膜片钳实验教学的培训，我校多名医学本科生在生理教研室的指导下，以膜片钳技术为基础，申请大学生创新创业项目共计十余个，获得医学科研类竞赛奖项4 项，以第一作者发表SCI 论文3 篇，参与发表SCI 论文十余篇，在此过程中学生的创新思维和科研能力均得到了显著的提升，符合当代医学教育对于高素质综合性医学人才培养的要求与目标。

3.1 需明确教学目的，合理安排教学内容，避免“灌输式”和“走马观花式”教学

膜片钳实验的开展是在以往经典的验证性生理实验的基础上，进一步引导学生对科学实验研究的兴趣，避免“灌输式”和“走马观花式”教学[13-14]。我校生理教研室在教学探索过程中发现，由于该技术的实验原理和实验操作十分复杂，如果教学目的不够明确，极易出现以下两类问题。一是“灌输式”教学，即教学过程中忽略学生知识背景体系，过分侧重对复杂原理的讲述。这种教学过程中，学生极易产生畏难情绪，并失去对该实验主动探索的兴趣。二是“走马观花式”教学，即什么内容都讲，但又都没讲透，授课内容缺少主线。这类教学过程中，学生往往学而无所获，教学效果较差。这两类问题产生的根本原因均在于未能明确教学目的，合理安排教学内容。通过长时间的教学探索，我校生理教研室认为对于本科阶段的学生不应过分强调膜片钳技术背后的复杂原理，而应侧重于理解膜片钳技术的应用，即该技术可以在哪些方面应用服务于基础医学研究及如何去设计实验帮助自己解决研究中具体的科学问题。

3.2 需特别强调培养学生的自主学习能力

膜片钳实验技术课堂教学质量的保证，需充分发挥学生的自主学习能力[15]。当代基础医学教育理念普遍认为在实验教学阶段培养学生实践能力、思维能力、创新能力等综合能力是本科教育教学的重要目标[16-17]。而膜片钳技术实验教学想要完成这一目标必须强调课前、课中和课后全程的自主学习，即课前要求学生预习熟悉相关理论知识（如生理学细胞的电活动章节），并通过查阅文献增加对前沿进展的了解。在授课中，通过互动和提问来检验学生课前预习的效果，把握学生在理解该技术上的困难所在。之后，学生通过自主设计实验解决具体科学问题，以此培养学生的自主学习与实践能力，增强学生在探索学习上的好奇心和自信心，达到培养学生逻辑思维和创新能力的目的[18]。实验教学过程中，教师的职责就是启发学生在实验中发现问题、提出问题，启发学生去思考问题、解决问题，以促成以学生为中心的实验教学体系[19-22]。通过膜片钳实验技术课堂教学中对学生的针对性指导，我校生理教研室的最终目的是使学生掌握解决相关问题的思路和方法，从而保证学生在课后有能力进行后续的自主学习，并为后续参加大学生创新创业项目奠定基础。

3.3 大范围的实践开展尚受限于硬件设施条件

膜片钳设备造价昂贵，在多数基础实验室中仅配备有1 台膜片钳记录系统，且对该精密设备的操纵，需要指导教师进行一对一的带教，这对于实践阶段开展大范围的膜片钳教学提出了师资力量的挑战[23-24]。以我校生理教研室为例，配备有3 台膜片钳记录系统。在3 名教师的带教指导下，在8 个学时的上机操作中可完成对约30 人次的系统操作培训。即便如此，也远远不能满足对我校医学本科生的大范围培训指导。对于这一问题，我校生理教研室的解决方向是将该技术的实验课教学与第二课堂的创新实验教育相结合，在课上完成基本的培训之后，课下鼓励有兴趣的学生利用第二课堂的时间继续到实验室进行学习交流。

4 小结与展望

对本科生的创新教育是高等教育的核心理念之一[25-26]。创新来源于实践，以往的经典生理实验中的内容包含过多的验证性实验内容，在强调创新教育的今天略显不足。近年来，我校生理教研室逐步尝试将学科前沿技术（如本文中的膜片钳技术）应用到医学本科生的实验教学当中。这些前沿技术的教学应用，极大地激发了学生对基础研究领域的兴趣并开拓了他们的视野。在这一过程中，明确教学目的并合理安排教学内容是保障教学效果的重中之重。笔者相信，这些前沿技术走进本科课堂，必将在极大程度上帮助医学本科学生创新思维和自主学习能力培养。