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2021年9月10日，清华大学研究生院官微推出：【走进清华研究生教改】脑科学与光学工程的交叉融合教学：《神经光子学》课程强化建设

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课程背景

在世界各国纷纷推出“脑计划”的背景下，“神经光子学”应运而生并得到迅速发展，成为一门新兴的前沿交叉学科。然而，目前国际上鲜有相关专著或课程系统地介绍该新兴学科，难以满足培养兼具脑科学与光学工程、仪器科学等背景跨学科复合型人才的迫切需求。清华大学精密仪器系孔令杰副教授自2018年秋季学期率先开设了《神经光子学》课程，探索脑科学与光学工程的交叉融合教学。

本项目以“价值塑造、能力培养、知识传授”教育理念为指导，对《神经光子学》课程进行了教学改革，所采取的措施主要有：（1）介绍“科学家”与“科学史”的故事，探讨科学研究的精神与方法（“讲好科学故事，推进研究生专业课思政教学”,《大学教育》，2021年7月）；（2）“课间我来讲”，增强学习兴趣；（3）利用“雨课堂”及微信群，及时反馈调整：（4）创造“上机实践”机会，增强学生“获得感”；（5）精心设计作业，“知”与“行”融会贯通；（6）期末课堂展示，互相交流中“收获满满”；（7）“教学”与“科研”结合，科研成果辅助教学。通过上述措施，在跨学科交叉融合教学方面取得了一定成绩，在《物理与工程》期刊发表特约稿件“光学工程与脑科学的交叉融合教学 ———以‘神经光子学’课程为例”（《物理与工程》, 2020, 30(4):12-16）。

课程特色

注重学科交叉

纵观脑科学史，脑科学的发展离不开技术的进步。如何培养脑科学、光学工程、仪器科学与技术等多学科交叉的复合型研究人才以适应脑科学发展的迫切需求？该课程以神经科学为背景，以解决其技术需求为出发点，内容涉及生命科学（尤其是神经生物学）、化学、光学、仪器科学、信息科学等学科方向。具体地，该课程以脑科学研究的意义、方法为起点，介绍神经光子学研究不可替代的优势；随后结合神经生物学基础知识，介绍光在神经组织中传播的规律；然后，分别从线性光学与非线性光学两个方面介绍神经结构成像技术与神经功能成像技术；此外，还介绍神经活动的光学调控技术——光遗传学技术等；最后，讨论神经光子学的当前研究热点及未来发展方向。

目前已有精仪系、机械系、电子系、自动化系、生物医学工程系、生命学院等院系的20余名研究生及高年级本科生选修。在2020年秋季学期，通过“未央计划”本课程面向校内外近80余名同学同步开放。

注重创新能力培养

所谓“神经光子学”，即采用光学技术手段开展神经科学研究的科学。自被誉为“现代神经生物学之父”的圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）（1906年诺贝尔生理学奖获得者）采用光学显微镜研究神经系统结构以来，人们发展了多种光学技术开展神经科学研究。在教学过程中，如何将各种光学技术方法的产生背景及发展关系讲清楚？该课程以光在组织中传输所经历的各种物理过程为出发点，着重介绍各种光学技术的基本原理，积极引导同学们思考其存在的优缺点，并讨论其适用范围及创新改进方案。图1所示为同学们通过本课程的学习所绘制的思维导图，将看似错综复杂的知识网络整理得非常清晰。通过这种形式的知识梳理、分析技术发展路线，同学们的创新能力得以启发、培养。 

此外，在该课程的教学实践中，还通过引经据典介绍相关技术的科学史，为同学们探索适合自身的科研方法或路径提供参考。例如，在介绍相衬显微技术时，援引了该项技术的发明人泽尼克（Frederik Zernike，1953年诺贝尔物理学奖得主）在诺贝尔奖颁奖典礼中的演说词：相衬技术起源于他在研究衍射光栅时用到的方法，最早是由瑞利勋爵（Lord Rayleigh）于1900年描述的。他感慨道“…在所有的干涉现象中，相位的差别都是非常重要的，这是一个司空见惯的常识。但是为什么在显微镜技术中，相位从来没有被考虑过？”这启发同学们在创新能力培养方面还需要注意加强迁移学习能力的锻炼，“他山之石，可以攻玉”，将某一领域的技术引入到另一新领域将可能产生变革型创新。

注重知行合一

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。在以往的教学过程中发现，限于“课堂讲授”这一单一教学形式，同学们对于部分基础知识的理解有些肤浅，尚未做到融会贯通。为此本课程充分利用现有条件增设了部分课外“上机实践”，让同学们有机会实地参观、使用神经科学研究的先进仪器。虽然占用了同学们的一些课外时间，但是同学们都表现出了强烈的热情，通过实际操作加深了对课堂讲授知识的理解，并锻炼了团队合作能力。

另一方面，将“教学”与“科研”结合，科研成果辅助教学。本课程介绍的很多新技术尚无商用仪器可供使用，更无法用于辅助教学，如何弥补这一缺憾？课题组自行设计搭建了多台基于新技术的显微仪器，供同学们上机操作。在此基础上，还对搭建的显微仪器进行改进，并将相关创新成果发表在本领域高水平国际期刊，实现了“教学”与“科研”的相互促进。由于在此方面的贡献，课题组成员先后获得第29届、第30届“清华大学学生实验室建设贡献奖一等奖”，项目名称分别为“双光子荧光显微成像系统”和“宽视场层析三维显微成像系统”。

此外，本课程还积极推广实验教学成果，目前已发表多篇实验教学论文，如“简易荧光显微镜的制作及其在生物医学中的应用”（《物理实验》40(8), 24-27 (2020)）；“光场显微镜及其在三维生物成像中的应用”（《物理与工程》，2021（已接收））；“双光子荧光显微系统中波前像差对三维点扩散函数的影响”（《物理实验》，2021(已接收)）等。

学生评价

学生评价是教学改革成效的重要参考。以下摘录2名选课同学对课程的评价。

《神经光子学》这门课给我最大的体会有两点：师生互动和课程的用心设计。来自生医、光学、仪器等不同学科背景的同学让课程中的讨论变得非常丰富和活跃。专门设置课间分享环节，大家通过分享自己感兴趣的课外领域，来拓展知识面，促进不同学科背景同学的交流。每节课的课前提问帮助大家复习上节课所学内容。此外，孔老师也邀请相关领域的专家为我们做报告，让专业的人为我们带来学术盛宴。这门课是我上过所有课中师生互动交流最多的一门课之一，在轻松学习的过程中，既收获了知识，又增进了交流，给这门课点赞，给孔老师点赞！ 

我是专注于神经科学方向的生命学院本科生，在实验中经常会用到各种显微镜对动物组织进行成像。因此，为了了解更多的光学知识并加深对光学仪器的了解，我选修了《神经光子学》这门同时介绍神经科学和光学的跨学科课程。在课上，老师系统全面的介绍了光学知识，并引导我们思考并解决神经科学中的成像问题，感觉收获了很多。另外，由于是小班教学，老师很关注我们的个人感受，几乎在每节课课间或者课下都能和老师进行畅快的交流。也因此，我觉得《神经光子学》课程相比于我之前上过的其他课，更能让我深入体会到老师的人格魅力，也对我影响很大。最后，希望《神经光子学》课程越办越好！  

结语

由于该课程介绍的是一门快速发展的前沿交叉学科，要求课程负责人及时追踪脑科学的最新发展及相关研究技术的进步，并进行归纳、梳理，为同学们呈现交叉融合的完备知识体系。本次教改仅是该课程建设的一个里程碑，在今后的教学过程中，将继续以“课程特色鲜明、知识持续更新、教学设计科学、内容挑战度高、学生获得感强”为目标开展积极探索。