两年前
一群北大同学
自制了一台乐高显微镜
引发学术界“大佬”们激烈讨论
两年后
乐高显微镜二代上新！
快和小北一起来看看
北大人如何用科研方式
解锁乐高新玩法！
▽点击图片，回顾第一代乐高显微镜的故事▽
将时间的指针回拨至今年三月，生物医学工程系一门名为“生物医学工程设计I”的PBL（Problem Based Learning）课程，用一份对光的“执着”，将来自北大工学院的马敬怡、高越、邵嘉楠、来自北大化学与分子工程学院的严子隽以及来自北大医学部基础医学院的刘锦钰引上了同一条追光逐梦的科研路。
在燕园初春的课堂上，五人都选了“乐高光片三维荧光显微镜”这一课堂实践创新题目，来自不同院系的他们结为了一个小组。
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小组成员合影（前：邵嘉楠 后从左至右：严子隽、马敬怡、刘锦钰、高越）
他们或许也没想到，各自原本未相交的生命轨道，会因对一束光的探索，共同合成一条名为团结、友谊与坚持的研究攻关道，一群最初对光学理论了解有限的人，最后真能一起用乐高做出个三维荧光显微镜。
相较于第一代乐高显微镜，第二代乐高显微镜在多方面实现了外观与性能的提升：
（1）零件设计精度更高，模块拼接组装方式改良，整体美观性提高。
（2）实现光学模块全可调节，应用普及性、灵活性增强。
（3）分辨率更高，成像更为清晰，更接近于科研级别。
▽点击视频，了解第二代乐高显微镜▽
选课初期，为了做好理论与设计准备，五人一边在老师的讲授、助教的帮助下学习基础理论、项目搭建必备的核心软件和工具使用，一边补充光学知识储备，看书、上网、组内讨论交流、求助学长学姐、请教老师......各种学习渠道被充分使用。经过一个多月的沉淀，小组的付出收获了第一个成果——光路图绘制完毕。![]()
有了设计图，便要进入实践搭建阶段，小组由此开启了跨越春夏的实战之旅。从四月末开始，“傍晚六点，实验室见”成为了他们不约而同的默契。但在实践操作前期，小组便遇到了难题。组内用3D打印技术自己制作的零件失败率较高，零件与直接采买的乐高组块之间无法很好地拼接，工作进度不断被拖延。刚开始动手实验便遇到困难，小组内部有些许沮丧。但经过相互间的打气鼓励，五人重振信心，调整好心态，冷静分析问题原因所在。![]()
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在与老师、学长们请教交流后，小组决定改变零件尺寸测量方法，进一步调研、调整乐高各组块的尺寸，将需要精确把控尺寸的零件外送至公司打印。最终，零件设计成功率达到100%。五月来临之前，小组成功完成了乐高显微镜框架的搭建。![]()
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乐高光片三维荧光显微镜展示模型搭建挑战“通关”后，下一阶段的光路调节又给小组带来了系列难题。相机参数调节、明场分辨率测试等一个又一个的挑战接踵而至。![]()
小组实验现场正当五人苦恼不已之际，项目指导老师郭长亮推开了实验室的大门。“时间不早啦！怎么还没走呀，是遇到什么困难了吗？”郭长亮同往常般问道。
“老师，我们始终找不到成像最佳视野......”
“别担心！我来帮大家看看是哪里出了问题。”话音刚落，郭长亮快步上前查看显微镜情况，并上手帮忙调节。
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郭长亮帮助小组成员调节分辨率板经过几轮调整，明场分辨率测试首次成功。成功的笑颜，绽放在那个春末的凌晨。
从初春至夏，一间十余平米的实验室收录着小组五人实践过程的喜怒哀乐，失望与希望在数个夜晚交织。他们并肩走过数个深夜，在凌晨收获成功的喜悦，他们毫无保留地付出，只为同一个追光的目标。
今年儿童节当天，走入成人世界的他们被“努力”赠送了一份特殊的儿童节礼物——小组利用自制的乐高三维荧光显微镜成功看到了清晰的体beads图像。目光穿过物镜聚焦定睛的那一刻，数月付出的意义得到具象显现。
对于项目未来的发展，项目小组组长、北京大学工学院2022级本科生马敬怡自豪地说：“我们相信，通过进一步的改进措施，我们的显微镜将更加完善，能够更好地服务于教育和科研领域。我们期待着这些改进能够带来更清晰的成像效果，以及更广泛的应用前景。”一门课的偶然相遇，拉开一群人同心做一件事的青春序幕。青年人无畏挑战、迎难而上的勇敢与热烈，在一个个乐高零件的组装间被不断拼接，共同写下青年研究者的勤恳坚毅与未来可期。本次乐高光片三维荧光显微镜实践是第一代乐高显微镜项目的延续。乐高显微镜项目由北京大学未来技术学院的陈良怡、郭长亮提出。对于乐高显微镜项目创建的初心，郭长亮表示：“大多数人对一些前沿科学的理解和认识是比较遥远和陌生的，原因可能在于科研对大众的普及实际上还是有所欠缺的。乐高作为一个有效载体，有助于向广大学生群体推广科学知识，通过寓教于乐的方式让大家去了解相关技术，助力培养未来推动国家科技发展的核心力量。”该项目关注科研与教育的交叉领域，希望借乐高这一趣味玩具，将科学理论融入人们的日常生活，通过技术迭代形成可工业化生产的乐高模型显微镜，把专业深奥的学术理论拆解为通俗易懂、带有趣味性的模块，通过动手拼接、组装乐高显微镜的实践，让每一位操作者都能感受到科学的魅力，体验到知识转化的快乐，帮助学习者在动手实验中深化原理理解，以大众喜闻乐见的方式，促进中国教育工作创新发展。该项目的第一次实际运用，发生在北大附中的课堂。今年三月，一代乐高显微镜项目参与者、来自北京大学工学院生物医学工程系的赵启渊以学生助教的身份，来到了北大附中元培学院，和同学们共同完成了一节显微镜制作的科创实践课程。在课上，赵启渊向同学们介绍了显微镜的发展历程，对第一代乐高显微镜的设计原理、概念定义以及各部件的功能和组装方法进行了讲解，并指导同学们分组开展实践。趣味教学方式赢得了在场同学的欢迎，大家纷纷就各自的困惑、问题向赵启渊发问请教。![]()
一代乐高显微镜小组合影：喻雄武（左）王乐桐（中）赵启渊（右）此次乐高显微镜制作体验仅是北大与北大附中合作课程——“探索超级显微镜成像世界”的其中一次交流，两所学校还联合推出了“生命的化学”“云冈石窟艺术的特征”“魅力机器鱼”“火山”四门课程。五门讲授不同领域知识的课程共同组成“北大附中元培学院大中贯通课程”。“大中贯通课程”教学采用“北大+北大附中”双师授课的形式，打通高中、大学的拔尖人才的选拔和培养过程中学段的界限，让附中同学们亲身体验北大各院系“大咖”们原汁原味的教学讲授与专业指导，与大师同行，共赴一段有趣且有深度的科学探索之旅。![]()
《生命的化学》课堂![]()
《云冈石窟艺术的特征》课堂在合作项目课程中，不仅北大师生走进了北大附中，北大附中的师生们也走进了北大。今年4月12日，北京大学附属中学高中部大中贯通课程的师生们走进了北京大学未来技术学院，在陈良怡、郭长亮的带领下，开启了一场关于超级显微成像世界的研学之旅。![]()
参与活动的师生合影陈良怡就显微镜在探索微观世界、揭示内在机理方面的重要作用进行了介绍，以自身经历为基础，向大家展示其研究团队数十年来的工作成果，包括实现活细胞长时间超分辨成像的结构光超分辨率显微镜、自由运动小鼠的微型化全皮层大视野成像设备与微型双光子成像显微镜等。![]()
陈良怡分享在郭长亮的带领下，北大附中的师生们亲眼见到了高分辨率微型化双光子显微镜，近距离接触结构光超分辨率显微镜等尖端科研设备，亲身感受微观世界的美妙与精彩。![]()
郭长亮讲解精密仪器当前，包含该系列课程内容的“北大名师讲科普系列”丛书经教师团队修订调整、多位专家审定后，已获教育部批准出版，成功入选2024年北京市科学技术协会科普创作出版资金资助项目。丛书将在今年10月正式出版，与各位读者见面。![]()
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“北大名师讲科普系列”丛书
两代乐高显微镜成果均出自由北京大学未来技术学院副教授、生物医学工程系副主任李长辉牵头负责的“生物医学工程设计I”课程，其中，陈良怡、韩梦迪、熊汗青、席鹏、段小洁和郭长亮等多位老师都承担了重要课程辅导任务。
该课程采用PBL（Problem Based Learning）教学方法，强调“先问题，后内容”的教学理念，坚持以学生为主体，让学生拥有充分的自主性、积极性、主观性发挥空间。
在课程教学中，授课老师李长辉要求同学们成为这门课“学习的主人”，鼓励同学们自主分析问题、自主研究解决方案和制定研究计划、主动学习课题所需知识，在自我的不断反思与团队的分工合作下，提高自身思辨力、学习力与执行力。在具体操作中，授课老师和课题辅导老师则担任科研向导的角色，为同学们把好研究大方向和进度，并提供必要、及时的解惑支持。![]()
课程实验现场课程伊始，未来技术学院多位老师提供备选课题，同学们需要结合自己的研究兴趣与基础能力，根据课程提供的选题方向进行项目课题的选择。进入对应研究小组后，需在项目指导老师的引导下，和小组成员共同完成从理论设计到成果展示的系列工作。和书本解题不同，科创实践需要能使用必要的专业技能。课程开始的第一个月内，李长辉老师和课程助教将会讲授核心软件和工具的使用，如SOLIDWORKS三维设计和3D打印、ARDUINO编程和应用等。学习基础工具的同时，同学们需要结合各自小组的选题进行基础理论的储备学习。完成初步学习后，同学们将进入实战阶段，根据方案规划依次开展实验步骤，并于学期末完成成果制作，进行展示汇报。![]()
同学们进行展示汇报除了乐高显微镜，在长期的实践教学中，课程还涌现出了许多优秀的成果作品。“全自动微生物菌落识别和挑选系统”课题通过检测工具的创新组合，促进菌落分选从手工操作到机械自动化、数字化、智能化的转型，助力提高检测质量与效率，促进医学现代化发展。“红外血管成像”项目让同学们从光与组织相互作用机理出发，进行从光源到图像传感器的全方位自主学习并实践实现了3D设计的手持式无创非接触血管成像，科创本身具有临床应用前景。![]()
“PBL课程给我们将知识运用到实践中的机会，提高我们应对问题的能力，也增强我们的动手能力与团队协作能力，是一门非常有意义的课。”“说到对于这学期PBL课程的评价，我们会用两个词语——充实、难忘。课名为设计，但课程体验更像是科研课题研究，于其中，我们充分体验到了面对未知领域、未知问题时的探索感，以及成功实现后的惊喜感。”“在一学期的课程学习中，我们收获了对3D设计较为系统的学习，开发了我自主解决问题的学习热情，锻炼了解决实际问题的动手能力，也学会了如何在团队中最大化地发挥自己的作用。”“我们认为其中最重要的，是在研究中解决遇到困难的能力以及自我学习的能力。”“在项⽬中，我们充分发挥了团队成员的专长和特长，通过合理分⼯和协同合作，顺利完成了项⽬的任务。这种团队合作的经验对我们今后的工作和学习都具有重要的意义。”课程好评如潮的背后，是李长辉等一批又一批授课、指导老师的接续付出。为了让选课的同学都能进到真正的实验室进行操作，他们经过努力争取场地资源，学院在教学楼中设置了一个七十余平米的教学实验室；未来技术学院多位老师也热情开放自己科研实验室给选课的同学们；为了让同学们的实践操作更具有实际转化意义，他们不断同业界人士交流，了解社会发展所需的科研缺口，将教学接口对准发展缺口，让更多同学都能将科研成果服务于民族、国家、时代发展的需要。未来，李长辉老师等仍将继续争取将更多的资源投入到课程实践教学之中，带领更多有志青年坚定走在服务社会、普惠人民、科研报国的路上。
“眼底未名水，胸中黄河月”
从两代乐高显微镜、中学教育系列合作
到“生物医学工程设计I”的PBL课程
北大人永葆创新奋进精神
在科研与教育融合发展的实验田中
耕耘下具有北大特色的中国高校担当
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来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学工学院、北京大学未来技术学院、北京大学附属中学
图片 | 受访者提供、北京大学附属中学
采访 | 张祺祺
文字 | 张祺祺、郭楚媛、胡瑞
排版 | 杨映锴
责编 | 戴璐瑶
