学习本课程后学生拟达成的具体知识目标包括：
1）理解神经元静息电位和动作电位的相关概念及产生机制；
2）学会应用能斯特方程计算Na+和K+离子平衡电位。
学习本课程后学生拟达成的具体技能目标包括：
1）掌握膜片钳技术的基本原理、记录模式及应用；
2）掌握膜片钳全细胞记录技术的操作流程及相关要点难点；
3）掌握离体脑片制备和孵育的一般操作流程。
学习本课程后学生拟达成的具体能力目标包括：
1）通过自主探索模块的实验方案设计过程，提高自主创新和逻辑推演能力；
2）通过分析讨论模块对实验数据的解析过程，提高数据分析和挖掘的能力。
学习本课程后学生拟达成的具体情感目标包括：
通过思维拓展模块对诺奖小故事的拓展阅读，扩宽研究视野和提升脑科学研究兴趣。
1）膜片钳技术：膜片钳技术可以用于记录全细胞或单个离子通道的电活动变化。将一根尖端直径只有几微米的玻璃微电极逐渐靠近并紧密贴附于神经元细胞膜表面。通过给予玻璃微电极轻微负压，使电极尖端的边缘与细胞膜之间形成非常紧密、可达吉欧姆（GΩ）的高阻抗封接。如此，这一小片膜与周围的细胞膜在电学上即被完全隔离。如果这一小片膜上恰好仅存在一个离子通道，那么记录到的微弱电流就是流经这一单个离子通道的电流，从而能够观测单个离子通道的活动规律。这种膜片钳记录方式称为细胞贴附式。在本实验中，为了研究神经元静息电位和动作电位的性质，我们需要通过全细胞模式记录整个神经元的膜电位和电流活动。该记录模式是在贴附式记录的基础上，继续给予轻微负压吸破细胞膜，从而使得玻璃微电极提供通向整个细胞的低电阻通路，形成全细胞模式。
2）静息电位和动作电位：在神经元膜的两侧，分布着各种不同浓度的离子，如细胞内K+浓度高，而细胞外Na+浓度高。由于静息状态下Na+通道大多处于关闭状态，故膜对Na+的通透性很低；而膜上由于非门控钾漏通道的存在，使得膜对K+的通透性较高，因此K+顺浓度梯度向细胞外扩散。随着K+的扩散，胞外正电荷逐渐增多，由此形成的与化学驱动力方向相反的电场力会阻碍胞内的K+进一步外流。当该电场力与化学驱动力大小相等时，即K+的净电化学驱动力为零时，此时膜电位达到K+的平衡电位，K+不再产生跨膜净流动。当细胞膜受到阈刺激或阈上刺激时，大量的电压门控Na+通道开放使膜去极化达到阈电位水平进而爆发动作电位。电压门控Na+通道的动力学参数相比电压门控K+通道有两方面的重要差异：第一，电压门控Na+通道随去极化的开放速度远大于电压门控K+通道的开放速度，这使得Na+内流速度远超过K+的外流速度，由此产生的净内向电流又进一步促进膜的去极化，从而使得更多的钠通道被激活，由此形成正反馈，膜电位迅速接近Na+的平衡电位，形成动作电位的上升支。第二，电压门控Na+通道同时具备激活门（m门）和失活门（h门），而电压门控K+通道只具有激活门（n门），因此当电压门控Na+通道激活后很快进入失活状态。在动作电位的上升支，电压门控Na+通道爆发性开放后随即相继失活，而此时的电压门控K+通道却由于长时程的动力学效应而缓慢激活。当上升支达到峰值时，细胞膜上的电压门控Na+通道已接近全部失活，而膜上的电压门控K+通道逐渐开放至最大数量，外向电流迅速增大，动作电位进入复极化阶段，即动作电位的下降支。
本虚拟仿真课程作为生理学实验教学体系中的一部分与线下教学实验相结合，由浅入深、环环相扣，通过“实验预习—仿真操作—自主探索—分析讨论—思维拓展”五个模块四个阶段递进的实验学习过程，辅以大量基础和前沿知识信息拓展以及多环节知识和能力水平考核，学生可以深入理解专业相关基础知识原理，全面掌握膜片器实验全流程操作要点难点，系统培养自主设计实验方案探究科学问题的能力。线上虚拟仿真的教学方法有助于拓展和延伸实验教学的时空维度，突破离体脑片膜片钳实验难度大、设备昂贵和试错成本高等客观实验条件的限制，帮助学生掌握离体脑片膜片钳这一脑科学研究所需的关键实验技术。
1）通过第一阶段实验预习模块，建立基础概念并理解相关技术原理：学生通过实验背景动画和原理动画，了解神经元电生理活动的复杂性和普遍性，对膜片钳技术的微观原理及其在电生理学研究中发挥的重要作用建立感性认识。通过动画可视化的教学方法，使得神经元的微观世界具体化，脑电活动的抽象概念形象化，有助于学生深入和透彻的理解神经元中离子跨膜流动和电信号发生机制等涉及神经编码机制的重要脑科学基础知识。在此基础上，通过对膜片钳技术相关硬件和软件的观摩和学习，全面了解膜片钳实验复杂体系中各系统构成和分类，并熟悉各系统中局部构成以及整体和部分的关联。
2）通过第二阶段仿真操作模块，掌握膜片器实验技术基本操作流程：仿真操作模块包括四个循序渐进的实验环节：目标脑区的定位→脑片的制备与孵育→记录电极的拉制→膜片钳记录，引导学生逐步掌握膜片钳技术的基本实验操作和流程。对于实体实验中灵活性大且易出错的环节要求学生进行多次试错，如电极拉制过程中，学生需通过反复调节拉制参数，直到拉制出尖端直径符合标准的玻璃微电极；以及膜片钳记录过程中下移电极、封接细胞、建立全细胞记录模式等基本操作均需多次尝试方能找到正确记录细胞的方法，加强学生对膜片钳实验操作过程中要点和难点的理解。
3）通过第三阶段自主探索模块，培养实验设计和科学研究的创新思维：自主探索模块共设置“静息电位离子机制解析”、“动作电位离子机制解析”和“动作电位数学建模”三个实验任务，要求学生通过自主设计的实验方案，计算并记录实验数值，绘制相关实验曲线，从实验现象中分析原理机制，逐步解析神经元电活动的离子机制。通过不断探索试错的交互操作和学生主导的自主实验设计，锻炼学生的开放性思维和自主创新能力，锻造脑科学研究领域拔尖创新型人才的核心素养。
4）通过第四阶段分析讨论和思维拓展模块，提高数据处理和信息挖掘的分析能力：对第三阶段自主探索过程中获得的实验数据进一步处理分析和深度挖掘，通过师生间讨论、动画机制解析和思维拓展专栏得出并提交最终结论。在此基础上，拓展细胞膜等效电路的构建和高德曼方程、H-H方程等多离子体系数学建模的数学知识，旨在锻炼学生运用生物、数学、物理学等多学科知识，通过逻辑推演和实验分析，对神经元生物电的离子机制进行自主分析的综合能力和高级思维。