以交叉融合的大健康產業(yè)鏈課程體系培養(yǎng)“產學研”三位一體的跨界人才

和淵

作為一名普通生物教師和科技輔導員，我結合自己的一些個人經驗和思考，介紹如何以交叉融合的大健康產業(yè)鏈課程培養(yǎng)“產學研”三位一體的跨界人才。

課程體系開發(fā)

如果你讀過尤瓦爾·赫拉利的《人類簡史》和《未來簡史》，那么你將會了解到書中“從動物進化到人，再從智人到神人，人類的孜孜以求可以概括為長生不老、幸?？鞓泛突鸀樯瘛钡挠^點。按照此立論，未來的產業(yè)格局就非常明晰了，那就是讓人長生不老的健康產業(yè)+讓人快樂的幸福產業(yè)+化生為神的技術產業(yè)。教師的職責是為未來培養(yǎng)人才，所以一直以來我在思考如何沿著未來產業(yè)發(fā)展的圖譜進行課程布局和設置。

我結合自己生物學和清華

伯克利大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目所構建的知識結構，開發(fā)了一套包括基礎科研、醫(yī)藥研發(fā)和人工智能的大健康產業(yè)鏈課程體系。該課程體系以科學、技術、工程、數(shù)學的學科集成為縱軸，以單一主題、單元主題、多學科和完全整合的項目式學習教學手段為橫坐標，開設了與基礎科研相關的生物課和研學課、與醫(yī)藥研發(fā)相關的高端實驗課和創(chuàng)新設計課，以及與人工智能相關的大健康產業(yè)和關于心智的生物學等一系列課程。

課程的開發(fā)最終是為培養(yǎng)人才而服務的，不同層次的課程分別著眼于學生學科素養(yǎng)的提升、科研能力的提升和開發(fā)創(chuàng)新能力的提升。比如，生物課培養(yǎng)學生生物科學的基礎素養(yǎng)，高端實驗課主要培養(yǎng)將來有意在相關領域開展研究的人才，而大健康產業(yè)課程更加綜合，希望能夠將生命科學和其他學科共同進行應用、開放和創(chuàng)新，使學生將來不僅有知識，還能夠把知識產業(yè)化。

基礎科研類課程

對于單一主題的生物課程，一般是根據(jù)課程標準和課程大綱制訂每節(jié)課的教學目標，基于課本內容培育學生的科學精神和核心素養(yǎng)，落實立德樹人的根本任務。例如，讓學生動手制作各種好玩的模型，在制作過程中深入了解有絲分裂和減數(shù)分裂、細胞膜和細胞質等科學概念。教師還可以讓學生緊跟科學前沿，通過閱讀材料拓展。比如，通過給學生講述藥物格列衛(wèi)（Gleevec）研發(fā)的故事，從藥物開發(fā)的歷史進程、發(fā)病的分子機理和治療思路、尋找小分子藥物的方法、專利保護和治病救人的倫理困境等方面，落實結構決定功能的生命觀念，使學生對制藥行業(yè)和藥物研發(fā)有深刻的認識。

研究性學習課程基于課本又要高于課本，其課程內容圍繞高中課本實驗進行拓展和延伸，知識和技能稍微高于高中學業(yè)要求，學生通過實驗探索加深對課本知識的理解，掌握基本的實驗技能和邏輯方法，明白生命科學是一門實驗科學。從2014年開始到現(xiàn)在，每年都會教授新的課題，我會思考哪些是中學生能做且結合生活實際做起來有意思的，并將多年積累下來的系列活動編撰成冊，供以后學生使用。例如“智慧家庭生態(tài)園——魚菜共生系統(tǒng)”課程，涵蓋了生物學、生態(tài)學、物理學、計算機科學等學科知識，學生需要在不斷“玩耍”的過程中探究，積極思考選擇什么植物種類、魚的數(shù)量、虹吸作用、程序設計等問題。

醫(yī)藥研發(fā)類課程

高端實驗課主要根據(jù)“學生興趣+教師引導”的方式選題，開展科研實踐活動，學生通過高端分子生物學等實驗研究，理解現(xiàn)代生物學前沿領域，培養(yǎng)有志于從事生物學研究、研發(fā)相關行業(yè)的人才。學生Frank Lin利用結構生物學手段分析胰島素形成六聚體的氨基酸關鍵位點，入圍了英特爾國際科學與工程大獎賽;學生白子上利用草本能源植物制取纖維素乙醇統(tǒng)合聯(lián)產甲烷，開發(fā)新能源;學生周雨欣探究閃電熔巖的形態(tài)、成分并對比類似天然物質。此外，我們還在2018年對能否利用CRISPR/Cas 9技術在大腸桿菌內實現(xiàn)對噬菌體的基因編輯進行了實驗。

立德樹人是教師培養(yǎng)學生的根本，在科學課中更要注重立德樹人的落實。高端實驗課涉及的東西比較前沿，但我們不僅要關注技術發(fā)展，更要關注育人，培養(yǎng)學生的社會情懷和科學認知。比如在賀建奎事件之后，學生想要了解這一事件的來龍去脈，我們就停下來本來要上的課程，和學生一起研究事件中涉及的技術，以及引發(fā)的社會倫理爭論。上完課后，學生一起寫了一篇文章，表達了中學生對這一事件的看法，也是第一次向全世界發(fā)出來自中學生的聲音。這篇文章在微博的關注度很高，閱讀量30萬左右，也得到很多學者的點贊。做這些課程很不容易，因為學生有空的時候都是放學以后和寒暑假，教師要犧牲休息時間陪著孩子一起做實驗。而且，出于生物實驗的特點，研究者要跟著培養(yǎng)細胞的節(jié)奏安排自己的時間，有的時候細胞長到了就必須收菌，所以要陪著孩子一起熬夜，甚至有一次我們在除夕夜里還在實驗室做實驗。雖然很辛苦，但是看著孩子們滿滿的成果，以及和孩子們在共同做事情中建立的深厚友誼，我覺得就值了。課程結束時，有個學生送了我一個厚厚的筆記本作為禮物，他在最后一頁寫著：“這是我高中階段最美好的回憶，它關乎夢想——我終于確定了我想要的是什么，我終于看清了自己想要怎么走，并且會堅定走下去……”作為教師，我倍感欣慰，因為拓寬孩子的視野，讓孩子認識到自己想要的東西，比什么都重要。

創(chuàng)新設計課程“生物學與信息技術學科的交叉融合”將生命科學與信息技術相結合，讓學生具備跨學科的交叉知識體系，鍛煉學生解決問題的能力，培養(yǎng)融合生命科學與信息技術的創(chuàng)新人才。這個系列課程的主要內容是“孟德爾的豌豆花園”和“生命之息”2款關于進化的游戲制作，讓學生在玩游戲的過程中體會遺傳和進化的神奇，讓游戲化學習真正在學生中開展起來。

在開發(fā)孟德爾的豌豆花園游戲的過程中，學生需要了解孟德爾種豌豆做研究的背景，了解豌豆如何種植、生長和雜交，然后采用信息技術模擬整個過程，在情景還原中深刻體會科學原理。學生自己完成游戲腳本設計、原畫繪制、程序開發(fā)、產品運營等，把打比賽得到的獎勵資金用于在學校成立孵化器，進一步開展研究并回饋社會，到山西、江西等地貧困學校進行幫扶和教育資助。

學生沒有止步于此，我們還有更大的夢想，想把課本中能體現(xiàn)生物學觀點的內容傳遞給更多的人，因此基于生物進化知識又制作了“生命的蹺蹺板”游戲，讓大家知道生命是怎么來的，體會生命的來之不易，樹立熱愛自然、保護環(huán)境的理念。同樣地，“生命的蹺蹺板”游戲也是由學生自己進行游戲設計和制作，包括游戲角色和腳本設計，設想每個人物的性格、能力和成就，編寫了5萬多行游戲代碼，完成了443張圖片元件……創(chuàng)新設計課程極大地調動了學生的參與興趣，印證了“興趣是最好的老師”這句話。

人工智能類課程

“大健康產業(yè)與生命智能”課程主要講的是仿生類人工智能、計算神經科學、人類腦智能等課程內容，讓學生了解大健康產業(yè)鏈的運作模式，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)學生的高階跨學科思維。比如全國公開課“遺傳算法”，其實是模擬進化論，整個算法的基層邏輯是生物進化論中的“適者生存，不適者被淘汰”，學生需要思考如何利用進化論的算法開發(fā)代碼。課程結束后，學生感慨道：“進化論其實就是大自然的算法。”

我們希望學生結合人工智能技術開發(fā)一些程序，解決生活中的實際問題。針對青少年游泳溺水事故，學生制作了一款智能手環(huán)，它可以定位并顯示手環(huán)位置，一旦手環(huán)檢測到佩戴者的心率低到60次/分鐘就會立即告知家長，家長可以根據(jù)定位找到孩子。

中國患者數(shù)量眾多，而麻醉醫(yī)生的整體水平參差不一且極為欠缺。我們邀請麻醉醫(yī)生參與開發(fā)“麻醉決策系統(tǒng)”，引導學生探究人工智能替代麻醉醫(yī)生的可行性方案，利用大數(shù)據(jù)分析和建模、云計算、人工智能等技術解決相關醫(yī)療問題?！暗鞍踪|三維建?！辈捎昧松窠浘W絡算法，通過計算機模擬輸入大量數(shù)據(jù)，預測多聚體蛋白作用位點，定點基因突變，使六聚體更易解離，提高胰島素的效率。還有基于計算機視覺的智能垃圾箱設計，只需用微信小程序掃一掃，就能識別并告知廢棄物應該放在哪個垃圾箱里。

工作后我一直思考教師的自我修養(yǎng)是什么。時代在不斷發(fā)展，學生越來越優(yōu)秀，他們會倒逼教師不斷成長，必須跟上時代的發(fā)展。所以我認為，科技教師和科技輔導員需要不斷自我迭代，與時代同進步，與學生同進化，提高專業(yè)技能，既要懂生物、物理、數(shù)學，還要懂人文、社會、心理學等。一個教師能夠傳遞給學生的東西不僅僅是知識，更是他讀過的書、走過的路、見過的人、經過的事和能看到的遠方，讓自己的網絡永遠處于不斷擴張的狀態(tài)，擁抱時代洪流的變化，應用科技手段，開發(fā)出更好的課程，為祖國培養(yǎng)出未來的科技創(chuàng)新英才，為建設制造強國和科技大國努力奮斗！