新工科背景下生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)化學(xué)類 基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

朱春楠，鄭冬云，劉超(中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

2017年2月以來教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，強(qiáng)力促進(jìn)了我國工程教育改革。自此，全國高校在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)、改革教學(xué)方式方法等多個(gè)維度迅速行動(dòng)起來，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界融合能力的高素質(zhì)交叉復(fù)合型卓越工程技術(shù)人才[1]。

1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)化學(xué)類基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

生物醫(yī)學(xué)工程是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)等專業(yè)理論和方法的一門交叉邊緣工科學(xué)科，旨在運(yùn)用工程技術(shù)和方法，研究、解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中存在的問題，最終服務(wù)于醫(yī)學(xué)。我校該專業(yè)開設(shè)四大類課程：生物醫(yī)學(xué)類基礎(chǔ)課程、電子類課程、計(jì)算機(jī)類課程以及《生物醫(yī)學(xué)傳感器》、《醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)》等專業(yè)課程。長(zhǎng)期以來，該專業(yè)學(xué)生重視電子、計(jì)算機(jī)與機(jī)械制造等課程，而輕視生物醫(yī)學(xué)類基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，這對(duì)于構(gòu)建完整而系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)體系是非常不利的。在新工科建設(shè)背景下，引導(dǎo)學(xué)生將各門課程融會(huì)貫通、培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維能力已成為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程教學(xué)改革的重要目標(biāo)。

化學(xué)類基礎(chǔ)課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)生物醫(yī)學(xué)類課程的重要組成部分，通常開設(shè)在低年級(jí)[2]。由于課程定位不明確，導(dǎo)致工科學(xué)生不能將該類課程與職業(yè)生涯相聯(lián)系，無法理解學(xué)習(xí)化學(xué)類基礎(chǔ)課程的重要性。如果直接套用化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的理科教學(xué)模式，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新思維。因此，本文對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革，希望促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的全方位把握以及工程創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)用化學(xué)與生物化學(xué)》教學(xué)改革舉措

2.1 明確課程定位，優(yōu)化課程內(nèi)容

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的出發(fā)點(diǎn)是希望以工程學(xué)的方法來解決疾病檢測(cè)、診斷及治療等問題，所以該專業(yè)學(xué)生既要有機(jī)械制造與電子計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備，又要對(duì)化學(xué)、生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)有一定的了解。例如，研發(fā)醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，首先要了解目標(biāo)指標(biāo)的生化意義及檢測(cè)原理，如血糖濃度的測(cè)定以及低血糖和高血糖的判斷標(biāo)準(zhǔn)、血清中丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)的活性測(cè)定及急性肝炎輔助診斷應(yīng)用，這些正是生物化學(xué)的知識(shí)范疇。只有同時(shí)“知其然”——工程學(xué)手段和“知其所以然”——基本原理，才能從根本上改進(jìn)和提高醫(yī)學(xué)儀器的性能。脫離了生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的工程研發(fā)就如空中樓閣一般。打好化學(xué)理論基礎(chǔ)，有助于學(xué)生構(gòu)建完整系統(tǒng)的知識(shí)體系，為其后續(xù)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和工程技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科涉及緩沖溶液、滲透壓等無機(jī)化學(xué)內(nèi)容，以及生物分子(核酸、蛋白質(zhì)、糖和脂類)、生物體內(nèi)物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)、血液生化、肝膽生化等生物化學(xué)內(nèi)容。先修有機(jī)化學(xué)又是學(xué)好生物化學(xué)的基礎(chǔ)。而在化學(xué)學(xué)科中，無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)都是各自獨(dú)立的重要專業(yè)課。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)講授這三門課程的所有內(nèi)容顯然是不現(xiàn)實(shí)的。并且，對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，不管是知識(shí)點(diǎn)的多少還是掌握的程度，都沒有化學(xué)專業(yè)的要求高。針對(duì)這一特點(diǎn)，我們選擇了人民衛(wèi)生出版社出版的《醫(yī)用化學(xué)與生物化學(xué)》(第2版)作為教材，更加突出“精、新、實(shí)、適”。在教學(xué)中，我們注重教學(xué)內(nèi)容的精簡(jiǎn)和重難點(diǎn)的把握，強(qiáng)調(diào)基本原理和實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生建立完整且相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)結(jié)構(gòu)框架。

2.2 改革理論教學(xué)方法，變“被動(dòng)接受”為“主動(dòng)探索”

化學(xué)類課程普遍具有理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)繁雜、概念抽象難懂等特點(diǎn)，易導(dǎo)致工科學(xué)生缺乏對(duì)該類課程的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)動(dòng)力[3]。在學(xué)時(shí)不斷被壓縮的情況下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式即課堂上教師“填鴨式”地進(jìn)行大量知識(shí)的灌輸，會(huì)加劇工科學(xué)生的厭學(xué)情緒。因此，如何實(shí)施教學(xué)改革，激發(fā)工科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課程認(rèn)可度和教學(xué)效果，是新工科背景對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)化學(xué)類課程教學(xué)提出的新要求。

PBL教學(xué)模式(Problem-basedlearning)是一種以問題為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)的教學(xué)模式，提倡自主探索與合作學(xué)習(xí)的方式，旨在促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其獨(dú)立思考和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)“在解決問題中學(xué)習(xí)、在學(xué)習(xí)中解決問題”[4]。結(jié)合新工科建設(shè)背景和臨床醫(yī)學(xué)案例，我們?cè)O(shè)置兼具全面性、引導(dǎo)性和前沿性且難度適宜的學(xué)習(xí)專題，比如，不同分散系的特性不同——尿毒癥的治療即血液透析的原理；手性在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用——手性藥物；酶的抑制劑與藥物設(shè)計(jì)原理——磺胺類藥物的抑菌作用；糖的無氧分解和糖異生——人在劇烈運(yùn)動(dòng)后會(huì)感到肌肉酸痛，幾天后酸痛感會(huì)消失；DNA半保留復(fù)制——新型冠狀病毒感染的核酸檢測(cè)。學(xué)期開始時(shí)，教師將學(xué)習(xí)專題發(fā)布給學(xué)生。然后，學(xué)生按每組7-8人自由組隊(duì)，每組根據(jù)興趣愛好選擇1個(gè)專題，在學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)后進(jìn)行查閱文獻(xiàn)、搜集資料、小組討論，然后以PPT的形式在課堂上進(jìn)行陳述匯報(bào)，其他小組可以提問以及與陳述小組進(jìn)行討論。最后，教師進(jìn)行歸納總結(jié)，從知識(shí)點(diǎn)的理解程度、PPT制作、現(xiàn)場(chǎng)講述、組間討論等多角度進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。但是，PBL教學(xué)需要耗費(fèi)較多的課時(shí)，這使得理論學(xué)時(shí)更加緊張，內(nèi)容多與課時(shí)少的矛盾更加突出。如何在有限的課時(shí)，保質(zhì)保量地完成每個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)和環(huán)節(jié)則顯得尤為重要。

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，開展線下線上混合式教學(xué)模式已成為課程教學(xué)改革的重要舉措[5]?；旌鲜浇虒W(xué)模式將傳統(tǒng)課堂教學(xué)在時(shí)間和空間上都進(jìn)行了拓展，通過錄制教學(xué)微視頻、提前發(fā)布PPT課件、線上發(fā)布作業(yè)及測(cè)驗(yàn)等，大大緩解了線下課時(shí)緊張的問題。利用課程網(wǎng)站、手機(jī)端APP、微信公眾號(hào)等方式可提供微課視頻、PPT課件、思維導(dǎo)圖、重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)動(dòng)畫、思政故事等多層次的學(xué)習(xí)資料，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課程認(rèn)同感，還可以將課堂學(xué)習(xí)融合在課前與課后的預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)當(dāng)中，使學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上也實(shí)現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率與教學(xué)效果。

2.3 完善實(shí)踐教學(xué)形式，培養(yǎng)工程創(chuàng)新思維

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育課程體系中不可或缺的一部分，是激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的必須環(huán)節(jié)。而我?！夺t(yī)用化學(xué)與生物化學(xué)》僅配套少數(shù)幾個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一般是在老師的講解之下完成，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

為此，我們?cè)诂F(xiàn)有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，引入創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)。首先，加入一些綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教師給出實(shí)驗(yàn)課題后，學(xué)生以小組為單位完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)開展、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等一系列過程，這樣全方位的訓(xùn)練有助于學(xué)生創(chuàng)新科研思維的培養(yǎng)。其次，對(duì)于儀器設(shè)備套數(shù)有限的行業(yè)前沿性實(shí)驗(yàn)，采用實(shí)際操作和觀摩實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以此來提高創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)的覆蓋面，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解、掌握與拓展，激勵(lì)他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。另外，將實(shí)踐教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)論文相結(jié)合形成多位一體的培養(yǎng)模式，幫助對(duì)化學(xué)類課程興趣濃厚的學(xué)生得到更高層次的鍛煉，有助于其科研興趣的培養(yǎng)以及今后研究方向的選擇。

2.4 改革課程評(píng)價(jià)方式，實(shí)現(xiàn)全方位考核

大學(xué)的課程考核一般采取“平時(shí)成績(jī)+期末成績(jī)”的方式。由于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式單一，導(dǎo)致平時(shí)成績(jī)的評(píng)價(jià)方式也比較單一，主要考查的是學(xué)生的考勤和作業(yè)成績(jī)，而這兩種形式并不能有效反映學(xué)生的課堂參與度。這就導(dǎo)致容易出現(xiàn)學(xué)生“人在課堂心卻不在課堂”的情況，平時(shí)學(xué)習(xí)懈怠，靠考前突擊復(fù)習(xí)來應(yīng)付期末的閉卷考試，對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)純屬死記硬背，根本談不上理解、掌握和應(yīng)用。

在課堂教學(xué)模式不斷創(chuàng)新改革下，加大對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核力度、豐富過程考核的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)提升教學(xué)效果。我們?cè)O(shè)定以下四個(gè)考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：課堂表現(xiàn)、PBL成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末考試成績(jī)，分別占總評(píng)成績(jī)的20%、20%、20%和40%。其中，課堂表現(xiàn)除考勤和作業(yè)成績(jī)以外，加入對(duì)搶答、投票、問卷、討論等線上課堂活動(dòng)的評(píng)價(jià)。PBL成績(jī)由組內(nèi)互評(píng)、組間互評(píng)和教師打分按照30%、30%和40%的比例產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過考核評(píng)價(jià)方式的改革，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

在“新工科”背景下，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的多學(xué)科交叉性，化學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作必須做出相應(yīng)的調(diào)整，更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法和課程評(píng)價(jià)體系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的全方位把握，為今后其他生物醫(yī)學(xué)類課程的學(xué)習(xí)如分子生物學(xué)、解剖生理學(xué)等奠定基礎(chǔ)。通過PBL和線下線上混合式教學(xué)模式、完善實(shí)踐教學(xué)方式等，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用、解決問題和實(shí)踐動(dòng)手能力，為后續(xù)工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和工程技術(shù)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。