“生物醫(yī)學(xué)傳感器”理論、實(shí)踐及思政融合式教學(xué)探索

林旭東 徐炳哲 吳萬慶 陳巧珍

[摘 要] 課程思政是目前高校教育領(lǐng)域一種新的教育理念和實(shí)踐。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才更是新時(shí)代高等教育的核心要求。該文結(jié)合“生物醫(yī)學(xué)傳感器”的課程特點(diǎn)，從三方面：鮮活案例隱于課堂教學(xué)、動(dòng)手實(shí)踐現(xiàn)于課程實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新能力啟于大學(xué)競(jìng)賽，初步探索課程思政建設(shè)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的融合教學(xué)，在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)制中啟發(fā)學(xué)生，在各項(xiàng)賽事中培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膶W(xué)生。

[關(guān)鍵詞] 生物醫(yī)學(xué)傳感器;課程思政;創(chuàng)新實(shí)踐

一、引言

作為一種極具新時(shí)代特色的教育理念，課程思政以立德樹人為導(dǎo)向，要求課程門門有思政，教師人人講育人[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)問題逐漸凸顯。我國(guó)教育正呈現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，創(chuàng)新能力不足的現(xiàn)狀[2]。因此，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是新時(shí)期高等教育的核心要求，課程思政是新時(shí)代黨和國(guó)家對(duì)大學(xué)教育的重要指示。如何將兩者充分融合到課程教學(xué)中，對(duì)于工科專業(yè)的課程來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

“生物醫(yī)學(xué)傳感器”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，主要教授各式生物醫(yī)學(xué)傳感器的原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，歷來有著知識(shí)點(diǎn)嚴(yán)重交叉，內(nèi)容深度枯燥，講授難度高等特點(diǎn)[3]。在讓學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)其創(chuàng)新思維，創(chuàng)新技能及創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時(shí)潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生良好的家國(guó)情懷及領(lǐng)袖氣質(zhì)，使學(xué)生成為德才兼?zhèn)涞膬?yōu)秀人才方可達(dá)成該門課程的教學(xué)育人目標(biāo)[4]。針對(duì)上述情況，本文通過探索“生物醫(yī)學(xué)傳感器”的課堂及課外互聯(lián)式，理論、實(shí)踐及思政互融式教學(xué)，為該課程的深度改革提供一定的參考價(jià)值。

二、教學(xué)模式改革

（一）課堂理論教學(xué)模式探索

“生物醫(yī)學(xué)傳感器”的課堂教學(xué)既要傳授基本知識(shí)要點(diǎn)，亦要不知不覺中融入課程思政，方可達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。因此，我們圍繞該課特點(diǎn)——知識(shí)點(diǎn)高度交叉，從廣義的傳感器定義、原理剖析以及指標(biāo)計(jì)算等逐漸過渡到種類繁多的傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用，并適當(dāng)融入學(xué)生普遍關(guān)心的古今中外人事時(shí)政、新興技術(shù)及相關(guān)精神等思政元素。

首先，我們重梳知識(shí)網(wǎng)絡(luò)：橫向以人體五官“視覺”“聽覺”“嗅覺”“味覺”和“觸覺”作為各式傳感器類別進(jìn)行歸類，縱向結(jié)合“光聲電磁”等檢測(cè)手段，將傳感器的交叉網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行清晰梳理，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐層遞進(jìn)的方式，一一開展課程的講解。為突出生物醫(yī)學(xué)傳感器與傳統(tǒng)傳感器之不同，我們強(qiáng)調(diào)極高的可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確性，不僅從技術(shù)上引導(dǎo)學(xué)生分析相關(guān)傳感器設(shè)計(jì)的干擾和噪聲，而且以課堂展示（例如紅外感應(yīng)器與紅外體溫傳感器）的方式，具象化地對(duì)比兩者的測(cè)量區(qū)別，并從中傳授具體提高共模抑制比，屏蔽工頻干擾及噪聲等技術(shù)。針對(duì)每一章節(jié)的內(nèi)容，我們的課堂教學(xué)均會(huì)分成傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)傳感器及新近開發(fā)的先進(jìn)生物傳感器兩部分做介紹，使學(xué)生既能充分掌握課程的知識(shí)點(diǎn)，又能緊貼科學(xué)發(fā)展的前沿。往往新近開發(fā)的傳感器，與時(shí)政、時(shí)事、人物和新興技術(shù)等的結(jié)合程度會(huì)非常高。比如基于微流控的傳感芯片，柔性傳感器，植入式微型腦機(jī)接口等知識(shí)介入，新興技術(shù)的吸引力已經(jīng)足夠強(qiáng)。在此基礎(chǔ)之上，本課程改革探索融入思政元素，更容易引起學(xué)生的共鳴（圖1）。

教學(xué)方式上，一味的知識(shí)講解以及公式推導(dǎo)容易使學(xué)生感覺枯燥難懂。針對(duì)如何增加學(xué)生們的課堂學(xué)習(xí)樂趣，學(xué)院教研組提出在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，適當(dāng)進(jìn)行多樣化教學(xué)。因此，我們將個(gè)別課堂問答及討論時(shí)間，改成辯論（例如：我國(guó)生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展瓶頸在于技術(shù)創(chuàng)新;生物醫(yī)學(xué)傳感器的性能取決于芯片;植入式的生物醫(yī)學(xué)傳感器相較于體外的生物醫(yī)學(xué)傳感器更先進(jìn)等）;頭腦風(fēng)暴（例如：可穿戴心電傳感器設(shè)計(jì)方案;柔性植入式腦電傳感器設(shè)計(jì)方案;無線通訊的醫(yī)用傳感器設(shè)計(jì)方案等）;案例剖析（例如：可降解植入式傳感器;呼吸機(jī)中的生物醫(yī)學(xué)傳感器;磁導(dǎo)微納生物醫(yī)學(xué)傳感器）等。多樣化的教學(xué)模式使得課堂不再是一人講、眾人聽的枯燥場(chǎng)面。這大大提高了學(xué)生的課堂參與度，亦可多重培養(yǎng)學(xué)生間的相互協(xié)作，獨(dú)立思考以及創(chuàng)新意識(shí)，并且在不經(jīng)意間融入了課程思政，達(dá)到德才雙育的效果。

（二）課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

為提升“生物醫(yī)學(xué)傳感器”課程教學(xué)效果，在理論教學(xué)方面，我們?cè)趥鹘y(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，嘗試梳理和改革課堂教學(xué)內(nèi)容，增加教學(xué)模式的多樣性;在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，我們不再只是簡(jiǎn)單的“插線板式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)：以項(xiàng)目制的方式，增加傳感器自主設(shè)計(jì)，制造和驗(yàn)證等內(nèi)容，讓學(xué)生體會(huì)從零到一，從想法到實(shí)現(xiàn)的整體過程，極大地提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)課程的興趣。

其中，與傳統(tǒng)基于電子學(xué)的傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，學(xué)生對(duì)新型微納傳感器，可穿戴柔性傳感器等的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出濃厚的興趣。例如基于微流控技術(shù)的傳感芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造實(shí)驗(yàn)，主要分為四大部分（圖2）：利用微流動(dòng)力學(xué)原理，通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)所需微結(jié)構(gòu)，并通過多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化;通過微加工設(shè)備，包括光刻和高精度CNC等方式制造微流控芯片，并通過等離子體處理等方式進(jìn)行芯片封裝;利用Multisim軟件設(shè)計(jì)和仿真芯片外圍電路，并通過PCB或焊接的方式完成電路制造;將微流控芯片與外圍電路連接起來形成完整的傳感器并進(jìn)行功能驗(yàn)證。該部分實(shí)驗(yàn)無固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只限定實(shí)驗(yàn)方向。因此，學(xué)生們可根據(jù)自己的背景調(diào)研，自身的動(dòng)手能力以及興趣愛好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選題。一旦題目選定，從傳感器設(shè)計(jì)和仿真、優(yōu)化制造、軟硬調(diào)試以及最終的組裝和功能驗(yàn)證，都需要自己動(dòng)腦動(dòng)手。雖然整體實(shí)驗(yàn)耗時(shí)比傳統(tǒng)“插線板式”的實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)不少，教師的準(zhǔn)備工作也繁重許多，實(shí)驗(yàn)期間出現(xiàn)的問題亦呈現(xiàn)多、雜等特點(diǎn)，但通過兩屆學(xué)生總體實(shí)驗(yàn)情況的比對(duì)，學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)激情得到極大提升（主動(dòng)要求課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做傳感器實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)中的討論包括學(xué)生間的討論，傳感器設(shè)計(jì)成果增加許多等）。這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)研究的毅力和正確的職業(yè)素養(yǎng)。

（三）課外實(shí)踐教學(xué)模式探索

此次“生物醫(yī)學(xué)傳感器”教學(xué)模式的探索，不僅是課堂教學(xué)的改革，在課外時(shí)間中，我們亦進(jìn)行了相關(guān)教學(xué)模式的試驗(yàn)：以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)科比賽等為載體，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐，將課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)應(yīng)用到課外設(shè)計(jì)中。本次課程改革探索從學(xué)生實(shí)踐中去啟發(fā)創(chuàng)新，去培養(yǎng)正確的價(jià)值觀人生觀，以“潤(rùn)物細(xì)無聲”的方式融入課程思政。

以高通量芯片系統(tǒng)為例，學(xué)生延續(xù)了實(shí)驗(yàn)課的相關(guān)內(nèi)容，延伸并學(xué)習(xí)了相關(guān)技能，結(jié)合課堂上所學(xué)到的知識(shí)，將自己的創(chuàng)意付諸實(shí)踐。教師作為指導(dǎo)角色，不單單要從方向上把握好項(xiàng)目進(jìn)展，而且要在課外盡可能地引導(dǎo)和鍛煉學(xué)生，使其能力、意志和品格得以提升。我們?yōu)榇?，在初期學(xué)生選題時(shí)教授本科生利用各式搜索引擎查閱最新文獻(xiàn)的技巧，并讓學(xué)生定期參與研究生組會(huì)，體會(huì)和理解項(xiàng)目的背景調(diào)查、技術(shù)對(duì)比、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果討論和項(xiàng)目總結(jié)等過程;項(xiàng)目進(jìn)展中期，教研組以視頻網(wǎng)絡(luò)會(huì)議的方式，通過不同組別學(xué)生的展示以及組內(nèi)同學(xué)的定期討論，讓學(xué)生相互啟發(fā)，相互進(jìn)步;項(xiàng)目末期，為了鍛煉學(xué)生的抗壓能力，我們通過兩種方式：團(tuán)隊(duì)模擬答辯與個(gè)人模擬面試，對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)能力的鍛煉。最終，學(xué)生不僅完成了傳感器設(shè)計(jì)以及外圍軟硬件的搭建，還將設(shè)計(jì)以圖文并茂及視頻展播的方式展示出來，在校、市及省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中榮獲各種獎(jiǎng)項(xiàng)。除卻備受肯定的喜悅以及滿滿的成就感，在此過程中，學(xué)生們體會(huì)過實(shí)驗(yàn)不順利，結(jié)果遠(yuǎn)不如預(yù)期的挫敗;體驗(yàn)過比賽準(zhǔn)備不充分，隊(duì)員想法有分歧導(dǎo)致的比賽比分落后;感受過評(píng)委以及指導(dǎo)老師極為嚴(yán)厲的要求。此間種種，幾乎不可能在課堂上教于學(xué)生。因此，鼓勵(lì)學(xué)生參加課外實(shí)踐，積極通過各種措施引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為課外設(shè)計(jì)，將很大程度上有利于“生物醫(yī)學(xué)傳感器”課程培養(yǎng)德才兼?zhèn)?，家?guó)情懷，領(lǐng)袖氣質(zhì)的教學(xué)要求。

三、教學(xué)效果分析

課堂上，由于教學(xué)形式不再單一，知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合更為緊密，不僅增加了學(xué)生與教師的互動(dòng)，也給予學(xué)生一片廣闊的天地去思索，去拓展。從課后的提問情況分析，絕大部分同學(xué)已將知識(shí)點(diǎn)融入自己的思維體系，問題均比較具有深度，甚至有部分是值得探索研究的問題。與思政元素的充分結(jié)合，使得教學(xué)內(nèi)容相較傳統(tǒng)課程豐富許多，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹立了較強(qiáng)的民族意識(shí)。多樣化的課堂教學(xué)模式的探索，能夠引導(dǎo)學(xué)生與教師一起討論，交流，在辯論中相互修正，在頭腦風(fēng)暴中相互補(bǔ)充，在案例分析中相互提升，很好地提高了教學(xué)質(zhì)量，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)相關(guān)的科學(xué)知識(shí)，思考相關(guān)科學(xué)問題。

課程實(shí)驗(yàn)方面，我們通過真正的項(xiàng)目制開發(fā)，不再拘泥于傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)的“插板板式”、步驟化的教學(xué)，喚醒學(xué)生的主體意識(shí)。實(shí)驗(yàn)過程中，教師是引導(dǎo)的角色，學(xué)生是創(chuàng)造的角色。當(dāng)一個(gè)個(gè)自行設(shè)計(jì)、自主制造、運(yùn)行完好的傳感器放置在眼前時(shí)，從學(xué)生的眼中可以讀到成功的喜悅。針對(duì)同一個(gè)問題，在實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生們會(huì)漸漸領(lǐng)悟到解決方法不會(huì)只有一個(gè)。這充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，不僅為學(xué)生開創(chuàng)了一個(gè)寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（自主發(fā)揮，自行定義），而且讓學(xué)生深刻體會(huì)項(xiàng)目開發(fā)的困難，動(dòng)手能力的重要性以及創(chuàng)新實(shí)踐的樂趣。

課外實(shí)踐方面，學(xué)生們依托課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)，很好地將實(shí)驗(yàn)課所做的傳感器延伸至生活中的實(shí)際應(yīng)用，全方位地給予學(xué)生鍛煉的機(jī)會(huì)。傳授知識(shí)固然重要，但能力培養(yǎng)才是當(dāng)代大學(xué)生最為欠缺的。在課外的各學(xué)科比賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，學(xué)生們不再認(rèn)為這是教師指派的任務(wù)或者是課程作業(yè)，而是學(xué)生自己的“事業(yè)”。在課外實(shí)踐中，大部分學(xué)生的自我驅(qū)動(dòng)力被充分調(diào)動(dòng)起來，不再是教師給了指令不得不干，也不是因?yàn)橐荚嚵瞬艜?huì)去學(xué)習(xí)，而是在別人告知之前已經(jīng)積極努力地完成自己設(shè)定的任務(wù)。即使有層出的問題和意料之外的挫折，學(xué)生們從項(xiàng)目中漸漸形成強(qiáng)大的意志和不斷的正能量。興趣是最好的老師，事業(yè)是最好的動(dòng)力。當(dāng)一份份獲獎(jiǎng)證書，一個(gè)個(gè)獎(jiǎng)牌陳列眼前時(shí)，一方面代表著學(xué)生學(xué)有所獲，另一方面說明教師教有所成。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)顯而易見，而思政建設(shè)亦以潤(rùn)物細(xì)無聲的方式影響著同學(xué)們。大健康的概念，正確的職業(yè)素養(yǎng)，家國(guó)情懷及民族意識(shí)等，均在實(shí)踐過程中漸漸影響著學(xué)生的思想。比起死板的教條灌輸，課外的實(shí)踐教學(xué)顯得更為靈動(dòng)及深入人心。

教學(xué)效果是每一門課程教學(xué)的落腳點(diǎn)，一切教學(xué)模式的改革最終目的都是要最大程度達(dá)到教學(xué)目的。因此，每一次教學(xué)模式的探索，都需要緊緊圍繞德才兼?zhèn)浣逃@一核心點(diǎn)。教師質(zhì)量的評(píng)價(jià)總歸要回到學(xué)生群體上。每一門課程的教學(xué)效果分析都應(yīng)該是綜合性的，只看成績(jī)和教評(píng)，是一種片面的評(píng)價(jià)方式，還應(yīng)該考量學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，動(dòng)手實(shí)踐能力以及道德情操等方面的教學(xué)效果評(píng)估。

四、總結(jié)

本文通過課堂理論教學(xué)、課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課外實(shí)踐教學(xué)三部分教學(xué)模式和方法的初步探索，證實(shí)在“生物醫(yī)學(xué)傳感器”課程教學(xué)過程中融入創(chuàng)新培養(yǎng)和課程思政是切實(shí)可行的，其不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式下的種種弊端，而且能夠極大地延伸課程及課外教學(xué)的深度和廣度，既注重教學(xué)結(jié)果，又關(guān)注教學(xué)過程。融入思政元素，不是將工科課程變成政治教育課程，而是要用之吸引學(xué)生的關(guān)注、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而提升學(xué)生對(duì)課程的關(guān)注度和參與度，使得課堂不晦澀、知識(shí)不枯燥、思政不死板，進(jìn)而達(dá)到學(xué)有所專，立德樹人的課程目標(biāo)[5]。著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)踐能力和辯證思維，既考驗(yàn)教師的知識(shí)廣度以及課程深度，又需從思想和行動(dòng)上去影響學(xué)生，因此，以大學(xué)各項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽為載體，積極融入學(xué)生群體，以小團(tuán)隊(duì)形式，可更深入地完成課外實(shí)踐教學(xué)?？偠灾?，該探索為未來“生物醫(yī)學(xué)傳感器”課程教學(xué)的深度改革提供了一定的實(shí)例證據(jù)和改革思路，結(jié)合其他理工醫(yī)科專業(yè)課程的特點(diǎn)和相關(guān)培養(yǎng)計(jì)劃，我們充分相信本文的教學(xué)模式可根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況加以改進(jìn)并適用于其他綜合性較強(qiáng)的交叉學(xué)科課程。

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