基于階梯式教學與差異化課堂的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

肖林 賈昭君 林倩明 張超

［摘 要］ 建設(shè)創(chuàng)新國家和科技強國的關(guān)鍵在于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地，肩負著為我國科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的重要使命。中山大學生物醫(yī)學工程學院聚焦如何在高等教育改革中推進高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要命題，在長期教學研究與實踐基礎(chǔ)上，提出階梯式教學與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，在加強專業(yè)基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)上，循序漸進開展專業(yè)創(chuàng)新教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。以生物醫(yī)學材料類實驗課程教學為例，對該創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的具體措施、實施過程及成效做詳細論述。該培養(yǎng)模式可為我國高等教育探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供有益經(jīng)驗。

［關(guān)鍵詞］ 階梯式教學;差異化課堂;生物醫(yī)學材料;實驗教學;創(chuàng)新人才培養(yǎng)

［基金項目］ 2022年度中山大學本科教學質(zhì)量與教學改革工程項目“面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的生物材料實驗課程教學改革”（中山大學教務〔2022〕91號）；2022年度中山大學本科教學質(zhì)量與教學改革工程項目“課程思政示范課程‘生物材料基礎(chǔ)實驗”（中山大學教務〔2022〕91號）

［作者簡介］ 肖 林（1986—），男，湖南新化人，博士，中山大學生物醫(yī)學工程學院助理教授，主要從事生物材料與組織工程研究；張 超（1975—），男，河南許昌人，博士，中山大學生物醫(yī)學工程學院教授（通信作者），主要從事骨科材料與植介入器械研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-10-31

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是國家發(fā)展全局的核心，而高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地和科技創(chuàng)新的排頭兵，肩負著為國家培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的重要使命。中山大學生物醫(yī)學工程學院緊密結(jié)合國家創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略需求，依托粵港澳大灣區(qū)生物醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于培養(yǎng)“背靠工科，面向醫(yī)科”的復合型高水平創(chuàng)新人才［1］。中山大學生物醫(yī)學工程學院開設(shè)了多門生物醫(yī)學材料類實驗課程，貫穿本科學習的各個階段。本文以這類課程的教學改革實踐為例，論述如何在本科實驗課程教學中開展創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

一、基礎(chǔ)教學與標準式課堂相結(jié)合做好專業(yè)基礎(chǔ)教育

創(chuàng)新不是無源之水、無本之木，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)首先建立在寬厚扎實的專業(yè)基礎(chǔ)教育之上。如何做好專業(yè)基礎(chǔ)教育是實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要解決的首要問題。

（一）基礎(chǔ)教學是做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的主要途徑

根據(jù)學生的知識基礎(chǔ)和認知特點，中山大學生物醫(yī)學材料類實驗課程針對不同學習階段的本科生開展階梯式和差異化教學。對于低年級（一、二年級）本科生，該類課程以做好生物醫(yī)學材料專業(yè)基礎(chǔ)教育為主要目標，為高年級專業(yè)創(chuàng)新教育及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。這一階段的教學圍繞夯實生物醫(yī)學材料專業(yè)基礎(chǔ)展開。首先，低年級本科生（尤其是一年級）沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)的實驗訓練，大部分學生尚未掌握基本的實驗操作規(guī)范和技能，也缺少必要的實驗安全教育，相關(guān)理論課程的學習也剛剛起步。因此，這一階段的首要教學目標是培養(yǎng)學生的實驗研究基本素養(yǎng)，圍繞該教學目標設(shè)置的教學內(nèi)容包括實驗室安全意識、安全處置方法、基本實驗操作的準確性和規(guī)范性、實驗數(shù)據(jù)記錄的準確性與規(guī)范性等。例如：實驗室發(fā)生火災時如何正確處理，?；啡绾握_分類儲存和使用，如何正確進行離心、沉淀、蒸餾、回流、萃取、重結(jié)晶、化學反應等基本實驗操作。其次，重點掌握生物醫(yī)學材料實驗研究的基本技能和方法，包括生物醫(yī)學材料的常規(guī)合成與制備方法、理化性質(zhì)的表征技術(shù)原理與儀器設(shè)備的使用方法、生物學評價的實驗方法與數(shù)據(jù)處理等。

（二）標準式課堂是做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的重要手段

為實現(xiàn)上述教學目標，采用標準導向的教學方法與課堂管理方式，通過教師講解、操作示范與學生動手實踐相結(jié)合的方法，使學生牢固樹立實驗室安全意識與規(guī)范操作意識；能正確、規(guī)范地完成基本實驗操作，熟練掌握常規(guī)的生物醫(yī)學材料合成與制備方法，理化性質(zhì)表征技術(shù)與生物學評價方法；能夠根據(jù)實驗講義明確的實驗內(nèi)容完成既定實驗任務，達成預期實驗目標。值得指出的是，中山大學生物醫(yī)學工程學院為低年級本科生同步開設(shè)了相關(guān)理論課程，與上述實驗教學內(nèi)容緊密聯(lián)系，互為補充。因此，在實驗教學中，教師有意識地將實驗內(nèi)容與基礎(chǔ)知識、基本理論融會貫通，尤其涉及生物材料制備原理（如多孔結(jié)構(gòu)的形成與調(diào)控、凝膠—溶膠轉(zhuǎn)變等）、理化性質(zhì)表征原理（如紫外—可見光譜分析、動態(tài)光散射法測粒徑等）和生物學評價原理（如CCK-8法檢測細胞毒性、溶血試驗評估血液相容性等），通過外化于形的實驗操作幫助學生加深對基本知識和重要概念的理解，逐漸形成內(nèi)化于心的知識儲備與實踐能力。與教學目標、教學內(nèi)容、課堂導向相適應，這一階段該類課程的考核評價也具有標準導向特征。主要考察學生實驗研究基本素養(yǎng)與基本技能的形成，以及對常規(guī)的生物醫(yī)學材料合成與制備方法、理化性質(zhì)表征技術(shù)、生物學評價方法的掌握。主要考核點包括學生在實驗過程中表現(xiàn)出來的安全防范意識、規(guī)范操作意識、實事求是的態(tài)度、勤奮刻苦的精神、實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)準確記錄、實驗任務的完成情況、實驗結(jié)果的準確性、實驗報告的完整性與數(shù)據(jù)處理的科學性等。

通過基礎(chǔ)教學與標準式課堂相結(jié)合做實專業(yè)基礎(chǔ)教育，使學生具備良好的實驗研究基本素養(yǎng)與基本技能，掌握常規(guī)的生物醫(yī)學材料合成與制備方法、理化性質(zhì)表征技術(shù)、生物學評價方法，為進入高年級接受專業(yè)創(chuàng)新教育打下堅實的基礎(chǔ)。

二、創(chuàng)新教學與探究型課堂相結(jié)合開展專業(yè)創(chuàng)新教育

在扎實的專業(yè)基礎(chǔ)教育基礎(chǔ)上，通過合理的實驗教學設(shè)計對高年級（三、四年級）學生進行專業(yè)創(chuàng)新教育，可有效地培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，引導其成為高水平創(chuàng)新人才。

（一）創(chuàng)新教學與探究型課堂相結(jié)合是開展專業(yè)創(chuàng)新教育的有效方式

前文所述專業(yè)基礎(chǔ)教育以基礎(chǔ)教學與標準式課堂的運用為基本特征，而專業(yè)創(chuàng)新教育具有顯著不同的特征，表現(xiàn)在教學過程的各個環(huán)節(jié)。表1總結(jié)了生物醫(yī)學材料類實驗課程專業(yè)基礎(chǔ)教育與專業(yè)創(chuàng)新教育的區(qū)別。

首先在教學目標上，這一階段的專業(yè)創(chuàng)新教育著重提高學生提出—分析—解決問題的能力和實踐能力，培養(yǎng)學生的探索精神、創(chuàng)新精神與團隊合作意識以及綜合能力。在教學內(nèi)容上，教師通過設(shè)計綜合性與探究性實驗課題開展創(chuàng)新教學。在前期經(jīng)預實驗充分論證的基礎(chǔ)上，引導學生在實驗過程中自主設(shè)置合適的變量開展探究性實驗，要求學生針對實驗中發(fā)生的重要現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果提出解釋或猜想，再通過進一步思考和提煉形成合理的科學假說。此外，鼓勵學生針對自己提出的科學假說設(shè)計驗證性實驗研究方案。在教學方法與課堂管理上，采取教師引導下的學生自主實驗、自由討論的教學方式，突出學生的主體地位，教師負責引出實驗課題、組織課堂環(huán)節(jié)、引導學生思考、評述學生觀點并參與課堂討論，在教學過程充分調(diào)動學生的積極性與主動性，充分尊重學生的想象力與創(chuàng)造力，形成自主式、開放式的探究型課堂（圖1）。相應地，教學考核評價不再強調(diào)標準式實驗操作與標準化實驗結(jié)果，而是看重實驗過程中對實驗現(xiàn)象與結(jié)果的思考，針對現(xiàn)象與結(jié)果提出問題與分析問題的能力，提出合理科學假說與設(shè)計驗證性實驗方案的能力，陳述觀點與參與討論的能力，團隊協(xié)作意識及綜合能力。

（二）創(chuàng)新教學與探究式課堂相結(jié)合開展專業(yè)創(chuàng)新教育的教學舉例

以“PLGA-PEG納米膠束的制備與表征”實驗為例，介紹如何通過創(chuàng)新教學與探究式課堂相結(jié)合對高年級學生開展專業(yè)創(chuàng)新教育，教學過程如下：首先教師簡要介紹實驗背景、實驗目標和實驗內(nèi)容，并對可能影響納米膠束形貌的關(guān)鍵步驟和重要因素做適當提示。學生分組后，教師要求每組通過組內(nèi)討論確定一個實驗因素作為單一變量，并要求設(shè)計平行實驗探究該變量對膠束形成及形貌的影響，如以選擇性溶劑的滴入速度、PLGA-PEG溶液的攪拌速度、溶液pH、離子濃度等因素作為變單一量，平行實驗的設(shè)計和開展可以在組內(nèi)進行，也可以由不同小組合作進行。然后根據(jù)實驗中觀察到的重要現(xiàn)象（如溶液濁度和顏色變化等）及實驗結(jié)果（膠束形貌、尺寸等），分析設(shè)定的變量如何影響這些實驗現(xiàn)象和結(jié)果。通過組內(nèi)或組間討論形成合理解釋或猜測，并在此基礎(chǔ)上大膽提出設(shè)想，提煉出科學假說，針對該假說設(shè)計一個驗證性的實驗方案（課堂上不需開展實驗，但鼓勵有興趣的同學課后在老師指導下開展）。實驗結(jié)束后，教師組織討論。首先，每組對本組實驗進行總結(jié)，就實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果、做出的解釋、提出的假說和驗證方案等進行討論和總結(jié)，形成一致意見。其次，每組選派一名代表在全班進行分享和交流，最終的考核評價包括課堂表現(xiàn)與實驗報告兩方面，主要看重學生對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的分析與討論，變量的設(shè)置及設(shè)置依據(jù)，假說的提出及驗證性實驗的設(shè)計，以及參與課堂的綜合表現(xiàn)。

這種創(chuàng)新教學與探究型課堂的運用，有效地培養(yǎng)了學生提出—分析—解決問題的能力和實踐能力，培養(yǎng)了學生的探索精神、創(chuàng)新精神、團隊合作意識與綜合能力。

三、階梯式教學與差異化課堂相結(jié)合是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效模式

《中華人民共和國高等教育法》規(guī)定：“高等教育的任務是培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才”，這明確了教師在本科教育階段必須把專業(yè)創(chuàng)新教育作為首要任務，而如何做好專業(yè)創(chuàng)新教育則是我們需要思考的問題。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)應建立在扎實的專業(yè)基礎(chǔ)教育之上，然而，相較于高考的高標準與嚴要求，我國絕大多數(shù)高校本科課程考核和畢業(yè)要求仍然過于寬松，這直接導致了大多數(shù)本科畢業(yè)生專業(yè)基礎(chǔ)不夠扎實，嚴重制約了專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這充分反映了本科教育加強專業(yè)基礎(chǔ)教育的必要性與緊迫性，激發(fā)了教師重新審視專業(yè)基礎(chǔ)教育與專業(yè)創(chuàng)新教育的關(guān)系。

教學研究與實踐表明，做好專業(yè)基礎(chǔ)教育是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本，而開展專業(yè)創(chuàng)新教育則是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵，二者相互補充，缺一不可，通過有機結(jié)合、依序而施達到培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的目標?；谶@一認識，我們提出適合本科教育階段的階梯式教學與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。如圖2所示，對低年級學生采用基礎(chǔ)教學與標準式課堂相結(jié)合的方式加強專業(yè)基礎(chǔ)教育，著重開展基本素養(yǎng)、基礎(chǔ)知識、基本理論與基本技能的培養(yǎng)。進入高年級后，對學生采用創(chuàng)新教學與探究式課堂相結(jié)合的方式開展專業(yè)創(chuàng)新教育，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力、團隊合作意識及綜合素質(zhì)，提高學生提出問題、分析問題與解決問題的能力，從而實現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。教學實踐表明，這種階梯式教學與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式以循序漸進的方式培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)、創(chuàng)新精神與實踐能力，符合認知發(fā)展規(guī)律，可有效促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

四、總結(jié)與展望

如何在高等教育改革中推進高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)是我國高校的重要課題。基于長期教學研究與實踐，我們提出了階梯式教學與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，強調(diào)在做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)上循序漸進開展專業(yè)創(chuàng)新教育。教學實踐表明，這種培養(yǎng)模式有效地培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神與實踐能力，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中取得顯著成效。未來將在教學研究與實踐中不斷優(yōu)化和發(fā)展該培養(yǎng)模式，為新時代我國高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供更多經(jīng)驗和智慧。

參考文獻

［1］林旭東，徐炳哲，吳萬慶，等.“生物醫(yī)學傳感器”理論、實踐及思政融合式教學探索［J］.教育教學論壇，2021（5）：4.

Abstract： The key to the construction of an innovative country and a strong scientific and technological power lies in the cultivation of innovative talent. As the main field of talent cultivation， universities shoulder the important mission of cultivating high-level innovative talent for scientific and technological innovation and economic development of the country. School of Biomedical Engineering， Sun Yat-sen University， focuses on how to promote high-level innovative talent cultivation， which is a crucial question in the higher education reform. Based on the long-term research and practice of teaching， an innovative talent cultivation mode featured by a combination of stepwise teaching and differentiated classes is proposed. In this mode， professional innovation education is conducted based on the strengthened professional basic education towards high-level innovative talent cultivation. Taking the experimental courses in biomedical materials as an example， the specific measures， implementation process and results of this innovative talent cultivation mode are discussed in detail. It can provide useful experience for our higher education to explore innovative talent cultivation.

Key words： stepwise teaching; differentiated classes; biomedical materials; experimental teaching; innovative talent cultivation