主題互動式新工科研究生教學(xué)探索與實踐

摘 要：在生物醫(yī)學(xué)工程院系開設(shè)生物材料表界面一類專精課程有利于凸顯新工科背景下多學(xué)科交叉融合特色，助力培養(yǎng)醫(yī)療器械細(xì)分領(lǐng)域創(chuàng)新型科技攻關(guān)人才。該文以中山大學(xué)研究生課程生物材料表界面與功能化為例，在“以學(xué)生為中心”教育理念導(dǎo)向下，以“自主創(chuàng)新精神”為引領(lǐng)，以生物材料表界面及表面改性相關(guān)原理、技術(shù)和應(yīng)用為切入點，針對交叉學(xué)科研究生多元化個體需求及傳統(tǒng)“灌輸式”授課模式潛在問題進(jìn)行“主題互動式”教學(xué)改革，以實現(xiàn)教與學(xué)立體聯(lián)動，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合能力。

關(guān)鍵詞：新工科;生物材料表界面;主題互動式教學(xué);研究生課程改革;創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0134-05

Abstract： The establishment of specialized courses such as those on "Biomaterials Surface and Interface" in the School of Biomedical Engineering helps highlight the unique characteristics of multidisciplinary integration under the background of new engineering and contributes to the cultivation of innovative scientific and technological talents in the subfield of medical devices. This article exemplifies our "theme-based interactive teaching" practice for the postgraduate course "Biomaterials Surface， Interface and Functionalization" in Sun Yat-sen University， which was implemented under the guidance of the "student-centered" educational concept while embracing the "spirit of independent innovation". Principles， techniques and applicationsthat are related to biomaterials surface/interface and surface modification were selected as the entry points of theme-based interactive teaching to meet the diverse individual needs of postgraduates with interdisciplinary background and facilitate classroom interactions that are lacking intraditional "indoctrination-based" teaching. Such innovative educational mode is expected to help realize multidimensional linkages between teaching and learning while cultivating students' core literacy and comprehensive competence.

Keywords： new engineering; biomaterials surface and interface; theme-based interactive teaching; postgraduate curriculum reform; innovative talent cultivation

生物醫(yī)學(xué)工程是一門理、工、醫(yī)高度交叉融合的綜合性邊緣學(xué)科，旨在運用物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科理論和方法，面向疾病預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)，開發(fā)先進(jìn)生物材料、醫(yī)療器械/裝備、診斷技術(shù)等以解決有關(guān)臨床問題，促進(jìn)醫(yī)學(xué)進(jìn)步，服務(wù)人類健康[1]。推進(jìn)高端生物材料及醫(yī)療器械自主研發(fā)以打破國際市場壟斷，保障國民健康安全，是新工科背景下各生物醫(yī)學(xué)工程院系開展學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的核心任務(wù)之一[2]。生物材料作為醫(yī)療器械研發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其進(jìn)入人體后，首先通過其表界面與宿主發(fā)生相互作用，進(jìn)而引發(fā)一系列生物學(xué)響應(yīng)和材料學(xué)變化，最終決定器械的安全性、有效性和功能性[3]。為此，通過表面處理、涂層修飾等表面改性手段可有效調(diào)控生物材料的表界面行為，提升醫(yī)療器械的臨床效用及壽命[4]。然而，我國現(xiàn)階段匱乏此方面關(guān)鍵技術(shù)及高層次人才，嚴(yán)重制約了高性能醫(yī)療器械自主創(chuàng)新研發(fā)。

一 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)生物材料表界面與功能化課程必要性

研究生有著獨立活躍的思想和相對成熟的知識儲備，是學(xué)術(shù)創(chuàng)造和科技創(chuàng)新的主力軍[5]。研究生課程教學(xué)是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[6]。為更好地培養(yǎng)新工科創(chuàng)新人才以主動應(yīng)對醫(yī)療器械行業(yè)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，有必要在生物醫(yī)學(xué)工程院系開設(shè)生物材料系列研究生課程，幫助學(xué)生夯實生物材料基礎(chǔ)理論，了解領(lǐng)域前沿和行業(yè)需求，提升醫(yī)工融合自主創(chuàng)新能力[5]。當(dāng)前國內(nèi)高校相關(guān)師資主要集中面向本科生開設(shè)內(nèi)容寬泛的生物材料學(xué)基礎(chǔ)課程，而缺乏針對研究生認(rèn)知特點的更為系統(tǒng)深入的課程教學(xué)，如鮮有設(shè)立生物材料表界面之類專精前沿課程[7]，長此以往易導(dǎo)致細(xì)分領(lǐng)域科研攻關(guān)人才短缺。為此，筆者在中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院開設(shè)生物材料表界面及功能化研究生課程，協(xié)助培養(yǎng)具有扎實專業(yè)知識、廣闊學(xué)科視野和自主創(chuàng)新意識的新工科復(fù)合型人才。

二 生物材料表界面與功能化教學(xué)過程中存在的問題和挑戰(zhàn)

生物材料表界面與功能化是筆者結(jié)合個人研究領(lǐng)域，于2022年起在中山大學(xué)新開設(shè)的一門生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生選修課，共2學(xué)分，32學(xué)時，在開課之初就吸引了來自我院生物醫(yī)學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)傳感和醫(yī)療儀器三個學(xué)科方向以及附屬醫(yī)院相關(guān)方向研究生的積極選課。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)以下問題。

（一） 選課學(xué)生個體需求多元化

交叉學(xué)科屬性決定了各類相關(guān)專業(yè)（如材料、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物、機械和計算機）本科生跨學(xué)科考研或保研進(jìn)入我院，表現(xiàn)出對授課內(nèi)容的個性化需求。以生物材料基本性能要求等學(xué)科常識為例，非本專業(yè)背景學(xué)生先前較少接觸相關(guān)理論需適當(dāng)科普，但這會造成本專業(yè)生源學(xué)生重復(fù)性學(xué)習(xí)。又如，不同研究方向?qū)W生關(guān)注應(yīng)用領(lǐng)域不同，如骨科植入物、心血管支架、抗腫瘤納米材料和傳感芯片等，難在有限學(xué)時內(nèi)逐一覆蓋。

（二） 適合本課程的教材較為稀缺

目前缺乏針對生物材料表界面與功能化的專門教材。當(dāng)前市面上已有諸如《生物材料：生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉》《生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)·材料生物學(xué)》等一眾優(yōu)秀的生物材料教科書籍，但僅在部分章節(jié)對生物材料表界面這一主題進(jìn)行了泛泛的介紹。國內(nèi)兄弟院校同題材課程多基于教師研究方向和相關(guān)文獻(xiàn)自主設(shè)計，體系性較差，不利于培養(yǎng)系統(tǒng)思維。

（三） 學(xué)生缺乏互動積極性

研究生課程在知識深度和前沿性上普遍高于本科，若還沿用傳統(tǒng)“教師講、學(xué)生聽”的單向灌輸式授課模式，會使剛步入研究生階段的新生難以適應(yīng)，互動積極性差，影響教學(xué)成效。同時，還有部分對本課程無興趣的學(xué)生為了“湊學(xué)分”被動選課。不同專業(yè)背景所致學(xué)情差異也會造成學(xué)生課堂參與感不足，逐步喪失學(xué)習(xí)興趣。

針對上述問題，有必要對生物材料表界面與功能化進(jìn)行教學(xué)改革，幫助提升教學(xué)效率，達(dá)成既定育人目標(biāo)。

三 生物材料表界面與功能化主題互動式教學(xué)模式創(chuàng)新

為深入貫徹“以學(xué)生為中心”的教育理念，全面提升新工科背景下生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生的創(chuàng)新思維、專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，筆者在生物材料表界面與功能化授課過程中探索并實踐了多元立體的“主題互動式”創(chuàng)新教學(xué)模式（圖1），其運行機制概述如下：教師根據(jù)大綱將教學(xué)內(nèi)容劃分為邏輯關(guān)聯(lián)的若干“主題板塊”，并按照實際需要在各主題板塊下設(shè)置“互動話題”，以問答、研討和匯報等互動教學(xué)活動展開，引導(dǎo)學(xué)生全面主動參與課堂，幫助豐富完善授課體系，實現(xiàn)“教”與“學(xué)”立體聯(lián)動。

具體來講，課程基于生物醫(yī)學(xué)工程理工醫(yī)“互融互促”學(xué)科特色以及對醫(yī)療器械表界面細(xì)分領(lǐng)域科技攻關(guān)技術(shù)與人才的需求，以原理、技術(shù)和應(yīng)用為切入點，設(shè)立了“表界面基礎(chǔ)理論”“表界面表征評價”“表面改性技術(shù)”和“表面功能化與應(yīng)用”等層層遞進(jìn)且多維交叉的四大“主題板塊”及下屬的兼具科學(xué)性和趣味性的“互動話題”，讓學(xué)生學(xué)習(xí)體悟“何為表界面及生物材料表界面”“如何對生物材料表界面特性進(jìn)行表征或評價”，以及“如何選擇合適的表面改性技術(shù)進(jìn)行表面功能化以滿足臨床應(yīng)用需求”等本領(lǐng)域核心科學(xué)與技術(shù)問題。在課程前半段，重點教師概述性/主線性講解表界面理論、技術(shù)和應(yīng)用邏輯框架，穿插問答或研討式互動活動以激活課堂氛圍、啟發(fā)自主思維；在后半段，隨著學(xué)生認(rèn)知水平的提升，課程以學(xué)生自主選題的獨立或分組主題匯報互動為主，要求結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研展示其擅長或熟知的表界面創(chuàng)新技術(shù)或應(yīng)用領(lǐng)域，輔以教師提問和點評，完成課堂的翻轉(zhuǎn)。

由上述模式驅(qū)動的課程體系既蘊含學(xué)科基本概念原理，又涉及行業(yè)先進(jìn)技術(shù)手段，還輻射領(lǐng)域應(yīng)用研究前沿，能夠較好地兼顧授課內(nèi)容的廣度與深度，以及科學(xué)性、技術(shù)性與創(chuàng)新性。更為重要的是，不同專業(yè)背景和課題方向的研究生均可在各主題板塊下找到契合自身情況的原理、技術(shù)或應(yīng)用相關(guān)互動話題，在獨立思考、分組討論和學(xué)術(shù)報告過程中調(diào)動求知熱情，拓展學(xué)科視野，培養(yǎng)自主創(chuàng)新意識和綜合思辨能力，鍛煉團(tuán)隊協(xié)作能力。

四 生物材料表界面與功能化主題互動式教學(xué)實施實例

（一） 基于“問題”的主題互動式教學(xué)

哲學(xué)家波普爾曾說，“知識并非起源于觀察，也非起源于理論，而是起源于問題”[8]。其實早在兩千年前，我國著名教育家孔子就在《論語·為政》中講“學(xué)而不思則罔”，提倡在學(xué)習(xí)過程中不斷思考、提出問題?；凇皢栴}”的主題互動式教學(xué)旨在圍繞選定的主題創(chuàng)設(shè)具體話題，以精心設(shè)計的“互動式”問題為知識載體，引導(dǎo)學(xué)生在思索、分析和解答問題的過程中主動汲取知識。實踐表明，該法能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，助其培養(yǎng)獨立思考和創(chuàng)新思維的能力。

具體舉例來說，在“表界面基礎(chǔ)理論”主題下，教師以“日常表界面現(xiàn)象”為互動話題，通過有趣的動圖或微視頻引入緊貼實際生活的情景問題，如“為何吹出來的肥皂泡泡接近球形？”“為什么水黽能在水面上行走？”“雨傘傘面有細(xì)小的孔，為何水不會從孔里漏出？”“為何荷葉能出淤泥而不染？”并鼓勵現(xiàn)場同學(xué)自薦作答，再由教師分析總結(jié)。該“教師引導(dǎo)、學(xué)生思考”的互動環(huán)節(jié)能夠喚醒學(xué)生的科學(xué)探索欲望，引導(dǎo)其主動發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的機理，助其構(gòu)建對“表面”“界面”“表面張力”“表面浸潤”等知識點的系統(tǒng)概念。進(jìn)一步，筆者還通過陳設(shè)層次嵌套的問題鏈深化主題互動，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力。例如，以“表面張力”為互動話題，教師在課堂開展“浮針”小實驗，即將一枚金屬針輕放于一杯水的水面展示針“浮而不沉”的現(xiàn)象，由此導(dǎo)入互動問題“金屬針受哪些力”。絕大多數(shù)同學(xué)都能正確描繪針因重力（G）及另一相反的托力（F）達(dá)受力平衡，但對于F屬性存在爭議（有說是浮力，有說是表面張力）。此時，教師辨析浮力（液體內(nèi)部不同深度壓強差）與表面張力（液體表面與內(nèi)部水分子受分子間力不均衡）產(chǎn)生原理，明確F源自表面張力（針位于液面而非內(nèi)部）。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生畫出液體內(nèi)部與表面水分子受力圖，以啟發(fā)對表面張力本質(zhì)和特征的探析。最后，進(jìn)階提問“根據(jù)表面張力定義，推測在氯化鈉、汞、水和苯等液滴之中誰具有最大表面張力”，并鼓勵學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)分析、演算求證。

值得一提的是，通過合理設(shè)計還能將問題（鏈）有機嵌入研討、匯報等主題互動活動中，并貫穿于各個主題板塊和知識環(huán)節(jié)。此外，為提高互動參與度及時效性，還探索了利用“雨課堂”等新興網(wǎng)絡(luò)教輔工具，進(jìn)行線上實時互動與線下教學(xué)相結(jié)合的混合式“主題·問題”互動教學(xué)模式，頗受歡迎且成效顯著。

（二） 基于“研討”的主題互動式教學(xué)

為進(jìn)一步深化課堂互動，增進(jìn)教學(xué)黏性，教師結(jié)合特定表界面主題，組織實施基于“研討”的主題互動式教學(xué)，將學(xué)習(xí)“拋錨”于情景化的、以學(xué)生為主體的、以解決問題為導(dǎo)向的專題研討活動[9]。為此，教師參考學(xué)生學(xué)科背景和研究方向?qū)⑵鋭澐譃樾∫?guī)模研討小組，在先導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為學(xué)生陳設(shè)基于問題、案例、文獻(xiàn)的“開放性”研討任務(wù)，鼓勵小組成員課前查閱相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)，做好前期準(zhǔn)備；在課堂中，教師營造師生平等、寬松民主的研討氛圍，鼓勵組內(nèi)與組間協(xié)同頭腦風(fēng)暴，互動交流觀點，旨在集思廣益，澄清困惑，達(dá)成共識，實現(xiàn)對課堂知識的內(nèi)化吸收與外延拓展。

例如，當(dāng)教師對“界面的定義”（物質(zhì)與物質(zhì)的交界面）進(jìn)行先導(dǎo)教學(xué)后，要求學(xué)生針對以下互動話題進(jìn)行分組研討：“盛有沸水的燒杯涉及的界面”。當(dāng)各組討論得出“固-液/固-氣/液-氣”的結(jié)論后，教師對結(jié)果進(jìn)行點評，并增加話題難度“在上述燒杯中加入乙醇或磁子”。在進(jìn)一步得出結(jié)論后，向同學(xué)們展示加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Phillip Geissler教授團(tuán)隊近期發(fā)現(xiàn)“水-空氣”界面存在“類冰”結(jié)構(gòu)的文章[10]，請同學(xué)們充分閱讀后討論其對物質(zhì)界面的新理解。最后，提出開放性話題，如“是否存在‘氣-氣’界面”“當(dāng)物質(zhì)的第四態(tài)等離子體與其他物質(zhì)形態(tài)接觸時是否存在界面”“鈦基及鎂基植入體進(jìn)入骨組織后分別面臨哪些界面”，要求學(xué)生課后調(diào)研文獻(xiàn)后于下次課堂深入研討。

又如，當(dāng)對“表面接觸與浸潤”基本概念進(jìn)行先導(dǎo)教學(xué)后，要求學(xué)生分組協(xié)作、推導(dǎo)接觸角的基礎(chǔ)公式——楊氏方程，并討論其成立的前提條件（理想化的表面）。進(jìn)一步，考慮實際材料表面存在粗糙度及成分差異的情況，創(chuàng)設(shè)話題“在非理想化的表面如何推導(dǎo)接觸角”，引出Wenzel方程和Cassie-Baxter方程。在此基礎(chǔ)上，以“荷葉效應(yīng)”為切入點，引導(dǎo)學(xué)生討論接觸角與超疏水效應(yīng)的關(guān)系，以及在動、靜態(tài)情況下水滴在荷葉表面與普通表面的行為特點，從而引出接觸角滯后現(xiàn)象及機理。最后，教師進(jìn)行總結(jié)，導(dǎo)入“特殊浸潤性”概念，并要求學(xué)生查閱該領(lǐng)域代表性文獻(xiàn)，于下次課堂開展進(jìn)一步研討話題“如何制備特殊浸潤性表面”及“特殊浸潤性表面在生物材料領(lǐng)域有何應(yīng)用”。

上述“主題·探討”互動教學(xué)可同時減輕教師授學(xué)任務(wù)及研究生聽課負(fù)擔(dān)，并通過促進(jìn)學(xué)生自學(xué)，知識共享，綜合思辨，讓其體驗在思想碰撞過程中解決復(fù)雜問題之“趣”與“獲”。除了扮演引導(dǎo)者角色，教師還應(yīng)就研討結(jié)果給予及時有效的反饋、點評和總結(jié)，并對該過程新生問題進(jìn)行解析，促使學(xué)生繼續(xù)思考。為提高研討參與積極性，記錄小組成員表現(xiàn)并以“互動分”納入綜合考核。

（三） 基于“匯報”的主題互動式教學(xué)

為更充分地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，助其拓展學(xué)科視野，激活自主創(chuàng)新思維，教師以生物材料表界面表征評價技術(shù)和表面功能化為主題（相關(guān)案例庫見表1），探索實踐了基于“匯報”的主題互動式教學(xué)，分為個人匯報和小組匯報兩種模式。

1 個人匯報

學(xué)生根據(jù)個人專業(yè)背景和興趣，獨立圍繞“表界面表征評價”主題準(zhǔn)備匯報材料，這包括生物材料表界面所涉及的材料學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等表征測試手段與各類生物學(xué)性能評價方法。匯報安排在課程中期以后，此時學(xué)生已對生物材料表界面基礎(chǔ)理論和表征評價知識框架有了較為清晰全面的了解。匯報采用PPT講解方式，鼓勵圖文并茂，合理利用科技文獻(xiàn)、科普視頻等資源。學(xué)生匯報后，教師引導(dǎo)其余學(xué)生提問，促進(jìn)觀點交流。同時，教師視情況進(jìn)行補充講解，并給予學(xué)生適當(dāng)?shù)目隙ㄅc贊揚。

2 小組匯報

匯報安排在課程后期，納入期末考核。學(xué)生依自愿原則，每組2、3人自發(fā)組隊，鼓勵跨學(xué)科背景和專業(yè)方向聯(lián)動，以促進(jìn)學(xué)科交叉、創(chuàng)新融合。確定分組后，學(xué)生圍繞“表面功能化與應(yīng)用”主題選取具體匯報話題，并分工協(xié)作查閱文獻(xiàn)，準(zhǔn)備匯報PPT，要求展示研究背景、研究現(xiàn)狀（代表性團(tuán)隊/技術(shù)策略）、典型實例、核心難題和解決思路等。通過貢獻(xiàn)度計分模式，激勵組內(nèi)成員積極合作、溝通交流；通過不限制同類選題及組間比賽等形式，鼓勵競爭，激活課堂互動氛圍。每組匯報后，教師及其余學(xué)生分別針對匯報內(nèi)容提問，實現(xiàn)對課程知識的深化與拓展。最后，教師進(jìn)行總結(jié)性點評，提出改進(jìn)建議。

實踐發(fā)現(xiàn)，上述主題匯報可促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)掌握材料表界面表征和生物學(xué)評價的方法與原理，嘗試從多維層面（從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)）去理解材料學(xué)與生命科學(xué)內(nèi)在關(guān)聯(lián)，主動追蹤了解相關(guān)領(lǐng)域研究動態(tài)與應(yīng)用前沿，并能夠基于“表面改性技術(shù)—表界面理化特性—生物材料學(xué)應(yīng)用”這一主鏈關(guān)系進(jìn)行表面功能化設(shè)計以解決臨床實際問題。該過程還能強化學(xué)生查閱、遴選和歸納文獻(xiàn)資料的能力，鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力，滿足其自我展示需求，并培養(yǎng)獨立思考與團(tuán)隊協(xié)作創(chuàng)新的“卓越工程師”意識，為今后的學(xué)習(xí)、科研與工作奠定基礎(chǔ)。

五 結(jié)束語

本文結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特點以及新工科背景下培養(yǎng)醫(yī)療器械細(xì)分領(lǐng)域創(chuàng)新型科技攻關(guān)人才需求，闡述了開設(shè)生物材料表界面與功能化研究生課程的必要性以及面臨的問題和挑戰(zhàn)，并從“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念出發(fā)，以研究生“創(chuàng)新精神培養(yǎng)”為契機，以“多學(xué)科交叉融合”為牽引，針對性探索了基于“問題”“研討”和“匯報”的主題互動式教學(xué)改革，在教與學(xué)多元立體互動過程中，讓學(xué)生主動掌握生物材料表界面與功能化相關(guān)核心原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前沿。教學(xué)實踐表明，上述創(chuàng)新教學(xué)模式能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動課堂互動積極性，在有限學(xué)時內(nèi)兼顧不同學(xué)科背景和專業(yè)方向?qū)W生的差異化學(xué)習(xí)需求，有助于凸顯研究生的課堂主體地位，提升其創(chuàng)新思維、專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，保證新工科高層次人才培養(yǎng)的質(zhì)量。上述探索經(jīng)驗可為其他相關(guān)課程改革提供一定參考。

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