王 兆，黃 雷，付德剛

（東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)國家級實驗教學(xué)示范中心，南京210096）

為適應(yīng)我國生物技術(shù)的進(jìn)步與醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，高等院校對學(xué)生的創(chuàng)新能力和實際操作能力提出了更高的要求。對高等院校教育來說，如何在培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展的同時更加聚焦學(xué)生創(chuàng)新能力與實踐能力的提升，成為擺在高校專業(yè)教育面前的現(xiàn)實問題。根據(jù)專業(yè)課教學(xué)特點往往是將與專業(yè)教學(xué)密切相關(guān)的、成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，這樣可以較好地普及專業(yè)知識、培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)，但同時也限制了學(xué)生對最新成果的追蹤和認(rèn)知，阻礙了學(xué)生邏輯思維和創(chuàng)新能力的提升。為此，許多高校都開展了多種多樣的教學(xué)改革，但更多的是針對理論教學(xué)，而實驗教學(xué)由于受到專業(yè)性質(zhì)、教師水平和教學(xué)平臺的限制，改革較為困難，成效不理想［1?3］。

本文著重分析以東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院主導(dǎo)的“生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計系列實驗”為試點，立足本科教學(xué)示范中心，依托生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物電子學(xué)國家重點實驗室優(yōu)質(zhì)科研資源，將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗，改革傳統(tǒng)課程及實驗課教學(xué)模式，消除理論與實際結(jié)合不緊密之弊端，成功實現(xiàn)專業(yè)課程中理論與實驗的相輔相成、齊頭并進(jìn)，探索多學(xué)科融合教學(xué)的可行性。該新型實踐教學(xué)形式的創(chuàng)新對專業(yè)實驗教學(xué)體系的改革和發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。

1 生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系的構(gòu)建

生物醫(yī)學(xué)工程醫(yī)學(xué)電子學(xué)專業(yè)本科階段的專業(yè)及專業(yè)基礎(chǔ)課程包含了“生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計”“醫(yī)學(xué)儀器”“醫(yī)學(xué)圖像處理”等多門課程。針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，要求必須了解和掌握生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域，因此設(shè)置了“生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計”課程。該課程分為理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分，理論教學(xué)為依據(jù)課本進(jìn)行課堂講授，實驗教學(xué)為利用市場購置的現(xiàn)成的傳感器設(shè)計后繼數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。因為理論和實際結(jié)合度不夠，課程講授枯燥，進(jìn)而影響學(xué)生對課程的理解和后續(xù)實驗的學(xué)習(xí)效果。因此，新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系構(gòu)建迫在眉睫，分析新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系構(gòu)建的專業(yè)基礎(chǔ)并進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計對教學(xué)改革實踐十分必要。

1.1 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系構(gòu)建的專業(yè)基礎(chǔ)

生物傳感器研究屬于非?；钴S的應(yīng)用型研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，它涉及生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、計算機(jī)等多門學(xué)科，是生物科學(xué)、材料科學(xué)以及電子科學(xué)的交叉領(lǐng)域，更是目前生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中必不可少的一種先進(jìn)檢測方法和手段（圖1）。

圖1 生物傳感器所屬的學(xué)科范疇Figure 1 The subject category of biomedical sensor

生物醫(yī)學(xué)傳感器課程一直依托于生物醫(yī)學(xué)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，目前中心依據(jù)其自有的特色積極引入生物電子學(xué)國家重點實驗室科學(xué)研究平臺的前沿性科研成果，構(gòu)建新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系［4］（表1）。東南大學(xué)生醫(yī)學(xué)院生物電子學(xué)國家重點實驗室在納米材料及仿真、生物傳感器的研究領(lǐng)域碩果累累，如近期基于微流控技術(shù)開發(fā)系列仿生螺旋纖維，并將其作為微彈簧用于心肌細(xì)胞收縮力學(xué)的傳感，在心臟芯片研究方面取得重要進(jìn)展［5］。依靠這些平臺，可以實現(xiàn)將優(yōu)質(zhì)的科研資源轉(zhuǎn)化成為實驗教學(xué)資源，用科研成果強(qiáng)化實驗實踐教學(xué)體系，讓學(xué)生與前沿技術(shù)實現(xiàn)零距離。

表1 聯(lián)合教學(xué)中心和科研平臺構(gòu)建的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系Table 1 The biomedical sensor curriculum practice system constructed by joint teaching center and scientific research platform

1.2 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系構(gòu)建的主要內(nèi)容

1.2.1 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系的設(shè)計

新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程體系設(shè)計包含以下內(nèi)容：（1）根據(jù)生物醫(yī)學(xué)傳感器課程知識框架，新型實踐體系縮減了理論課程課時，將相關(guān)理論知識學(xué)習(xí)變?yōu)闄C(jī)動靈活的翻轉(zhuǎn)課堂；（2）邀請學(xué)界精英走進(jìn)課堂，將生物醫(yī)學(xué)傳感器相關(guān)的前沿知識介紹給學(xué)生，進(jìn)一步拓展學(xué)生的眼界和知識面；（3）增加生物傳感器制備實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生親自動手制備生物傳感器，這一環(huán)節(jié)設(shè)計的目的是讓學(xué)生對生物傳感器的工作原理及其制備過程及成品有感性認(rèn)識；（4）根據(jù)課堂所學(xué)傳感器性能檢測方法等相關(guān)知識，自主設(shè)計的敏感材料或傳感器的性能檢測方案，摸索傳感器的性能并探討其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用；（5）結(jié)合電子電路、計算機(jī)技術(shù)、信號處理等知識，設(shè)計并制作可檢測人體生理信號的簡易小“儀器”。

此課程設(shè)計不但可以讓學(xué)生直觀深入了解傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理等，而且還能鞏固課堂所學(xué)理論知識。最終學(xué)生面對自己辛苦實驗所得的“成果”會形成一定的成就感，增強(qiáng)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的興趣和信心。

本實驗課程中的內(nèi)容引入國家重點實驗室教師的部分科研成果，其中有些成果基本成熟，有些結(jié)果尚處在實驗室階段未公開發(fā)表，但這并不妨礙學(xué)生的探究學(xué)習(xí)，相反更有利于讓學(xué)生認(rèn)識了解科學(xué)研究的思維方式、實驗手段和分析過程等。后期自主設(shè)計制作后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分已經(jīng)進(jìn)行四屆本科生實踐，思路和方案基本成熟。教師團(tuán)隊由相關(guān)專業(yè)的教授和高級工程師等組成，任務(wù)分工明確。

1.2.2 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的兩個階段

（1）理論授課階段?翻轉(zhuǎn)式課堂。理論授課作為了解實驗課程基本原理和實驗流程的基礎(chǔ)，是順利開展好實驗教學(xué)的第一步，具有十分重要的作用。實驗教學(xué)的前提是理論知識必須扎實且能靈活應(yīng)用。傳統(tǒng)的理論授課主要以教師教授為主，存在理論與實踐脫節(jié)的問題。因此，將理論知識穿插與實驗中，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式來完成知識點的學(xué)習(xí)，即將理論授課改為學(xué)生自學(xué)與課堂研討相結(jié)合的方式，變被動為主動。再結(jié)合科研前沿成果的講授，使學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)更全面，更具有現(xiàn)實意義［6?7］。

首先讓學(xué)生自學(xué)理論知識。第一步，學(xué)生通過自學(xué)傳感器基礎(chǔ)知識，初步掌握傳感器的基本特征如傳感器的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、性能指標(biāo)、傳感器應(yīng)用電路的組成、生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)原理等。將所有重要知識點劃分為多個學(xué)習(xí)任務(wù)，下達(dá)給學(xué)生按任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。第二步是課堂研討階段。在課堂上，學(xué)生將通過文獻(xiàn)查閱等方式自主學(xué)習(xí)獲取的知識與同學(xué)和老師充分交流，任課老師在課堂中針對學(xué)生闡述的相關(guān)知識點進(jìn)行查漏補(bǔ)缺、知識面拓展，同時通過課堂交流，也考察學(xué)生自學(xué)完成情況及對知識點的掌握程度。不同組之間通過交流和講述進(jìn)行思維碰撞，交叉掌握其他各組的學(xué)習(xí)成果，再經(jīng)老師解答學(xué)生自學(xué)中存在的不解之處，進(jìn)而鞏固和提高理論知識的學(xué)習(xí)，達(dá)到學(xué)生主動學(xué)習(xí)的良好效果。

其次向?qū)W生講解前沿技術(shù)及成果，以學(xué)生調(diào)研、課堂介紹和相關(guān)學(xué)科精英講授的形式依次展開。學(xué)院科研實驗室的科研技術(shù)成果介紹，既是與學(xué)科相關(guān)研究前沿的一次科普，也是與實驗課程息息相關(guān)的前沿技術(shù)的一次理論預(yù)熱，這樣將學(xué)科前沿知識與學(xué)院科研實驗室的成果進(jìn)行了平穩(wěn)過渡，有利于讓學(xué)生了解傳感器發(fā)展最新動態(tài)，了解學(xué)院相關(guān)實驗室、學(xué)院教授們的科研方向，使得實踐階段學(xué)生在實驗進(jìn)行中能更具指導(dǎo)性地進(jìn)行科研成果轉(zhuǎn)化的探索［8］。

（2）實踐階段?科研成果轉(zhuǎn)化。實踐階段是生物醫(yī)學(xué)傳感器實驗課程的主體部分，包括“用于葡萄糖測定的電化學(xué)傳感芯片”“柔性傳感器的制備”“傳感器性能指標(biāo)的檢測”“人體溫度計的設(shè)計”“睡眠呼吸監(jiān)測的設(shè)計”“脈搏信號檢測儀的設(shè)計”“血氧信號的檢測”“酒精含量的檢測”等具體實踐課程，重點培養(yǎng)學(xué)生實際動手操作能力。在實踐環(huán)節(jié)中增加生物傳感器制備，通過該環(huán)節(jié)讓學(xué)生自己制備柔性傳感器［9］、紙微流控分析芯片等生物傳感器［10］。以往的教學(xué)形式是由教師準(zhǔn)備所需設(shè)備與材料，學(xué)生只需按部就班做即可。而本實驗課程教學(xué)形式相反，大部分實驗前置設(shè)備材料都需要學(xué)生在前期自學(xué)和課堂老師指導(dǎo)下自行制備。因為這些實驗所需設(shè)備器材多為實驗中心教師科研成果，所以指導(dǎo)教師可以有目的地將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗成果，且轉(zhuǎn)化層級減少，轉(zhuǎn)化效果較好。在實驗過程中自行設(shè)計制作實驗所需器材，是實驗綜合能力的體現(xiàn)，需要有良好的總體設(shè)計把控能力，并要求能夠在實驗的全過程中不停地分析與矯正實驗方向，保證實驗進(jìn)度的完成和實驗的成功。

2 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐成果

以生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐體系為試點的科研成果轉(zhuǎn)化的探索，做到了“生物技術(shù)與材料綜合實驗中心”和“醫(yī)用電子技術(shù)實驗中心”相聯(lián)合，打破了生物科學(xué)與信息科學(xué)間的教學(xué)壁壘，成功建立了生物醫(yī)學(xué)傳感器實踐教學(xué)體系。經(jīng)過多屆學(xué)生的課程實踐檢驗，上述實驗教學(xué)改革對學(xué)生的自主分析、綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力進(jìn)行了鍛煉和提高，取得了良好的效果（表2）。通過該實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，拓展了學(xué)生的眼界和知識面，也提升了科研創(chuàng)新及綜合設(shè)計能力。這一結(jié)果有力地證明了充分科學(xué)利用前沿性科研成果的優(yōu)良資源，將其轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是實驗教學(xué)值得發(fā)展和改革的正確方向。

表2 生物醫(yī)學(xué)傳感器課程改革成果Table 2 Reform achievements of biomedical sensor course

3 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實踐的經(jīng)驗總結(jié)

3.1 基于“互聯(lián)網(wǎng)思維”的“翻轉(zhuǎn)課堂”

當(dāng)前專業(yè)知識更新速度以秒計算，學(xué)習(xí)自由度顯著增加，大多數(shù)學(xué)習(xí)不再受到時間、空間及教師的限制，學(xué)習(xí)方法多樣，知識獲取越來越便捷、快速。雖然高校教學(xué)仍是大學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)專業(yè)知識與技能的主要方式，但由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，高校逐漸失去對知識的壟斷。因此，運用互聯(lián)網(wǎng)思維改變信息獲取的途徑，轉(zhuǎn)變教學(xué)思維、改革教學(xué)方式才能適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)新形態(tài)。在理論授課階段實施“翻轉(zhuǎn)課堂”模式時，注意強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主獲取信息能力的培養(yǎng)，真正做到由先教后學(xué)顛倒為先學(xué)后教，提升了課堂的質(zhì)量。與此同時，新的課堂模式對任課教師也提出了更高的要求，需要教師不斷擴(kuò)充知識儲備，實時掌握學(xué)科研究進(jìn)展，以應(yīng)對學(xué)生們的各種“奇思妙想”，從而促進(jìn)師生共同進(jìn)步。

3.2 “跨界”教學(xué)要勇于探索

在單一學(xué)科中，將科研成果運用到教學(xué)實驗中較易實現(xiàn)，但有一定的內(nèi)容局限性，受眾面較窄。本次科研成果轉(zhuǎn)化實踐利用了學(xué)科融合的優(yōu)勢，將相關(guān)學(xué)科融合后進(jìn)行實驗教學(xué)，實現(xiàn)了學(xué)科知識體系的“跨界”，同時令學(xué)科理論指導(dǎo)實驗進(jìn)行“跨界”，使得知識體系容積增大，相關(guān)科研成果都可以并入教學(xué)實踐，使得原本僅靠單一學(xué)科理論無法支撐教學(xué)的綜合實驗?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，達(dá)到了“1+1＞2”的效果。但是，學(xué)科融合是一項長期工程，靠小部分單一學(xué)科的師資力量難以構(gòu)建，必須依靠多學(xué)科的“跨界”團(tuán)隊進(jìn)行周密合作，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

3.3 科研成果轉(zhuǎn)化要落到實處

科研成果轉(zhuǎn)化是科教融合的一種有益探索，科教融合本身可作為科研成果到實際應(yīng)用的催化劑。通過生物醫(yī)學(xué)傳感器實驗課程實踐的成功，我們總結(jié)經(jīng)驗，認(rèn)為科研成果轉(zhuǎn)化工作要將成果和課程緊密結(jié)合，不能僅僅是為課程的更新而機(jī)械地結(jié)合，要探討和評估相關(guān)科研成果融入教學(xué)實踐的專業(yè)相關(guān)性和執(zhí)行可行性，通過不斷地在教學(xué)實踐中打磨，形成良性循環(huán)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源落到實處，并通過縮短科研成果到教學(xué)實踐的轉(zhuǎn)化時間，保證學(xué)生所學(xué)知識及時更新，實現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化價值最大化。

4 新型生物醫(yī)學(xué)傳感器實驗教學(xué)體系建立的意義

近年來，理工科高等院校教育非常注重實踐操作能力的培養(yǎng)，但專業(yè)課程的授課模式還是以傳統(tǒng)課堂教學(xué)為主，以教師為中心，學(xué)生被動接受［11］，目的是使學(xué)生建立固有專業(yè)知識體系。這種教學(xué)模式隨著教育的發(fā)展和時代的變化，其通用性空間逐步縮小，會使得知識與產(chǎn)業(yè)相脫節(jié)，上課動機(jī)唯學(xué)分化等弊端逐漸顯露。特別針對實踐操作要求高的實驗教學(xué)，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足之處更為凸顯。這也使得專業(yè)實驗教學(xué)模式的改革迫在眉睫。

首先，新課程體系改變了課堂教學(xué)模式。傳統(tǒng)的“黑板式”教學(xué)內(nèi)容偏重于理論知識的講授，對于帶有實際操作與探索未知屬性的實驗課教學(xué)來說，嚴(yán)重不匹配。在實驗教學(xué)中，如果只機(jī)械地羅列實驗內(nèi)容，則必然影響實驗教學(xué)的效果?，F(xiàn)在我們運用“翻轉(zhuǎn)課堂”有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，增加師生的互動交流、活躍課堂氛圍、取得了較好的教學(xué)效果。其次，新課程體系催化相關(guān)學(xué)科教學(xué)深度融合。在單一學(xué)科的發(fā)展趨勢不足以支撐實驗教學(xué)的跨越發(fā)展時，借力交叉學(xué)科、與現(xiàn)有教學(xué)相融合是一個創(chuàng)新性的思路。這種學(xué)科融合不是簡單的合并，而是深度交叉融合。本次探索中，生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計實驗實現(xiàn)了“生物材料”“醫(yī)學(xué)電子”“生物信息”“生物器件”等多方向的融合，使不同知識體系與實踐作用真正發(fā)揮于實驗教學(xué)當(dāng)中，在理論支撐和實驗設(shè)計實施中進(jìn)行全程支持，成為實驗課教學(xué)的有機(jī)組成部分，是實驗課教學(xué)、學(xué)科融合的有益探索。再次，新課程體系實現(xiàn)了前沿成果轉(zhuǎn)化。教師以經(jīng)過實踐驗證的科研成果來增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的時效性，大大地豐富和拓展了教學(xué)內(nèi)容，使實驗教學(xué)更加貼近最新的科技前沿。這不是知識量上的累積，也不是教學(xué)內(nèi)容上無意義的堆砌，而是優(yōu)化固有的教學(xué)知識結(jié)構(gòu)體系，使之更加符合專業(yè)的發(fā)展，最終改革已有的教學(xué)模式。

翻轉(zhuǎn)課堂、學(xué)科融合、科研成果轉(zhuǎn)化三者有機(jī)結(jié)合，共同促進(jìn)了新課程體系的建立，這一模式對專業(yè)實驗課教學(xué)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。