陳國(guó)寶 陳忠敏 王富平

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院 重慶 400054)

目前，生物醫(yī)學(xué)材料在大健康領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，如組織工程、再生醫(yī)學(xué)與整形美容等。“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”是生命科學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科，涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、免疫學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)的基礎(chǔ)課。該課程主要介紹生物醫(yī)用材料的基本概念、分類、結(jié)構(gòu)、性能、加工、體外和體內(nèi)生物相容性等，側(cè)重理論與應(yīng)用研發(fā)相結(jié)合，了解和掌握生物醫(yī)用材料與機(jī)體的相互作用現(xiàn)象及內(nèi)在機(jī)制，關(guān)注生物醫(yī)用材料的最新前沿進(jìn)展和成果[1]。但是，由于該課程具有內(nèi)容多、涉及面廣、交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，大多數(shù)生物醫(yī)用材料學(xué)本科教學(xué)主要通過(guò)從教師為中心的填鴨式上課方式，依據(jù)教學(xué)大綱，依靠文字或者幻燈片形式來(lái)完成[2]，且教學(xué)內(nèi)容多集中在生物醫(yī)用材料制備與表征部分，缺乏對(duì)生物醫(yī)用材料在組織修復(fù)方面的評(píng)價(jià)，難以加深學(xué)生對(duì)生物醫(yī)用材料的功能的理解，課堂氣氛較沉悶，學(xué)生多為被動(dòng)接受教學(xué)內(nèi)容，對(duì)生物醫(yī)用材料的很多概念和專業(yè)術(shù)語(yǔ)理解不夠，缺乏有效的興趣激發(fā)平臺(tái)，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與性的提高，等等，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握不足，影響教學(xué)效果，一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題和“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的課程和教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，文章從“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的應(yīng)用角度入手，提出通過(guò)構(gòu)建組織再生動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為興趣激發(fā)平臺(tái)的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)本科生創(chuàng)新教學(xué)方法，包括通過(guò)建設(shè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和結(jié)合人工智能技術(shù)開(kāi)展生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計(jì)等，讓學(xué)生在完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中切實(shí)感受生物醫(yī)用材料的魅力，激發(fā)對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的興趣，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)等過(guò)程增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，讓學(xué)生更加真實(shí)地感受生命和培養(yǎng)學(xué)生的尊重生命的意識(shí)等，提高教學(xué)效果。

1 搭建動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者。”在教學(xué)過(guò)程中，興趣對(duì)于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能否更加地投入顯得至關(guān)重要，直接影響教學(xué)效果。生物醫(yī)學(xué)材料的理論教學(xué)往往更加關(guān)注生物醫(yī)學(xué)材料的組成成分、物理與化學(xué)性質(zhì)、制備的策略和方法、表征技術(shù)的原理和方法以及體外和體內(nèi)的生物學(xué)響應(yīng)等，教學(xué)內(nèi)容缺乏直觀性，不容易讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生濃厚興趣，甚至?xí)霈F(xiàn)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)存在枯燥感，不利于學(xué)生對(duì)所授知識(shí)的理解和掌握。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，更加直觀地讓學(xué)生感受不同損傷組織的修復(fù)和重建的效果，從而體驗(yàn)到生物醫(yī)學(xué)材料的功能效果和獨(dú)特魅力，加深對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料專業(yè)方向知識(shí)的興趣與學(xué)習(xí)的主動(dòng)性等，提高教學(xué)效果。例如：利用膠原-羥基磷灰石支架來(lái)修復(fù)新西蘭大白兔的橈骨缺損；利用脫細(xì)胞神經(jīng)導(dǎo)管來(lái)修復(fù)大鼠的坐骨神經(jīng)損傷；等等。學(xué)生對(duì)這些支架植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的過(guò)程表現(xiàn)出濃厚的興趣，對(duì)于生物醫(yī)用材料如何能夠完成組織缺損的修復(fù)具有很大的好奇心，包括從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的麻醉、組織缺損模型的建立、生物醫(yī)用材料的植入、創(chuàng)口的縫合、手術(shù)后消毒、注射青鏈霉素預(yù)防創(chuàng)口感染、以及經(jīng)過(guò)不同的修復(fù)時(shí)期后對(duì)修復(fù)效果的評(píng)價(jià)等方面。

伴隨著組織修復(fù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，可以將生物醫(yī)用材料制備的方法和基本性能的求貫穿其中。例如：生物醫(yī)用材料只有滿足細(xì)胞、組織和血液相容性才能在植入動(dòng)物體內(nèi)后不引起強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，才能達(dá)到修復(fù)缺損組織的目的，滿足臨床的基本要求。通過(guò)不同組織缺損模型的建立，讓學(xué)生更加直接、清晰地了解和掌握該種組織的天然結(jié)構(gòu)與特征，明確生物醫(yī)用材料設(shè)計(jì)和制作的基本原則就是仿生天然組織的結(jié)構(gòu)和成分等；不同的修復(fù)時(shí)長(zhǎng)后通過(guò)大體觀察、組織學(xué)、影像學(xué)等方法來(lái)評(píng)價(jià)支架對(duì)缺損組織的修復(fù)效果，讓學(xué)生切實(shí)地感受到生物醫(yī)用材料在組織修復(fù)與再生中的獨(dú)特魅力。

此外，與單純的理論課堂教學(xué)相比較，通過(guò)搭建對(duì)應(yīng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而開(kāi)展的生物醫(yī)學(xué)材料教學(xué)方式具有更高的直觀性、驗(yàn)證性、綜合性、啟發(fā)性與創(chuàng)新性等特點(diǎn)[3-4]，能夠在實(shí)踐過(guò)程中對(duì)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”所涉及的基本理論知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)用性進(jìn)行更加深入的闡述，更利于激發(fā)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，是促進(jìn)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程教學(xué)目標(biāo)高質(zhì)量完成和培養(yǎng)學(xué)生具備良好動(dòng)手能力的重要途徑之一。

2 建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，提高學(xué)生實(shí)踐能力

考慮到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足等問(wèn)題，可以將“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過(guò)建設(shè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室來(lái)完成。虛擬仿真的基本原理是利用能反映現(xiàn)實(shí)情況的第一人稱交互場(chǎng)景來(lái)開(kāi)展訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)和研究[5]。

近年來(lái)，從中華人民共和國(guó)國(guó)家教育部到地方相關(guān)部門，均相繼發(fā)布了一系列政策，大力推廣虛擬仿真教學(xué)中心、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地的建設(shè)，推動(dòng)了我國(guó)虛擬教學(xué)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[6]。生物醫(yī)學(xué)材料的制備和理化性質(zhì)表征的實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，表征儀器多，而且還會(huì)涉及高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及其他危險(xiǎn)試劑的不安全實(shí)驗(yàn)步驟等。因此，通過(guò)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制備過(guò)程、物理與化學(xué)性質(zhì)的表征以及通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的功能進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)，從而在有限時(shí)間、有限空間、有限條件下，盡可能避免長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和危險(xiǎn)試劑使用等不安全實(shí)驗(yàn)步驟，降低實(shí)驗(yàn)成本，獲得最大和最有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，保證教學(xué)質(zhì)量[7]。還可以通過(guò)引進(jìn)人體解剖學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)，幫助學(xué)生掌握人體的骨骼、肌肉、神經(jīng)、血管、呼吸系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等，帶給學(xué)生沉浸式的體驗(yàn)，可以完成仿真模擬手術(shù)操作等。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室這種方式，也可克服由于教學(xué)場(chǎng)地和成本等引起的問(wèn)題，突破時(shí)間和空間限制，讓學(xué)生能夠有更多時(shí)間參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程。此外，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和實(shí)踐能力，提高教學(xué)效果，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力的目的，以及培養(yǎng)學(xué)生具備良好的綜合素質(zhì)，為以后從事生物醫(yī)用材料相關(guān)工作或者進(jìn)一步考取生物醫(yī)用材料相關(guān)專業(yè)研究生奠定良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)合人工智能技術(shù)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力

人工智能（Artificial intelligence，AI）是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)[8]。目前，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、金融等多個(gè)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于醫(yī)學(xué)診斷的圖像識(shí)別。人工智能技術(shù)已經(jīng)被證明在數(shù)據(jù)獲取、實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)、結(jié)果分析等方面具有優(yōu)勢(shì)，嘗試在“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的教學(xué)過(guò)程中引入人工智能技術(shù)，指導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理解學(xué)科交叉與應(yīng)用最新前沿技術(shù)具有重要的意義。任何材料的物理特性都取決于其獨(dú)特的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)。但是，設(shè)計(jì)高性能和功能的新型生物醫(yī)學(xué)材料至今仍是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的工作，利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)候選生物醫(yī)學(xué)材料進(jìn)行深入研究的傳統(tǒng)試錯(cuò)方式，存在周期長(zhǎng)、成本高、失敗率高等諸多問(wèn)題，難以在龐大的組合序列中篩選出滿足實(shí)際多項(xiàng)性能需求的新材料。例如：統(tǒng)水凝膠的設(shè)計(jì)方法有限，效率低下，合成難度大，耗時(shí)長(zhǎng)。利用人工智能技術(shù)，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)多種不同化合物的物理、化學(xué)等特征參數(shù)并構(gòu)建相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)等，可以很好地預(yù)測(cè)和指導(dǎo)具有不同理化性質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)的多功能水凝膠支架的設(shè)計(jì)。目前，已有研究報(bào)道利用深度學(xué)習(xí)的方法成功實(shí)現(xiàn)了將凝膠的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特征與其自組裝行為聯(lián)系起來(lái)，加速了用于生物醫(yī)學(xué)用途的新型自組裝水凝膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[9]?？紤]到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生在低年級(jí)時(shí)已經(jīng)學(xué)習(xí)了包含了人工智能技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用的相關(guān)課程，了解人工智能技術(shù)的基本概念和原理，可以在生物醫(yī)學(xué)材料的教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生將人工智能技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開(kāi)展生物醫(yī)學(xué)材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，切實(shí)做到堅(jiān)持以學(xué)生為中心的、人人參與的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路與理念，提升教學(xué)效果。

建設(shè)高水平本科教育是提高高等教育質(zhì)量的最重要基礎(chǔ)。培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新思維是提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量的一個(gè)重要方法[10-11]。通過(guò)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程中引入的組織缺損修復(fù)模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)帶動(dòng)和提高本科生的創(chuàng)新思維能力，可進(jìn)一步構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)體系[12]，有助于培養(yǎng)本科生學(xué)術(shù)思維和學(xué)術(shù)素養(yǎng)，增加本科生與教師之間的專業(yè)知識(shí)交流，使學(xué)生盡早地具備學(xué)術(shù)規(guī)范的意識(shí)，通過(guò)對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的觀察、評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)的分析等，完善本科生的科研訓(xùn)練、學(xué)術(shù)成果撰寫(xiě)等基礎(chǔ)能力，并以此為基礎(chǔ)，積極參與申報(bào)國(guó)家、省部級(jí)以及校級(jí)的本科生競(jìng)賽項(xiàng)目，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和挑戰(zhàn)杯全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽等。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生通過(guò)這些科研項(xiàng)目和競(jìng)賽項(xiàng)目的完成，可以進(jìn)一步加強(qiáng)和鞏固自身對(duì)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”理論知識(shí)的理解、掌握和應(yīng)用能力[13-14]。

動(dòng)手能力是本科生綜合能力的重要組成部分，也是本科生培養(yǎng)目標(biāo)的重要組成部分[15-16]，缺損修復(fù)模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的動(dòng)手能力的一個(gè)非常有效的平臺(tái)和方法。學(xué)生通過(guò)參與開(kāi)展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，例如手術(shù)器械的準(zhǔn)備、植入材料的滅菌、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)前的禁食不禁水、麻醉劑的配置等，可以掌握實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉的方法、動(dòng)物手術(shù)固定裝置的使用方法、傷口縫合技術(shù)和防止術(shù)后感染等知識(shí)。在動(dòng)物修復(fù)評(píng)價(jià)階段，主要通過(guò)石蠟切片或冰凍切片來(lái)進(jìn)行組織學(xué)評(píng)價(jià)，學(xué)生可以掌握樣本的切片技術(shù)、組織學(xué)染色技術(shù)等，通過(guò)最終修復(fù)結(jié)果評(píng)價(jià)分析，可以讓學(xué)生獲得成就感，增強(qiáng)對(duì)科研上午興趣并提高科研能力，同時(shí)也能在這個(gè)過(guò)程中感受到科學(xué)研究所必需的嚴(yán)謹(jǐn)性和專業(yè)性。通過(guò)這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的完成，可以達(dá)到開(kāi)拓學(xué)生知識(shí)范圍、學(xué)術(shù)視野、吸收新的知識(shí)的目的，更重要的是在此過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。在此過(guò)程中，也可很好地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，引導(dǎo)和教育學(xué)生明白再優(yōu)秀的個(gè)體很難戰(zhàn)勝一個(gè)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，既要鼓勵(lì)發(fā)揮個(gè)人才能，又要注重相互之間配合，加強(qiáng)組內(nèi)和組間的溝通交流。此外，通過(guò)組織缺損修復(fù)模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)一步加強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的尊重生命意識(shí)等，使學(xué)生的身心得到健康的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”不僅僅是“生命科學(xué)與材料科學(xué)”的交叉學(xué)科，還涉及醫(yī)學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)用方向也非常廣泛。此外，“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”也是一門實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，但由于該課程具有內(nèi)容多、涉及面廣、交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，缺乏有效的教學(xué)興趣激發(fā)平臺(tái)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握不足，影響教學(xué)效果。通過(guò)構(gòu)建組織缺損修復(fù)模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)激發(fā)學(xué)生對(duì)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中逐步培養(yǎng)和加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)以及動(dòng)物倫理與福利意識(shí)等具有很好的可行性。此外，為了更好地完成這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，還需要進(jìn)行一定的本科生實(shí)驗(yàn)條件改善和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，如建立標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心和動(dòng)物手術(shù)室等。還可通過(guò)建設(shè)生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計(jì)、制備和理化性質(zhì)表征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，搭建虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，配置虛擬仿真訓(xùn)練設(shè)備，提高學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的認(rèn)識(shí)。也可借助人工智能技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計(jì)要求，通過(guò)應(yīng)用人工智能方法，完成快速設(shè)計(jì)和精確預(yù)測(cè)具有自然界中不存在的復(fù)合材料或者結(jié)構(gòu)等?？傊?，通過(guò)以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為平臺(tái)可以切實(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的濃厚興趣和主觀能動(dòng)性，提升教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的綜合素質(zhì)。