摘 要：在生物醫(yī)學工程院系開設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科交叉融合特色，助力培養(yǎng)醫(yī)療器械細分領域創(chuàng)新型科技攻關人才。該文以中山大學研究生課程生物材料表界面與功能化為例，在“以學生為中心”教育理念導向下，以“自主創(chuàng)新精神”為引領，以生物材料表界面及表面改性相關原理、技術和應用為切入點，針對交叉學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行“主題互動式”教學改革，以實現(xiàn)教與學立體聯(lián)動，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)和綜合能力。

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

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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)學工程是一門理、工、醫(yī)高度交叉融合的綜合性邊緣學科，旨在運用物理學、生物學、醫(yī)學、信息學和工程學等多學科理論和方法，面向疾病預防、診斷、治療和康復，開發(fā)先進生物材料、醫(yī)療器械/裝備、診斷技術等以解決有關臨床問題，促進醫(yī)學進步，服務人類健康[1]。推進高端生物材料及醫(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)學工程院系開展學科建設、科學研究和人才培養(yǎng)的核心任務之一[2]。生物材料作為醫(yī)療器械研發(fā)的物質基礎，其進入人體后，首先通過其表界面與宿主發(fā)生相互作用，進而引發(fā)一系列生物學響應和材料學變化，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)階段匱乏此方面關鍵技術及高層次人才，嚴重制約了高性能醫(yī)療器械自主創(chuàng)新研發(fā)。

一 生物醫(yī)學工程專業(yè)開設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，是學術創(chuàng)造和科技創(chuàng)新的主力軍[5]。研究生課程教學是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[6]。為更好地培養(yǎng)新工科創(chuàng)新人才以主動應對醫(yī)療器械行業(yè)新一輪科技革命與產業(yè)變革，有必要在生物醫(yī)學工程院系開設生物材料系列研究生課程，幫助學生夯實生物材料基礎理論，了解領域前沿和行業(yè)需求，提升醫(yī)工融合自主創(chuàng)新能力[5]。當前國內高校相關師資主要集中面向本科生開設內容寬泛的生物材料學基礎課程，而缺乏針對研究生認知特點的更為系統(tǒng)深入的課程教學，如鮮有設立生物材料表界面之類專精前沿課程[7]，長此以往易導致細分領域科研攻關人才短缺。為此，筆者在中山大學生物醫(yī)學工程學院開設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、廣闊學科視野和自主創(chuàng)新意識的新工科復合型人才。

二 生物材料表界面與功能化教學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合個人研究領域，于2022年起在中山大學新開設的一門生物醫(yī)學工程專業(yè)研究生選修課，共2學分，32學時，在開課之初就吸引了來自我院生物醫(yī)學材料、生物醫(yī)學傳感和醫(yī)療儀器三個學科方向以及附屬醫(yī)院相關方向研究生的積極選課。筆者在教學過程中發(fā)現(xiàn)以下問題。

（一） 選課學生個體需求多元化

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

（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。當前市面上已有諸如《生物材料：生物學與材料科學的交叉》《生物醫(yī)學材料學·材料生物學》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行了泛泛的介紹。國內兄弟院校同題材課程多基于教師研究方向和相關文獻自主設計，體系性較差，不利于培養(yǎng)系統(tǒng)思維。

（三） 學生缺乏互動積極性

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，互動積極性差，影響教學成效。同時，還有部分對本課程無興趣的學生為了“湊學分”被動選課。不同專業(yè)背景所致學情差異也會造成學生課堂參與感不足，逐步喪失學習興趣。

針對上述問題，有必要對生物材料表界面與功能化進行教學改革，幫助提升教學效率，達成既定育人目標。

三 生物材料表界面與功能化主題互動式教學模式創(chuàng)新

為深入貫徹“以學生為中心”的教育理念，全面提升新工科背景下生物醫(yī)學工程專業(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)新教學模式（圖1），其運行機制概述如下：教師根據大綱將教學內容劃分為邏輯關聯(lián)的若干“主題板塊”，并按照實際需要在各主題板塊下設置“互動話題”，以問答、研討和匯報等互動教學活動展開，引導學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”立體聯(lián)動。

具體來講，課程基于生物醫(yī)學工程理工醫(yī)“互融互促”學科特色以及對醫(yī)療器械表界面細分領域科技攻關技術與人才的需求，以原理、技術和應用為切入點，設立了“表界面基礎理論”“表界面表征評價”“表面改性技術”和“表面功能化與應用”等層層遞進且多維交叉的四大“主題板塊”及下屬的兼具科學性和趣味性的“互動話題”，讓學生學習體悟“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行表征或評價”，以及“如何選擇合適的表面改性技術進行表面功能化以滿足臨床應用需求”等本領域核心科學與技術問題。在課程前半段，重點教師概述性/主線性講解表界面理論、技術和應用邏輯框架，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，隨著學生認知水平的提升，課程以學生自主選題的獨立或分組主題匯報互動為主，要求結合文獻調研展示其擅長或熟知的表界面創(chuàng)新技術或應用領域，輔以教師提問和點評，完成課堂的翻轉。

由上述模式驅動的課程體系既蘊含學科基本概念原理，又涉及行業(yè)先進技術手段，還輻射領域應用研究前沿，能夠較好地兼顧授課內容的廣度與深度，以及科學性、技術性與創(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、技術或應用相關互動話題，在獨立思考、分組討論和學術報告過程中調動求知熱情，拓展學科視野，培養(yǎng)自主創(chuàng)新意識和綜合思辨能力，鍛煉團隊協(xié)作能力。

四 生物材料表界面與功能化主題互動式教學實施實例

（一） 基于“問題”的主題互動式教學

哲學家波普爾曾說，“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“學而不思則罔”，提倡在學習過程中不斷思考、提出問題?；凇皢栴}”的主題互動式教學旨在圍繞選定的主題創(chuàng)設具體話題，以精心設計的“互動式”問題為知識載體，引導學生在思索、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)學生的學習興趣，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)場同學自薦作答，再由教師分析總結。該“教師引導、學生思考”的互動環(huán)節(jié)能夠喚醒學生的科學探索欲望，引導其主動發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的機理，助其構建對“表面”“界面”“表面張力”“表面浸潤”等知識點的系統(tǒng)概念。進一步，筆者還通過陳設層次嵌套的問題鏈深化主題互動，訓練學生的邏輯思維能力。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，由此導入互動問題“金屬針受哪些力”。絕大多數同學都能正確描繪針因重力（G）及另一相反的托力（F）達受力平衡，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（液體內部不同深度壓強差）與表面張力（液體表面與內部水分子受分子間力不均衡）產生原理，明確F源自表面張力（針位于液面而非內部）。在此基礎上，要求學生畫出液體內部與表面水分子受力圖，以啟發(fā)對表面張力本質和特征的探析。最后，進階提問“根據表面張力定義，推測在氯化鈉、汞、水和苯等液滴之中誰具有最大表面張力”，并鼓勵學生嚴謹分析、演算求證。

值得一提的是，通過合理設計還能將問題（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”等新興網絡教輔工具，進行線上實時互動與線下教學相結合的混合式“主題·問題”互動教學模式，頗受歡迎且成效顯著。

（二） 基于“研討”的主題互動式教學

為進一步深化課堂互動，增進教學黏性，教師結合特定表界面主題，組織實施基于“研討”的主題互動式教學，將學習“拋錨”于情景化的、以學生為主體的、以解決問題為導向的專題研討活動[9]。為此，教師參考學生學科背景和研究方向將其劃分為小規(guī)模研討小組，在先導教學內容的基礎上，為學生陳設基于問題、案例、文獻的“開放性”研討任務，鼓勵小組成員課前查閱相關資料，自主學習，做好前期準備；在課堂中，教師營造師生平等、寬松民主的研討氛圍，鼓勵組內與組間協(xié)同頭腦風暴，互動交流觀點，旨在集思廣益，澄清困惑，達成共識，實現(xiàn)對課堂知識的內化吸收與外延拓展。

例如，當教師對“界面的定義”（物質與物質的交界面）進行先導教學后，要求學生針對以下互動話題進行分組研討：“盛有沸水的燒杯涉及的界面”。當各組討論得出“固-液/固-氣/液-氣”的結論后，教師對結果進行點評，并增加話題難度“在上述燒杯中加入乙醇或磁子”。在進一步得出結論后，向同學們展示加利福尼亞大學伯克利分校Phillip Geissler教授團隊近期發(fā)現(xiàn)“水-空氣”界面存在“類冰”結構的文章[10]，請同學們充分閱讀后討論其對物質界面的新理解。最后，提出開放性話題，如“是否存在‘氣-氣’界面”“當物質的第四態(tài)等離子體與其他物質形態(tài)接觸時是否存在界面”“鈦基及鎂基植入體進入骨組織后分別面臨哪些界面”，要求學生課后調研文獻后于下次課堂深入研討。

又如，當對“表面接觸與浸潤”基本概念進行先導教學后，要求學生分組協(xié)作、推導接觸角的基礎公式——楊氏方程，并討論其成立的前提條件（理想化的表面）。進一步，考慮實際材料表面存在粗糙度及成分差異的情況，創(chuàng)設話題“在非理想化的表面如何推導接觸角”，引出Wenzel方程和Cassie-Baxter方程。在此基礎上，以“荷葉效應”為切入點，引導學生討論接觸角與超疏水效應的關系，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，教師進行總結，導入“特殊浸潤性”概念，并要求學生查閱該領域代表性文獻，于下次課堂開展進一步研討話題“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域有何應用”。

上述“主題·探討”互動教學可同時減輕教師授學任務及研究生聽課負擔，并通過促進學生自學，知識共享，綜合思辨，讓其體驗在思想碰撞過程中解決復雜問題之“趣”與“獲”。除了扮演引導者角色，教師還應就研討結果給予及時有效的反饋、點評和總結，并對該過程新生問題進行解析，促使學生繼續(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

為更充分地發(fā)揮學生的主觀能動性，助其拓展學科視野，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和表面功能化為主題（相關案例庫見表1），探索實踐了基于“匯報”的主題互動式教學，分為個人匯報和小組匯報兩種模式。

1 個人匯報

學生根據個人專業(yè)背景和興趣，獨立圍繞“表界面表征評價”主題準備匯報材料，這包括生物材料表界面所涉及的材料學、化學、力學等表征測試手段與各類生物學性能評價方法。匯報安排在課程中期以后，此時學生已對生物材料表界面基礎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、科普視頻等資源。學生匯報后，教師引導其余學生提問，促進觀點交流。同時，教師視情況進行補充講解，并給予學生適當的肯定與贊揚。

2 小組匯報

匯報安排在課程后期，納入期末考核。學生依自愿原則，每組2、3人自發(fā)組隊，鼓勵跨學科背景和專業(yè)方向聯(lián)動，以促進學科交叉、創(chuàng)新融合。確定分組后，學生圍繞“表面功能化與應用”主題選取具體匯報話題，并分工協(xié)作查閱文獻，準備匯報PPT，要求展示研究背景、研究現(xiàn)狀（代表性團隊/技術策略）、典型實例、核心難題和解決思路等。通過貢獻度計分模式，激勵組內成員積極合作、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，教師及其余學生分別針對匯報內容提問，實現(xiàn)對課程知識的深化與拓展。最后，教師進行總結性點評，提出改進建議。

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

五 結束語

本文結合生物醫(yī)學工程學科特點以及新工科背景下培養(yǎng)醫(yī)療器械細分領域創(chuàng)新型科技攻關人才需求，闡述了開設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“以學生為中心”教學理念出發(fā)，以研究生“創(chuàng)新精神培養(yǎng)”為契機，以“多學科交叉融合”為牽引，針對性探索了基于“問題”“研討”和“匯報”的主題互動式教學改革，在教與學多元立體互動過程中，讓學生主動掌握生物材料表界面與功能化相關核心原理、關鍵技術和應用前沿。教學實踐表明，上述創(chuàng)新教學模式能夠有效激發(fā)學習熱情，調動課堂互動積極性，在有限學時內兼顧不同學科背景和專業(yè)方向學生的差異化學習需求，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)的質量。上述探索經驗可為其他相關課程改革提供一定參考。

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