以交叉融合的大健康產業鏈課程體系培養“產學研”三位一體的跨界人才

和淵

作為一名普通生物教師和科技輔導員，我結合自己的一些個人經驗和思考，介紹如何以交叉融合的大健康產業鏈課程培養“產學研”三位一體的跨界人才。

課程體系開發

如果你讀過尤瓦爾·赫拉利的《人類簡史》和《未來簡史》，那么你將會了解到書中“從動物進化到人，再從智人到神人，人類的孜孜以求可以概括為長生不老、幸福快樂和化生為神”的觀點。按照此立論，未來的產業格局就非常明晰了，那就是讓人長生不老的健康產業+讓人快樂的幸福產業+化生為神的技術產業。教師的職責是為未來培養人才，所以一直以來我在思考如何沿著未來產業發展的圖譜進行課程布局和設置。

我結合自己生物學和清華

伯克利大學創新創業項目所構建的知識結構，開發了一套包括基礎科研、醫藥研發和人工智能的大健康產業鏈課程體系。該課程體系以科學、技術、工程、數學的學科集成為縱軸，以單一主題、單元主題、多學科和完全整合的項目式學習教學手段為橫坐標，開設了與基礎科研相關的生物課和研學課、與醫藥研發相關的高端實驗課和創新設計課，以及與人工智能相關的大健康產業和關于心智的生物學等一系列課程。

課程的開發最終是為培養人才而服務的，不同層次的課程分別著眼于學生學科素養的提升、科研能力的提升和開發創新能力的提升。比如，生物課培養學生生物科學的基礎素養，高端實驗課主要培養將來有意在相關領域開展研究的人才，而大健康產業課程更加綜合，希望能夠將生命科學和其他學科共同進行應用、開放和創新，使學生將來不僅有知識，還能夠把知識產業化。

基礎科研類課程

對于單一主題的生物課程，一般是根據課程標準和課程大綱制訂每節課的教學目標，基于課本內容培育學生的科學精神和核心素養，落實立德樹人的根本任務。例如，讓學生動手制作各種好玩的模型，在制作過程中深入了解有絲分裂和減數分裂、細胞膜和細胞質等科學概念。教師還可以讓學生緊跟科學前沿，通過閱讀材料拓展。比如，通過給學生講述藥物格列衛（Gleevec）研發的故事，從藥物開發的歷史進程、發病的分子機理和治療思路、尋找小分子藥物的方法、專利保護和治病救人的倫理困境等方面，落實結構決定功能的生命觀念，使學生對制藥行業和藥物研發有深刻的認識。

研究性學習課程基于課本又要高于課本，其課程內容圍繞高中課本實驗進行拓展和延伸，知識和技能稍微高于高中學業要求，學生通過實驗探索加深對課本知識的理解，掌握基本的實驗技能和邏輯方法，明白生命科學是一門實驗科學。從2014年開始到現在，每年都會教授新的課題，我會思考哪些是中學生能做且結合生活實際做起來有意思的，并將多年積累下來的系列活動編撰成冊，供以后學生使用。例如“智慧家庭生態園——魚菜共生系統”課程，涵蓋了生物學、生態學、物理學、計算機科學等學科知識，學生需要在不斷“玩耍”的過程中探究，積極思考選擇什么植物種類、魚的數量、虹吸作用、程序設計等問題。

醫藥研發類課程

高端實驗課主要根據“學生興趣+教師引導”的方式選題，開展科研實踐活動，學生通過高端分子生物學等實驗研究，理解現代生物學前沿領域，培養有志于從事生物學研究、研發相關行業的人才。學生Frank Lin利用結構生物學手段分析胰島素形成六聚體的氨基酸關鍵位點，入圍了英特爾國際科學與工程大獎賽;學生白子上利用草本能源植物制取纖維素乙醇統合聯產甲烷，開發新能源;學生周雨欣探究閃電熔巖的形態、成分并對比類似天然物質。此外，我們還在2018年對能否利用CRISPR/Cas 9技術在大腸桿菌內實現對噬菌體的基因編輯進行了實驗。

立德樹人是教師培養學生的根本，在科學課中更要注重立德樹人的落實。高端實驗課涉及的東西比較前沿，但我們不僅要關注技術發展，更要關注育人，培養學生的社會情懷和科學認知。比如在賀建奎事件之后，學生想要了解這一事件的來龍去脈，我們就停下來本來要上的課程，和學生一起研究事件中涉及的技術，以及引發的社會倫理爭論。上完課后，學生一起寫了一篇文章，表達了中學生對這一事件的看法，也是第一次向全世界發出來自中學生的聲音。這篇文章在微博的關注度很高，閱讀量30萬左右，也得到很多學者的點贊。做這些課程很不容易，因為學生有空的時候都是放學以后和寒暑假，教師要犧牲休息時間陪著孩子一起做實驗。而且，出于生物實驗的特點，研究者要跟著培養細胞的節奏安排自己的時間，有的時候細胞長到了就必須收菌，所以要陪著孩子一起熬夜，甚至有一次我們在除夕夜里還在實驗室做實驗。雖然很辛苦，但是看著孩子們滿滿的成果，以及和孩子們在共同做事情中建立的深厚友誼，我覺得就值了。課程結束時，有個學生送了我一個厚厚的筆記本作為禮物，他在最后一頁寫著：“這是我高中階段最美好的回憶，它關乎夢想——我終于確定了我想要的是什么，我終于看清了自己想要怎么走，并且會堅定走下去……”作為教師，我倍感欣慰，因為拓寬孩子的視野，讓孩子認識到自己想要的東西，比什么都重要。

創新設計課程“生物學與信息技術學科的交叉融合”將生命科學與信息技術相結合，讓學生具備跨學科的交叉知識體系，鍛煉學生解決問題的能力，培養融合生命科學與信息技術的創新人才。這個系列課程的主要內容是“孟德爾的豌豆花園”和“生命之息”2款關于進化的游戲制作，讓學生在玩游戲的過程中體會遺傳和進化的神奇，讓游戲化學習真正在學生中開展起來。

在開發孟德爾的豌豆花園游戲的過程中，學生需要了解孟德爾種豌豆做研究的背景，了解豌豆如何種植、生長和雜交，然后采用信息技術模擬整個過程，在情景還原中深刻體會科學原理。學生自己完成游戲腳本設計、原畫繪制、程序開發、產品運營等，把打比賽得到的獎勵資金用于在學校成立孵化器，進一步開展研究并回饋社會，到山西、江西等地貧困學校進行幫扶和教育資助。

學生沒有止步于此，我們還有更大的夢想，想把課本中能體現生物學觀點的內容傳遞給更多的人，因此基于生物進化知識又制作了“生命的蹺蹺板”游戲，讓大家知道生命是怎么來的，體會生命的來之不易，樹立熱愛自然、保護環境的理念。同樣地，“生命的蹺蹺板”游戲也是由學生自己進行游戲設計和制作，包括游戲角色和腳本設計，設想每個人物的性格、能力和成就，編寫了5萬多行游戲代碼，完成了443張圖片元件……創新設計課程極大地調動了學生的參與興趣，印證了“興趣是最好的老師”這句話。

人工智能類課程

“大健康產業與生命智能”課程主要講的是仿生類人工智能、計算神經科學、人類腦智能等課程內容，讓學生了解大健康產業鏈的運作模式，激發學生的創新熱情，培養學生的高階跨學科思維。比如全國公開課“遺傳算法”，其實是模擬進化論，整個算法的基層邏輯是生物進化論中的“適者生存，不適者被淘汰”，學生需要思考如何利用進化論的算法開發代碼。課程結束后，學生感慨道：“進化論其實就是大自然的算法。”

我們希望學生結合人工智能技術開發一些程序，解決生活中的實際問題。針對青少年游泳溺水事故，學生制作了一款智能手環，它可以定位并顯示手環位置，一旦手環檢測到佩戴者的心率低到60次/分鐘就會立即告知家長，家長可以根據定位找到孩子。

中國患者數量眾多，而麻醉醫生的整體水平參差不一且極為欠缺。我們邀請麻醉醫生參與開發“麻醉決策系統”，引導學生探究人工智能替代麻醉醫生的可行性方案，利用大數據分析和建模、云計算、人工智能等技術解決相關醫療問題。“蛋白質三維建模”采用了神經網絡算法，通過計算機模擬輸入大量數據，預測多聚體蛋白作用位點，定點基因突變，使六聚體更易解離，提高胰島素的效率。還有基于計算機視覺的智能垃圾箱設計，只需用微信小程序掃一掃，就能識別并告知廢棄物應該放在哪個垃圾箱里。

工作后我一直思考教師的自我修養是什么。時代在不斷發展，學生越來越優秀，他們會倒逼教師不斷成長，必須跟上時代的發展。所以我認為，科技教師和科技輔導員需要不斷自我迭代，與時代同進步，與學生同進化，提高專業技能，既要懂生物、物理、數學，還要懂人文、社會、心理學等。一個教師能夠傳遞給學生的東西不僅僅是知識，更是他讀過的書、走過的路、見過的人、經過的事和能看到的遠方，讓自己的網絡永遠處于不斷擴張的狀態，擁抱時代洪流的變化，應用科技手段，開發出更好的課程，為祖國培養出未來的科技創新英才，為建設制造強國和科技大國努力奮斗！