新工科背景下生物材料教學(xué)實驗體系建設(shè)的探索與實踐①

李慧麗 廖成竹 葉飛 田顏清

(南方科技大學(xué) 廣東深圳 518060)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,學(xué)科交叉與產(chǎn)業(yè)變革催生了“新工科”教育理念。有關(guān)專家將新工科的內(nèi)涵與行動歸納：“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新交叉與融合協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化創(chuàng)新型卓越工程人才具有戰(zhàn)略型創(chuàng)新性系統(tǒng)化開放式的特征[1-2]。”，表明學(xué)科交叉融合是新工科的一個基本特點。學(xué)科交叉一般是結(jié)合兩個或多個學(xué)科的優(yōu)勢，解決多個學(xué)科共同關(guān)注的問題，有助于探尋、創(chuàng)建新知識體系。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展越來越依賴于不同學(xué)科之間的交叉融合。學(xué)科交叉融合是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，相應(yīng)地建立新工科人才培養(yǎng)方案必須主動尋求多學(xué)科交叉融合。

生物材料，又稱生物醫(yī)用材料，是指與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的材料[3-4]。生物材料的一個鮮明特點是材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、力學(xué)等的多學(xué)科交叉與融合，是新工科背景下重要學(xué)科[5]。其相關(guān)基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化在發(fā)達(dá)國家已被視為具有戰(zhàn)略意義，我國的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃也將其視為重要技術(shù)領(lǐng)域。因此，我國的各知名高校在爭創(chuàng)綜合性一流大學(xué)進(jìn)程中，都在努力填補空白或加強(qiáng)該學(xué)科的實力。清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開設(shè)了‘生物材料學(xué)概論’本科生課程和‘生物材料學(xué)’研究生課程，西南石油大學(xué)開設(shè)了‘醫(yī)用生物材料’課程,中山大學(xué)開設(shè)了‘生物材料導(dǎo)論’[6]。

生物材料課程是實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，單純開設(shè)理論課會讓學(xué)生無法將理論運用于實踐。實驗是學(xué)生獲得正確思維、技能訓(xùn)練和靈活運用知識并通往科研和工作的橋梁,有利于培養(yǎng)和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,是教學(xué)改革的落腳點。然而，縱觀國內(nèi)高校，開設(shè)生物材料相關(guān)理論課已經(jīng)有一段歷史和基礎(chǔ)，但是開設(shè)生物材料實驗課的高校寥寥無幾。

南方科技大學(xué)秉承“敢闖敢試、求真務(wù)實、改革創(chuàng)新、追求卓越”的創(chuàng)校精神，堅持“創(chuàng)知、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”的辦學(xué)理念，在材料系成立并設(shè)立材料科學(xué)與工程專業(yè)后就開設(shè)了生物材料實驗課。目前生物材料實驗課主要面向大學(xué)本科三年級的學(xué)生開設(shè)的專業(yè)核心課程。經(jīng)過四年時間的探索與實踐，根據(jù)學(xué)生的接受程度以及學(xué)校反饋對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，目前已經(jīng)形成了初步的課程體系。

圖1 生物材料課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系

圖2 生物材料實驗室結(jié)構(gòu)體系

1 構(gòu)建生物材料教學(xué)實驗體系需要解決的問題

多學(xué)科交叉融合既是生物材料實驗的特點與優(yōu)勢，也是該門實驗課程面臨的挑戰(zhàn)。我國的大學(xué)教育是建立在分立的小專業(yè)基礎(chǔ)上的單一學(xué)科模式，傳統(tǒng)的教學(xué)模式強(qiáng)化了各門課程的獨立性和自我完備性，忽視了它們之間的關(guān)聯(lián)性，這些正是我們在構(gòu)建生物材料教學(xué)實驗體系所需要解決的一系列問題：

1.1 學(xué)科之間易產(chǎn)生壁壘保護(hù)，不利于學(xué)科的交叉融合

多年來人們習(xí)慣于在有明確學(xué)科界限的范圍內(nèi)從事“縱深”式的研究,各學(xué)科知識結(jié)構(gòu)上的差異,認(rèn)識和探索方式上的不同,都成為學(xué)科間“橫向”交流與對話的障礙[7]。由于受傳統(tǒng)單一學(xué)科培養(yǎng)模式的局限,從而使不同學(xué)科間的溝通困難。目前現(xiàn)行管理體制也造成學(xué)科人為條塊分割,學(xué)科之間產(chǎn)生壁壘保護(hù),限制了人員的流動和設(shè)備的共享,這對學(xué)科交叉極為不利[8]。

1.2 學(xué)生接受度問題

學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)涉及多學(xué)科知識時容易忽略學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生完成綜合性實驗難度高于其他單學(xué)科實驗，而且實驗時間較長，可能降低學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及積極性。因而提高學(xué)生基礎(chǔ)實驗技能，并將學(xué)科交叉實驗技能融合貫通，是構(gòu)建生物材料教學(xué)實驗體系要解決的重點和難點。

1.3 師資力量問題

教師一般對自己本領(lǐng)域教學(xué)非常熟悉，在單學(xué)科教學(xué)實驗中可以非常有效地指導(dǎo)學(xué)生掌握該學(xué)科實驗技能。作為構(gòu)建教學(xué)實驗體系的關(guān)鍵因素，如何引導(dǎo)學(xué)生在多學(xué)科交叉中將各項實驗技能融會貫通，對教師教學(xué)也是一項挑戰(zhàn)。

1.4 實驗室配備問題

教學(xué)實驗室和相應(yīng)教學(xué)設(shè)備是開展實驗教學(xué)的前提和根本保障，多學(xué)科交叉的教學(xué)實驗更需要配備多個專業(yè)涉及的實驗室和儀器，才能保證實驗體系順利構(gòu)建。學(xué)校的政策支持與引導(dǎo)是關(guān)鍵，在促進(jìn)多學(xué)科交叉融合發(fā)展需要學(xué)校的政策促進(jìn)各學(xué)科之間相互交流溝通。

2 生物材料教學(xué)實驗體系的構(gòu)建及其特點

2.1 合理的學(xué)時安排

南方科技大學(xué)‘生物材料實驗課’于2015年與生物材料理論課同時開課，由材料科學(xué)與工程系開設(shè)，主要面向材料科學(xué)與工程系大三的學(xué)生。學(xué)時為32個學(xué)時，共設(shè)置兩個綜合性實驗。2016年，為了豐富實驗內(nèi)容，提高學(xué)生能力，增加為64個學(xué)時，實驗由兩個綜合性實驗變更為三個綜合性實驗。這幾個綜合性實驗實踐性強(qiáng)，實驗難度逐步提高，涉及多學(xué)科知識。較多的學(xué)時更有利于學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，加強(qiáng)師生交流，同時有利于學(xué)生充分掌握多個學(xué)科知識綜合運用的能力，發(fā)揮本課程學(xué)科交叉的優(yōu)勢。

2.2 由易到難的綜合實驗體系

在2015年最初開設(shè)實驗課時，設(shè)置了兩個綜合性實驗，分別是藥物改性實驗和無機(jī)陶瓷生物材料制備實驗。這兩個綜合性實驗難度中等，但是因為材料系學(xué)生缺乏生物實驗基礎(chǔ)，所以掌握生物表征部分實驗技能有些難度。同時，兩個實驗難度相當(dāng)，后期缺乏高級內(nèi)容，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

針對這些問題，在第二年開課時根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及實驗基礎(chǔ)，設(shè)置了三個綜合性實驗，全面涵蓋材料制備、材料性能表征和材料生物性能評價等完整實驗流程，材料制備由單一材料制備逐漸過渡到復(fù)合材料制備，實驗難度逐步增加。鑒于材料系學(xué)生生物學(xué)基礎(chǔ)薄弱，在第一個綜合性實驗增加生物學(xué)基礎(chǔ)實驗，由細(xì)菌培養(yǎng)逐步過渡到細(xì)胞培養(yǎng)，便于學(xué)生掌握基本的生物實驗技術(shù)。

這三個綜合性實驗具體內(nèi)容分別為載銀活性炭抗菌材料、姜黃素藥物改性、聚乳酸與羥基磷灰石人工骨仿生復(fù)合材料制備。載銀活性炭抗菌材料是第一個綜合性實驗，制備方法簡單，學(xué)生容易掌握并且成功率很高，材料表征和生物學(xué)表征都可以取得到好的實驗結(jié)果，成功的實驗結(jié)果給予學(xué)生自信和增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且為后續(xù)實驗奠定扎實的實驗基礎(chǔ)。第二個實驗是姜黃素藥物改性實驗，這個實驗會學(xué)習(xí)一些藥物學(xué)的實驗技術(shù)，如藥物緩釋、藥物穩(wěn)定性和藥物毒性，生物學(xué)實驗難度逐漸增加。學(xué)生在學(xué)習(xí)了第一個綜合性實驗后，非常容易地掌握第二個實驗的技能。緊接著第三個綜合實驗是聚乳酸與羥基磷灰石復(fù)合材料制備，這個實驗在前面單一材料制備的基礎(chǔ)上過渡到復(fù)合材料制備，材料制備工藝難度加大，實驗難度增加也會進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。

2.3 實驗室建設(shè)

多學(xué)科交叉的實驗內(nèi)容體系需要相應(yīng)實驗室硬件條件配合。為保證實驗體系順利構(gòu)建，以及學(xué)生能夠充分運用各學(xué)科實驗技能完成綜合實驗，自2015年起，在學(xué)校的支持下開始生物材料實驗課程的實驗室建設(shè)。

2.3.1 化學(xué)合成實驗室

化學(xué)合成實驗室主要承擔(dān)生物材料合成實驗，如抗菌材料合成、無機(jī)陶瓷材料合成、高分子加工等實驗內(nèi)容，實驗室內(nèi)包含馬弗爐、真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、凍干機(jī)、擠出機(jī)和注塑機(jī)等用于材料合成的設(shè)備。

2.3.2 材料表征實驗室

材料表征實驗室主要承擔(dān)材料表征實驗內(nèi)容。實驗室配備掃描電子顯微鏡能譜聯(lián)用儀、紅外光譜儀、X射線衍射等相關(guān)儀器。利用掃描電子顯微鏡對材料表面形貌和元素組成表征抗菌材料，利用紅外光譜儀對改性后的姜黃素藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用X射線衍射儀對水熱法合成的羥基磷灰石進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

2.3.3 生物實驗室

生物實驗室主要由細(xì)胞實驗室、細(xì)菌實驗室以及檢測實驗室三部分組成。細(xì)胞實驗室主要承擔(dān)細(xì)胞培養(yǎng)、材料生物相容性表征等實驗內(nèi)容，細(xì)菌實驗室承擔(dān)細(xì)菌培養(yǎng)、材料抗菌性能表征等實驗內(nèi)容。細(xì)菌和細(xì)胞實驗室主要有超凈臺、培養(yǎng)箱、搖床及生物顯微鏡等培養(yǎng)和觀察細(xì)胞和細(xì)菌的設(shè)備。檢測實驗室承擔(dān)生物相容性檢測實驗內(nèi)容，如材料促進(jìn)細(xì)胞增殖能力和藥物對細(xì)胞毒性的檢測。檢測實驗室主要有酶標(biāo)儀、倒置熒光顯微鏡等儀器。

2.4 教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)

具有單一學(xué)科背景的教師不適合獨自承擔(dān)多學(xué)科交叉教學(xué)任務(wù)，因而打造一支由具有不同專業(yè)領(lǐng)域的教師組成的教學(xué)團(tuán)隊是非常必要的。目前，我系教學(xué)團(tuán)隊由具有材料專業(yè)、生物專業(yè)以及化學(xué)專業(yè)等的教師組成，他們在各自專業(yè)領(lǐng)域教學(xué)經(jīng)驗豐富，通過這些老師之間相互交流合作，充分實現(xiàn)了學(xué)科之間的交叉融合。除此以外，學(xué)校擁有多位一直從事生物材料科研前沿工作的教師，他們對于該門教學(xué)實驗課程建設(shè)給予了大量的指導(dǎo)。在他們的指導(dǎo)下，生物材料教學(xué)實驗會一直緊跟科研前沿，不斷地豐富教學(xué)內(nèi)容。

2.5 逐漸增加研究設(shè)計型實驗

經(jīng)過4年時間建設(shè)，我校生物材料教學(xué)實驗體系已經(jīng)初步建成，為了緊跟科研前沿腳步，我們?nèi)詫⒊掷m(xù)改進(jìn)。教學(xué)內(nèi)容加入研究設(shè)計型實驗是啟發(fā)學(xué)生自己動腦設(shè)計實驗，動手解決問題的有效方法。因此研究設(shè)計型實驗也將逐漸加入到目前的教學(xué)實驗體系當(dāng)中，以科研為導(dǎo)向的教學(xué)[9],并在實踐教學(xué)中不斷完善。

3 結(jié)語

目前，我校生物材料教學(xué)實驗體系已經(jīng)初步建成。在課程設(shè)置分別設(shè)計了三個充分融合材料學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)、化學(xué)等專業(yè)的綜合實驗。我校會緊跟科研發(fā)展前沿，持續(xù)改進(jìn)。讓學(xué)生能夠掌握新理論、新技術(shù)和新方法。未來還會進(jìn)一步加入研究設(shè)計型實驗，讓學(xué)生能夠真正成為課堂的主體，達(dá)到學(xué)生為主，教師為輔的學(xué)習(xí)效果。