新工科背景下生物醫學工程專業化學類 基礎課程教學改革探索

朱春楠，鄭冬云，劉超(中南民族大學生物醫學工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

2017年2月以來教育部積極推進新工科建設，強力促進了我國工程教育改革。自此，全國高校在創新人才培養模式、優化課程體系結構、改革教學方式方法等多個維度迅速行動起來，努力培養具有創新創業能力和跨界融合能力的高素質交叉復合型卓越工程技術人才[1]。

1 生物醫學工程專業化學類基礎課程教學現狀及存在的問題

生物醫學工程是綜合生物學、醫學和工程學等專業理論和方法的一門交叉邊緣工科學科，旨在運用工程技術和方法，研究、解決生物學和醫學中存在的問題，最終服務于醫學。我校該專業開設四大類課程：生物醫學類基礎課程、電子類課程、計算機類課程以及《生物醫學傳感器》、《醫學信息系統》等專業課程。長期以來，該專業學生重視電子、計算機與機械制造等課程，而輕視生物醫學類基礎課程的學習，這對于構建完整而系統的專業知識體系是非常不利的。在新工科建設背景下，引導學生將各門課程融會貫通、培養學生的工程實踐能力與創新思維能力已成為生物醫學工程專業課程教學改革的重要目標。

化學類基礎課程是生物醫學工程專業生物醫學類課程的重要組成部分，通常開設在低年級[2]。由于課程定位不明確，導致工科學生不能將該類課程與職業生涯相聯系，無法理解學習化學類基礎課程的重要性。如果直接套用化學、生物、醫學等學科的理科教學模式，不利于培養學生的工程創新思維。因此，本文對該課程進行教學改革，希望促進學生對基礎知識的全方位把握以及工程創新思維的培養。

2 生物醫學工程專業《醫用化學與生物化學》教學改革舉措

2.1 明確課程定位，優化課程內容

生物醫學工程專業的出發點是希望以工程學的方法來解決疾病檢測、診斷及治療等問題，所以該專業學生既要有機械制造與電子計算機相關的知識儲備，又要對化學、生物學和臨床醫學知識有一定的了解。例如，研發醫學檢測儀器，首先要了解目標指標的生化意義及檢測原理，如血糖濃度的測定以及低血糖和高血糖的判斷標準、血清中丙氨酸氨基轉移酶(ALT)的活性測定及急性肝炎輔助診斷應用，這些正是生物化學的知識范疇。只有同時“知其然”——工程學手段和“知其所以然”——基本原理，才能從根本上改進和提高醫學儀器的性能。脫離了生物醫學基礎知識的工程研發就如空中樓閣一般。打好化學理論基礎，有助于學生構建完整系統的知識體系，為其后續創新思維的培養和工程技術應用奠定基礎。

生物醫學工程學科涉及緩沖溶液、滲透壓等無機化學內容，以及生物分子(核酸、蛋白質、糖和脂類)、生物體內物質代謝及其調節、血液生化、肝膽生化等生物化學內容。先修有機化學又是學好生物化學的基礎。而在化學學科中，無機化學、有機化學和生物化學都是各自獨立的重要專業課。在生物醫學工程專業講授這三門課程的所有內容顯然是不現實的。并且，對生物醫學工程專業學生的學習要求，不管是知識點的多少還是掌握的程度，都沒有化學專業的要求高。針對這一特點，我們選擇了人民衛生出版社出版的《醫用化學與生物化學》(第2版)作為教材，更加突出“精、新、實、適”。在教學中，我們注重教學內容的精簡和重難點的把握，強調基本原理和實際應用的有機結合，引導學生建立完整且相互關聯的知識結構框架。

2.2 改革理論教學方法，變“被動接受”為“主動探索”

化學類課程普遍具有理論性強、知識點繁雜、概念抽象難懂等特點，易導致工科學生缺乏對該類課程的學習興趣和自主學習動力[3]。在學時不斷被壓縮的情況下，傳統的教學模式即課堂上教師“填鴨式”地進行大量知識的灌輸，會加劇工科學生的厭學情緒。因此，如何實施教學改革，激發工科學生的學習興趣，提升課程認可度和教學效果，是新工科背景對生物醫學工程專業化學類課程教學提出的新要求。

PBL教學模式(Problem-basedlearning)是一種以問題為導向，以學生為中心、教師為引導的教學模式，提倡自主探索與合作學習的方式，旨在促進學生主動學習，培養其獨立思考和解決問題的能力，實現“在解決問題中學習、在學習中解決問題”[4]。結合新工科建設背景和臨床醫學案例，我們設置兼具全面性、引導性和前沿性且難度適宜的學習專題，比如，不同分散系的特性不同——尿毒癥的治療即血液透析的原理；手性在臨床醫學中的應用——手性藥物；酶的抑制劑與藥物設計原理——磺胺類藥物的抑菌作用；糖的無氧分解和糖異生——人在劇烈運動后會感到肌肉酸痛，幾天后酸痛感會消失；DNA半保留復制——新型冠狀病毒感染的核酸檢測。學期開始時，教師將學習專題發布給學生。然后，學生按每組7-8人自由組隊，每組根據興趣愛好選擇1個專題，在學習相關基礎理論知識后進行查閱文獻、搜集資料、小組討論，然后以PPT的形式在課堂上進行陳述匯報，其他小組可以提問以及與陳述小組進行討論。最后，教師進行歸納總結，從知識點的理解程度、PPT制作、現場講述、組間討論等多角度進行點評。但是，PBL教學需要耗費較多的課時，這使得理論學時更加緊張，內容多與課時少的矛盾更加突出。如何在有限的課時，保質保量地完成每個教學設計和環節則顯得尤為重要。

近年來，隨著信息技術的飛速發展，開展線下線上混合式教學模式已成為課程教學改革的重要舉措[5]?；旌鲜浇虒W模式將傳統課堂教學在時間和空間上都進行了拓展，通過錄制教學微視頻、提前發布PPT課件、線上發布作業及測驗等，大大緩解了線下課時緊張的問題。利用課程網站、手機端APP、微信公眾號等方式可提供微課視頻、PPT課件、思維導圖、重點難點、教學動畫、思政故事等多層次的學習資料，不僅可以激發學生的學習興趣，提升課程認同感，還可以將課堂學習融合在課前與課后的預習與復習當中，使學生在進行系統化學習的基礎上也實現碎片化學習，提高學習效率與教學效果。

2.3 完善實踐教學形式，培養工程創新思維

實驗教學是高等教育課程體系中不可或缺的一部分，是激發創新意識、培養創新思維的必須環節。而我?！夺t用化學與生物化學》僅配套少數幾個課內實驗，學生一般是在老師的講解之下完成，對學生創新意識的培養還遠遠不夠。

為此，我們在現有課內實驗教學基礎上，引入創新型實踐教學。首先，加入一些綜合性設計實驗。在實驗教師給出實驗課題后，學生以小組為單位完成實驗方案設計、實驗開展、數據處理、結果分析等一系列過程，這樣全方位的訓練有助于學生創新科研思維的培養。其次，對于儀器設備套數有限的行業前沿性實驗，采用實際操作和觀摩實驗相結合的方式，以此來提高創新型實踐教學的覆蓋面，促進學生對課程知識的理解、掌握與拓展，激勵他們產生學習內動力。另外，將實踐教學與學科競賽、大學生創新訓練項目、畢業論文相結合形成多位一體的培養模式，幫助對化學類課程興趣濃厚的學生得到更高層次的鍛煉，有助于其科研興趣的培養以及今后研究方向的選擇。

2.4 改革課程評價方式，實現全方位考核

大學的課程考核一般采取“平時成績+期末成績”的方式。由于傳統的課堂教學模式單一，導致平時成績的評價方式也比較單一，主要考查的是學生的考勤和作業成績，而這兩種形式并不能有效反映學生的課堂參與度。這就導致容易出現學生“人在課堂心卻不在課堂”的情況，平時學習懈怠，靠考前突擊復習來應付期末的閉卷考試，對知識的學習純屬死記硬背，根本談不上理解、掌握和應用。

在課堂教學模式不斷創新改革下，加大對學生學習過程的考核力度、豐富過程考核的評價指標，可以提高學生對課程的學習積極性，同時提升教學效果。我們設定以下四個考核評價標準：課堂表現、PBL成績、實驗成績和期末考試成績，分別占總評成績的20%、20%、20%和40%。其中，課堂表現除考勤和作業成績以外，加入對搶答、投票、問卷、討論等線上課堂活動的評價。PBL成績由組內互評、組間互評和教師打分按照30%、30%和40%的比例產生。實驗成績主要考查學生的實驗操作和實驗報告。通過考核評價方式的改革，可以激發學生的學習熱情。

3 結語

在“新工科”背景下，結合生物醫學工程專業的多學科交叉性，化學類基礎課程的教學工作必須做出相應的調整，更新教學內容，改革教學方法和課程評價體系，提高學生的學習興趣，促進學生對基礎知識的全方位把握，為今后其他生物醫學類課程的學習如分子生物學、解剖生理學等奠定基礎。通過PBL和線下線上混合式教學模式、完善實踐教學方式等，培養學生的科學思維和創新能力，提高學生的知識運用、解決問題和實踐動手能力，為后續工程素養的培養和工程技術應用奠定堅實的理論和實踐基礎。