基于工程需求的多維度知識融通研究生教學模式探究
——以生物力學與醫學工程課程為例

王伯初，劉德芳，徐志玲，郝石磊，唐士金

（1.重慶大學 生物工程學院，重慶 400044；2.重慶大學/生物流變科學與技術教育部重點實驗室，重慶 400044）

為應對國家重大創新驅動發展戰略需求，增強工程教育國際競爭力，新工科建設要求必須改革現有的工程教育教學模式，深入推進高等工程教育改革，為我國工程科技創新和產業創新提供智力和人才支撐[1]。同時，根據《美國國家科學基金會和國家研究委員會報告》要求，工程教育應提供寬廣的通識教育，以適應工程所必需的多樣性和廣泛性，以及滿足為進入工程市場和非工程市場的職業及未來深入學習能力的需求[2]。另外，全國研究生教育會議決議新增交叉學科作為新的學科門類，并在高校設立交叉學科碩士和博士點，這是交叉學科在我國研究生教育工作中的突破性進展[3]。

一 研究背景

生物力學與醫學工程是生物醫學工程專業的一門研究生專業基礎課程，該課程涉及基礎數學、物理學、醫學和生物學等交叉學科專業知識，具有典型而獨特的技術/知識綜合性和醫工交叉性，在新工科建設與改革中擔負著重要的專業教育角色。該課程不僅要求學生具備較完備的交叉學科多維知識融通體系，還要求教師具有多學科知識的融通貫穿能力。現階段生物力學與醫學工程研究生教學主要存在以下問題。

（一）學生知識結構參差不齊

基于生物醫學工程專業交叉性，研究生生源主要來源于生物、醫學、藥學及工程專業，教育背景復雜，知識結構多樣化，學生專業基礎知識結構參差不齊[4]。教育背景為生物醫學工程專業的學生，雖然有醫學和生物學基礎，但是數學、物理學及工程專業知識可能有一些匱乏。而非生物醫學工程專業背景的學生，對本門課則可能存在更多的知識盲點，知識結構及深度亟待提升。

（二）不重視跨學科教育，教學模式單一

生物力學與醫學工程課程涉及學科較多，學科快速發展，使教材編撰難度增大，并且沒有相關的配套教材。這可能導致學生需要適應較長時間無教材狀態，無從入手。目前，國內的生物力學與醫學工程課程主要采取教師理論授課為主的單一教學模式，這種應試式的填鴨式教育不能使學生有效參與到教學過程中，不能獨立思考，遏制了學生的學術參與能動性。由于該門課涉及多學科專業，要求教師在授課過程中，針對不同教育背景的學生，有目的地把相應的知識點融匯貫通。但在實際教學中，由于教學時間、教學模式等的限制，使跨學科教學不能得到有效重視，導致研究生知識結構單一、學術視野局限于既定范圍，不能從整體上把握知識間的縱橫聯系，限制了學生的創新思維和工程創造力。

二 多維度知識融通的研究生教育模式

生物力學與醫學工程課程在新工科背景下，產教模式的提出對教學改革起到了推動作用，在改革過程中，也遇到了種種難題，例如教師的固定教學方式、學校的硬件設施缺乏等情況，但同時也創新出了許多教學方式，重新構建了生物工程專業研究生課程體系，建立了基于工程需求的多維度知識點融通的教學模式，構建了教師的多維度知識結構，發揮優勢，彌補不足，從而發揮生物力學與醫學工程課程在新工科教育中的特色優勢作用。

（一）重構生物工程專業研究生課程新體系

新工科多學科交叉融合的人才培養模式，要求課程體系和教學內容的改革是系統性的，而非個性化的[5]。生物醫學工程作為交叉學科，要求研究生具備多門學科的知識融合能力。因此，在重構研究生課程體系時應考慮幾個因素：1）梳理學生的專業背景情況[6]；2）根據具有國家重大戰略需求的生物醫藥大健康新興產業的需求設置合理、科學的研究生培養目標；3）根據培養目標明確畢業要求，以適應和勝任醫藥大健康新興產業為目標，明確在研期間所具備的能力和素養；4）按新的畢業要求重新設置課程體系及教學內容。

根據生物醫藥大健康新興產業的需求，有針對性地開設本學科所需知識結構的課程體系和設置課程內容。在公共課的設置中，為了滿足生物信息學、生物力學加載及理論分析等學科方向的需要，重慶大學生物工程學院（以下簡稱“我院”）新開設了更系統化的數學課程：模糊數學、混沌理論、數學建模理論與應用等。在必修課的專業課程設置中，為了滿足我院的新興學科方向如生物健康監測的需要，新增工程仿生學、生物醫學檢測檢驗等課程。同時通過參考國內外生物工程學科研究生培養計劃，按學科不同方向的主要研究內容設置其交叉課程。除了本學院開設的課程，允許研究生通過SPOC等方式在校內其他學院選課，如：航天航空學院的非線性有限元課程、連續介質力學課程，數統學院張量分析等課程，以及醫學院解剖學、生理學等前置課程。

（二）基于工程需求的多維度知識點融通教學模式

面對復雜生物工程問題的需求，如何突破課程與學科之間知識融通的屏障并提高專業知識運用能力，有待通過教學模式的改變得以提升。在教學過程中，以生物醫藥大健康產業和工程需求為驅動力，理順課程知識點并進行多維度分析，以“知識傳授、科技創新、技術轉化”的需求逐步打通課程知識的屏障，貫穿課堂教學、實驗教學、專題教學和課后實踐等教學全過程，構建生物醫學工程專業知識點與實驗體系聯動的教學體系及知識應用的聯動模式，如圖1所示。

教學設計是交叉學科研究生培養的關鍵內容和載體，是提高研究生教育質量的核心環節之一[7]。在教學過程中，教師根據生物醫藥大健康產業工程需求，分析該行業面臨的基本訴求和突破點，找到該門課程與實際產業的切入點，確定課程的多維度知識點，分層次、分難度理清，并逐個解析，有效串聯，形成一個相互關聯的有機體。根據這些具有工程類專業特點的知識拓撲結構，設計覆蓋多個課程知識點的綜合實驗體系，使課程知識能實現綜合應用，可逐步培養學生具有解決復雜問題的能力與建設工程實踐思維的能力。

以生物力學與醫學工程課程進行基于工程需求的多維度知識融通教學模式為案例分析。立體構成課程思路是教學培養學生的邏輯思維能力，幫助學生構建一種理性、科學的思維方式，通過有針對性的訓練，把學生的思維整合成理性的設計思維[8-9]。生物力學與醫學工程課程融合數學、物理學、醫學和生物學等多學科基礎知識，并基于連續介質力學及物理學三大守恒定律等基本力學原理，探求在分子、細胞、組織、器官多尺度層面的物質形變和運動規律，圍繞生物大健康中的康養設施等工程產業以及臨床醫學相關問題，可重新認識或提供治療與干預的新途徑或新方法，并滿足臨床醫學問題的解決和發展新的診療技術。課程從涉及生物力學和生物醫學的根本問題中，歸納出多維度的知識點，通過與舊的知識經驗相互作用與傳遞，完成理念和思路的更新，并遷移到新的科學問題（圖1）。這是工程教育需求改革與教學過程改革互動的過程，這個互動過程將發展新的拓撲知識聯動體系促進生物力學與醫學的交叉與融合，從新的視角去解決醫學工程還沒有解決的關鍵問題[7]。課程新模式從問題的凝練到解決，涉及到思維的抽象、具體、整合和切入等，并融合力學、生物學、醫學、數學、物理學和化學等多個學科，為教學方法和工程教育的革新提供了知識和思想源泉與創新的原動力。

圖1 基于工程需求的多維度知識融通教學模式關系圖

（三）教師多維度知識結構的構建

交叉學科的深入發展，對教師如何更加積極主動地參與到研究生教育改革中，既是挑戰也富含機遇。在教學過程中，教師的教學經驗和知識儲備是教師知識體系構建的主要因素。在單一學科教學過程中，教學多年的教師僅憑自己豐富的教學經驗和固有的專業知識儲備，就可能產生較好的教學效果。但是，交叉學科的介入，單一學科的教學內容形式必將受到嚴重沖擊。如在生物力學與醫學工程課程的教學過程中，由于涉及多個學科的交叉，教師應主動查詢最新研究進展，建立跟本學科相關的多維知識體系，才能在教學過程中游刃有余，達到本門課程的教學目標。

在本門課的血液循環章節教學過程中，以人體科學血液循環為依據，從生理結構特征、承載生物學功能和工程分析方法等維度，采用動脈、靜脈及微循環的不同知識點對比分析的融通立體教學模式（表1）。如循環系統中的動脈，其生理結構物理特征是血管內壓大于外壓，使血管具有推動力，承載的生理功能是血液傳遞，其關鍵問題就是傳遞效率。由此，引導學生明白傳遞效率就涉及流變學，需要補充流變學相應課程及理論，對動脈的研究方向可考慮生物流變、生物傳質等方面的研究。而靜脈的血管內壁很薄，血管內壓有時小于外壓，甚至低于大氣壓，其生理功能主要是血液傳遞、穩定作用，其關鍵問題就是保持血管的穩定，引導學生對靜脈的研究可著力于血管的穩定性等方面。在微循環系統中，其生理特征是血管直徑與紅細胞在同一尺度，承載的生理功能是物質交換，引導學生明白，微循環的研究涉及各個方向：如生物植介入材料對周邊細胞微循環的影響、凝膠敷料對皮膚表面微循環的作用和體內藥物載體對免疫細胞的影響等。這些知識點的融合，涉及醫學、免疫學、物理學和數學等多學科的交叉滲透，提高了研究生對課題的研究工作的思考和介入主動能力。

表1 血液循環系統融通教學方法

一般而言，教師同時承擔了大量的科研任務，教師需要通過科學研究提升學術深度，進行學術傳承。教師須以“知識傳授、科技創新、技術轉化”的方針為導向，圍繞以具有國家重大戰略需求的生物大健康中的康養設施等工程產業及臨床醫藥學相關需求為根本出發點，通過“科教融合、科教相長”的策略，將科研成果、科研進展融入課堂教學、編入教材，突出科研賦能教學，把課堂教學作為主陣地，科研項目訓練作為第二主陣地，以提升研究生的科研創新能力培養[10]。

在目前的研究生教育中，科教融合的內涵特征已不僅僅是科研與教學相結合，而是以科技思維指導研究生教育發展，以研究生教育成果支撐科技進步[11]。如在生物力學與醫學工程課程中，為兼顧研究生學習特點，教師不僅講授生物力學、生物工程等理論基礎知識，同時將血管病變[12-13]、骨/軟組織退變[14]、神經損傷[15]、癌變[16]、中醫藥生化傳質[17]和納米材料應用[18]等涉及生物力學、生物醫學工程的關鍵科學問題和相關科研成果植入到課程中，讓研究生了解學科發展的前沿知識、前沿理論、前沿方法，既豐富了教學內容，也完善了教學大綱。另外，在生物力學與醫學工程教學實踐中，教師指導研究生積極參與國家重大科技攻關項目或企業產品開發項目及校級、省級、國家級的科研比賽，引導學生發現自我潛能，鼓勵探索，提升研究生的主動創新意識和學習能力。

三 教學效果評價及討論

經過多年不斷推行教學改革策略，生物力學與醫學工程課程采用多維度知識融通立體教學模式已初步取得較好的教學成果，得到同行和合作企業的高度評價，可在國內外廣泛推行和應用。

（一）多維度知識融合體系的立體教學模式，使學生的交叉學科創新能力顯著提升

自推行本教學模式以來，具有不同教育背景的學生通過其他學科專業知識點的不斷學習和融合，積極配合導師的指導，在學術創新上取得良好的成果：90%以上的具有化學、藥學和醫學背景的研究生從藥物研究、生物分析和生物制品等方向在國際高水平雜志發表上發表多篇論文，獲得多項獎勵，參加20余次國際學術會議并做學術報告；在校生在Cell、Nature和Science等著名雜志的子刊發表十余篇研究論文，并獲得中國生物醫學工程學會優博提名1篇、重慶市優秀博/碩論文13篇。

（二）教師多維度知識結構的構建，使教學團隊水平顯著提高

教師通過構建與本學科相關的多維知識體系，填補了某些學科的知識缺漏點，形成完備的知識體系，為教學和科研創新指導能力提升提供了良好的學科交叉動力源泉。在本成果的帶動下，成功申報重慶市現代生命科學實驗教學示范中心，建成多學科交叉、針對性強的生物醫學工程實驗教學平臺；承擔重慶市研究生聯合培養基地建設項目2項，重慶市研究生創新基金32項；并建設重慶市研究生導師團隊4個，培養重慶英才名師名家2人，獲重慶市教學成果一等獎等2項，主編出版全國生物醫學工程類教指委十三五規劃教材等4本；承擔省部級等教改項目5項，建設國家級國家精品課程1門、省部級優質課程2門，建成了面向國際視野、理工醫交叉融合培養體系，培養了具有科學精神、創造能力和能解決健康領域的復雜問題、多學科背景交叉融合的領軍潛質創新人才。

（三）技術轉化式模式教學，培養大批創新型綜合應用人才，獲得多項發明專利和專利轉讓

通過創新課題、課程實驗和專業實踐等載體功能深入推進科教融合的科研育人長效機制，支撐研究生全員參與各級研究項目，完成重慶市研究生創新課題30余項。通過科研案例促進科技創新資源向生物力學與醫學工程教育教學資源轉化，通過實研究生論壇搭建研究生學術交流平臺，在校生科技創新、以賽促學蔚然成風，在挑戰杯、“互聯網+”等國家級創新創業賽事中獲全國二等獎2項、銀獎1項。另外，在研究生的科研訓練中基于上海凱寶痰熱清注射液產品質量不穩定的技術難題，專家團隊指導研究生解析生產工藝水解、分離、純化和結晶等各環節的技術參數，通過融合溶解度、溶液飽和度、二次成核結晶理論及生物傳質等知識要素，提出對原料進行均一化及梯度結晶的技術方案并應用實際生產，為企業新增產值12億，并獲重慶市技術發明一等獎等6項；出版專著2部，主/參編7部教材；參與制定國際及國家標準22項；獲權發明專利68項，轉讓15項。

四 結束語

生物力學與醫學工程課程在新工科背景下，借鑒立體構成課程教學思路，采用多維度知識融通立體教學模式，推進了生物工程專業基礎課程的應用與發展，提升了生物工程專業基礎課的針對性和系統性。將多維度知識融通立體教學思維，貫穿到教師和研究生互動式的課程學習和科研訓練中，有利于知識的共享、傳承和創新，使師生在工程教育共同體中取長補短、銳意進取，對生物工程研究生教學改革起到了重要的推動作用。生物力學與醫學工程課程也通過創新教學方式、教學設計，最終發揮該門課程在相關領域的引領、示范和輻射作用。雖然我國的生物力學與醫學工程教育未走到國際頂端，但基于生物力學與醫學工程課程教育的改革與創新，可為研究生教育質量提升提供特色指導，并更好地服務于研究生教育強國建設戰略目標[19]。