基于階梯式教學(xué)與差異化課堂的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

肖林 賈昭君 林倩明 張超

［摘 要］ 建設(shè)創(chuàng)新國(guó)家和科技強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵在于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地，肩負(fù)著為我國(guó)科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的重要使命。中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院聚焦如何在高等教育改革中推進(jìn)高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要命題，在長(zhǎng)期教學(xué)研究與實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出階梯式教學(xué)與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，在加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)開展專業(yè)創(chuàng)新教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。以生物醫(yī)學(xué)材料類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)為例，對(duì)該創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的具體措施、實(shí)施過程及成效做詳細(xì)論述。該培養(yǎng)模式可為我國(guó)高等教育探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供有益經(jīng)驗(yàn)。

［關(guān)鍵詞］ 階梯式教學(xué);差異化課堂;生物醫(yī)學(xué)材料;實(shí)驗(yàn)教學(xué);創(chuàng)新人才培養(yǎng)

［基金項(xiàng)目］ 2022年度中山大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的生物材料實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革”（中山大學(xué)教務(wù)〔2022〕91號(hào)）；2022年度中山大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“課程思政示范課程‘生物材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”（中山大學(xué)教務(wù)〔2022〕91號(hào)）

［作者簡(jiǎn)介］ 肖 林（1986—），男，湖南新化人，博士，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院助理教授，主要從事生物材料與組織工程研究；張 超（1975—），男，河南許昌人，博士，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事骨科材料與植介入器械研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-10-31

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，是國(guó)家發(fā)展全局的核心，而高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地和科技創(chuàng)新的排頭兵，肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的重要使命。中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院緊密結(jié)合國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略需求，依托粵港澳大灣區(qū)生物醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于培養(yǎng)“背靠工科，面向醫(yī)科”的復(fù)合型高水平創(chuàng)新人才［1］。中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院開設(shè)了多門生物醫(yī)學(xué)材料類實(shí)驗(yàn)課程，貫穿本科學(xué)習(xí)的各個(gè)階段。本文以這類課程的教學(xué)改革實(shí)踐為例，論述如何在本科實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中開展創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

一、基礎(chǔ)教學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)式課堂相結(jié)合做好專業(yè)基礎(chǔ)教育

創(chuàng)新不是無源之水、無本之木，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)首先建立在寬厚扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)教育之上。如何做好專業(yè)基礎(chǔ)教育是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要解決的首要問題。

（一）基礎(chǔ)教學(xué)是做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的主要途徑

根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知特點(diǎn)，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料類實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)不同學(xué)習(xí)階段的本科生開展階梯式和差異化教學(xué)。對(duì)于低年級(jí)（一、二年級(jí)）本科生，該類課程以做好生物醫(yī)學(xué)材料專業(yè)基礎(chǔ)教育為主要目標(biāo)，為高年級(jí)專業(yè)創(chuàng)新教育及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這一階段的教學(xué)圍繞夯實(shí)生物醫(yī)學(xué)材料專業(yè)基礎(chǔ)展開。首先，低年級(jí)本科生（尤其是一年級(jí)）沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，大部分學(xué)生尚未掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和技能，也缺少必要的實(shí)驗(yàn)安全教育，相關(guān)理論課程的學(xué)習(xí)也剛剛起步。因此，這一階段的首要教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究基本素養(yǎng)，圍繞該教學(xué)目標(biāo)設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)室安全意識(shí)、安全處置方法、基本實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性和規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性與規(guī)范性等。例如：實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)時(shí)如何正確處理，危化品如何正確分類儲(chǔ)存和使用，如何正確進(jìn)行離心、沉淀、蒸餾、回流、萃取、重結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)等基本實(shí)驗(yàn)操作。其次，重點(diǎn)掌握生物醫(yī)學(xué)材料實(shí)驗(yàn)研究的基本技能和方法，包括生物醫(yī)學(xué)材料的常規(guī)合成與制備方法、理化性質(zhì)的表征技術(shù)原理與儀器設(shè)備的使用方法、生物學(xué)評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理等。

（二）標(biāo)準(zhǔn)式課堂是做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的重要手段

為實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向的教學(xué)方法與課堂管理方式，通過教師講解、操作示范與學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的方法，使學(xué)生牢固樹立實(shí)驗(yàn)室安全意識(shí)與規(guī)范操作意識(shí)；能正確、規(guī)范地完成基本實(shí)驗(yàn)操作，熟練掌握常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料合成與制備方法，理化性質(zhì)表征技術(shù)與生物學(xué)評(píng)價(jià)方法；能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義明確的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成既定實(shí)驗(yàn)任務(wù)，達(dá)成預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。值得指出的是，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院為低年級(jí)本科生同步開設(shè)了相關(guān)理論課程，與上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系，互為補(bǔ)充。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師有意識(shí)地將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論融會(huì)貫通，尤其涉及生物材料制備原理（如多孔結(jié)構(gòu)的形成與調(diào)控、凝膠—溶膠轉(zhuǎn)變等）、理化性質(zhì)表征原理（如紫外—可見光譜分析、動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)粒徑等）和生物學(xué)評(píng)價(jià)原理（如CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞毒性、溶血試驗(yàn)評(píng)估血液相容性等），通過外化于形的實(shí)驗(yàn)操作幫助學(xué)生加深對(duì)基本知識(shí)和重要概念的理解，逐漸形成內(nèi)化于心的知識(shí)儲(chǔ)備與實(shí)踐能力。與教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課堂導(dǎo)向相適應(yīng)，這一階段該類課程的考核評(píng)價(jià)也具有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向特征。主要考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究基本素養(yǎng)與基本技能的形成，以及對(duì)常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料合成與制備方法、理化性質(zhì)表征技術(shù)、生物學(xué)評(píng)價(jià)方法的掌握。主要考核點(diǎn)包括學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出來的安全防范意識(shí)、規(guī)范操作意識(shí)、實(shí)事求是的態(tài)度、勤奮刻苦的精神、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄、實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性與數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性等。

通過基礎(chǔ)教學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)式課堂相結(jié)合做實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)教育，使學(xué)生具備良好的實(shí)驗(yàn)研究基本素養(yǎng)與基本技能，掌握常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料合成與制備方法、理化性質(zhì)表征技術(shù)、生物學(xué)評(píng)價(jià)方法，為進(jìn)入高年級(jí)接受專業(yè)創(chuàng)新教育打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、創(chuàng)新教學(xué)與探究型課堂相結(jié)合開展專業(yè)創(chuàng)新教育

在扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)教育基礎(chǔ)上，通過合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)高年級(jí)（三、四年級(jí)）學(xué)生進(jìn)行專業(yè)創(chuàng)新教育，可有效地培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，引導(dǎo)其成為高水平創(chuàng)新人才。

（一）創(chuàng)新教學(xué)與探究型課堂相結(jié)合是開展專業(yè)創(chuàng)新教育的有效方式

前文所述專業(yè)基礎(chǔ)教育以基礎(chǔ)教學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)式課堂的運(yùn)用為基本特征，而專業(yè)創(chuàng)新教育具有顯著不同的特征，表現(xiàn)在教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)。表1總結(jié)了生物醫(yī)學(xué)材料類實(shí)驗(yàn)課程專業(yè)基礎(chǔ)教育與專業(yè)創(chuàng)新教育的區(qū)別。

首先在教學(xué)目標(biāo)上，這一階段的專業(yè)創(chuàng)新教育著重提高學(xué)生提出—分析—解決問題的能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)以及綜合能力。在教學(xué)內(nèi)容上，教師通過設(shè)計(jì)綜合性與探究性實(shí)驗(yàn)課題開展創(chuàng)新教學(xué)。在前期經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)充分論證的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中自主設(shè)置合適的變量開展探究性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的重要現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果提出解釋或猜想，再通過進(jìn)一步思考和提煉形成合理的科學(xué)假說。此外，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)自己提出的科學(xué)假說設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究方案。在教學(xué)方法與課堂管理上，采取教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、自由討論的教學(xué)方式，突出學(xué)生的主體地位，教師負(fù)責(zé)引出實(shí)驗(yàn)課題、組織課堂環(huán)節(jié)、引導(dǎo)學(xué)生思考、評(píng)述學(xué)生觀點(diǎn)并參與課堂討論，在教學(xué)過程充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，充分尊重學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力，形成自主式、開放式的探究型課堂（圖1）。相應(yīng)地，教學(xué)考核評(píng)價(jià)不再?gòu)?qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)式實(shí)驗(yàn)操作與標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是看重實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果的思考，針對(duì)現(xiàn)象與結(jié)果提出問題與分析問題的能力，提出合理科學(xué)假說與設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方案的能力，陳述觀點(diǎn)與參與討論的能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)及綜合能力。

（二）創(chuàng)新教學(xué)與探究式課堂相結(jié)合開展專業(yè)創(chuàng)新教育的教學(xué)舉例

以“PLGA-PEG納米膠束的制備與表征”實(shí)驗(yàn)為例，介紹如何通過創(chuàng)新教學(xué)與探究式課堂相結(jié)合對(duì)高年級(jí)學(xué)生開展專業(yè)創(chuàng)新教育，教學(xué)過程如下：首先教師簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)可能影響納米膠束形貌的關(guān)鍵步驟和重要因素做適當(dāng)提示。學(xué)生分組后，教師要求每組通過組內(nèi)討論確定一個(gè)實(shí)驗(yàn)因素作為單一變量，并要求設(shè)計(jì)平行實(shí)驗(yàn)探究該變量對(duì)膠束形成及形貌的影響，如以選擇性溶劑的滴入速度、PLGA-PEG溶液的攪拌速度、溶液pH、離子濃度等因素作為變單一量，平行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展可以在組內(nèi)進(jìn)行，也可以由不同小組合作進(jìn)行。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)中觀察到的重要現(xiàn)象（如溶液濁度和顏色變化等）及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（膠束形貌、尺寸等），分析設(shè)定的變量如何影響這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。通過組內(nèi)或組間討論形成合理解釋或猜測(cè)，并在此基礎(chǔ)上大膽提出設(shè)想，提煉出科學(xué)假說，針對(duì)該假說設(shè)計(jì)一個(gè)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)方案（課堂上不需開展實(shí)驗(yàn)，但鼓勵(lì)有興趣的同學(xué)課后在老師指導(dǎo)下開展）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師組織討論。首先，每組對(duì)本組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、做出的解釋、提出的假說和驗(yàn)證方案等進(jìn)行討論和總結(jié)，形成一致意見。其次，每組選派一名代表在全班進(jìn)行分享和交流，最終的考核評(píng)價(jià)包括課堂表現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩方面，主要看重學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，變量的設(shè)置及設(shè)置依據(jù)，假說的提出及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，以及參與課堂的綜合表現(xiàn)。

這種創(chuàng)新教學(xué)與探究型課堂的運(yùn)用，有效地培養(yǎng)了學(xué)生提出—分析—解決問題的能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)與綜合能力。

三、階梯式教學(xué)與差異化課堂相結(jié)合是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效模式

《中華人民共和國(guó)高等教育法》規(guī)定：“高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才”，這明確了教師在本科教育階段必須把專業(yè)創(chuàng)新教育作為首要任務(wù)，而如何做好專業(yè)創(chuàng)新教育則是我們需要思考的問題。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)應(yīng)建立在扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)教育之上，然而，相較于高考的高標(biāo)準(zhǔn)與嚴(yán)要求，我國(guó)絕大多數(shù)高校本科課程考核和畢業(yè)要求仍然過于寬松，這直接導(dǎo)致了大多數(shù)本科畢業(yè)生專業(yè)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，嚴(yán)重制約了專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這充分反映了本科教育加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)教育的必要性與緊迫性，激發(fā)了教師重新審視專業(yè)基礎(chǔ)教育與專業(yè)創(chuàng)新教育的關(guān)系。

教學(xué)研究與實(shí)踐表明，做好專業(yè)基礎(chǔ)教育是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本，而開展專業(yè)創(chuàng)新教育則是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵，二者相互補(bǔ)充，缺一不可，通過有機(jī)結(jié)合、依序而施達(dá)到培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的目標(biāo)。基于這一認(rèn)識(shí)，我們提出適合本科教育階段的階梯式教學(xué)與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。如圖2所示，對(duì)低年級(jí)學(xué)生采用基礎(chǔ)教學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)式課堂相結(jié)合的方式加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)教育，著重開展基本素養(yǎng)、基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論與基本技能的培養(yǎng)。進(jìn)入高年級(jí)后，對(duì)學(xué)生采用創(chuàng)新教學(xué)與探究式課堂相結(jié)合的方式開展專業(yè)創(chuàng)新教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及綜合素質(zhì)，提高學(xué)生提出問題、分析問題與解決問題的能力，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。教學(xué)實(shí)踐表明，這種階梯式教學(xué)與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式以循序漸進(jìn)的方式培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，符合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，可有效促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

四、總結(jié)與展望

如何在高等教育改革中推進(jìn)高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)是我國(guó)高校的重要課題。基于長(zhǎng)期教學(xué)研究與實(shí)踐，我們提出了階梯式教學(xué)與差異化課堂相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)調(diào)在做好專業(yè)基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)開展專業(yè)創(chuàng)新教育。教學(xué)實(shí)踐表明，這種培養(yǎng)模式有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中取得顯著成效。未來將在教學(xué)研究與實(shí)踐中不斷優(yōu)化和發(fā)展該培養(yǎng)模式，為新時(shí)代我國(guó)高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供更多經(jīng)驗(yàn)和智慧。

參考文獻(xiàn)

［1］林旭東，徐炳哲，吳萬慶，等.“生物醫(yī)學(xué)傳感器”理論、實(shí)踐及思政融合式教學(xué)探索［J］.教育教學(xué)論壇，2021（5）：4.

Abstract： The key to the construction of an innovative country and a strong scientific and technological power lies in the cultivation of innovative talent. As the main field of talent cultivation， universities shoulder the important mission of cultivating high-level innovative talent for scientific and technological innovation and economic development of the country. School of Biomedical Engineering， Sun Yat-sen University， focuses on how to promote high-level innovative talent cultivation， which is a crucial question in the higher education reform. Based on the long-term research and practice of teaching， an innovative talent cultivation mode featured by a combination of stepwise teaching and differentiated classes is proposed. In this mode， professional innovation education is conducted based on the strengthened professional basic education towards high-level innovative talent cultivation. Taking the experimental courses in biomedical materials as an example， the specific measures， implementation process and results of this innovative talent cultivation mode are discussed in detail. It can provide useful experience for our higher education to explore innovative talent cultivation.

Key words： stepwise teaching; differentiated classes; biomedical materials; experimental teaching; innovative talent cultivation