新工科背景下生物醫學工程專業物理課程交叉融合實踐*
——以“液體表面張力系數測量”為例

張 亮

(空軍軍醫大學基礎醫學院 陜西 西安 710032)

生物醫學工程主要運用工程學原理和方法解決生物醫學問題,是一門集工程技術與生物醫學于一體的跨領域交叉學科[1-2].2016年以來,教育部積極推進“新工科”建設,強調學科建設的實用性、交叉性和綜合性,突破學科壁壘培養復合型人才[3].這進一步凸顯了醫工專業人才培養的重要性和迫切性.但在人才培養實踐中發現仍有不少問題制約著其發展[4].其中在課程教學方面,以大學物理為代表的基礎課程相比于其他專業課,由于理論性較強、實踐性偏弱,且傳統教學模式下不易凸顯其在整個專業體系中的根基地位,導致學生在學習過程中興趣不高、目的性不強,教學效果大打折扣.

物理學是研究物質結構和運動變化規律的基礎科學,是自然科學與工程技術的基礎,其重要性不言而喻.如何在大學物理課程教學過程中結合醫工專業特點,加強其理論與實踐、基礎課與專業課關聯,凸顯該課程的基礎性、交叉性、融合性,以提升其在學生心中的地位.這是當前高校教師在課程設計與實施過程中需要考量的重要環節[5].

本文在新時代高校大力推進“新工科”建設和課程思政的背景下,以“液體表面張力系數測量”實驗課為例進行課堂教學設計與實踐.詳細闡述了以學生為主體的啟發式教學模式,以及大學物理課程教學內容與實踐應用、專業課程、課程思政相互融合的教學策略.為生物醫學工程專業大學物理課程交叉融合實踐提供思路與參考.

1 教學設計

1.1 教學目標與重難點

本校大學物理與實驗課程開設對象為生物醫學工程專業學生,其中“液體表面張力系數測量”授課于大一下學期,是實驗課中的基礎實驗部分.依學情分析,本次課的教學目標為:

(1)理解液體表面張力系數的概念、物理意義及其應用價值.

(2)了解拉脫法測量液體表面張力系數的基本原理;在此之上,啟發并引導學生根據實驗器材設計優化實驗操作,激發學生主動探索的科學熱情,培養學生敢于質疑、勇于突破的科學精神.

本次課的教學重點是拉脫法測量液體表面張力系數的基本原理,教學難點是從原理到實際操作過程中關鍵測量要素的提取與優化.圖1給出了本次課的教學目標設定思路.

圖1 “液體表面張力系數測量”教學目標設定思路

1.2 教學策略設計

在設計本次課堂教學過程中,教學組堅持問題導向的啟發式教學模式,注重知識邏輯的梳理,激發并引導學生進行自主思考與探究.同時注重突出物理學思想和物理學與其他專業課程的緊密聯系.

授課引入結合新冠肺炎疫情,從肺與肺泡的功能出發,引入表面張力的基本概念及其對生物醫學應用的重要意義,激發學生興趣;通過設問引導學生思考如何對表面張力進行表征與測量,進而得出本次課主題——基于拉脫法對表面張力系數進行測量;結合醫工專業課程知識對拉脫法的測量原理進行分析講解,并基于原理啟發學生根據實驗室提供的器材進行實驗設計,培養其動手能力;在設計過程中解析模型、討論關鍵變量,啟發學生思考并優化;在實際操作與數據驗證環節,重點提醒學生對得到的結果進行對比分析并討論得出結論;最后小結本次課內容,鞏固知識,引導學生將所學內容應用于實踐,形成教學閉環——源于實踐,歸于實踐.圖2給出了本次課的教學思路.

圖2 “液體表面張力系數測量”課堂教學設計思路

1.3 思政要素挖掘

在液體表面張力系數測量實驗中,傳感器電壓測量點的選擇對實驗結果十分關鍵.不少文獻與教材選用的測量點與實驗原理的分析結論存在一定差異[6-8].在課堂教學過程中,針對傳感器電壓測量點的選取,啟發引導學生自行思考,并通過實驗驗證自己的結論,給出優化方法.重點培養學生敢于質疑、勇于突破的科學探索精神.

2 教學實施過程

2.1 問題引入與鋪墊

以全球新冠肺炎疫情為背景,結合醫工專業特點,簡要介紹呼吸的基本生理過程以及新冠肺炎病毒的基本作用機理[9].一方面可以關聯生理學課程教學內容,提升學生對所學知識的實踐性感受;另一方面重點突出呼吸過程中表面張力對肺泡生理機能的重要作用,進而引出關鍵詞——表面張力.

給出表面張力的定義后,通過設問方式啟發學生進一步思考表面張力的物理學內涵:表面張力的主要作用位置在哪?如何對表面張力進行數學表征?測量液體表面張力的主要方法?這里側重點在第二個問題——表面張力的數學表征.為何采用表面張力系數而不直接用力的大小來對其進行表征?

由定義可知:設想液面上一條長為L的線段,表面張力作用于液面上該線段兩側且垂直于該線段,如圖3所示.其大小F正比于線段長度L,即F=αL,α表示液體的表面張力系數,單位為N·m-1.表明不同人在測量時設定不同的線段L時,得到的表面張力大小是不同的,不能作為比照依據,也不能反映液體自身的性質.以此啟發學生思考測量的基本條件以及科學研究中研究對象選取的重要性.

圖3 液體表面張力定義示意圖

2.2 拉脫法測量液體表面張力系數的基本原理

大學物理實驗中廣泛采用拉脫法對液體表面張力系數進行測量.其特點是過程簡單、原理易懂.在基本原理講授過程中側重于在3個方面對學生進行啟發引導:被測液體表面張力的作用位置、液面下降過程中吊環內外壁處表面張力的變化規律、微小力的測量方法.

前兩個問題是整個拉脫法測量原理的關鍵因素,通過啟發學生自行思考并明確了表面張力的作用位置及變化規律,就可根據表面張力的定義式通過受力分析得到液體表面張力系數的計算式.第三問則是理論轉換為實踐過程的關鍵技術問題.通過相關技術,將難以得到的力學參量轉換為電學參量,這是工程領域中常用的技術手段.分析過程涉及壓敏轉換裝置、平衡電路等工程專業知識,可以體現出物理學與電子信息技術、電路等專業課程的緊密結合,其課程基礎地位得以凸顯.

2.3 實驗設計

基于實驗原理,選取實驗器材,開展實驗設計.啟發學生根據原理明確實驗中需要測定的關鍵因素:力敏傳感器靈敏度K、吊環在臨界狀態時傳感器對外輸出電壓U1、吊環脫離液面穩定后傳感器對外輸出電壓U2,以及被測液體溫度T.其中,力敏傳感器靈敏度K需要定標,通過數值擬合的方法得到,涉及數值運算方法專業課程內容;而被測液體溫度T是學生容易混淆的物理量,實驗中常有學生以環境溫度替代被測液體溫度進而造成實驗誤差偏大的結果.

吊環脫離液面穩定后傳感器對外輸出電壓U2的測量時機比較明確.而對U1的測量,根據原理所述U1應取數字電壓表中電壓最大示數,但文獻[6-8]與教材認為:U1應取液膜破裂前瞬間的電壓表讀數.此處將產生矛盾點.授課過程中,可以以此矛盾點為切入點,啟發學生不要盲目迷信教材,通過思考對兩種取值方法進行實驗設計與驗證比較得到結論.培養其敢于質疑、勇于突破的科學探索精神.

此外,在傳統實驗測量中操作員既要關注液面下降過程中液膜狀態,又要關注數字電壓表示數,往往難以兼顧進而造成實驗誤差.這里可以結合實際情況,鼓勵學生結合計算機程序設計專業課程內容開展程序設計,以計算機代替人工讀取數字電壓表示數,進而提升課程的實踐性與專業課程的交叉融合性.

2.4 實際操作與數據驗證

實際操作環節主要培養學生的動手能力.在教學環節中側重于關注學生實驗的細節處理,特別是對實驗結果有較大影響的操作處理:吊環表面的清潔、玻璃皿的潤洗、吊環與砝碼托盤的水平掛載等.對于數據處理部分,側重于讓學生進行對比后在實驗報告中得出結論,并給出相應的原因分析和優化方法.這部分可以作為額外加分項融入課程平時表現分,完善課程形成性考核機制.

2.5 小結

對本次課的內容進行梳理,明確教學目標與授課重點、難點.最后對表面張力在實踐中的應用,特別是醫學應用[10]進行歸納引導,形成教學閉環.完成本次課的授課工作.

3 實施效果

課后通過與聽課專家的溝通得到了本次課的反饋:(1)課程脈絡清晰,各小節之間的邏輯關系銜接較好;(2)重難點突出,主次分明,達到了預期教學目標;(3)授課內容豐富,既有物理學知識傳授,又有其他專業課程內容的介紹,還有科學研究思想的融入,有一定廣度和深度;(4)思政元素的融入比較順滑,有一定的育人價值.學生方面表示本次課內容豐富,感興趣的要素相對較多;對液體表面張力的物理概念有了更加深入的理解;對自己動手能力的提升有很大幫助.

在授課過程中涉及生理學、電路、電子信息技術以及計算機等相關知識,這要求教師需要掌握的內容增多,備課要求增加;同時,伴隨知識深度和廣度的拓展,授課難度有所提升,授課時間壓力較大,對教師的課堂掌控力有較高的要求.

4 結束語

大學物理與實驗課程作為生物醫學工程專業公共基礎課程,在當前“新工科”背景下理應在課程教學中體現其基礎性、實踐性和課程橋梁銜接作用.在課程教學設計中可以從需求導向和熱點結合兩個方面出發,將其與實踐應用緊密結合;在授課過程中注重與其他專業課程的關聯,從授課內容中的一些關鍵要素出發,融合其他專業知識進行創新優化,以突出其基礎性和銜接性.

本文以“液體表面張力系數測量”實驗課為例開展課堂教學設計與實踐.結合新冠肺炎疫情問題作為課堂引入,提升實踐性;授課過程中以問題為導向推進教學進程,并將授課內容中的關鍵要素與其他專業課程內容結合開展實驗設計與問題討論,既增加了授課過程中的學生參與度,也提升了各學科之間的交叉融合性.整個授課過程體現了以學生為主體的啟發式教學模式,以及大學物理課程教學內容與實踐應用、專業課程、課程思政相互融合的教學策略.為生物醫學工程專業大學物理課程交叉融合實踐提供思路與參考.