多學科交叉融合背景下的人體血壓和血管彈性實驗

陳明東,黃曉東,李 潮

(華南理工大學 物理與光電學院,廣東 廣州 510641)

隨著科學技術的快速發(fā)展和社會各類問題的日益復雜化,跨學科、跨領域的交叉融合逐漸成為創(chuàng)新研究的趨勢[1-2]. 事實證明,學科前沿的重大突破和重大創(chuàng)新,多是多學科交叉、匯聚和融合的結果[3-4]. 因此,多學科的交叉融合是新時代科學創(chuàng)新的特征. 多學科交叉融合的創(chuàng)新研究及多學科交叉技術的應用需要大量基礎知識扎實、知識面廣以及具有多學科交叉知識和技術的人才[5-6]. 這些人才的培養(yǎng)也必然需要對具體學科課程的教學方式和教學內容進行調整和改革[7-11].

大學物理實驗能夠鞏固學生的物理基礎,培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及實驗操作的能力. 多學科交叉融合的人才培養(yǎng)目標包含大學物理實驗的能力目標,所以大學物理實驗課程的教學在多學科交叉融合人才培養(yǎng)中具有重要作用. 但是目前大學物理實驗課程教學[12-13],存在以下問題:

1)物理實驗內容陳舊,與當前新理論、新技術脫節(jié).

2)物理實驗內容的知識點單一. 當前物理實驗教材中有關物理學學科內部交叉融合的實驗項目較少,致使部分學生認為后續(xù)專業(yè)課程對物理實驗內容的需求不高.

3)傳統(tǒng)的教學模式不適應多學科交叉融合背景下學生核心競爭力的培養(yǎng). 多學科交叉融合背景下,未來人才的核心競爭力包括學習力、思想力、行動力和創(chuàng)新力等. 而傳統(tǒng)教學的教師講解實驗原理、演示實驗操作、學生重復實驗的模式過于機械化,降低了學生的學習積極性,不利于培養(yǎng)學生的核心競爭力.

因此,如何解決目前大學物理實驗教學中存在的問題,如何有效培養(yǎng)學生的核心競爭力,成為了大學物理實驗教學工作者努力研究的問題,也是新時代下人才培養(yǎng)的探索內容. 本文通過多學科交叉融合物理實驗項目的教學實踐,探索了解決以上問題的方法.

1 多學科交叉融合背景下的物理實驗研究

目前,多學科交叉融合課題的研究主要涉及碩士研究生或博士研究生的培養(yǎng),而對本科生的培養(yǎng)研究較少. 例如,在本科生培養(yǎng)中,課程如何融合其他學科知識或技術的教學研究,基于多學科交叉融合的物理實驗項目等都較少. 課程融合其他學科內容后如何加強和提高學生核心能力的培養(yǎng),其中,學科交叉融合物理實驗項目的建設是解決物理實驗內容陳舊、知識點單一的有效途徑;應用多學科交叉融合物理實驗教學提升學生核心競爭力是未來技術人才培養(yǎng)的重要手段. 但是多學科交叉融合物理實驗項目的開發(fā)與教學也對教師和學生提出了更高的要求.

教師方面,絕大部分物理實驗教師在物理專業(yè)上有扎實的基礎,但多學科交叉融合實驗項目開發(fā)與研究需要其他領域的專業(yè)知識,這就要求教師不斷學習以及鉆研多學科交叉課題,并向學科相近的教師交流、學習和合作. 教師在多學科交叉知識學習及相關課題研究的基礎上,設計和開發(fā)多學科知識或技術融合的物理實驗項目,其內容包括:

1)建立適合本科生培養(yǎng)的多學科交叉融合的實驗項目,該實驗項目既要滿足新理論、新技術發(fā)展的需要,也要適應本科生的能力;

2)多學科交叉融合的實驗項目需要多個學科的知識基礎,而且多學科理論知識互相滲透,增加了教學組織、實施過程的難度.

因此,教師應深入研究多學科交叉融合的實驗項目教學應該如何開展、如何組織才能達到有效培養(yǎng)學生的學習力、思想力、行動力、創(chuàng)新力等核心能力.

學生方面,多學科交叉融合實驗的教學主要受低年級本科生基礎知識薄弱的影響. 雖然,目前本科教育的課程設置較為全面,但是不同專業(yè)的低年級學生還是以專業(yè)基礎課為主,學生的知識面不夠寬廣. 學科交叉融合物理的實驗訓練需要學生補充學習其他領域的知識基礎. 因此,要求學生有更強的獨立思考能力和自學能力,以及更強的科學鉆研精神.

2 多學科交叉融合的物理實驗教學探索

多學科交叉融合是創(chuàng)新思維的源泉,大學物理實驗是各種能力培養(yǎng)的重要途徑. 基于物理實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的內在要求,在演示實驗和物理實驗課堂中嘗試了基于多學科交叉融合的教學探索. 例如,在演示實驗教學中,嘗試了物理學和機械自動化融合的“陀螺儀原理及應用”“汽車方向盤主銷后傾的物理原理及其應用”演示實驗教學;在物理實驗教學中,研究了物理學與化學融合的“核磁共振”的實驗教學,探索了物理學與自動化技術相融合的“電流隔離傳送、監(jiān)控與檢測”的實驗教學,以及物理學、光電技術和醫(yī)學等學科交叉融合的“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”的實驗教學. 其中“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”的實驗融合了較多的學科知識,該實驗項目既可以培養(yǎng)學生的基本實驗能力和多學科交叉融合的知識應用能力,也可以培養(yǎng)學生的健康意識. 因此,本文以“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”為例探討了多學科交叉融合的物理實驗教學方法.

2.1 脈搏波的形成及血壓

血液循環(huán)系統(tǒng)是人類重要的生命系統(tǒng),它包括動力和管路2部分,其動力部分是心臟,管路部分是具有彈性的血管. 具有黏稠性的血液在循環(huán)系統(tǒng)中的流動非常復雜,為了研究方便,通常情況下,建立如圖1所示模型研究人體的血液循環(huán),該循環(huán)包括體循環(huán)和肺循環(huán). 在體循環(huán)中,當心臟收縮時,左心室向主動脈輸送血液,由于彈性貯器血管及外周阻的作用,動脈管隨之擴張,此時血液對血管單位面積產生的側壓力最大,該值稱為收縮壓;當心臟舒張時,動脈管壁彈性回縮,此時血液對血管單位面積產生的側壓力最小,該值稱為舒張壓. 隨著心臟的收縮和舒張,動脈內的壓力及其容積發(fā)生周期性變化而使動脈管壁發(fā)生周期性振動,稱為動脈脈動或脈搏,這種振動沿血管和血流傳播就形成脈搏波. 研究表明脈搏波的傳播速度取決于動脈管腔的彈性、管壁厚度、管腔的大小、血液的密度和黏性等參數[14].

圖1 血液循環(huán)模型

因為動脈管壁比較薄而且有彈性,所以體表的淺表層動脈脈搏,如橈動脈、肱動脈等較容易觸及. 因此,通?？梢詨毫鞲衅鳒y量橈動脈處的脈搏信號. 另外,沿血管傳播的脈搏波會引起血管的容積變化,因此也可以用光電容積傳感器檢測脈搏波信號. 圖2為光電容積傳感器檢測到手指端的脈搏波信號,在該信號中包含了心臟射血活動和脈搏波沿血管樹傳播途中攜帶的各種信息[14]. 脈搏信號中的曲線和拐點都有重要的意義,如升支和降支分別反映心動周期中左心室向主動脈射血和射血后期血管容積和血壓變化情況;在降支還存在2個小波峰,分別稱為重搏波前波和重搏波,分別是心臟舒張期前后,外周返流的血液導致主動脈容積變化或壓力變化而形成的.

圖2 脈搏波信號

2.2 教學設計思路

“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”實驗包含心臟脈動規(guī)律、血液流動規(guī)律與黏性流體、血壓與流體的壓強、血管容積變化與光電容積傳感器原理、血管的結構與彈性模量、脈搏波傳遞時間與流體壓強傳播時間等知識點. 不同學科的知識內容相互滲透與融合構成實驗研究的橋梁,也是本實驗的基本原理. 因此,該實驗項目的設計以人體血壓測量和血管彈性為研究對象,以脈動黏性流體在彈性管道中的流動規(guī)律為切入點,以光電容積傳感器、壓電傳感器和數字示波器為測量工具進行實驗研究.

根據實驗教學中的知識點或內容和多學科知識交叉應用能力的培養(yǎng)目標,擬定了如表1所示的教學設計思想,將實驗訓練的教學目標分為知識、能力、情感3個維度,課堂實驗教學時間為4學時.

表1 利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性實驗的教學設計思路(4學時)

1)知識目標:了解生命學科中心臟脈動規(guī)律和血流的基本規(guī)律,掌握光電容積傳感器、壓電傳感器的基本原理和心臟脈動信號的光電測量方法,以及波動信號參量的分析方法. 在獲取這些基本知識的基礎上培養(yǎng)學生的學習力和思想力. 通過課前預習和教師指導獲取必要的基礎知識,培養(yǎng)學生的學習力,同時思考如何完成融合創(chuàng)新實驗項目的實驗目標,例如探索測量流體(血液)在血管(彈性管道)中壓力傳播速度的方法.

2)能力目標:培養(yǎng)學生的實驗操作能力、行動力、創(chuàng)新力和團隊協(xié)作能力等. 基本的實驗操作能力包括能夠熟練使用數字示波器,并能利用示波器測量非電信號物理量,在對心臟脈動信號分析的基礎上,深入探究脈動信號波形參量與人體血壓間的關系,并在查閱資料和信號分析的基礎上,研究信號波形參量與人體身體健康的關系,例如血管彈性指標與脈搏波的關系等.

3)情感目標:培養(yǎng)學生注重身體健康的意識,養(yǎng)成經常鍛煉的良好習慣,提高學生將所學知識融入生活、改善生活的創(chuàng)新意識.

2.3 教學組織與實踐

融合多學科知識的物理實驗項目特點包括:實驗難度高于普通實驗項目,教學目標趨向多維化,對不同水平層次學生可以有不同的教學要求. 基于融合多學科知識的物理實驗項目的特點、教學設計的目標和物理實驗教學的方式,對多學科融合物理實驗教學采用特朗普制進行教學實踐活動,即采用大班上課、小組研究和個別教學3種教學形式結合的教學實踐模式.

圖3所示為“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”實驗教學實踐的組織形式,即教學實踐活動分為教學的教師主體和學習的學生主體2條主線,教師主體主導整個教學過程,學生主體在教師的指導下按照實驗教學的不同階段完成不同的任務.

圖3 教學活動組織形式示意圖

教學活動過程具體為:

1)教師主線主要包括課前準備、學生預習時的個別教學、實驗前項目設計小組的研究指導、實驗課堂的大班上課組織,以及組織學生實驗操作時的小組討論和報告處理時的小組研究等. 課前準備時,教師根據“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”的實驗內容將實驗分為脈搏波速率的測量和人體血壓測量2個任務,并提供有關脈搏、血液循環(huán)、脈搏壓力傳感器、光電容積傳感器的基本原理,以及示波器等使用操作的相關資料. 另外,將參與訓練的學生按3人1個小組組隊. 經過課前準備后,教師將實驗任務和相關資料分發(fā)給學生進行課前預習. 學生在自學、預習過程中遇到問題可以向教師提問,教師給予解答和指導;完成課前預習后,教師組織各小組進行相應實驗內容的項目設計,并對脈搏波速率測量和血壓測量設計方案的合理性、可行性或實驗過程中可能出現(xiàn)的問題提出建議;在實驗課堂上,教師列出各小組的實驗設計方案,組織實驗組的全體學生進行討論,特別是讓不同小組的成員相互討論對方方案的合理性、不足之處;完成教學活動后,學生進入實驗操作環(huán)節(jié)和實驗分析與處理環(huán)節(jié),教師引導學生進行各小組的實驗研究.

2)學生主線主要包括課前預習、項目設計、課前討論、實驗操作、實驗數據與處理、報告撰寫等. 課前預習時,學生在教師的指導下自行閱讀教師提供的資料或查找光電容積傳感器、脈搏壓力傳感器原理及相關資料,獲取相關的基礎知識. 學生掌握必需的基礎知識后,在教師的指導下,各小組成員相互討論后完成利用脈搏波速率測量和人體血壓測量的實驗項目設計. 實驗操作前,在教師的組織下,各小組以交叉審核形式互審和討論其他小組的實驗項目設計的優(yōu)缺點, 以及討論各種實驗設計在具體操作中應該避免的關鍵問題. 然后,小組成員根據實驗項目設計方案,按照實驗操作規(guī)范互助協(xié)作,完成實驗操作任務,并記錄實驗數據. 實驗操作完成后,教師指導學生進行小組研究,完成數據分析和實驗報告.

2.4 考核評價

實驗項目考核是檢驗學生是否達到實驗訓練項目的方式,并對訓練后學生的各種能力培養(yǎng)目標做出客觀公正的評價,同時也幫助教師不斷地總結經驗,進而改進教學方法. 多學科交叉融合物理實驗項目的考核主要以學生的實驗報告和實驗現(xiàn)場為依據給出評價分數,但評價內容、指標和要求與普通實驗項目略有不同. 表2為“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”實驗項目的考核評價.

表2 “利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”實驗考核評價表

2.5 教學反思

“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性”實驗是面向理工類本科生,以培養(yǎng)學生創(chuàng)新力等核心能力為目標而設計的實驗項目. 通過學生實驗操作、實驗報告、參與訓練的學生和指導教師的反饋信息來看,實驗項目的訓練能較有效地培養(yǎng)學生的思想力、行動力和創(chuàng)新力等能力,具體表現(xiàn)如下:

1)知識目標完成情況體現(xiàn)了學生具有好的學習力. 從學生的課前預習、實驗設計和課前小組討論來看:參與訓練的學生對心臟脈動及血液流動規(guī)律有較好的認識和了解,能掌握光電容積傳感器和壓電傳感器測量脈搏波的基本原理.

2)能力目標完成情況體現(xiàn)了學生有較好的思想力、行動力和創(chuàng)新力. 從實驗設計、課堂實驗操作以及實驗報告的數據分析來看:大部分學生能較好地設計出脈搏波傳播速度的測量方案,掌握光電容積傳感器的使用與測量、數字示波器的使用與波形參量測量,也能較好地分析實驗數據并得出初步的規(guī)律.

3)實驗報告的引言和實驗訓練后學生的積極表現(xiàn)反映了該教學實踐較好地實現(xiàn)了學生情感目標的培養(yǎng).

另外,指導教師反饋的信息也表明:在個別指導、小組討論等環(huán)節(jié)中學生的思維活躍度、參與度和積極性都較高;在課堂實驗操作中能較為熟練地操作數字示波器和光電容積傳感器,各小組也能合理分工與有效協(xié)作. 因此,教學實踐較好地達到了預期目標. 但是,教學實踐過程中某些教學環(huán)節(jié)仍需要改進,主要表現(xiàn)在如下方面:

1)部分小組的實驗設計過于粗糙. 在實踐中,小組討論是有效解決學習中遇到問題,提高學生分析能力和表達能力的有效教學方式. 在教學嘗試中,實驗設計環(huán)節(jié)采用小組討論方式進行,但由于小組成員來自不同專業(yè),課余時間和生活空間的不一致導致實驗設計討論和溝通不足,從而造成實驗設計過于粗糙.

2)實驗內容過于細化不利于學生開放性思維的培養(yǎng). 明確實驗目標和任務是實驗教學取得既定效果的關鍵. 由于實驗內容多,實驗課時不足,因此設計的實驗內容比較精細,從而導致學生只能按照既定的要求按部就班地進行思維和實驗,雖有利于在規(guī)定時間內完成實驗任務,但不利于培養(yǎng)學生開放性思維和創(chuàng)新能力. 另外,由于實驗課時的限制,學生對實驗研究也不夠深入.

3 結束語

基于目前大學物理實驗教學中存在的問題和多學科交叉融合背景下人才培養(yǎng)的能力目標,討論了在本科物理實驗教學中開發(fā)和開設多學科融合物理實驗項目的影響因素. 以“利用脈搏波研究人體血壓和血管彈性實驗”為例,探索了應用多學科融合的物理實驗項目以激發(fā)學生學習物理的興趣,以及未來人才能力培養(yǎng)的教學方法. 教學實踐結果表明:應用多學科融合的物理實驗教學不僅可以提高學生學習的積極性、加強多學科交叉知識的應用能力,而且還可以培養(yǎng)學生的思想力、創(chuàng)新力、學習力、團隊協(xié)作能力等未來核心競爭力.