基于OBE理念的生物醫學工程專業物理化學課程教學探討

張紅平,唐鵬飛,李勁超,智 偉,魯 雄,馮 威,王清遠,

(1.成都大學機械工程學院,四川 成都 610106;2.四川大學建筑與環境學院,四川 成都 610000;3.西南科技大學材料與化學學院,四川 綿陽 621010;4.西南交通大學醫學院,四川 成都 610031)

成果導向教育(Outcome Based Education,OBE)是一種以學生為中心,以成果為導向的教育理念[1]。它通過設定明確的教學目標,設計和實施教學活動,進行有效的教學評估,幫助教育者更深入地理解和滿足學生的需求,從而提高教學效果,培養出具有實踐能力和創新能力的學生。這一理念正在被廣泛應用于我國高等教育各個學科的教育改革中。

生物醫學工程(Biomedical Engineering,BE)是現代醫學的重要支撐,是國家科技水平和文明程度的重要體現[2]。生物醫學工程專業作為生物、醫學及工程等領域的交叉學科,在本科教育教學中涉及眾多的專業基礎課程,其中物理化學課程也是該專業重要的專業基礎課程之一。物理化學課程具有普適性強、理論性強、銜接多學科基礎理論等特點。然而,由于物理化學課程教學內容復雜的知識體系和缺乏有顯示度的專業成果,使傳統的教學方法難以滿足生物醫學工程專業學科的教育需求[3]。因此,如何在OBE理念的啟發下,將持續改進的思想和產出導向的理念與物理化學課程的教學過程相結合,針對生物醫學工程專業學生的培養需求,改革傳統的物理化學課程教學模式,對于提升生物醫學工程專業學生的教育教學質量具有重要意義。

1 生物醫學工程專業物理化學課程教學體系的構建

生物醫學工程專業學生的就業場景主要有科學研究或工程研發;器械維護、培訓及管理等部分組成。具體地講,其中產品研發和科學研究工作與物理化學課程的具體知識有較多的聯系。因此,有效、針對性地設計適用于生物醫學工程專業的物理化學教學體系則具有重要的意義,直接關系到物理化學課程對生物醫學工程專業的支撐程度和有效性。

因此,我們認為基于OBE理念的生物醫學工程專業的物理化學課程體系的構建勢在必行,需要根據不同高校生物醫學工程專業的培養目標和專業側重點(關注生物醫用材料研發或者關注醫療器械應用、二次開發等)進行物理化學課程教學內容和理念的頂層設計[4]。物理化學課程教學思路見圖1。

圖1 OBE理念下的物理化學課程教學思路

將物理化學中的熱力學判據、動態變化等思維方式融入到生物醫學工程專業的教學中,是幫助學生培養科研素養和職業素養的重要途徑。例如,物理化學課程中講述的“研究對象的熱力學狀態函數之間是相互關聯的”,就生動地闡釋了哲學思想中“物質是普遍聯系的”的道理。拓展該思維方式,就能和生物醫學工程中的生物材料/生物體間的相互作用機制相對應,能較好地理解生物材料在生物環境中的穩定性。因為,生物材料植入人體,或與生物組織接觸時會受到生物組織的影響,產生微觀結構、性能上的變化。學生如果能深刻理解這個聯系,在后期的專業課學習、生產、研發工作中也會受益。

將物理化學課程的主要內容(平衡態熱力學、動力學和物質結構等)針對性地融入到生物醫學工程專業人才培養的環節中,是有效推動OBE理念在生物醫學工程專業的物理化學課程教學踐行的關鍵。建議生物醫學工程專業的物理化學課程教學采用基礎理論知識教學結合生物醫學工程專題的方式進行。在基礎理論知識教學環節中,重點突出基本概念的理解和思維方式的引導。在專題講解討論中,有意穿插、使用物理化學的基本原理和定律,生動地將課本上的物理化學的概念、定律用到生物醫學工程的各個專題中。例如,生物材料的制備過程中用到的溶膠-凝膠法的原理與熱力學定律(尤其是化學勢判據)間的關聯;蛋白質的多級結構與生物功能間的關聯可嘗試建立體系能量與多級結構的關聯等。

2 基于OBE理念的物理化學課程的教學案例

2.1 相平衡

物理化學課程中相平衡的知識內容主要包括相和相平衡,關于兩組分系統的相平衡知識點通常講解較多的是兩組分固-液平衡和液-液的相圖,涉及相態、相數及相轉變等物理過程。學生學習相平衡章節后,應該對相平衡的基本概念有較深刻的理解,同時應該了解相態轉變的概念,理解相態和物質性質之間的密切關聯,能較好地運用相平衡的知識分析生物醫學工程中物質相態的問題。基于此,本文提出一個適用于生物醫學工程專業(偏生物醫用材料)學生學習相平衡知識的教學案例——基于生物醫學視角的二氧化鈦相態認識及分析,具體內容如下:

(1)背景:鈦及鈦合金是常用的生物醫用植入材料,此類材料表面二氧化鈦的致密層的理化性質很大程度上決定了此類植入體的臨床表現。固相的二氧化鈦主要由銳鈦礦(Anatase)、金紅石(Rutile)及板鈦礦(Brookite)等相態組成[5]。

(2)教學方法:通過溫度-組成圖讓學生先認識Ti和O可以形成熱力學穩定的相態,然后逐步過渡到TiO2的不同相態,結合相變所需要的能量等參數分析不同相態TiO2的熱力學穩定性。通過相圖-晶胞結構交互講解方式讓學生能將抽象的相圖與其對應的微觀結構聯系起來,讓學生對“材料的微觀結構決定材料的宏觀性能”有更加直觀的認識和理解。

(3)教學目的:全面認識TiO2的相態和相轉變機制,結合材料科學研究的先進研究手段從原子結構排列的差異開始自下而上地認識這類材料,通過熱力學狀態函數、表面能等基本熱力學概念的穿插,讓學生對相平衡的本質有較深刻的認識。

具體講解過程如下:

(1)展示Ti-O兩組分系統的相圖(主要是溫度-組成圖,圖2a),可以讓學生全面、系統地認識Ti、O兩種元素可以組成的物質種類和形態。

圖2 Ti-O兩組分系統的相圖(溫度-組成圖)、局部放大圖及幾種典型Ti-O化合物的晶體結構圖(a)和Ti-O兩組分系統各化合物的相圖及空間群信息(b)

(2)具體到Ti-O兩組分系統相圖的局部(氧含量在58%～68%,溫度在1 500～2 100 ℃),重點講述微觀尺度下Ti-O化合物的晶體結構[6-7](圖2b,空間群,晶胞參數),在條件允許的情況下還可展示不同Ti-O化合物的宏觀照片和X射線衍射圖譜。

(3)展示Ti-O兩組分相圖上TiO2物相的詳細情況(講解TiO2的溫度-壓力圖,結合不同物相TiO2的晶體結構和熱力學函數深入了解TiO2)。

(4)講解不同物相TiO2的電子結構(能帶及帶隙),見圖3。由此說明不同物相TiO2催化性能的差異。表1列出了金紅石、銳鈦礦和板鈦礦等三種二氧化鈦的帶隙值,通過比較我們的計算值(黑體)和文獻報道的數值,可看出金紅石的帶隙最窄,說明了該種二氧化鈦光催化性能較好的原因。

表1 三種晶型二氧化鈦的帶隙值

圖3 三種晶型二氧化鈦的電子能帶結構

由上述案例可知類似的物理化學教學案例可以更好地激發學生對物理化學特定知識、概念的學習興趣,體現了以學生為中心的教學理念。然而,教學過程完成后,了解學生對特定知識的掌握程度,做到教與學的持續改進是OBE理念下物理化學教學的核心和關鍵。以二氧化鈦的相圖講解物理化學課程中相平衡的知識板塊為例,可將同學分組,讓學生進行知識講解,結合相平衡教學內容中的知識體系提出并分析一個自己認為重要的相平衡體系,在實際的講解和交流中加深對相平衡體系各個基本概念、規則的認識,同時發現學生對相平衡體系特定規則或概念掌握不到位的地方。

2.2 溶液熱力學

物理化學課程中溶液熱力學的知識內容主要包括溶液組成對溶液性質的影響,如偏摩爾量、理想稀溶液和依數性、理想溶液和對應的性質等[13]。主要的教學目的是需要學生能理解溶液的組成、狀態等與熱力學基本原理之間的關系。學生學習溶液熱力學章節后應該對溶液的組成是可變的,溶液組成對溶液性質的影響規律有較深刻的理解[14-15],能較好地運用溶液熱力學的知識分析理解生物醫學工程中納米生物材料制備中的物質結晶生長問題。基于此,本文提出溶液熱力學知識的教學案例——基于溶液熱力學的生物醫用材料制備過程的認識及分析,具體內容如下:

(1)背景:仿生納米生物材料在生物醫學工程中具有重要的研究和實用價值,此類材料的制備方法較多,如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱、溶劑熱法等,采用這些方法制備仿生納米材料時都不可避免地要用到溶液或材料制備的前驅液[16-17]。因此,細致了解溶液熱力學的知識,尤其是書本上的知識與具體實踐內容的聯系是至關重要的。

(2)教學方法:通過微觀實驗數據結合計算機模型加深學生對溶液稀、濃的認識,讓學生能將抽象的溶液熱力學過程與其對應的微觀模型聯系起來。通過分析納米羥基磷灰石的水熱制備過程,對應相關的溶液熱力學知識,加深學生對基本知識認知的同時,能找到知識的出口,踐行以學生為中心的OBE理念。

(3)教學目的:全面認識溶液中的溶劑-溶質相互作用,溶液熱力學規律和仿生納米材料制備過程的關聯,通過偏摩爾量、理想稀溶液、稀溶液的依數性等溶液熱力學基本概念的穿插,讓學生對溶液體系有更為深刻的認識。

本案例具體講解過程邏輯如下:

(1)展示水分子的計算機模型,講解溶劑-溶劑、溶質-溶質及溶質-溶劑間的相互作用,讓學生對溶液的濃和稀的概念有更加直觀的認識。

圖4中,水分子間距約3.2 ?,Ca-PO4間距約13 ?,Ca-Ca間距約7?。通過圖4(a)可比較直觀地看到一個尺寸在1 nm3的水盒子,水盒子中水分子間的距離保持在3～4 ?,這個距離剛好落在氫鍵的相互作用距離(約3.5 ?以內)范圍內。水分子中O原子和H原子的鍵長約1.1 ?。關于水分子間的氫鍵作用,可以穿插講解當前實驗科學上表征水分子間氫鍵的飛秒激光技術,該技術為飛秒激光泵浦-探測光譜技術(femtosecond pump-probe spectroscopy),是一種脈沖激光,持續時間只有幾個飛秒(1 fs= 10-15s),這種激光可以表征水分子團簇的運動形態,水分子間依靠氫鍵維持團簇結構剛好也在這個時間尺度范圍內。由圖4可知,純水中,水分子間的相互作用是均勻的,單個水分子周圍的微結構和微環境是一致。圖4(b)顯示的是含有一個Ca3(PO4)2分子的水溶液,由100個水分子和一個Ca3(PO4)2分子組成,該體系可直觀地說明一個Ca3(PO4)2的稀溶液微觀模型,而且是極端稀釋的Ca3(PO4)2溶液的模型。由圖4(b)可知鈣離子與鈣離子的間距約7 ?,磷酸基團的間距約13 ?。同時,具體到某個鈣離子周圍的微觀環境,它周圍除了Ca-H2O的相互作用,還有Ca-PO4及Ca-Ca相互作用。因此,H2O、Ca及-PO4的數量會極大程度地改變Ca周圍的微觀環境和受到的約束。這里,可以引入偏摩爾量的定義、公式和物理意義,讓學生對溶液組成(濃度)有從抽象到形象的認識和理解。接下來,再講解稀溶液的依數性后,可將稀溶液的蒸氣壓降低、凝固點降低、沸點升高及滲透壓等性質的微觀分子結構和原理形象地展示出來。

圖4 純水(a)和含有一個Ca3(PO4)2分子的稀溶液的分子模型(b)

(2)具體到水熱法制備納米羥基磷灰石的案例中,分別從溶質對溶液理化性質的影響等角度,將溶液熱力學的基本概念對標到實際的仿生納米材料制備過程。

首先,講解羥基磷灰石為骨骼的主要無機成分,它在骨修復領域是重要的原材料,因此具有重要的研究價值,需要實現納米羥基磷灰石的人工合成。然后,介紹水熱合成納米羥基磷灰石的工藝步驟。1)前驅溶液的配制,用到溶液熱力學的內容,可以要求學生現場配置溶液,進行溶液組成不同表述間的換算。例如,摩爾濃度和體積分數間的換算,鞏固溶液的基本概念;2)水熱反應釜的組成、使用方法及水熱實驗過程中的注意事項;3)水熱工藝參數的調節;4)實驗樣品的收集。將溶液熱力學知識中環境壓力、溫度等對系統蒸氣壓、沸點等的影響規律與水熱法制備納米羥基磷灰石工藝過程中,水熱溫度調控納米材料合成和最終水熱反應產物組成結合起來予以形象地講解。

由上述案例可知,結合生物醫用材料制備和物理化學課程知識的教學案例可以讓學生更好地了解到基礎物理化學知識在實際生產、生活中的作用,可以將抽象的知識和前沿的科學研究手段結合,激發學生學習興趣的同時更好地踐行了“以學生為中心,從學生的角度出發思考”的教學理念。為提高教學效果,可以開展溶液熱力學相關的專題研討會,請學生結合生物醫學工程案例講解溶液熱力學在該專業中的應用和相關問題,在實際的講解和交流中加深大家對溶液熱力學部分各個基本概念、規則的認識,同時發現問題,從教學端做好持續改進工作。

3 思考與展望

物理化學的知識主要可分為平衡態熱力學、化學反應動力學和物質結構三個部分,當前高校講解物質結構主要是晶體結構的內容,而生物醫學工程中涉及很多非晶態的物質,因此,將蛋白質、核酸等生物分子的結構融入到生物醫學工程專業的物理化學教學中是值得探討的問題之一。總之,在OBE理念的導向下,將物理化學課程中的熱動力學普遍規律與生物醫學工程中的具體案例結合,達到以產出為導向的教學效果是物理化學教學的重要課題。