一、引言
生物医学工程是一门新型工科学科, 将工程科学、材料科学、化学科学、生命科学与医学相结合, 旨在使用工程技术和方法来研究处理生物学和医学中存在的问题以及为医学研究提供新技术和手段。因此, 在教学中如何引导学生将各门课程融会贯通是本专业教学的一个难点;另外, 学生的实践能力、创新思维、批判思维以及科学鉴赏力等素质的养成有助于学生的个人发展, 同时也是国家专业人才培养的目标[1]。因此, 探索出一套适合该专业的教学方法也是该学科发展的重要研究方向之一。
《生物化学》课程是在生命科学、化学、医学和药学类等专业里为本科生开设的一门基础课程, 须进行系统且深入的教学, 以便于后续课程的开展。生物化学发展至今已成为涉及分子生物学、生理学、免疫学、病理学、营养学、药理学、诊断学、临床学科等的一门大综合学科[2]。对于生物医学工程而言, 《生物化学》是一门重要的基础课程, 能够为学生后续创新思维和工程技术应用打下系统的理论基础;同时, 《生物化学》对于生命物质全面而系统的讲述也是培养学生发现、分析和解决问题的良好媒介。因此, 如何在传授生物化学知识的同时, 让学生更好地从生物医学工程专业出发来理解和学习生物化学, 是值得我们思考和探究的问题[3]。
对于生物医学工程专业的本科生而言, 完整而系统的相关知识体系是培养创新思维和后续学习、开发工程技术的基础;但是, 偏重理论知识及科学研究的理科教学模式显然不适合注重工程技术开发及应用的生物医学工程专业学生。此外, 生物医学工程专业虽在近年来得到快速发展, 但由于本专业涵盖知识面广, 成立本科教育的时间不够长, 因此领域内对于《生物化学》课程的教学仍缺乏足够经验。另外, 目前我国生物医学工程的本科专业设置主要集中在信息技术类, 而在生物材料、生物技术等方向上缺乏相应的人才培养模式;学生普遍重视电子计算机与机械制造类课程, 而轻视生物、医学类课程, 如《生物化学》。学生由于难以理解学习生物化学的重要性, 以及生物化学本身具有抽象、繁杂等特点, 其在学习中容易出现畏难、厌学等情绪, 学习效果不佳[4]。因此, 生物医学工程专业的《生物化学》教学亟需提出适合本专业人才培养的教学模式。
鉴于此, 笔者根据工科类本科生教学的特点, 结合中山大学生物医学工程专业的实际情况, 探索出较适合生物医学工程专业的教学模式, 包括《生物化学》的教学定位、教学内容、教学方法以及学生的实践能力、创新能力和兴趣培养等若干方面。
二、生物医学工程专业《生物化学》教学改革设计思路与具体方案
(一) 根据在课程培养体系中的位置确定课程内容
生物医学工程的专业课程结构主要按照从简单到复杂, 从原子、生物分子到人体系统, 从基础课程到专业课程的逻辑顺序展开。本专业课程首先从《有机化学》展开, 让学生形成对有机分子体系的基础认识;进而拓展到《生物化学》, 深入研究体内主要生物分子及其生物化学反应体系;从分子水平过渡到细胞水平的《细胞生物学》引导学生认识生物体内细胞的结构、种类、功能等;然后上升到器官水平, 学习与生物医学密切相关的《人体结构学》, 进而深化对人体结构、各结构功能以及各器官之间的关系的认识;最后, 更系统化的《医学生理学》知识让学生深刻了解并比较正常和病理状态的人体系统。在这条逻辑线中, 穿插了与工程学科密切相关的《生化仪器分析》和《生物医学检测》两门课程, 讲授生化分析和医学检测仪器的原理和使用方法。如上所述, 生物医学工程专业的课程设置可将基础知识原理与学科应用相结合。
《生物化学》是生物医学工程专业课程中从体外分子到体内生物分子过渡的关键学科。本课程教学的关键是引导学生更好地构建生物分子的知识框架, 将其思维与视野从一般的化学分子体系向更具体、更复杂的生物化学分子体系深化。因此, 本课程囊括了生物体内的离子和小分子、生物大分子 (核酸、蛋白质、糖和酯类) 、分子聚集体 (生物界面及细胞膜) 、生物体内物质代谢的相关知识以及简单的生化研究方法和实例等内容。这些内容按照从简单到复杂, 从原子、生物分子到人体系统, 从物质到代谢的逻辑逐步引导学生转换思维体系, 从而构建生物化学的知识框架。
(二) 依照生化分子由简到繁的顺序组织课程结构
《生物化学》的基础理论主要阐述生物分子或分子聚集体的组成、结构和在体内的代谢变化。传统的理科教学注重生物化学与基础学科间的相互联系、交叉和渗透, 从而体现出生物化学与基础学科间的水平综合、融合与临床学科间的垂直综合、融合[3]。与之对应的传统课程安排也以此为主线, 将课程内容分为物质和代谢两大板块进行分别教学。由此可见, 《生物化学》课程具有理论知识量大、理解记忆内容多、知识体系比较复杂等特点。然而对于中山大学生物医学工程专业的本科生而言, 在比较少的课时 (54学时) 内透彻掌握如此大量的理论知识是困难的。因此, 如何对《生物化学》这门课程进行合理、紧凑、系统的结构安排对于本专业的学生培养是值得探讨的。
在本课程的教学中, 笔者从另一角度设计和调整了《生物化学》的课程内容顺序。笔者以人体内物质的组成为主线, 同时从分子结构到分子功能作为辅线, 依次从组成、结构、性质、功能等方面来具体介绍某一类生物分子。与前人[5]相比, 这种紧凑、系统的课程结构安排相比于“物质和代谢”分块式的课程设计更加容易记忆。其主要有以下特点:
(1) 授课内容安排的主线依照物质分子由小到大, 使得《生物化学》所讲解的物质能够被清晰地在体内定位, 便于本专业学生与已有知识相联系;这种清晰、系统的生物化学知识框架有助于学生将未来新掌握知识进行归类, 进而融会贯通。
(2) 分子大小亦是其他科学研究中的一个极其重要的考虑因素, 如电泳分析和血液分析等。本课程教学安排选择以分子由小到大为主线, 以分子结构到功能为辅线, 更能体现出工科专业面向问题、解决问题的培养模式。
(3) 物质代谢部分对于工科学生要求不高, 因此可被直接编入物质相对应的课时内, 不进行单独讲授。这样详略得当的课程安排有助于提升学习兴趣和激发自主思考的能力。
(4) 构建一个多尺度的课程系统, 使得本科生能够在较短的学时内建立完整且相互关联的知识结构框架。
因此本课程内容安排更适合生物医学工程专业, 也有望推及到其他工科类专业的《生物化学》教学实践。
(三) 按照从基础原理到实际应用的逻辑思路进行教学
生物医学工程专业具有知识面广、交叉性强的特点, 尤其需要学生能够具备强大的自主学习与独立思考能力。一流的教学是能够确保学生主动运用高阶认知方式 (如理解、假设、推理、分析、批判、反思等) 进行学习的教学, 提高学生综合素质, 培养出优秀专业人才[1]。本课程在具体的开展中, 建立了适合生物医学工程专业的应用案例教学法, 即在教学中联系工业界、医学领域与生物技术的应用实例提出问题, 让学生积极思考并自主探索解决方案, 并在此基础上总结和阐明理论教学中的基本原理、重点和难点问题。这与李素霞、欧伶等在生物化学教学实践中所作的探索不谋而合[6]。另外, 这种Problem-based Learning (PBL) 模式, 即基于问题的学习模式, 有助于让学生由被动接受者变为主动探索者。基于与专业相关的案例, 教师将学生分组, 鼓励团队合作解决问题。该方式增加了老师与学生的互动, 引导学生进行自主探索, 培养学生倾听、思考以及判断某一观点是否合理的科学素养。通过上述教学方法, 一方面课堂气氛变得活跃, 有助于开阔学生思维;另一方面, 教师能够基于问题将基础理论讲透彻, 并及时因材施教, 潜移默化地培养本专业学生的工程思维。
本课程所涉及到的教学实例包括生物化学理论知识在生物技术、工业生产以及在医学临床上的应用。典型案例如:双脱氧核苷三磷酸 (ddNTP) 和DNA测序是如何关联的?蛋白测序如何实现?如何利用免疫系统及免疫反应制备抗体?蛋白酶的选择性水解肽键有何意义?如何利用酶动力学及米氏方程, 针对不同地域开发不同配方的加酶洗衣粉?血液化验单中有哪些蛋白质?这些指标有什么临床诊断意义?诸如此类。以数字聚合酶链式反应 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 为例:在讲授核酸部分的理论知识时, 通过讲解DNA的组成、结构、性质和功能, 以及其在体内的复制方式, 来引导学生思考和调研如何实现DNA的体外复制;当学生通过自主学习与小组讨论明晰了DNA体外复制的原理之后, 教师进一步引导学生思考与调研如何实现对DNA体外复制过程的实时检测, 学生进而可以通过自主学习理解荧光定量PCR的原理;最后, 教师通过抛出“数字PCR”这一前沿领域, 引导学生思考其搭建原理和工程学上的可行性。本课程核酸部分从基础知识到应用案例的启发式教学模式, 实现了将理论知识与实际应用的密切结合。
(四) 从学生掌握运用知识的角度进行课程考核
为了检验学生学习效果, 本课程重新制定了考核标准, 以全面考查学生对课程理论知识的掌握程度以及学习的积极性和创造性。本课程在保留传统的平时成绩和卷面考核方式的同时, 更侧重了主观部分的考核。除期中、期末考试的卷面成绩外, 平时成绩不再是仅由出勤和作业情况决定, 而是还包括数次小组讨论和数次课堂展示的表现成绩。学生在课堂上参与讨论的积极性、后续总结发言的逻辑性与创新性将作为小组讨论的主要评分标准;另外, 课堂展示的幻灯片制作水平、学生讲述的流畅度与逻辑性、所引用材料的准确性与合理性以及后续对他人所提问题的回答将作为课堂展示的主要评分标准。新的考核标准旨在促进学生自己总结知识点、形成独立的观点并进行公开展示, 有助于提高学生综合素质。
三、课程教学改革的初步成效
(一) 提高了学生学习兴趣
通过使用新教学方案, 学生从被动学习进入主动学习状态。这种主动学习的状态主要体现在于课间、课后、线上留言提问的同学人数明显增加, 在建议 (或意见) 栏中对《生物化学》课程的迷茫感大幅度下降, 并展现了学生被激发出的对基础科学问题的探索热情以及对解决实际应用问题的强烈兴趣。除此之外, 学生的对本课程的教学评价也比使用传统的教学方案时有所提升。多名参加过此教学改革课程的本专业毕业生认为, 《生物化学》是其本科期间印象最深刻的一门课。
(二) 学生对课程内容的掌握更加牢固, 理解更深入
除了上述“学习兴趣”, 学生对知识牢固、深入、系统的理解与掌握也是其能够进行创新的重要基础。通过对比本专业以往使用传统《生物化学》教学方案的班级和使用本论文所提出的新方案的班级的考核试卷, 可以明显发现在主观题部分, 使用新教学方案的学生普遍能够从问题的本质出发, 从原理着手, 提出解决方案, 其回答内容更加丰富和有条理, 在详细阐释知识点的基础上极少出现按照课件与书本生搬硬套的情况。
由此可见, 本论文所提出的《生物化学》新教学方案使学生能够在理解知识的基础上进行记忆, 进而与实际问题相联系, 在平日里就养成了“学以致用”的思维习惯。学生在面对实际问题时, 能更擅长于从原理出发, 结合自己已知的事实与知识, 一步步通过逻辑分析得出自己的观点与结论;同时通过对试卷的考察, 也发现学生对于基础原理相对牢固和深入的掌握, 不仅仅是按照课本背诵概念。除此之外, 在这样的考评体系下, 一些学生的表达能力在一学期的时间内得到了明显的提高。
(三) 提高了学生解决实际问题的能力和创新能力
如何培养大学生创新能力是提高高等教育质量的核心问题[7,8,9], 培养学生的多元化能力是工科高等教育近来着重关注的热点[11]。本课程安排感兴趣且有能力的本科生进入实验室, 在研究生协助指导下, 独立完成一项大学生创新项目。这个流程使学生对生物化学的科研过程有一个初步但较为完整的了解。另外, 创新思维既需要前期知识的积累作为铺垫, 又需要后续的逻辑分析作为前进的阶梯。因此, 笔者对于进入实验室的本科生着重培养其搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及与他人交流与合作的素养。在本课程改革的助力下, 生物医学工程专业本科生参与科研训练的比例达到总人数的80%以上, 在一定程度上提高了本科生参与创新实践的积极性[9,10]。
(四) 提高了学生的科学评判能力和鉴赏能力
生物化学作为一门基础学科, 知识涵盖面宽是它的一大特点。如今生命科学未知领域依然很多, 且随着分子水平生物化学研究的不断发展, 更多新观点、新理论、新技术和新方法不断涌现, 导致生物化学知识更新速度非常快。因此, 引导本科生关注科学研究前沿领域, 提高学生科学鉴赏和评判能力是本课程的重要教学目标。这种科学鉴赏与评判能力的培养主要通过对科学领域概况的了解、对热点问题常见观点的反思以及对教科书的反思来完成的。在课程开始阶段, 笔者让学生调研并回答一些问题, 如“你认为国内外生物化学研究最好的学校和研究所有哪些?”, 并鼓励学生进行公司考察和市场调研, 进行展示与讨论;随着课程的开展, 笔者进一步引导学生关注“最新诺贝尔生理学或医学奖获得者是谁?获奖发现是什么?以及如何完成这一发现的?”。日常生活中, 对于一些民生热点问题的争论, 如“转基因食品的安全性”, “打蜡的苹果是否有毒”, “无籽的水果是否会导致不孕不育”等, 笔者鼓励学生从生物化学的角度出发分析网络上一些言论的合理性, 并在课堂上进行自由发言。每当此时, 课堂上的气氛都很热烈, 学生每一次对于热点问题的深思、交流与互相驳论都逐步提高了其独立思考、合理质疑、流畅表达的能力。笔者还安排给学生进行教科书找错 (如印刷错误、表达不当或知识未及时跟新等) 等开放性任务来提高学生的鉴别能力。
在这个将理论与实践结合的过程中, 学生更加习惯于从原理去看待一个问题, 进而通过逻辑和已有知识或文献调研结果来进行推理和分析。学生在对生物化学迸发出浓厚学习兴趣的同时, 他们的科学视野得到了扩展, 科学判断力与鉴赏能力也得到了显着的提高。
四、结论
在生物医学工程专业的《生物化学》教学实践过程中, 从课程内容、课程安排到案例教学, 再到课程考核和课余本科生自主学习, 笔者对现有的《生物化学》理科教学模式进行大胆改革, 有针对性的设计出一套较完整的《生物化学》教学模式。实践证明, 这一模式既符合工程学科的思维模式, 能够引导学生建立较为完整的知识系统, 并激发他们的学习热情, 提高课堂教学质量和学习效率;能够让本科生接触科学前沿, 自主完成一个科研课题, 有助于本科生创新能力和科学鉴赏力的培养。这一教学模式使学生在有限时间内较好地掌握生物化学的基本理论、知识技能, 并具备一定解决问题的能力和创新能力, 为将来开展科学研究和项目研发工作打好坚实基础。
摘要：生物医学工程学科是新兴多学科交叉工程学科。其《生物化学》课程既要为生物医学工程本科生构建完整理论知识体系, 又需注重该领域相关技术及其应用。根据专业培养目标精选课程内容;依照物质大小、结构、功能、体内代谢的顺序, 调整课程结构和教学安排;探索新教学方法, 引导本科生就某一案例进行小组讨论, 将多个相关知识点串联起来, 并结合最新研究进展阐述所学技术的实际应用;改进课程考试方法, 提高平时参与讨论成绩和主观题分量, 重点考核学生运用知识的能力。本课程教学改革激发了学生学习热情, 提高了教学效果, 初步培养了本科生科研、创新能力及科学鉴赏力。
关键词：生物医学工程专业,生物化学,课程教学改革,案例学习,寓教于研
参考文献
[1] 汤俊雅.我国一流大学本科教学改革与建设实践动向[J].中国高教研究, 2016 (7) :1-6.
[2] 尹幼明.生物化学教学理念的更新[J].中国现代医学杂志, 2014 (14) :155-156.
[3] 赵晨, 倪原, 陆文总, 贾光锋.生物医学工程专业中生物化学教学的探索与实践[J].教育教学论坛, 2015 (23) :111-112.
[4] 王含彦, 李红林.生物医学工程专业生物化学教学改革初探[J].中国当代医药, 2010 (15) :120-121.
[5] 王艳君, 陈盛.生物化学教学改革的实践探索[J].生物学杂志, 2012 (29) :100-103.
[6] 李素霞, 欧伶, 俞建瑛, 宋聿文, 叶江.工科院校中生物化学教学模式探讨[J].微生物学通报, 2007 (34) :816-818.
[7] 汪静, 胡玉才.协同培养大学生实践创新能力的研究与实践[J].实验室技术与管理, 2013 (9) :19-21.
[8] 邓文, 苏一丹, 龚福忠等.提高大学生实验技能和创新能力的研究[J].实验室研究与探索, 2013 (8) :134-160.
[9] 白璐, 田晓柱, 牛炳韬, 冯虎元.大学生创新性实验对创新型人才培养的研究[J].实验室研究与探索, 2015 (34) :161-164.
[10] 李莉梅, 欧阳乐军, 曾富华.创新型人才培养理念下的师范院校生物化学实践教学改革[J].高效生物学教学研究, 2012 (2) :30-32.
[11] 燕红, 王毅.在工科生物化学教学中学生多元智能培养的各项措施[J].黑龙江科技信息, 2011 (5) :171-171.