新工科背景下生物材料教学实验体系建设的探索与实践①

李慧丽 廖成竹 叶飞 田颜清

(南方科技大学 广东深圳 518060)

随着我国经济和社会的发展,学科交叉与产业变革催生了“新工科”教育理念。有关专家将新工科的内涵与行动归纳：“以立德树人为引领，以应对变化塑造未来为建设理念，以继承与创新交叉与融合协调与共享为主要途径，培养未来多元化创新型卓越工程人才具有战略型创新性系统化开放式的特征[1-2]。”，表明学科交叉融合是新工科的一个基本特点。学科交叉一般是结合两个或多个学科的优势，解决多个学科共同关注的问题，有助于探寻、创建新知识体系。当代科学技术的迅速发展越来越依赖于不同学科之间的交叉融合。学科交叉融合是科学技术发展的必然趋势，相应地建立新工科人才培养方案必须主动寻求多学科交叉融合。

生物材料，又称生物医用材料，是指与生命系统接触和发生相互作用的材料[3-4]。生物材料的一个鲜明特点是材料科学、生命科学和医学、力学等的多学科交叉与融合，是新工科背景下重要学科[5]。其相关基础研究与产业化在发达国家已被视为具有战略意义，我国的科学和技术发展规划也将其视为重要技术领域。因此，我国的各知名高校在争创综合性一流大学进程中，都在努力填补空白或加强该学科的实力。清华大学材料科学与工程学院开设了‘生物材料学概论’本科生课程和‘生物材料学’研究生课程，西南石油大学开设了‘医用生物材料’课程,中山大学开设了‘生物材料导论’[6]。

生物材料课程是实践性很强的学科，单纯开设理论课会让学生无法将理论运用于实践。实验是学生获得正确思维、技能训练和灵活运用知识并通往科研和工作的桥梁,有利于培养和发挥学生的主观能动性,是教学改革的落脚点。然而，纵观国内高校，开设生物材料相关理论课已经有一段历史和基础，但是开设生物材料实验课的高校寥寥无几。

南方科技大学秉承“敢闯敢试、求真务实、改革创新、追求卓越”的创校精神，坚持“创知、创新、创业”的办学理念，在材料系成立并设立材料科学与工程专业后就开设了生物材料实验课。目前生物材料实验课主要面向大学本科三年级的学生开设的专业核心课程。经过四年时间的探索与实践，根据学生的接受程度以及学校反馈对课程内容进行调整，目前已经形成了初步的课程体系。

图1 生物材料课程内容结构体系

图2 生物材料实验室结构体系

1 构建生物材料教学实验体系需要解决的问题

多学科交叉融合既是生物材料实验的特点与优势，也是该门实验课程面临的挑战。我国的大学教育是建立在分立的小专业基础上的单一学科模式，传统的教学模式强化了各门课程的独立性和自我完备性，忽视了它们之间的关联性，这些正是我们在构建生物材料教学实验体系所需要解决的一系列问题：

1.1 学科之间易产生壁垒保护，不利于学科的交叉融合

多年来人们习惯于在有明确学科界限的范围内从事“纵深”式的研究,各学科知识结构上的差异,认识和探索方式上的不同,都成为学科间“横向”交流与对话的障碍[7]。由于受传统单一学科培养模式的局限,从而使不同学科间的沟通困难。目前现行管理体制也造成学科人为条块分割,学科之间产生壁垒保护,限制了人员的流动和设备的共享,这对学科交叉极为不利[8]。

1.2 学生接受度问题

学生进行学习涉及多学科知识时容易忽略学科之间的内在联系，导致学生完成综合性实验难度高于其他单学科实验，而且实验时间较长，可能降低学生学习兴趣以及积极性。因而提高学生基础实验技能，并将学科交叉实验技能融合贯通，是构建生物材料教学实验体系要解决的重点和难点。

1.3 师资力量问题

教师一般对自己本领域教学非常熟悉，在单学科教学实验中可以非常有效地指导学生掌握该学科实验技能。作为构建教学实验体系的关键因素，如何引导学生在多学科交叉中将各项实验技能融会贯通，对教师教学也是一项挑战。

1.4 实验室配备问题

教学实验室和相应教学设备是开展实验教学的前提和根本保障，多学科交叉的教学实验更需要配备多个专业涉及的实验室和仪器，才能保证实验体系顺利构建。学校的政策支持与引导是关键，在促进多学科交叉融合发展需要学校的政策促进各学科之间相互交流沟通。

2 生物材料教学实验体系的构建及其特点

2.1 合理的学时安排

南方科技大学‘生物材料实验课’于2015年与生物材料理论课同时开课，由材料科学与工程系开设，主要面向材料科学与工程系大三的学生。学时为32个学时，共设置两个综合性实验。2016年，为了丰富实验内容，提高学生能力，增加为64个学时，实验由两个综合性实验变更为三个综合性实验。这几个综合性实验实践性强，实验难度逐步提高，涉及多学科知识。较多的学时更有利于学生发挥主观能动性，加强师生交流，同时有利于学生充分掌握多个学科知识综合运用的能力，发挥本课程学科交叉的优势。

2.2 由易到难的综合实验体系

在2015年最初开设实验课时，设置了两个综合性实验，分别是药物改性实验和无机陶瓷生物材料制备实验。这两个综合性实验难度中等，但是因为材料系学生缺乏生物实验基础，所以掌握生物表征部分实验技能有些难度。同时，两个实验难度相当，后期缺乏高级内容，不利于激发学生的学习积极性。

针对这些问题，在第二年开课时根据学生的学习能力以及实验基础，设置了三个综合性实验，全面涵盖材料制备、材料性能表征和材料生物性能评价等完整实验流程，材料制备由单一材料制备逐渐过渡到复合材料制备，实验难度逐步增加。鉴于材料系学生生物学基础薄弱，在第一个综合性实验增加生物学基础实验，由细菌培养逐步过渡到细胞培养，便于学生掌握基本的生物实验技术。

这三个综合性实验具体内容分别为载银活性炭抗菌材料、姜黄素药物改性、聚乳酸与羟基磷灰石人工骨仿生复合材料制备。载银活性炭抗菌材料是第一个综合性实验，制备方法简单，学生容易掌握并且成功率很高，材料表征和生物学表征都可以取得到好的实验结果，成功的实验结果给予学生自信和增加学生的学习兴趣，并且为后续实验奠定扎实的实验基础。第二个实验是姜黄素药物改性实验，这个实验会学习一些药物学的实验技术，如药物缓释、药物稳定性和药物毒性，生物学实验难度逐渐增加。学生在学习了第一个综合性实验后，非常容易地掌握第二个实验的技能。紧接着第三个综合实验是聚乳酸与羟基磷灰石复合材料制备，这个实验在前面单一材料制备的基础上过渡到复合材料制备，材料制备工艺难度加大，实验难度增加也会进一步激发学生的主观能动性。

2.3 实验室建设

多学科交叉的实验内容体系需要相应实验室硬件条件配合。为保证实验体系顺利构建，以及学生能够充分运用各学科实验技能完成综合实验，自2015年起，在学校的支持下开始生物材料实验课程的实验室建设。

2.3.1 化学合成实验室

化学合成实验室主要承担生物材料合成实验，如抗菌材料合成、无机陶瓷材料合成、高分子加工等实验内容，实验室内包含马弗炉、真空旋转蒸发仪、冻干机、挤出机和注塑机等用于材料合成的设备。

2.3.2 材料表征实验室

材料表征实验室主要承担材料表征实验内容。实验室配备扫描电子显微镜能谱联用仪、红外光谱仪、X射线衍射等相关仪器。利用扫描电子显微镜对材料表面形貌和元素组成表征抗菌材料，利用红外光谱仪对改性后的姜黄素药物的化学结构进行分析，利用X射线衍射仪对水热法合成的羟基磷灰石进行结构表征。

2.3.3 生物实验室

生物实验室主要由细胞实验室、细菌实验室以及检测实验室三部分组成。细胞实验室主要承担细胞培养、材料生物相容性表征等实验内容，细菌实验室承担细菌培养、材料抗菌性能表征等实验内容。细菌和细胞实验室主要有超净台、培养箱、摇床及生物显微镜等培养和观察细胞和细菌的设备。检测实验室承担生物相容性检测实验内容，如材料促进细胞增殖能力和药物对细胞毒性的检测。检测实验室主要有酶标仪、倒置荧光显微镜等仪器。

2.4 教学团队建设

具有单一学科背景的教师不适合独自承担多学科交叉教学任务，因而打造一支由具有不同专业领域的教师组成的教学团队是非常必要的。目前，我系教学团队由具有材料专业、生物专业以及化学专业等的教师组成，他们在各自专业领域教学经验丰富，通过这些老师之间相互交流合作，充分实现了学科之间的交叉融合。除此以外，学校拥有多位一直从事生物材料科研前沿工作的教师，他们对于该门教学实验课程建设给予了大量的指导。在他们的指导下，生物材料教学实验会一直紧跟科研前沿，不断地丰富教学内容。

2.5 逐渐增加研究设计型实验

经过4年时间建设，我校生物材料教学实验体系已经初步建成，为了紧跟科研前沿脚步，我们仍将持续改进。教学内容加入研究设计型实验是启发学生自己动脑设计实验，动手解决问题的有效方法。因此研究设计型实验也将逐渐加入到目前的教学实验体系当中，以科研为导向的教学[9],并在实践教学中不断完善。

3 结语

目前，我校生物材料教学实验体系已经初步建成。在课程设置分别设计了三个充分融合材料学、生物学、药物学、化学等专业的综合实验。我校会紧跟科研发展前沿，持续改进。让学生能够掌握新理论、新技术和新方法。未来还会进一步加入研究设计型实验，让学生能够真正成为课堂的主体，达到学生为主，教师为辅的学习效果。