新工科背景下生物医学工程专业化学类 基础课程教学改革探索

朱春楠，郑冬云，刘超(中南民族大学生物医学工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

2017年2月以来教育部积极推进新工科建设，强力促进了我国工程教育改革。自此，全国高校在创新人才培养模式、优化课程体系结构、改革教学方式方法等多个维度迅速行动起来，努力培养具有创新创业能力和跨界融合能力的高素质交叉复合型卓越工程技术人才[1]。

1 生物医学工程专业化学类基础课程教学现状及存在的问题

生物医学工程是综合生物学、医学和工程学等专业理论和方法的一门交叉边缘工科学科，旨在运用工程技术和方法，研究、解决生物学和医学中存在的问题，最终服务于医学。我校该专业开设四大类课程：生物医学类基础课程、电子类课程、计算机类课程以及《生物医学传感器》、《医学信息系统》等专业课程。长期以来，该专业学生重视电子、计算机与机械制造等课程，而轻视生物医学类基础课程的学习，这对于构建完整而系统的专业知识体系是非常不利的。在新工科建设背景下，引导学生将各门课程融会贯通、培养学生的工程实践能力与创新思维能力已成为生物医学工程专业课程教学改革的重要目标。

化学类基础课程是生物医学工程专业生物医学类课程的重要组成部分，通常开设在低年级[2]。由于课程定位不明确，导致工科学生不能将该类课程与职业生涯相联系，无法理解学习化学类基础课程的重要性。如果直接套用化学、生物、医学等学科的理科教学模式，不利于培养学生的工程创新思维。因此，本文对该课程进行教学改革，希望促进学生对基础知识的全方位把握以及工程创新思维的培养。

2 生物医学工程专业《医用化学与生物化学》教学改革举措

2.1 明确课程定位，优化课程内容

生物医学工程专业的出发点是希望以工程学的方法来解决疾病检测、诊断及治疗等问题，所以该专业学生既要有机械制造与电子计算机相关的知识储备，又要对化学、生物学和临床医学知识有一定的了解。例如，研发医学检测仪器，首先要了解目标指标的生化意义及检测原理，如血糖浓度的测定以及低血糖和高血糖的判断标准、血清中丙氨酸氨基转移酶(ALT)的活性测定及急性肝炎辅助诊断应用，这些正是生物化学的知识范畴。只有同时“知其然”——工程学手段和“知其所以然”——基本原理，才能从根本上改进和提高医学仪器的性能。脱离了生物医学基础知识的工程研发就如空中楼阁一般。打好化学理论基础，有助于学生构建完整系统的知识体系，为其后续创新思维的培养和工程技术应用奠定基础。

生物医学工程学科涉及缓冲溶液、渗透压等无机化学内容，以及生物分子(核酸、蛋白质、糖和脂类)、生物体内物质代谢及其调节、血液生化、肝胆生化等生物化学内容。先修有机化学又是学好生物化学的基础。而在化学学科中，无机化学、有机化学和生物化学都是各自独立的重要专业课。在生物医学工程专业讲授这三门课程的所有内容显然是不现实的。并且，对生物医学工程专业学生的学习要求，不管是知识点的多少还是掌握的程度，都没有化学专业的要求高。针对这一特点，我们选择了人民卫生出版社出版的《医用化学与生物化学》(第2版)作为教材，更加突出“精、新、实、适”。在教学中，我们注重教学内容的精简和重难点的把握，强调基本原理和实际应用的有机结合，引导学生建立完整且相互关联的知识结构框架。

2.2 改革理论教学方法，变“被动接受”为“主动探索”

化学类课程普遍具有理论性强、知识点繁杂、概念抽象难懂等特点，易导致工科学生缺乏对该类课程的学习兴趣和自主学习动力[3]。在学时不断被压缩的情况下，传统的教学模式即课堂上教师“填鸭式”地进行大量知识的灌输，会加剧工科学生的厌学情绪。因此，如何实施教学改革，激发工科学生的学习兴趣，提升课程认可度和教学效果，是新工科背景对生物医学工程专业化学类课程教学提出的新要求。

PBL教学模式(Problem-basedlearning)是一种以问题为导向，以学生为中心、教师为引导的教学模式，提倡自主探索与合作学习的方式，旨在促进学生主动学习，培养其独立思考和解决问题的能力，实现“在解决问题中学习、在学习中解决问题”[4]。结合新工科建设背景和临床医学案例，我们设置兼具全面性、引导性和前沿性且难度适宜的学习专题，比如，不同分散系的特性不同——尿毒症的治疗即血液透析的原理；手性在临床医学中的应用——手性药物；酶的抑制剂与药物设计原理——磺胺类药物的抑菌作用；糖的无氧分解和糖异生——人在剧烈运动后会感到肌肉酸痛，几天后酸痛感会消失；DNA半保留复制——新型冠状病毒感染的核酸检测。学期开始时，教师将学习专题发布给学生。然后，学生按每组7-8人自由组队，每组根据兴趣爱好选择1个专题，在学习相关基础理论知识后进行查阅文献、搜集资料、小组讨论，然后以PPT的形式在课堂上进行陈述汇报，其他小组可以提问以及与陈述小组进行讨论。最后，教师进行归纳总结，从知识点的理解程度、PPT制作、现场讲述、组间讨论等多角度进行点评。但是，PBL教学需要耗费较多的课时，这使得理论学时更加紧张，内容多与课时少的矛盾更加突出。如何在有限的课时，保质保量地完成每个教学设计和环节则显得尤为重要。

近年来，随着信息技术的飞速发展，开展线下线上混合式教学模式已成为课程教学改革的重要举措[5]。混合式教学模式将传统课堂教学在时间和空间上都进行了拓展，通过录制教学微视频、提前发布PPT课件、线上发布作业及测验等，大大缓解了线下课时紧张的问题。利用课程网站、手机端APP、微信公众号等方式可提供微课视频、PPT课件、思维导图、重点难点、教学动画、思政故事等多层次的学习资料，不仅可以激发学生的学习兴趣，提升课程认同感，还可以将课堂学习融合在课前与课后的预习与复习当中，使学生在进行系统化学习的基础上也实现碎片化学习，提高学习效率与教学效果。

2.3 完善实践教学形式，培养工程创新思维

实验教学是高等教育课程体系中不可或缺的一部分，是激发创新意识、培养创新思维的必须环节。而我校《医用化学与生物化学》仅配套少数几个课内实验，学生一般是在老师的讲解之下完成，对学生创新意识的培养还远远不够。

为此，我们在现有课内实验教学基础上，引入创新型实践教学。首先，加入一些综合性设计实验。在实验教师给出实验课题后，学生以小组为单位完成实验方案设计、实验开展、数据处理、结果分析等一系列过程，这样全方位的训练有助于学生创新科研思维的培养。其次，对于仪器设备套数有限的行业前沿性实验，采用实际操作和观摩实验相结合的方式，以此来提高创新型实践教学的覆盖面，促进学生对课程知识的理解、掌握与拓展，激励他们产生学习内动力。另外，将实践教学与学科竞赛、大学生创新训练项目、毕业论文相结合形成多位一体的培养模式，帮助对化学类课程兴趣浓厚的学生得到更高层次的锻炼，有助于其科研兴趣的培养以及今后研究方向的选择。

2.4 改革课程评价方式，实现全方位考核

大学的课程考核一般采取“平时成绩+期末成绩”的方式。由于传统的课堂教学模式单一，导致平时成绩的评价方式也比较单一，主要考查的是学生的考勤和作业成绩，而这两种形式并不能有效反映学生的课堂参与度。这就导致容易出现学生“人在课堂心却不在课堂”的情况，平时学习懈怠，靠考前突击复习来应付期末的闭卷考试，对知识的学习纯属死记硬背，根本谈不上理解、掌握和应用。

在课堂教学模式不断创新改革下，加大对学生学习过程的考核力度、丰富过程考核的评价指标，可以提高学生对课程的学习积极性，同时提升教学效果。我们设定以下四个考核评价标准：课堂表现、PBL成绩、实验成绩和期末考试成绩，分别占总评成绩的20%、20%、20%和40%。其中，课堂表现除考勤和作业成绩以外，加入对抢答、投票、问卷、讨论等线上课堂活动的评价。PBL成绩由组内互评、组间互评和教师打分按照30%、30%和40%的比例产生。实验成绩主要考查学生的实验操作和实验报告。通过考核评价方式的改革，可以激发学生的学习热情。

3 结语

在“新工科”背景下，结合生物医学工程专业的多学科交叉性，化学类基础课程的教学工作必须做出相应的调整，更新教学内容，改革教学方法和课程评价体系，提高学生的学习兴趣，促进学生对基础知识的全方位把握，为今后其他生物医学类课程的学习如分子生物学、解剖生理学等奠定基础。通过PBL和线下线上混合式教学模式、完善实践教学方式等，培养学生的科学思维和创新能力，提高学生的知识运用、解决问题和实践动手能力，为后续工程素养的培养和工程技术应用奠定坚实的理论和实践基础。