基于阶梯式教学与差异化课堂的创新人才培养

肖林 贾昭君 林倩明 张超

［摘 要］ 建设创新国家和科技强国的关键在于创新人才的培养，高校作为人才培养的主要阵地，肩负着为我国科技创新和经济发展培养高水平创新人才的重要使命。中山大学生物医学工程学院聚焦如何在高等教育改革中推进高水平创新人才培养的重要命题，在长期教学研究与实践基础上，提出阶梯式教学与差异化课堂相结合的创新人才培养模式，在加强专业基础教育的基础上，循序渐进开展专业创新教育，培养创新人才。以生物医学材料类实验课程教学为例，对该创新人才培养模式的具体措施、实施过程及成效做详细论述。该培养模式可为我国高等教育探索创新人才培养提供有益经验。

［关键词］ 阶梯式教学;差异化课堂;生物医学材料;实验教学;创新人才培养

［基金项目］ 2022年度中山大学本科教学质量与教学改革工程项目“面向创新人才培养的生物材料实验课程教学改革”（中山大学教务〔2022〕91号）；2022年度中山大学本科教学质量与教学改革工程项目“课程思政示范课程‘生物材料基础实验”（中山大学教务〔2022〕91号）

［作者简介］ 肖 林（1986—），男，湖南新化人，博士，中山大学生物医学工程学院助理教授，主要从事生物材料与组织工程研究；张 超（1975—），男，河南许昌人，博士，中山大学生物医学工程学院教授（通信作者），主要从事骨科材料与植介入器械研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-10-31

创新是引领发展的第一动力，是国家发展全局的核心，而高校作为人才培养的主要阵地和科技创新的排头兵，肩负着为国家培养高水平创新人才的重要使命。中山大学生物医学工程学院紧密结合国家创新发展的战略需求，依托粤港澳大湾区生物医疗产业发展，致力于培养“背靠工科，面向医科”的复合型高水平创新人才［1］。中山大学生物医学工程学院开设了多门生物医学材料类实验课程，贯穿本科学习的各个阶段。本文以这类课程的教学改革实践为例，论述如何在本科实验课程教学中开展创新人才培养。

一、基础教学与标准式课堂相结合做好专业基础教育

创新不是无源之水、无本之木，创新人才的培养首先建立在宽厚扎实的专业基础教育之上。如何做好专业基础教育是实现创新人才培养需要解决的首要问题。

（一）基础教学是做好专业基础教育的主要途径

根据学生的知识基础和认知特点，中山大学生物医学材料类实验课程针对不同学习阶段的本科生开展阶梯式和差异化教学。对于低年级（一、二年级）本科生，该类课程以做好生物医学材料专业基础教育为主要目标，为高年级专业创新教育及创新人才的培养打下坚实的基础。这一阶段的教学围绕夯实生物医学材料专业基础展开。首先，低年级本科生（尤其是一年级）没有经历过系统的实验训练，大部分学生尚未掌握基本的实验操作规范和技能，也缺少必要的实验安全教育，相關理论课程的学习也刚刚起步。因此，这一阶段的首要教学目标是培养学生的实验研究基本素养，围绕该教学目标设置的教学内容包括实验室安全意识、安全处置方法、基本实验操作的准确性和规范性、实验数据记录的准确性与规范性等。例如：实验室发生火灾时如何正确处理，危化品如何正确分类储存和使用，如何正确进行离心、沉淀、蒸馏、回流、萃取、重结晶、化学反应等基本实验操作。其次，重点掌握生物医学材料实验研究的基本技能和方法，包括生物医学材料的常规合成与制备方法、理化性质的表征技术原理与仪器设备的使用方法、生物学评价的实验方法与数据处理等。

（二）标准式课堂是做好专业基础教育的重要手段

为实现上述教学目标，采用标准导向的教学方法与课堂管理方式，通过教师讲解、操作示范与学生动手实践相结合的方法，使学生牢固树立实验室安全意识与规范操作意识；能正确、规范地完成基本实验操作，熟练掌握常规的生物医学材料合成与制备方法，理化性质表征技术与生物学评价方法；能够根据实验讲义明确的实验内容完成既定实验任务，达成预期实验目标。值得指出的是，中山大学生物医学工程学院为低年级本科生同步开设了相关理论课程，与上述实验教学内容紧密联系，互为补充。因此，在实验教学中，教师有意识地将实验内容与基础知识、基本理论融会贯通，尤其涉及生物材料制备原理（如多孔结构的形成与调控、凝胶—溶胶转变等）、理化性质表征原理（如紫外—可见光谱分析、动态光散射法测粒径等）和生物学评价原理（如CCK-8法检测细胞毒性、溶血试验评估血液相容性等），通过外化于形的实验操作帮助学生加深对基本知识和重要概念的理解，逐渐形成内化于心的知识储备与实践能力。与教学目标、教学内容、课堂导向相适应，这一阶段该类课程的考核评价也具有标准导向特征。主要考察学生实验研究基本素养与基本技能的形成，以及对常规的生物医学材料合成与制备方法、理化性质表征技术、生物学评价方法的掌握。主要考核点包括学生在实验过程中表现出来的安全防范意识、规范操作意识、实事求是的态度、勤奋刻苦的精神、实验现象与数据准确记录、实验任务的完成情况、实验结果的准确性、实验报告的完整性与数据处理的科学性等。

通过基础教学与标准式课堂相结合做实专业基础教育，使学生具备良好的实验研究基本素养与基本技能，掌握常规的生物医学材料合成与制备方法、理化性质表征技术、生物学评价方法，为进入高年级接受专业创新教育打下坚实的基础。

二、创新教学与探究型课堂相结合开展专业创新教育

在扎实的专业基础教育基础上，通过合理的实验教学设计对高年级（三、四年级）学生进行专业创新教育，可有效地培养其创新能力，引导其成为高水平创新人才。

（一）创新教学与探究型课堂相结合是开展专业创新教育的有效方式

前文所述专业基础教育以基础教学与标准式课堂的运用为基本特征，而专业创新教育具有显著不同的特征，表现在教学过程的各个环节。表1总结了生物医学材料类实验课程专业基础教育与专业创新教育的区别。

首先在教学目标上，这一阶段的专业创新教育着重提高学生提出—分析—解决问题的能力和实践能力，培养学生的探索精神、创新精神与团队合作意识以及综合能力。在教学内容上，教师通过设计综合性与探究性实验课题开展创新教学。在前期经预实验充分论证的基础上，引导学生在实验过程中自主设置合适的变量开展探究性实验，要求学生针对实验中发生的重要现象或实验结果提出解释或猜想，再通过进一步思考和提炼形成合理的科学假说。此外，鼓励学生针对自己提出的科学假说设计验证性实验研究方案。在教学方法与课堂管理上，采取教师引导下的学生自主实验、自由讨论的教学方式，突出学生的主体地位，教师负责引出实验课题、组织课堂环节、引导学生思考、评述学生观点并参与课堂讨论，在教学过程充分调动学生的积极性与主动性，充分尊重学生的想象力与创造力，形成自主式、开放式的探究型课堂（图1）。相应地，教学考核评价不再强调标准式实验操作与标准化实验结果，而是看重实验过程中对实验现象与结果的思考，针对现象与结果提出问题与分析问题的能力，提出合理科学假说与设计验证性实验方案的能力，陈述观点与参与讨论的能力，团队协作意识及综合能力。

（二）创新教学与探究式课堂相结合开展专业创新教育的教学举例

以“PLGA-PEG纳米胶束的制备与表征”实验为例，介绍如何通过创新教学与探究式课堂相结合对高年级学生开展专业创新教育，教学过程如下：首先教师简要介绍实验背景、实验目标和实验内容，并对可能影响纳米胶束形貌的关键步骤和重要因素做适当提示。学生分组后，教师要求每组通过组内讨论确定一个实验因素作为单一变量，并要求设计平行实验探究该变量对胶束形成及形貌的影响，如以选择性溶剂的滴入速度、PLGA-PEG溶液的搅拌速度、溶液pH、离子浓度等因素作为变单一量，平行实验的设计和开展可以在组内进行，也可以由不同小组合作进行。然后根据实验中观察到的重要现象（如溶液浊度和颜色变化等）及实验结果（胶束形貌、尺寸等），分析设定的变量如何影响这些实验现象和结果。通过组内或组间讨论形成合理解释或猜测，并在此基础上大胆提出设想，提炼出科学假说，针对该假说设计一个验证性的实验方案（课堂上不需开展实验，但鼓励有兴趣的同学课后在老师指导下开展）。实验结束后，教师组织讨论。首先，每组对本组实验进行总结，就实验现象、实验结果、做出的解释、提出的假说和验证方案等进行讨论和总结，形成一致意见。其次，每组选派一名代表在全班进行分享和交流，最终的考核评价包括课堂表现与实验报告两方面，主要看重学生对实验现象和实验结果的分析与讨论，变量的设置及设置依据，假说的提出及验证性实验的设计，以及参与课堂的综合表现。

这种创新教学与探究型课堂的运用，有效地培养了学生提出—分析—解决问题的能力和实践能力，培养了学生的探索精神、创新精神、团队合作意识与综合能力。

三、阶梯式教学与差异化课堂相结合是创新人才培养的有效模式

《中华人民共和国高等教育法》规定：“高等教育的任务是培养具有社会责任感、创新精神和实践能力的高级专门人才”，这明确了教师在本科教育阶段必须把专业创新教育作为首要任务，而如何做好专业创新教育则是我们需要思考的问题。创新能力的培养应建立在扎实的专业基础教育之上，然而，相较于高考的高标准与严要求，我国绝大多数高校本科课程考核和毕业要求仍然过于宽松，这直接导致了大多数本科毕业生专业基础不够扎实，严重制约了专业创新能力的培养。这充分反映了本科教育加强专业基础教育的必要性与紧迫性，激发了教师重新审视专业基础教育与专业创新教育的关系。

教学研究与实践表明，做好专业基础教育是培养创新人才的根本，而开展专业创新教育则是培养创新人才的关键，二者相互补充，缺一不可，通过有机结合、依序而施达到培养高水平创新人才的目标。基于这一认识，我们提出适合本科教育阶段的阶梯式教学与差异化课堂相结合的创新人才培养模式。如图2所示，对低年级学生采用基础教学与标准式课堂相结合的方式加强专业基础教育，着重开展基本素养、基础知识、基本理论与基本技能的培养。进入高年级后，对学生采用创新教学与探究式课堂相结合的方式开展专业创新教育，培养学生的创新精神、实践能力、团队合作意識及综合素质，提高学生提出问题、分析问题与解决问题的能力，从而实现创新人才的培养。教学实践表明，这种阶梯式教学与差异化课堂相结合的创新人才培养模式以循序渐进的方式培养学生的专业素质、创新精神与实践能力，符合认知发展规律，可有效促进创新人才的培养。

四、总结与展望

如何在高等教育改革中推进高水平创新人才培养是我国高校的重要课题。基于长期教学研究与实践，我们提出了阶梯式教学与差异化课堂相结合的创新人才培养模式，强调在做好专业基础教育的基础上循序渐进开展专业创新教育。教学实践表明，这种培养模式有效地培养了学生的创新精神与实践能力，在创新人才培养中取得显著成效。未来将在教学研究与实践中不断优化和发展该培养模式，为新时代我国高水平创新人才培养提供更多经验和智慧。

参考文献

［1］林旭东，徐炳哲，吴万庆，等.“生物医学传感器”理论、实践及思政融合式教学探索［J］.教育教学论坛，2021（5）：4.

Abstract： The key to the construction of an innovative country and a strong scientific and technological power lies in the cultivation of innovative talent. As the main field of talent cultivation， universities shoulder the important mission of cultivating high-level innovative talent for scientific and technological innovation and economic development of the country. School of Biomedical Engineering， Sun Yat-sen University， focuses on how to promote high-level innovative talent cultivation， which is a crucial question in the higher education reform. Based on the long-term research and practice of teaching， an innovative talent cultivation mode featured by a combination of stepwise teaching and differentiated classes is proposed. In this mode， professional innovation education is conducted based on the strengthened professional basic education towards high-level innovative talent cultivation. Taking the experimental courses in biomedical materials as an example， the specific measures， implementation process and results of this innovative talent cultivation mode are discussed in detail. It can provide useful experience for our higher education to explore innovative talent cultivation.

Key words： stepwise teaching; differentiated classes; biomedical materials; experimental teaching; innovative talent cultivation