應(yīng)用型本科課外探究性實(shí)驗(yàn)的開展

孫懷遠(yuǎn) 廖躍華 楊麗英

摘? 要：探究性實(shí)驗(yàn)旨在提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維與創(chuàng)新能力。結(jié)合“醫(yī)用材料”課程具有知識(shí)覆蓋面廣、內(nèi)容與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域緊密聯(lián)系的特點(diǎn)以及課程學(xué)習(xí)中主要存在的問題，以醫(yī)用金屬材料表面涂層為研究目標(biāo)，開展“學(xué)研結(jié)合”型探究性實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)本科學(xué)生的專業(yè)興趣、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和實(shí)施研究的能力。介紹了探究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)、技術(shù)路線、實(shí)施過程及結(jié)果分析，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)研究在課程、教學(xué)、科研方面的創(chuàng)新特色。

關(guān)鍵詞：學(xué)研結(jié)合;探究性實(shí)驗(yàn);醫(yī)用材料;涂層

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）08-0059-03

Abstract： The exploratory experiment aims atimprovingstudents' independent learning ability， scientific thinking and innovation ability." Medical materials" course has the characteristics of extensive knowledge coverage and content closely linked to the medical field， to combine with the characteristics and the main problems existed in learning the course， taking the surface coating of medical metal material as the research objective， the exploratory experiment of "combination of study and research" was carried out to cultivate students' professional interest， independent experiment skills and the abilityto conduct research. The content design， technical route， implementation process and result analysis of exploratory experiment were introduced and the innovative features of experimental study in curriculum， teaching and research were summarized.

Keywords： combination of study and research; innovative experiment; medical material; coating

大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究和探索一直是被高等教育管理者和教師普遍關(guān)注的主題[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是增強(qiáng)應(yīng)用型本科專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力非常重要的環(huán)節(jié)和手段，對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有特殊作用，是高校人才培養(yǎng)的重要組成部分[2]。然而，目前高校教育中普遍存在課程設(shè)計(jì)重“學(xué)”輕“術(shù)”、畢業(yè)生不能很好掌握科學(xué)思維方法，理論知識(shí)的遷移與運(yùn)用能力不強(qiáng)，這使得人才培養(yǎng)并沒有很好地符合“新工科”建設(shè)意識(shí)對(duì)新型工程科技人才培養(yǎng)的宗旨[3，4]。解決上述問題的有效途徑之一就是開展各類實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)及研究的能力[5，6]。而應(yīng)用型本科學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)的目的就是培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，是提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的重要手段[7]，也是高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在此背景下，針對(duì)上海健康醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)“醫(yī)用材料”課程具有知識(shí)覆蓋面廣、內(nèi)容呈現(xiàn)醫(yī)工結(jié)合的特點(diǎn)以及課程學(xué)習(xí)中主要存在的問題，我們開展了“學(xué)研結(jié)合”型探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即在教師指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，對(duì)“醫(yī)用金屬材料”表面進(jìn)行涂層實(shí)驗(yàn)研究，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、組織實(shí)施、結(jié)果分析、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

一、實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

“醫(yī)用材料”涉及的內(nèi)容很多，如生物醫(yī)用金屬、陶瓷、聚合物的特性及材料表面修飾與表征等。醫(yī)用金屬材料又稱作植入類金屬材料，由于其引發(fā)的細(xì)菌感染即生物材料相關(guān)感染問題一直存在，這使得材料表面抗菌改性研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一[8]。隨著對(duì)生物材料相關(guān)感染問題研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到在植入類金屬材料表面進(jìn)行藥物涂層是實(shí)施醫(yī)用金屬材料表面抗菌改性、解決金屬內(nèi)植物表面感染問題的重要方式之一[9]?；谖⑾到y(tǒng)理論的微量噴射技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型工藝方法，具有高精度、微量化、可控性好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量、定向及精細(xì)圖形化噴射，目前已在生物工程、心臟支架表面涂覆等方面得到應(yīng)用[10，11]?！搬t(yī)用金屬材料”表面涂層實(shí)驗(yàn)就是基于微量噴射技術(shù)、結(jié)合“醫(yī)用材料”課程教學(xué)開展的探究性實(shí)驗(yàn)研究。

探究性實(shí)驗(yàn)是第二課堂教學(xué)，是學(xué)生在掌握一定專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上、綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法所進(jìn)行的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)，旨在提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，這不僅要求學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)，更要求學(xué)生能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行思考，理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在邏輯[12]?；诖?，“醫(yī)用金屬材料”表面涂層實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：

1. 通過自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作，熟悉微量噴射技術(shù)，了解其在生物工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在植入類金屬材料表面抗菌涂層改性方面的應(yīng)用;

2. 掌握植入類金屬材料的要求與特點(diǎn)，了解金屬材料表面進(jìn)行抗菌改性和涂層的工藝措施與方法;

3. 實(shí)現(xiàn)“學(xué)研結(jié)合”，將“醫(yī)用材料”課程理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，并通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究，努力提升動(dòng)手與創(chuàng)新、交流與協(xié)調(diào)、分析問題與解決問題等多方面能力，以成為社會(huì)需求的技術(shù)應(yīng)用型表1。

二、實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

實(shí)施“醫(yī)用金屬材料”表面涂層探究性實(shí)驗(yàn)之前，必須制定完整的實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)路線，做到有的放矢和目標(biāo)明確。具體的技術(shù)路線概括如表1。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

（一）掌握技術(shù)

實(shí)現(xiàn)材料涂層制備的微量噴射技術(shù)有：壓電式微噴技術(shù)、超聲霧化微噴技術(shù)、空氣霧化微噴技術(shù)等?；趯?shí)驗(yàn)操作條件和實(shí)施實(shí)驗(yàn)的主體，本項(xiàng)目選用基于壓電控制的微量噴射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為“醫(yī)用金屬材料”涂層探究性實(shí)驗(yàn)主體設(shè)備，該系統(tǒng)由電控制模塊、氣控制模塊、微量噴射模塊、視覺觀測(cè)模塊及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊構(gòu)成。其原理是：在氣控制模塊作用下，噴頭腔體內(nèi)的液體平衡于噴嘴位置，由電控制模塊使壓電陶瓷材料產(chǎn)生伸縮形變，從而使噴嘴處的液體噴射出去而形成液滴[13]。整個(gè)系統(tǒng)的操作控制通過觸摸屏進(jìn)行，寫入的程序可以精密控制噴頭與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在X、Y、Z三軸方向上的運(yùn)動(dòng);電控制模塊每施加一次電壓脈沖就會(huì)使噴頭產(chǎn)生微小液滴，液滴的噴射時(shí)間、大小和體積都與驅(qū)動(dòng)電壓、噴射頻率有關(guān);液滴及其噴射狀態(tài)可以通過視覺觀測(cè)模塊展示于操作界面。學(xué)生通過查閱資料自學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)、操作練習(xí)等手段，掌握基于壓電控制的微量噴射技術(shù)及其應(yīng)用，熟悉微量噴射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的噴涂參數(shù)設(shè)置與調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，為噴涂實(shí)驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

（二）材料選型

實(shí)驗(yàn)材料分為涂層基材和噴涂材料。涂層基材是植入人體內(nèi)醫(yī)療器件的主體，噴涂材料是植入材料表面修飾與改性的輔助。

如前所述，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)用植入材料主要有鈦合金、鎂合金等。其中鈦合金具有密度小、強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕性強(qiáng)、生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，可大幅減輕植入物對(duì)人體的負(fù)荷量、對(duì)人體生理環(huán)境不產(chǎn)生污染、無毒副作用，是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，已成為全球人體植入物及假肢矯形產(chǎn)品生產(chǎn)所需的主要金屬材料[14]。根據(jù)“醫(yī)用金屬材料”涂層實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)思想和“醫(yī)用材料”課程教學(xué)目標(biāo)，本研究利用微量噴射技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行表面涂層，以改變其表面特性和探索微噴參數(shù)對(duì)鈦合金植入物的影響。

鈦合金表面修飾與改性的噴涂材料必須滿足安全無毒、生物相容性好、可降解、能載藥等要求。目前已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的此類材料主要有海藻酸鈉、纖維素、膠原蛋白、明膠、聚乳酸等[15]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）是一種有機(jī)高分子聚合物，可降解、無毒、抗腐蝕、生物相容性和成囊成膜性良好，廣泛用于醫(yī)用工程材料、制藥等領(lǐng)域[16]。所以，本研究選用PLGA作為載藥用噴涂材料對(duì)鈦合金表面進(jìn)行涂層，并通過該基礎(chǔ)研究，摸索噴涂參數(shù)與修飾改性的關(guān)系。

（三）涂層實(shí)驗(yàn)

根據(jù)“醫(yī)用金屬材料”表面涂層實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)路線，在掌握微量噴射實(shí)驗(yàn)技術(shù)、確定實(shí)驗(yàn)材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行PLGA材料噴涂可行性測(cè)試，摸索噴頭驅(qū)動(dòng)電壓、噴射頻率、PLGA濃度及運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)對(duì)涂層的影響并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;采用單因素控制法、以不同微噴技術(shù)參數(shù)對(duì)鈦合金片進(jìn)行噴涂，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀察形貌特征。具體過程如下：

材料準(zhǔn)備：對(duì)將要噴涂的10mm×10mm×1mm鈦合金片進(jìn)行砂紙打磨處理至表面光滑，然后除油、超聲波清洗5分鐘（清洗液為無水乙醇），最后取出并貯存、以備后用。

噴射系統(tǒng)調(diào)試：對(duì)壓電微噴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微量噴射模塊、視覺觀測(cè)模塊、電控制模塊、氣控制模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊等進(jìn)行調(diào)整，使各模塊能協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作、實(shí)施液滴噴射。

噴射成型：在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)視覺觀測(cè)模塊的輔助下，通過調(diào)節(jié)噴頭驅(qū)動(dòng)電壓、噴射頻率、PLGA溶液濃度等微噴參數(shù)，獲得穩(wěn)定的液滴噴射狀態(tài)和理想的液滴大小;再調(diào)用預(yù)設(shè)的噴涂程序，設(shè)置坐標(biāo)參數(shù)后進(jìn)行噴涂。

（四）結(jié)果分析

對(duì)噴涂實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，對(duì)觀察和掃描電鏡等儀器檢測(cè)的液滴大小、涂層表征等結(jié)果進(jìn)行比較，得出噴頭驅(qū)動(dòng)電壓、噴射頻率以及PLGA溶液濃度對(duì)涂層形貌特征的影響關(guān)系：

1. 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)液滴直徑的影響呈現(xiàn)類拋物線變化，即液滴直徑隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而呈“小-大-小”趨勢(shì)，其原因是：驅(qū)動(dòng)電壓較小時(shí)，液體運(yùn)動(dòng)能隨壓電信號(hào)增大而增大，使液滴以較大體積噴出;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大到一定值后，產(chǎn)生的更大壓電信號(hào)使液滴克服表面張力被擠出而以較小體積噴射;但由于噴射速率等因素的影響，過低或過高的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)使液滴狀態(tài)不穩(wěn)定，從而使涂層出現(xiàn)凹坑或凸起的形貌。

2. 在驅(qū)動(dòng)電壓一定的情況下，噴射頻率增大會(huì)使液滴直徑減小，其原因是：驅(qū)動(dòng)電壓一定時(shí)，噴頭內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能不變，頻率增大則會(huì)使液滴噴射間隔縮短，從而使每個(gè)液滴體積變小;但頻率過高會(huì)使液滴產(chǎn)生漂移并分散形成衛(wèi)星滴，從而使涂層形貌特征變得不均勻、不平整。

3. 在驅(qū)動(dòng)電壓、噴射頻率一定時(shí)，噴頭噴出的液滴直徑將隨PLGA溶液濃度的增大而減小，這是因?yàn)橐旱伪砻鎻埩﹄S溶液濃度增大而減小，從而使液滴不易凝聚而呈較小體積噴射;但根據(jù)掃描電鏡觀察結(jié)果可以確定，適中的PLGA溶液濃度方可獲得較好的涂層效果。

四、結(jié)束語

“醫(yī)用金屬材料”表面涂層探究性實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用微量噴射技術(shù)進(jìn)行鈦合金材料表面PLGA涂層的基礎(chǔ)研究，是結(jié)合“醫(yī)用材料”課程知識(shí)特點(diǎn)而開展的“學(xué)研結(jié)合”型實(shí)驗(yàn)探索。它是在老師指導(dǎo)下，以本科學(xué)生為實(shí)驗(yàn)和研究主體，完成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的申報(bào)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線的擬定、實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)施等;學(xué)生通過參與項(xiàng)目，對(duì)醫(yī)用金屬材料的特性有了更深的理解;同時(shí)，也提升了學(xué)生對(duì)科研的興趣及自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、數(shù)據(jù)分析處理、解決問題的能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作、和諧溝通、努力創(chuàng)新的意識(shí)。

實(shí)踐證明，本探究性實(shí)驗(yàn)研究具有如下特色：

1. 課程方面：與“醫(yī)用材料”課程理實(shí)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣和提高學(xué)習(xí)效果。

2. 教學(xué)方面：將科學(xué)研究與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)以科研促教學(xué)的“教研結(jié)合”和“學(xué)研結(jié)合”的思路，探索培養(yǎng)具有分析能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的技術(shù)應(yīng)用型人才的有效手段。

3. 研究方面：應(yīng)用壓電微噴技術(shù)這一新型工藝方法實(shí)施植入性金屬材料鈦合金涂層，是融生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、機(jī)電工程學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多學(xué)科的協(xié)同研究，是醫(yī)工結(jié)合的典型體現(xiàn)，能有效促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)遷移與綜合運(yùn)用能力以及科研能力。

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