新工科背景下生物材料教學實驗體系建設的探索與實踐①

李慧麗 廖成竹 葉飛 田顏清

(南方科技大學 廣東深圳 518060)

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展,學科交叉與產(chǎn)業(yè)變革催生了“新工科”教育理念。有關專家將新工科的內(nèi)涵與行動歸納：“以立德樹人為引領，以應對變化塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新交叉與融合協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化創(chuàng)新型卓越工程人才具有戰(zhàn)略型創(chuàng)新性系統(tǒng)化開放式的特征[1-2]?！?，表明學科交叉融合是新工科的一個基本特點。學科交叉一般是結合兩個或多個學科的優(yōu)勢，解決多個學科共同關注的問題，有助于探尋、創(chuàng)建新知識體系。當代科學技術的迅速發(fā)展越來越依賴于不同學科之間的交叉融合。學科交叉融合是科學技術發(fā)展的必然趨勢，相應地建立新工科人才培養(yǎng)方案必須主動尋求多學科交叉融合。

生物材料，又稱生物醫(yī)用材料，是指與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的材料[3-4]。生物材料的一個鮮明特點是材料科學、生命科學和醫(yī)學、力學等的多學科交叉與融合，是新工科背景下重要學科[5]。其相關基礎研究與產(chǎn)業(yè)化在發(fā)達國家已被視為具有戰(zhàn)略意義，我國的科學和技術發(fā)展規(guī)劃也將其視為重要技術領域。因此，我國的各知名高校在爭創(chuàng)綜合性一流大學進程中，都在努力填補空白或加強該學科的實力。清華大學材料科學與工程學院開設了‘生物材料學概論’本科生課程和‘生物材料學’研究生課程，西南石油大學開設了‘醫(yī)用生物材料’課程,中山大學開設了‘生物材料導論’[6]。

生物材料課程是實踐性很強的學科，單純開設理論課會讓學生無法將理論運用于實踐。實驗是學生獲得正確思維、技能訓練和靈活運用知識并通往科研和工作的橋梁,有利于培養(yǎng)和發(fā)揮學生的主觀能動性,是教學改革的落腳點。然而，縱觀國內(nèi)高校，開設生物材料相關理論課已經(jīng)有一段歷史和基礎，但是開設生物材料實驗課的高校寥寥無幾。

南方科技大學秉承“敢闖敢試、求真務實、改革創(chuàng)新、追求卓越”的創(chuàng)校精神，堅持“創(chuàng)知、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”的辦學理念，在材料系成立并設立材料科學與工程專業(yè)后就開設了生物材料實驗課。目前生物材料實驗課主要面向大學本科三年級的學生開設的專業(yè)核心課程。經(jīng)過四年時間的探索與實踐，根據(jù)學生的接受程度以及學校反饋對課程內(nèi)容進行調整，目前已經(jīng)形成了初步的課程體系。

圖1 生物材料課程內(nèi)容結構體系

圖2 生物材料實驗室結構體系

1 構建生物材料教學實驗體系需要解決的問題

多學科交叉融合既是生物材料實驗的特點與優(yōu)勢，也是該門實驗課程面臨的挑戰(zhàn)。我國的大學教育是建立在分立的小專業(yè)基礎上的單一學科模式，傳統(tǒng)的教學模式強化了各門課程的獨立性和自我完備性，忽視了它們之間的關聯(lián)性，這些正是我們在構建生物材料教學實驗體系所需要解決的一系列問題：

1.1 學科之間易產(chǎn)生壁壘保護，不利于學科的交叉融合

多年來人們習慣于在有明確學科界限的范圍內(nèi)從事“縱深”式的研究,各學科知識結構上的差異,認識和探索方式上的不同,都成為學科間“橫向”交流與對話的障礙[7]。由于受傳統(tǒng)單一學科培養(yǎng)模式的局限,從而使不同學科間的溝通困難。目前現(xiàn)行管理體制也造成學科人為條塊分割,學科之間產(chǎn)生壁壘保護,限制了人員的流動和設備的共享,這對學科交叉極為不利[8]。

1.2 學生接受度問題

學生進行學習涉及多學科知識時容易忽略學科之間的內(nèi)在聯(lián)系，導致學生完成綜合性實驗難度高于其他單學科實驗，而且實驗時間較長，可能降低學生學習興趣以及積極性。因而提高學生基礎實驗技能，并將學科交叉實驗技能融合貫通，是構建生物材料教學實驗體系要解決的重點和難點。

1.3 師資力量問題

教師一般對自己本領域教學非常熟悉，在單學科教學實驗中可以非常有效地指導學生掌握該學科實驗技能。作為構建教學實驗體系的關鍵因素，如何引導學生在多學科交叉中將各項實驗技能融會貫通，對教師教學也是一項挑戰(zhàn)。

1.4 實驗室配備問題

教學實驗室和相應教學設備是開展實驗教學的前提和根本保障，多學科交叉的教學實驗更需要配備多個專業(yè)涉及的實驗室和儀器，才能保證實驗體系順利構建。學校的政策支持與引導是關鍵，在促進多學科交叉融合發(fā)展需要學校的政策促進各學科之間相互交流溝通。

2 生物材料教學實驗體系的構建及其特點

2.1 合理的學時安排

南方科技大學‘生物材料實驗課’于2015年與生物材料理論課同時開課，由材料科學與工程系開設，主要面向材料科學與工程系大三的學生。學時為32個學時，共設置兩個綜合性實驗。2016年，為了豐富實驗內(nèi)容，提高學生能力，增加為64個學時，實驗由兩個綜合性實驗變更為三個綜合性實驗。這幾個綜合性實驗實踐性強，實驗難度逐步提高，涉及多學科知識。較多的學時更有利于學生發(fā)揮主觀能動性，加強師生交流，同時有利于學生充分掌握多個學科知識綜合運用的能力，發(fā)揮本課程學科交叉的優(yōu)勢。

2.2 由易到難的綜合實驗體系

在2015年最初開設實驗課時，設置了兩個綜合性實驗，分別是藥物改性實驗和無機陶瓷生物材料制備實驗。這兩個綜合性實驗難度中等，但是因為材料系學生缺乏生物實驗基礎，所以掌握生物表征部分實驗技能有些難度。同時，兩個實驗難度相當，后期缺乏高級內(nèi)容，不利于激發(fā)學生的學習積極性。

針對這些問題，在第二年開課時根據(jù)學生的學習能力以及實驗基礎，設置了三個綜合性實驗，全面涵蓋材料制備、材料性能表征和材料生物性能評價等完整實驗流程，材料制備由單一材料制備逐漸過渡到復合材料制備，實驗難度逐步增加。鑒于材料系學生生物學基礎薄弱，在第一個綜合性實驗增加生物學基礎實驗，由細菌培養(yǎng)逐步過渡到細胞培養(yǎng)，便于學生掌握基本的生物實驗技術。

這三個綜合性實驗具體內(nèi)容分別為載銀活性炭抗菌材料、姜黃素藥物改性、聚乳酸與羥基磷灰石人工骨仿生復合材料制備。載銀活性炭抗菌材料是第一個綜合性實驗，制備方法簡單，學生容易掌握并且成功率很高，材料表征和生物學表征都可以取得到好的實驗結果，成功的實驗結果給予學生自信和增加學生的學習興趣，并且為后續(xù)實驗奠定扎實的實驗基礎。第二個實驗是姜黃素藥物改性實驗，這個實驗會學習一些藥物學的實驗技術，如藥物緩釋、藥物穩(wěn)定性和藥物毒性，生物學實驗難度逐漸增加。學生在學習了第一個綜合性實驗后，非常容易地掌握第二個實驗的技能。緊接著第三個綜合實驗是聚乳酸與羥基磷灰石復合材料制備，這個實驗在前面單一材料制備的基礎上過渡到復合材料制備，材料制備工藝難度加大，實驗難度增加也會進一步激發(fā)學生的主觀能動性。

2.3 實驗室建設

多學科交叉的實驗內(nèi)容體系需要相應實驗室硬件條件配合。為保證實驗體系順利構建，以及學生能夠充分運用各學科實驗技能完成綜合實驗，自2015年起，在學校的支持下開始生物材料實驗課程的實驗室建設。

2.3.1 化學合成實驗室

化學合成實驗室主要承擔生物材料合成實驗，如抗菌材料合成、無機陶瓷材料合成、高分子加工等實驗內(nèi)容，實驗室內(nèi)包含馬弗爐、真空旋轉蒸發(fā)儀、凍干機、擠出機和注塑機等用于材料合成的設備。

2.3.2 材料表征實驗室

材料表征實驗室主要承擔材料表征實驗內(nèi)容。實驗室配備掃描電子顯微鏡能譜聯(lián)用儀、紅外光譜儀、X射線衍射等相關儀器。利用掃描電子顯微鏡對材料表面形貌和元素組成表征抗菌材料，利用紅外光譜儀對改性后的姜黃素藥物的化學結構進行分析，利用X射線衍射儀對水熱法合成的羥基磷灰石進行結構表征。

2.3.3 生物實驗室

生物實驗室主要由細胞實驗室、細菌實驗室以及檢測實驗室三部分組成。細胞實驗室主要承擔細胞培養(yǎng)、材料生物相容性表征等實驗內(nèi)容，細菌實驗室承擔細菌培養(yǎng)、材料抗菌性能表征等實驗內(nèi)容。細菌和細胞實驗室主要有超凈臺、培養(yǎng)箱、搖床及生物顯微鏡等培養(yǎng)和觀察細胞和細菌的設備。檢測實驗室承擔生物相容性檢測實驗內(nèi)容，如材料促進細胞增殖能力和藥物對細胞毒性的檢測。檢測實驗室主要有酶標儀、倒置熒光顯微鏡等儀器。

2.4 教學團隊建設

具有單一學科背景的教師不適合獨自承擔多學科交叉教學任務，因而打造一支由具有不同專業(yè)領域的教師組成的教學團隊是非常必要的。目前，我系教學團隊由具有材料專業(yè)、生物專業(yè)以及化學專業(yè)等的教師組成，他們在各自專業(yè)領域教學經(jīng)驗豐富，通過這些老師之間相互交流合作，充分實現(xiàn)了學科之間的交叉融合。除此以外，學校擁有多位一直從事生物材料科研前沿工作的教師，他們對于該門教學實驗課程建設給予了大量的指導。在他們的指導下，生物材料教學實驗會一直緊跟科研前沿，不斷地豐富教學內(nèi)容。

2.5 逐漸增加研究設計型實驗

經(jīng)過4年時間建設，我校生物材料教學實驗體系已經(jīng)初步建成，為了緊跟科研前沿腳步，我們?nèi)詫⒊掷m(xù)改進。教學內(nèi)容加入研究設計型實驗是啟發(fā)學生自己動腦設計實驗，動手解決問題的有效方法。因此研究設計型實驗也將逐漸加入到目前的教學實驗體系當中，以科研為導向的教學[9],并在實踐教學中不斷完善。

3 結語

目前，我校生物材料教學實驗體系已經(jīng)初步建成。在課程設置分別設計了三個充分融合材料學、生物學、藥物學、化學等專業(yè)的綜合實驗。我校會緊跟科研發(fā)展前沿，持續(xù)改進。讓學生能夠掌握新理論、新技術和新方法。未來還會進一步加入研究設計型實驗，讓學生能夠真正成為課堂的主體，達到學生為主，教師為輔的學習效果。