“雙一流”背景下生物芯片與生物傳感課程教學(xué)新模式探討

陳柱 鄧燕 郭媛 李文 黃釗 聶立波

摘 要：在“雙一流”背景下，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《生物芯片與生物傳感》課程存在交叉性較強(qiáng)，知識(shí)內(nèi)容較多且更新較快，國內(nèi)尚未形成完整的教學(xué)體系等特點(diǎn)。本文首先介紹了本課程的基本知識(shí)體系及存在的具體問題，設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、"科創(chuàng)"項(xiàng)目訓(xùn)練式教學(xué)等三種適合一流教學(xué)的課程模式;同時(shí)為廣大高校教師在交叉性強(qiáng)的學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中提供新的教學(xué)策略和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物芯片與生物傳感;教學(xué)模式;雙一流

中圖分類號(hào)：G642

Abstract：Under the background of "double first-class"，the course of Biochip and Biosensor of biomedical engineering is characterized of strong intersections，extensive knowledge content and rapid updating，and incomplete teaching system in China.This paper first introduces the basic knowledge system and the existing specific problems of this course，and designs three course modes suitable for first-class teaching，such as virtual simulation experiment teaching and "science and innovation" project training teaching.Besides，it provides new teaching strategies and theoretical basis for the teachers in colleges and universities in the interdisciplinary teaching practice.

Key words：Biochips and biosensors;Teaching model;“Double First-Class”

1 緒論

為增強(qiáng)我國高等教育整體實(shí)力，進(jìn)一步提升綜合國力，2015年11月5日，國務(wù)院發(fā)布了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》（簡(jiǎn)稱雙一流建設(shè)方案），到21世紀(jì)中葉一流大學(xué)和一流學(xué)科的數(shù)量和實(shí)力進(jìn)入世界前列，基本建成高等教育強(qiáng)國[1-4]。而一流大學(xué)的建設(shè)需要一流的學(xué)科，一流的學(xué)科建設(shè)需要一流的課程。其中一流課程建設(shè)指的是實(shí)施一流課程“雙萬計(jì)劃”建設(shè)，即建設(shè)1萬門左右國家級(jí)一流課程和1萬門左右省級(jí)一流課程[5]。在此背景下，結(jié)合我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色，建設(shè)《生物芯片與生物傳感》一流課程具有十分重要意義，目前該課程教學(xué)現(xiàn)狀存在以下問題：（1）教師很難準(zhǔn)確地把握學(xué)生學(xué)習(xí)變化情況，無法為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，無法滿足不同學(xué)習(xí)水平學(xué)生的需求;（2）多數(shù)教材中專業(yè)知識(shí)更新較慢，難以將最新技術(shù)應(yīng)用到課堂上;（3）教學(xué)內(nèi)容大多受實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境的限制，不能很好講理論與實(shí)踐融合。因此，我們將闡述《生物芯片與生物傳感》課程建設(shè)的理念，主要從教學(xué)模式方面對(duì)該課程進(jìn)行了探索。

2 課程簡(jiǎn)介

常規(guī)的生物學(xué)分析方法面臨成本高昂、操作復(fù)雜、檢測(cè)通量低、檢測(cè)限和靈敏度不足等問題，無法滿足許多領(lǐng)域中生物檢測(cè)分析的需要。隨著納米技術(shù)、微納加工技術(shù)、電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，生物傳感器和生物芯片應(yīng)運(yùn)而生并日益發(fā)展壯大，即將生物分子的特異性識(shí)別與傳感技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，具有快速、簡(jiǎn)便、敏感、特異等優(yōu)勢(shì)，成為最具潛力的生物檢測(cè)分析技術(shù)?！渡镄酒c生物傳感》課程主要包括以下章節(jié)：人體生理信息及分子生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)、化學(xué)量傳感與檢測(cè)技術(shù)、物理量傳感與檢測(cè)技術(shù)、生物量傳感與檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)基礎(chǔ)等五大部分。該課程是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，知識(shí)的更新很快，且涉及知識(shí)點(diǎn)較多，目前國內(nèi)還未有系統(tǒng)的《生物芯片與生物傳感》的教材，從而難以深入理解與應(yīng)用。

3 教學(xué)模式

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序。作為結(jié)構(gòu)框架，突出了教學(xué)模式從宏觀上把握教學(xué)活動(dòng)整體及各要素之間內(nèi)部的關(guān)系和功能;作為活動(dòng)程序則突出了教學(xué)模式的有序性和可操作性。本文結(jié)合我校專業(yè)和“雙一流”背景，重點(diǎn)講述3種教學(xué)模式在交叉學(xué)科中的教學(xué)。

3.1 “互動(dòng)式”教學(xué)

通過營造各種各樣的互動(dòng)教學(xué)環(huán)境，在雙方平等交流討論的過程中，完成不同觀點(diǎn)碰撞交互，進(jìn)一步激發(fā)雙方的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，從而達(dá)到教學(xué)效果的提高。目前主要包括：歸納問題式、多維思辨式、精選案例式、主題探討式等互動(dòng)模式。其核心在于教師能在教學(xué)過程中要提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的興趣愛好，使學(xué)生能“動(dòng)”起來。在化學(xué)量傳感與檢測(cè)技術(shù)這一章節(jié)中，我們精選經(jīng)典的pH計(jì)傳感器設(shè)計(jì)為例，教師講述基本的原理和知識(shí)背景，將學(xué)生分為化學(xué)組、物理組、軟件專題組，教師創(chuàng)設(shè)開放性、多角度問題/專題，學(xué)生根據(jù)分組確定內(nèi)容，閱讀教材、查閱資料與文獻(xiàn)等，分析整理記錄，共同探討從敏感膜的制備，電信號(hào)的采集到電腦端的數(shù)據(jù)顯示等pH傳感器設(shè)計(jì)的整個(gè)流程、貫穿知識(shí)及實(shí)際應(yīng)用。在互動(dòng)時(shí)，每組學(xué)生不僅要認(rèn)真傾聽其他組介紹，同時(shí)要及時(shí)提出問題進(jìn)行咨詢討論，從而促進(jìn)組間的互幫互學(xué)。此外，物理傳感器、生物傳感器等傳感器的設(shè)計(jì)都可以采用上述方式教學(xué)。總之，通過設(shè)計(jì)一些特定的案例，教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生間進(jìn)行問答式互動(dòng)，不僅有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻掌握，拓展學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，而且促進(jìn)教師與學(xué)生間的感情，建立了良好的師生關(guān)系。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教育領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，在高?？蒲泄ぷ髦芯哂休o助作用，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上也具有容易維護(hù)、利用率高等優(yōu)點(diǎn)。它主要依托多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，建立高度仿真的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。其建設(shè)核心目的是達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。譬如在極端或涉及高危的環(huán)境、不可逆或不可及的操作，高消耗、高成本、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，完成可靠、經(jīng)濟(jì)和安全的實(shí)驗(yàn)課題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心任務(wù)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、相互補(bǔ)充的原則，結(jié)合開設(shè)課程和特色專業(yè)，體現(xiàn)我校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)，借助企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和服務(wù)支持能力，充分整合學(xué)校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地運(yùn)用高水平軟件技術(shù)共享虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)和儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)能力，減少風(fēng)險(xiǎn)和成本，實(shí)現(xiàn)綠色教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

《生物芯片與傳感器》研究生命大分子信息獲取、傳遞、分析等相互作用的規(guī)律，難以用宏觀來表現(xiàn)。其一以微生物快速鑒定為例，通過虛擬仿真模擬DNA/RNA的提取、擴(kuò)增、熒光檢測(cè)燈實(shí)驗(yàn)操作全過程，同時(shí)從微觀層面掌握如何從微生物細(xì)胞中提取核酸，如何核酸擴(kuò)增，如何定量/定性檢測(cè)核酸濃度等，最后應(yīng)用到我們實(shí)際中如食源性致病菌檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)、呼吸道傳染病檢測(cè)等。其二以腦電信號(hào)的檢測(cè)為例，通過虛擬仿真模擬人在喜怒哀樂、休息等狀態(tài)下，人的腦電信號(hào)是如何產(chǎn)生、傳遞、刺激與消失的，如何控制生理、器官的功能;并且了解如何通過工具分析腦電波形信號(hào)，最后通過真實(shí)生命特征測(cè)量，進(jìn)一步加深理解。

3.3 “科創(chuàng)”項(xiàng)目訓(xùn)練式教學(xué)

“科創(chuàng)”項(xiàng)目訓(xùn)練將科研與教學(xué)融合，能夠啟發(fā)和提高學(xué)生的興趣，同時(shí)掌握并加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。借助“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”“中國‘互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽”等競(jìng)賽項(xiàng)目，幫助學(xué)生設(shè)計(jì)有創(chuàng)新性、有趣味、合理的課題項(xiàng)目，或者借助最新的科研項(xiàng)目，將這些轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，融會(huì)貫通到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中去，這樣學(xué)生能夠帶著問題，帶著好奇，帶著目的去學(xué)習(xí)。以《生物芯片與生物傳感》課程教學(xué)為例，將最新的儀器研發(fā)原理和過程及應(yīng)用剖析，講解給學(xué)生聽。具體以全自動(dòng)、全封閉核酸快速檢測(cè)一體化儀研究項(xiàng)目為案例，本課程知識(shí)包含了分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、電氣學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化、材料學(xué)學(xué)科等知識(shí)，以及如何應(yīng)用在樣本純化、核酸擴(kuò)增、熒光檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)中。在既掌握微觀生物信號(hào)流程的同時(shí)，也了解了宏觀的信號(hào)流程。最后，利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)出來。所述傳感器類似通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息的眼睛、鼻子、舌頭、耳朵等感知器官。由此掌握了生物傳感器、生物芯片等的基本概念，以及所需的知識(shí)框架所應(yīng)用的具體領(lǐng)域。此外，再結(jié)合一些特定的疾病案例來講解，如乙肝、糖尿病、癌癥等，既可以讓學(xué)生感覺這些與他們的生活息息相關(guān)，也可以教他們?nèi)绾谓】瞪?，從而激發(fā)對(duì)《生物芯片與生物傳感》這門課的興趣與激情，進(jìn)而促進(jìn)他們自主的、舉一反三地獲取知識(shí)、理解知識(shí)與應(yīng)用知識(shí)。

4 結(jié)語

本文以我?！渡镄酒c生物傳感》為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)課為例，在“雙一流”背景下，重點(diǎn)探討了“互動(dòng)式”教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、“科創(chuàng)”項(xiàng)目訓(xùn)練式教學(xué)等教學(xué)模式。一方面有利于提高學(xué)生理解與知識(shí)應(yīng)用能力，另一方面為廣大高校教師在交叉性強(qiáng)的學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中提供新的教學(xué)策略和理論依據(jù)，也為其他交叉學(xué)科的教學(xué)模式提供學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)位與研究生教育教改課題（項(xiàng)目編號(hào)：JG1707），2018年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通[2018]436號(hào)，434）

作者簡(jiǎn)介：陳柱（1986—），男，漢族，湖南株洲人，博士研究生，講師，研究方向：生物芯片與生物傳感。

*通訊作者：聶立波。