学研结合的主动实践教学模式探索

第１３卷第４期　２０１５年８月　实验科学与技术　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．１３　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１５　学研结合的主动实践教学模式探索　刘亚丰　（华中科技大学生命科学与技术学院，武汉４３００７４）　摘要：生物医学光子学已成为国内外光学界、生物医学界广泛关注的研究领域，然而它是一个多学科交叉、相互渗透的新　兴学科，给传统实验教学带来诸多挑战。文中以华中科技大学生命科学与技术学院生物医学光子学应用实验课为例，分析　其存在的问题和挑战，进而开展了的一些教学改革尝试与实践，构建了具有学习、科研兼顾的主动实践教学模式，为培养　学生创新能力、实验动手能力搭建了一个很好的平台。实践证明我们的方法、措施是有效的，有助于提高教学质量。　关键词：生物医学光子学；多学科交叉；实验教学；主动实践　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４５５０．２０１５．０４．０３５　中图分类号：Ｇ６４２．４２３　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｍｏｄｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＬＩＵ　Ｙａｆｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ａ　ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ　ｉｆｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｓｕｂｊｅｃｔ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｅｒｍｅａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　ｈａｄ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｏｕｒｓｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅｎ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｅｃｕｔｅｄ．Ｗｅ　ｂｕｉｌｔ　ａ　ｎｅｗ　ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｗｈｉｃｈ　ｈｅｌｐｅｄ　ｔｏ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｏｓｅ　ａｔｔｅｍｐｔｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｏｒｔｓ　ｈａｖｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｏｕｒ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，　ａｎｄ　ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ；ｍｕｌｔｉ—ｓｕｂｊｅｃｔ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ；ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　生物医学光子学（Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）是通过　学学会（ＩＢＯＳ），部分高校如华中科技大学、西安　交通大学、上海交通大学、天津大学等相继在生物　医学工程学科中开始了生物医学光子学相关课程。　１９９９年创办的生物医学光子学与成像技术国际学　术研讨会（ＰＩＢＭ），目前已成为亚洲地区规模最大　的生物医学光子学国际盛会之一。这些表明，生物　医学光子学已成为国内外光学界、生物医学界广泛　工程技术手段为生物医学或临床应用提供研究方法　或检测仪器的学科，是在生物学、医学和光学工程　等学科相互交叉和融合基础上发展起来的新学　科Ｌ１　Ｉ２　Ｊ。巨大的市场潜力和应用前景促进了该学科　的发展，据统计近年来美国西部光子学会议，生物　医学光子学专题的参会人员与数量已超过整个会议　主题的１／３，且呈逐年增长趋势　Ｊ。国际光学工程　关注的热点和最活跃的研究领域。　学会（ＳＰＩＥ）于１９９６年创办了该研究方向的专业期　刊——生物医学光学期刊（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｏｐ—　ｔｉｃｓ），目前已发展成为该领域论文发表量最大的权　威期刊（ＳＣＩ收录），该期刊收录论文量呈线性增加　趋势，如图１所示。美国光学学会（ＯＳＡ））也在　２０１０年新创办了特刊——生物医学光学快报（Ｂｉｏ—　ｍｅｄｉｃａｌ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ），已成为该领域的权威期　刊。国内为此成立了专门学科委员会一生物医学光　收稿日期：２０１４—０７—２８　图１　生物医学光学期刊每年收录论文统计　作者简介：刘亚丰（１９７６一），男，研究生学历，博士学　位，工程师，研究方向：生物医学光子学、光　遗传学、电生理学。　华中科技大学从１９９７年开始探索构建了生物　医学光子学特色方向的教学体系，经过十几年发展　・１１２・　实验科学与技术　２０１５年８月　与完善，教学体系初步成效，培养了一批高素质的　本科毕业生，造就一支高素质的教学团队，并推动　我校生物医学工程学科的发展＿３　Ｊ。本文从实验教　学角度，来说明面对这样一个多学科交叉、相互渗　透的新兴学科，如何开展实验教学。以《生物医　学光子学应用实验》课为例，具体阐述多年来的　教学实施及开展的一些有益尝试与创新，以期得到　同行批评指正，共同推动该学科发展，使学生搭建　良好的学科知识结构，掌握生物医学光子学专业知　识，在实践中锻炼学生动手能力和创新能力。　１　交叉学科给实验教学带来的挑战与思考　生物医学光子学应用实验中的许多实验项目涉　及光学、医学、生物学、电子学、计算机、数学、　物理等学科知识　Ｊ，因此要完成每个实验项目，　需要的知识储备多。如果教师还像传统教学那样，　先从头到尾给学生仔细讲解、再给学生示范操作，　势必会带来如下问题：（１）讲解示范过多则浪费时　间多，学生实验动手时间大大缩短；（２）学生在较　短时间内不可能接纳太多知识点、领悟实验原理；　（３）许多实验设备复杂、实验条件要求高，学生很　难重复教师的操作，获得良好的实验现象或实验　数据。　为此，教师必须转变教学观念和理念，打破以　往教师一味讲、学生一味机械重复操作的模式，与　时俱进，面向世界，确定新形势下的教学思想，以　辩证和发展的眼光去看待实验教学中的各个环节，　针对交叉学科的鲜明特点有的放矢：（１）减少教师　的授课时间。让２—４名学生为一组，相互讨论、　相互学习，课前预习掌握实验基本原理，并调研与　实验相关研究背景和现状。这样课堂上，教师就只　需讲解实验内容、注意事项及安全问题，少讲或不　讲背景知识及其原理，从而把更多时间用在实验指　导上；（２）减少实验示范时间或不演示。实验不演　示，更能激发学生的求知欲和学习兴趣，更好地锻　炼学生动手能力，有助理解基本原理和技术。教师　示范只会使学生机械地重复教师操作，由于一些设　备复杂，一些学生未必能记住教师的每一步操作，　这就要求学生课前充分预习，实验时独立动手操作　实验；（３）实验中随机穿插提问。为督促学生做好　课前预习，保证实验顺利进行，实验过程中针对一　些现象和问题，可直接向学生提问。这样做，不仅　能加强与学生的互动效果，还能重点检查学生是否　做好实验前准备，对一些基本概念、原理、常识是　否了解。实验教学中我们发现，在课程刚开始的几　个实验中，随机提问会使教师更辛苦一些，但后来　的实验会事半功倍，学生实验取得良好效果。　同时我们也看到，仅仅课堂上的实验教学已远　远不能满足新时期高等教育的目标。现代高等教育　的目的是培养学生创新意识、创新思维、创新方　法、创新能力。创新不仅是大学的办学理念，也是　大学的灵魂。教师不仅要传授学生新知识，还要培　养学生获得知识、运用知识和在实际工作中解决问　题的能力，即创新能力。如何培养学生的创新能　力，使学生尽快接受先进的科学技术、掌握先进的　实验操作规程、适应社会发展的需要，是广大高等　教育者应思考的问题。这些要求我们进一步解放思　想，完善教学模式，建立主动实践的教学模式　。　２学研结合的主动实践教学模式　２．１　建立学研结合的实验内容体系　首先从教学大纲上明确生物医学光子学应用实　验课程的任务是通过实验使学生更好掌握生物医学　光子学基本理论、技术手段，理论联系实际，培养　学生综合分析和解决问题的能力。其次，在培养计　划上，确定它为生物医学工程专业方向必修课，放　在大三上学期进行，是在学习完成应用光子学基础　实验课程基础上开设的专业课程。　为进一步拓展学生实践环节，将实验内容调整　为基础实验和主动实践两部分。在开设生物医学光　子学应用实验课程初期，本科生只进行基础实验内　容。学生在规定时间内完成实验项目，教师依据学　生课堂表现和实验报告打分。这种实验内容安排虽　能使学生掌握所学内容、锻炼其动手能力，但学生　还缺乏主动实践和独立开展研究的能力，这种现象　在后期开展本方向课程设计与毕业设计中尤为明　显。为扭转这种局面，我们在后续的实验课程基础　上增加了主动实践部分。基础实验环节重点加强学　生的“学与练”，主动实践环节重点加强学生的　“研与探”，建立学习与研究相结合的实验内容体　系，进一步培养和锻炼学生综合分析问题和解决问　题的能力，保证质量的完成教学大纲中规定的培养　目标。　基础实验内容是大纲中规定的必选项目，要求　学生在规定的时间、规定的教室完成，它包括８个　实验项目：荧光显微镜应用、单光子计数与微弱光　检ｉ贝４、拉曼光谱及测量、表面等离子共振原理与应　用、光镊与光阱力测量、双积分球组织光学参数测　・１１４・　实验科学与技术　２０１５年８月　实验安排是否合理及完成效果的考核，是学生学习　能力即开展主动实践能力的考核。它通常由学生预　约教师，进行项目答辩和验收，根据学生汇报和完　成结果进行综合打分。　这五个阶段的考核评价体系建立，既可向学生　展示每个实验阶段的重要环节，又可完成对一个自　主实验客观的全面的分析，尤其对实验过程中遇到　的问题能进行合理的分析。　２．３　实现实验室真正开放　生物医学光子学应用实验用到的仪器，除部分　是购买的商用仪器，剩余的是本实验室开发的，这　些仪器设备精密贵重，不可能重复购置或搭建多台　同类型设备，这会限制一次实验的人数。例如，为　使学生对光压有一个直观感性理解和认识，我们开　设了光镊与光阱力测量实验。一台国产光镊系统价　值１５万元，现实只允许我们购置一台这样的设备。　本科生按１２０名计算，２名一组，一次实验４个学　时，那么完成这样一个实验需要２４０个学时，这将　使教师重复讲解，占用更多时问。　另外，学生必需拥有一定知识作为基石才能进　行创新，而其理论课程学习较繁重，则留给实验时　间就很紧张，这样安排的实验往往会很集中，很难　保证实验获得良好效果，更不利于锻炼学生动手能　力和实际操作。　为使教师从烦琐的教学工作中解脱出来，把更　多时间用于开发新实验，研究新教学方法、教学手　段上，为更好锻炼学生实践技能、获得良好实验效　果，需要实验开放，优化、合理应用实验室资源。　具体措施有：非实验教学时间做到实验室开放，让　有兴趣的学生进入实验室，根据他们的能力和兴趣　爱好，让他们围绕实验课程进行不同阶段的实验。　学生与教师积极配合，教师辅导、启发学生，鼓励　学生按自己的想法、灵感设计实验，动脑动手，自　主参与，这样有利于开发学生的潜能和促进个性发　展，同时也提高了实验设备的利用率。　实验室开放不能以应对学校管理要求而开放，　更不能成为一种形式，而应成为一种常态。开放应　起到真正效果，既使学生得到有效的实践锻炼，又　实现仪器设备的高利用效。这需要在制度上给予保　障，学校要给予重视与支持。在正常工作时间，实　验室管理教师应到岗，可随时给予学生答疑。实验　室开放的核心是要调动学生参与实践的积极性，一　般而言实验室开放从制度到硬件很容易实现，难的　是学生能愿意到实验室做事、坚持到实验室动手实　践。这需要从两个方面采取措施保证，一是可把基　础实验部分内容硬性安排零散时间完成，二是设置　更多知识层面的与时俱进的课题，实验室在设备、　试剂、耗材等方面给予保证。　当然，实验室开放也会给实验室安全管理带来　一些挑战，为此可安装不同角度高清晰摄像头，能　实时观察记录实验室内不同位置处的具体情况；给　学生办理磁卡钥匙，对进出实验室进行有效跟踪管　理；安装烟雾报警装置，有效监控实验室安全；安　装独立空气开关、水管总阀，学生离开实验室要关　掉这些开关；实验试剂、耗材独立存储、分区放置　等措施保障。　２．４建立对话沟通长效机制　实验教学中，我们发现有些学生对一些实验很　感兴趣，由于实验室条件不能满足学生求知的要　求，我们就推荐学生到其他研究所或课题组，提早　进入科研领域，进行一些更为前沿、深入的实验和　研究。另外，由于生物医学光子学应用实验往往会　涉及较广而又深的理论知识，有时学生碰到的一些　疑难问题即使是实验教学人员也未必能给出准确的　答复，我们就为学生与研究所、专家学者建立一座　沟通桥梁，使学生碰到的一些疑难问题能够及时得　到解决，延伸了实验教学，学生的反馈反过来也促　进了实验教学。　因此，加强与学生、与研究所的沟通联系，建　立有效的对话机制，不仅会进一步激发学生对实　验、对学科研究的兴趣，也将为学生进行创新实验　打下一个良好的基础。　３　主动实践教学模式特色　通过以上教学思想转变和相应措施实施，使学　生处于教学中心地位，有利于调动学生学习积极　性，激发学生解决问题的兴趣，培养学生解决问题　的能力，同时激励学生根据自己兴趣，进行创新实　验，培养他们的实践能力和创新能力。相对传统教　学模式，主动实践教学模式有自己的特色，产生一　些有特点的教学效果。　３．１　基本实验方法和操作技术能力培养　通过基础实验，使学生掌握常用仪器应用、实　验基本方法、实验注意事项等。如通过荧光显微镜　应用实验开展，使学生瞳得显微镜如何放大，调焦　是如何实现的，荧光观察在技术手段上如何实现等　理论课上无法体验到的效果。　第１３卷第４期　刘亚丰：学研结合的主动实践教学模式探索　．１ｌ５．　３．２综合性实验能力培养　育工作者得不断思考，改变单一模式与目标的实验　在掌握基础实验基础上，让学生接触一些较先　进的、高级的仪器设备，培养学生的科学思维能　力、系统分析能力、实验知识的综合运用能力。例　如，开展拉曼光谱实验，使学生掌握它的工作原　理，其测量技术需要用到单光子计数技术，这正好　与其他实验项目结合起来，有利于学生构建系统的　知识结构。　３．３科学检索能力培养　教学方式，大力推广适应新时期高等教育要求的教　学模式，通过有效的手段与途径引导学生去尝试更　高层次与水平的科学探索。　在多年实验教学中，我们针对生物医学光子学　学科特点，进行一些积极有效的研究与探索，构建　了具有学习、科研兼顾的主动实践教学模式，为培　养学生创新能力、实验动手能力搭建了一个很好的　平。实践证明我们的方法措施是有效的，提高了教　学质量。中国社会改革仍在推进，我们的教学模式　探索也在持续，希望今后有更多的想法与实践。　参考文献　［Ｉ］Ｔｕａｎ　Ｖｏ—Ｄｉｎｈ．Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．　Ｆｌｏｒｄａ：ＣＲＣ　Ｐｒｅｓｓ，２００３．　要培养学生创新能力，不了解当前科学技术发　展就好比井底之蛙；相反，就会一览众山小。因　此，培养学生的科学检索能力是非常必要的。在实　验中，一方面让学生根据实验内容自己查阅文献资　料，调研当前研究现状；另一方面课堂上采取随机　选题的方式，让学生完成某个方向课题的调研，作　为实验考核的一个组成部分。实践证明，这些措施　取得了一定的效果。　３．４创新能力培养　［２］谢树森，李晖，牛憨笨，等．生物医学光子学的发展　与前瞻［Ｊ］．中国科学，２００７（３７）：１—１１．　［３］骆清铭，朱丹，曾邵群，等．生物医学光子学特色方　鼓励学生根据自己兴趣和爱好，调研研究现　状，选取制订自己的实验项目即主动实践环节内　向本科教学体系建设初探［Ｊ］，高等工程教育研究，　２００８（４）：１０６—１０９．　［４］许改霞．生物医学光子学交叉学科研究生培养模式探　索［Ｊ］．中国科教创新导刊，２０１１（１）：４８—４９．　容，学生对方案制度、实验实施、实验结果及现象　分析等都要独立完成，使学生尽早接触有实用价　值、有创造性的前沿学科研究。　［５］陈松茂，张志明，徐忠阳，等．学研结合的工程训练　培养模式研究［Ｊ］，实验技术与管理，２０１３，３０（２）：　１５７—１５９．　４结束语　实验教学是理论教学的检验过程和有力支撑，　是理论联系实际不可或缺的环节。我国社会发展到　［６］王睿，程湘爱，宁禹，等．应用光学实验教学体系的　构建［Ｊ］，高等教育研究学报，２０１２，３５（３）：１０４　—１Ｏ８．　现阶段急需更多创新型应用人才，这就要求广大教　（上接第１０４页）　而且极大地激发了学生的学习兴趣，在培养学生的　创新思维方面卓有成效，也为以后的实验教学提供　岛：中国海洋大学出版社，２００９：９９—９３．　［５］顾月姝．基础化学实验（ＩＩＩ）——物理化学实验［Ｍ］．　北京：化学工业出版社，２００４：１４６—１５１．　借鉴和参考。　参考文献　［１］李健．名师的标准执教的范式［Ｊ］．中国大学教学，　２００３（９）：２０．　［６］彭方雁，刘慧琴．创新性人才培养的探索与实践［Ｊ］．　高等教育工程研究，２００１（１）：２７—３０．　［７］胡建华．大学教学改革与创新性人才培养［Ｊ］．中国高　等教育，２００９（９）：４３—４４．　［８］顾建民．大学教育改革的创新实践及基本走向［Ｊ］．北　京科技大学学报：社会科学版，１９９９（１５）：７９—８３．　［２］尹鸿钧．知识经济时代特征与我国高教改革发展战略　［Ｊ］．教育与现代化，１９９９（２）：３—１１．　［３］冯丽娟．改革中的大学化学——浅谈非化学专业大学　化学中元素化学的教学［Ｊ］．中国海洋大学高教研究，　２００１（３）：１１—１４．　［９］杜朝晖，邱隽．基于知识经济时代大学教学的改革与　创新［Ｊ］．黑龙江高教研究，２００５（４）：９９—１００．　［１Ｏ］马万华，俞岳青．目前大学教学改革中的一些实际问　题［Ｊ］．中国大学教学，２０００（２）３６—３９．　［４］张洪林，杜敏，魏西莲主编．物理化学实验［Ｍ］．青