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)

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)

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。

生物医学光子学；多学科交叉；实验教学；主动实践

生物医学光子学(Biomedical Photonics)是通过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[1-2]。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[3]。国际光学工程学会(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 Optics)，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(Biomedical 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-生物医学光学学会(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、生物医学界广泛关注的热点和最活跃的研究领域。

图1 生物医学光学期刊每年收录论文统计

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]。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[4]，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[5]。

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测、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量、激光散斑成像应用和激光扫描成像与刺激工程实现。

为方便学生开展实验专门编写了教学《生物医学光子学讲义》，并不断修改、完善。

基础实验内容首先由学生预习，课堂上教师适当讲解，随后学生分成2～4名一组开始实验，教师在课堂上穿插答疑与提问。这些实验项目都是根据学科发展编写设置的，具备新颖、现代特色，并根据学科发展趋势不断完善、充实。这些实验项目是必需的，可使学生了解生物医学光子学基本设备、技术、方法和应用进展，为拓宽学生视野和开展后续的主动实践环节提供支持与保证。

主动实践部分由教师指定题目或学生自由选题，通常在一学期内实施完成，期间教师了解项目进度、存在的问题并给予辅导，在期末时学生向教师预约时间进行答辩、验收、评分。学生可以单独选题实施，也可1～4名组队实施。组队选题时，一定分工明确，保证每个人工作量饱满、相当。学生选题自由度大，可自行联系感兴趣实验室或课题组进行，也可由教师指定，或自己选感兴趣的项目，或参与学校大学生创业创新项目。学生自由选题范围广，涵盖多个专业方向，如图1统计所示。这种大尺度选题方式极大激发学生学习热情和积极性，使学生从被动学习到主动实践。在实践环节，没有现成的讲义和教师具体讲解，需要学生自己调研、确定方案、开展实验和分析数据。通常为获得一个较高的分数，学生一般都会抽出更多的课余时间积极完成，从而保证主动实践完成的质量。学生在探索中学习，在学习中不断探索，建立学研结合的主动实践教学模式。

图1 课题研究方向统计

2.2 建立有效的考核评价体系

一个合理有效的考核评价体系不仅是对一个实验项目的考核，也应较多体现在学生开展学习思维、习惯、方法和创新能力的考核[6]。传统的考核评价体系包含实验方案设计、实验组织与操作、实验报告等三阶段考核方法，这只能证明这个学生完成某项实验内容，是否是真正独立思考、独立完成，很难判断(通常一个小组有2～4名)，更无从评价其创新思维和创新能力。更有甚者，个别学生会借助同组同学的“帮助”完成实验，很难实现教学大纲中确定的培养目标。为此，我们将考核体系调整为五部分，如图2所示。

图2 新考核评价体系

1)实验纪律

它是实验顺利、有序完成的保证，它包括学生是否自觉预习，能够提前到教室，实验中是否遵守实验室记录和操作规程，实验报告是否按时上交等方面。重点考核学生学习态度。

2)实验预习

要求学生根据实验讲义中的目的、原理和内容自己查资料和设计安排实验，学生可自由决定是否书写预习报告，这样宽松的规定可减少学生工作量，避免以前预习报告只是单纯抄实验指导书应付教师的现象，达到锻炼学生收集整理资料及设计方案能力的目的。另外，为便于学生开展预习准备，通常会召集所有学生上几次集中课，向学生介绍本专业方向最新科研动态和应用进展，调动学生学习热情和引领学生开展实验准备。

3)动手操作

这是学生动手能力考核的重点，教师引导学生实施预习报告所设计的方案，在实施过程中主要考核学生的基本操作、基本技能、基本实验方法的掌握情况以及修正并执行实验方案的能力。

4)实验报告

主要考核学生实验报告中的数据整理、分析、实验结果的正确性以及对实验过程中一些问题的思考能力等情况，同时要对整个实验过程进行总结。

5)主动实践

主动实践环节考核，是对学生选题是否适当、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，占用更多时间。

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，使学生懂得显微镜如何放大，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。

3.2 综合性实验能力培养

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

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

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。

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。我国社会发展到现阶段急需更多创新型应用人才，这就要求广大教育工作者得不断思考，改变单一模式与目标的实验教学方式，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。

[1]Tuan Vo-Dinh. Biomedical Photonics Handbook [M]. Florda: CRC Press，2003.

[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.

[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.

[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)：104-108.

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)

Biomedical photonics has becoming a hot spot in optics and biomedicine field. 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.

biomedical photonics; multi-subject crossing; experiment teaching; initiative practice

2014-07-28

刘亚丰(1976-)，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。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.035