“双一流”背景下生物芯片与生物传感课程教学新模式探讨

陈柱 邓燕 郭媛 李文 黄钊 聂立波

摘 要：在“双一流”背景下，生物医学工程专业《生物芯片与生物传感》课程存在交叉性较强，知识内容较多且更新较快，国内尚未形成完整的教学体系等特点。本文首先介绍了本课程的基本知识体系及存在的具体问题，设计了虚拟仿真实验教学、"科创"项目训练式教学等三种适合一流教学的课程模式;同时为广大高校教师在交叉性强的学科教学实践中提供新的教学策略和理论依据。

关键词：生物芯片与生物传感;教学模式;双一流

中图分类号：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 緒论

为增强我国高等教育整体实力，进一步提升综合国力，2015年11月5日，国务院发布了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》（简称双一流建设方案），到21世纪中叶一流大学和一流学科的数量和实力进入世界前列，基本建成高等教育强国[1-4]。而一流大学的建设需要一流的学科，一流的学科建设需要一流的课程。其中一流课程建设指的是实施一流课程“双万计划”建设，即建设1万门左右国家级一流课程和1万门左右省级一流课程[5]。在此背景下，结合我校生物医学工程专业特色，建设《生物芯片与生物传感》一流课程具有十分重要意义，目前该课程教学现状存在以下问题：（1）教师很难准确地把握学生学习变化情况，无法为学生提供丰富的学习资源，无法满足不同学习水平学生的需求;（2）多数教材中专业知识更新较慢，难以将最新技术应用到课堂上;（3）教学内容大多受实验条件和环境的限制，不能很好讲理论与实践融合。因此，我们将阐述《生物芯片与生物传感》课程建设的理念，主要从教学模式方面对该课程进行了探索。

2 课程简介

常规的生物学分析方法面临成本高昂、操作复杂、检测通量低、检测限和灵敏度不足等问题，无法满足许多领域中生物检测分析的需要。随着纳米技术、微纳加工技术、电子信息技术的快速发展，生物传感器和生物芯片应运而生并日益发展壮大，即将生物分子的特异性识别与传感技术有机地结合起来，具有快速、简便、敏感、特异等优势，成为最具潜力的生物检测分析技术。《生物芯片与生物传感》课程主要包括以下章节：人体生理信息及分子生物医学基础、化学量传感与检测技术、物理量传感与检测技术、生物量传感与检测技术、现代生物医学传感技术基础等五大部分。该课程是一门交叉性很强的学科，知识的更新很快，且涉及知识点较多，目前国内还未有系统的《生物芯片与生物传感》的教材，从而难以深入理解与应用。

3 教学模式

教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序。作为结构框架，突出了教学模式从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部的关系和功能;作为活动程序则突出了教学模式的有序性和可操作性。本文结合我校专业和“双一流”背景，重点讲述3种教学模式在交叉学科中的教学。

3.1 “互动式”教学

通过营造各种各样的互动教学环境，在双方平等交流讨论的过程中，完成不同观点碰撞交互，进一步激发双方的主动性和创新性，从而达到教学效果的提高。目前主要包括：归纳问题式、多维思辨式、精选案例式、主题探讨式等互动模式。其核心在于教师能在教学过程中要提供良好的学习环境，激发学生的兴趣爱好，使学生能“动”起来。在化学量传感与检测技术这一章节中，我们精选经典的pH计传感器设计为例，教师讲述基本的原理和知识背景，将学生分为化学组、物理组、软件专题组，教师创设开放性、多角度问题/专题，学生根据分组确定内容，阅读教材、查阅资料与文献等，分析整理记录，共同探讨从敏感膜的制备，电信号的采集到电脑端的数据显示等pH传感器设计的整个流程、贯穿知识及实际应用。在互动时，每组学生不仅要认真倾听其他组介绍，同时要及时提出问题进行咨询讨论，从而促进组间的互帮互学。此外，物理传感器、生物传感器等传感器的设计都可以采用上述方式教学。总之，通过设计一些特定的案例，教师与学生，学生与学生间进行问答式互动，不仅有利于学生对知识的深刻掌握，拓展学生对知识的实践应用，而且促进教师与学生间的感情，建立了良好的师生关系。

3.2 虚拟仿真实验教学

虚拟实验技术在教育领域具有重要应用价值，在高校科研工作中具有辅助作用，同时在实验教学方法上也具有容易维护、利用率高等优点。它主要依托多媒体、虚拟现实、人机交互、网络通信和数据库等技术，建立高度仿真的实验对象和虚拟实验环境，学生可在虚拟环境中进行实验，实现教学大纲所要求的教学效果。其建设核心目的是达到真实实验不具备或难以完成的教学功能。譬如在极端或涉及高危的环境、不可逆或不可及的操作，高消耗、高成本、大型或综合训练等情况时，完成可靠、经济和安全的实验课题。虚拟仿真实验教学中心任务应充分体现虚实结合、能实不虚、相互补充的原则，结合开设课程和特色专业，体现我校学科专业优势，借助企业的开发实力和服务支持能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生创新能力和综合设计为出发点，创造性地运用高水平软件技术共享虚拟实验、远程控制虚拟实验和仪器共享虚拟实验等教学资源，拓展实践领域，丰富教学内容，提升教学能力，减少风险和成本，实现绿色教学实验。

《生物芯片与传感器》研究生命大分子信息获取、传递、分析等相互作用的规律，难以用宏观来表现。其一以微生物快速鉴定为例，通过虚拟仿真模拟DNA/RNA的提取、扩增、荧光检测灯实验操作全过程，同时从微观层面掌握如何从微生物细胞中提取核酸，如何核酸扩增，如何定量/定性檢测核酸浓度等，最后应用到我们实际中如食源性致病菌检测、转基因食品检测、呼吸道传染病检测等。其二以脑电信号的检测为例，通过虚拟仿真模拟人在喜怒哀乐、休息等状态下，人的脑电信号是如何产生、传递、刺激与消失的，如何控制生理、器官的功能;并且了解如何通过工具分析脑电波形信号，最后通过真实生命特征测量，进一步加深理解。

3.3 “科创”项目训练式教学

“科创”项目训练将科研与教学融合，能够启发和提高学生的兴趣，同时掌握并加强学生对知识的理解。借助“大学生创新创业训练计划”“中国‘互联网+大学生创新创业大赛”“全国大学生生物医学工程创新设计竞赛”等竞赛项目，帮助学生设计有创新性、有趣味、合理的课题项目，或者借助最新的科研项目，将这些转化为教学内容，融会贯通到教学实验中去，这样学生能够带着问题，带着好奇，带着目的去学习。以《生物芯片与生物传感》课程教学为例，将最新的仪器研发原理和过程及应用剖析，讲解给学生听。具体以全自动、全封闭核酸快速检测一体化仪研究项目为案例，本课程知识包含了分子生物学、计算机学、电气学、机械自动化、材料学学科等知识，以及如何应用在样本纯化、核酸扩增、荧光检测等实验中。在既掌握微观生物信号流程的同时，也了解了宏观的信号流程。最后，利用传感器技术实现出来。所述传感器类似通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息的眼睛、鼻子、舌头、耳朵等感知器官。由此掌握了生物传感器、生物芯片等的基本概念，以及所需的知识框架所应用的具体领域。此外，再结合一些特定的疾病案例来讲解，如乙肝、糖尿病、癌症等，既可以让学生感觉这些与他们的生活息息相关，也可以教他们如何健康生活，从而激发对《生物芯片与生物传感》这门课的兴趣与激情，进而促进他们自主的、举一反三地获取知识、理解知识与应用知识。

4 结语

本文以我校《生物芯片与生物传感》为生物医学工程学科专业课为例，在“双一流”背景下，重点探讨了“互动式”教学、虚拟仿真实验教学、“科创”项目训练式教学等教学模式。一方面有利于提高学生理解与知识应用能力，另一方面为广大高校教师在交叉性强的学科教学实践中提供新的教学策略和理论依据，也为其他交叉学科的教学模式提供学术和应用价值。

参考文献：

[1]赵凯.虚拟仿真技术在电子技术信息化实践教学中的应用——以Multisim为例[J].西部素质教育，2020，6（6）：118-119.

[2]李玲，刘欢，贺亚玲，等.“双一流”医科院校建设背景下医学微生物与免疫学实验教学的优化探讨[J].医学教育研究与实践，2020，28（3）：426-430.

[3]黄文武，王建华.“双一流”建设中一流学科建设理工化问题及对策[J].中国高教研究，2020，6：86-91.

基金项目：湖南工业大学学位与研究生教育教改课题（项目编号：JG1707），2018年湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教通[2018]436号，434）

作者简介：陈柱（1986—），男，汉族，湖南株洲人，博士研究生，讲师，研究方向：生物芯片与生物传感。

*通讯作者：聂立波。