生物医学传感器实验教学的创新与探索

王 兆，黄 雷，付德刚

（东南大学生物科学与医学工程学院生物医学工程专业国家级实验教学示范中心，南京210096）

为适应我国生物技术的进步与医药产业结构的优化调整，高等院校对学生的创新能力和实际操作能力提出了更高的要求。对高等院校教育来说，如何在培养学生全面发展的同时更加聚焦学生创新能力与实践能力的提升，成为摆在高校专业教育面前的现实问题。根据专业课教学特点往往是将与专业教学密切相关的、成熟的科研成果转化为教学资源，这样可以较好地普及专业知识、培养专业素养，但同时也限制了学生对最新成果的追踪和认知，阻碍了学生逻辑思维和创新能力的提升。为此，许多高校都开展了多种多样的教学改革，但更多的是针对理论教学，而实验教学由于受到专业性质、教师水平和教学平台的限制，改革较为困难，成效不理想［1⁃3］。

本文着重分析以东南大学生物科学与医学工程学院主导的“生物医学传感器设计系列实验”为试点，立足本科教学示范中心，依托生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室优质科研资源，将前沿科研成果转化为教学实验，改革传统课程及实验课教学模式，消除理论与实际结合不紧密之弊端，成功实现专业课程中理论与实验的相辅相成、齐头并进，探索多学科融合教学的可行性。该新型实践教学形式的创新对专业实验教学体系的改革和发展将产生重大影响。

1 生物医学传感器课程实践体系的构建

生物医学工程医学电子学专业本科阶段的专业及专业基础课程包含了“生物医学传感器设计”“医学仪器”“医学图像处理”等多门课程。针对生物医学工程专业的学生，要求必须了解和掌握生物传感器的基本结构、工作原理及应用领域，因此设置了“生物医学传感器设计”课程。该课程分为理论教学和实验教学两部分，理论教学为依据课本进行课堂讲授，实验教学为利用市场购置的现成的传感器设计后继数据采集及处理系统。因为理论和实际结合度不够，课程讲授枯燥，进而影响学生对课程的理解和后续实验的学习效果。因此，新型生物医学传感器课程实践体系构建迫在眉睫，分析新型生物医学传感器课程实践体系构建的专业基础并进行内容设计对教学改革实践十分必要。

1.1 新型生物医学传感器课程实践体系构建的专业基础

生物传感器研究属于非常活跃的应用型研究和工程技术领域，它涉及生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、计算机等多门学科，是生物科学、材料科学以及电子科学的交叉领域，更是目前生物医学技术中必不可少的一种先进检测方法和手段（图1）。

图1 生物传感器所属的学科范畴Figure 1 The subject category of biomedical sensor

生物医学传感器课程一直依托于生物医学工程国家级实验教学示范中心，目前中心依据其自有的特色积极引入生物电子学国家重点实验室科学研究平台的前沿性科研成果，构建新型生物医学传感器课程实践体系［4］（表1）。东南大学生医学院生物电子学国家重点实验室在纳米材料及仿真、生物传感器的研究领域硕果累累，如近期基于微流控技术开发系列仿生螺旋纤维，并将其作为微弹簧用于心肌细胞收缩力学的传感，在心脏芯片研究方面取得重要进展［5］。依靠这些平台，可以实现将优质的科研资源转化成为实验教学资源，用科研成果强化实验实践教学体系，让学生与前沿技术实现零距离。

表1 联合教学中心和科研平台构建的生物医学传感器课程实践体系Table 1 The biomedical sensor curriculum practice system constructed by joint teaching center and scientific research platform

1.2 新型生物医学传感器课程实践体系构建的主要内容

1.2.1 新型生物医学传感器课程实践体系的设计

新型生物医学传感器课程体系设计包含以下内容：（1）根据生物医学传感器课程知识框架，新型实践体系缩减了理论课程课时，将相关理论知识学习变为机动灵活的翻转课堂；（2）邀请学界精英走进课堂，将生物医学传感器相关的前沿知识介绍给学生，进一步拓展学生的眼界和知识面；（3）增加生物传感器制备实践环节，学生亲自动手制备生物传感器，这一环节设计的目的是让学生对生物传感器的工作原理及其制备过程及成品有感性认识；（4）根据课堂所学传感器性能检测方法等相关知识，自主设计的敏感材料或传感器的性能检测方案，摸索传感器的性能并探讨其在生物医学领域中的应用；（5）结合电子电路、计算机技术、信号处理等知识，设计并制作可检测人体生理信号的简易小“仪器”。

此课程设计不但可以让学生直观深入了解传感器的基本结构、工作原理等，而且还能巩固课堂所学理论知识。最终学生面对自己辛苦实验所得的“成果”会形成一定的成就感，增强后续课程学习的兴趣和信心。

本实验课程中的内容引入国家重点实验室教师的部分科研成果，其中有些成果基本成熟，有些结果尚处在实验室阶段未公开发表，但这并不妨碍学生的探究学习，相反更有利于让学生认识了解科学研究的思维方式、实验手段和分析过程等。后期自主设计制作后端数据采集系统部分已经进行四届本科生实践，思路和方案基本成熟。教师团队由相关专业的教授和高级工程师等组成，任务分工明确。

1.2.2 新型生物医学传感器课程的两个阶段

（1）理论授课阶段⁃翻转式课堂。理论授课作为了解实验课程基本原理和实验流程的基础，是顺利开展好实验教学的第一步，具有十分重要的作用。实验教学的前提是理论知识必须扎实且能灵活应用。传统的理论授课主要以教师教授为主，存在理论与实践脱节的问题。因此，将理论知识穿插与实验中，以翻转课堂的形式来完成知识点的学习，即将理论授课改为学生自学与课堂研讨相结合的方式，变被动为主动。再结合科研前沿成果的讲授，使学生的专业知识学习更全面，更具有现实意义［6⁃7］。

首先让学生自学理论知识。第一步，学生通过自学传感器基础知识，初步掌握传感器的基本特征如传感器的静态特性、动态特性、性能指标、传感器应用电路的组成、生物医学传感技术原理等。将所有重要知识点划分为多个学习任务，下达给学生按任务进行学习。第二步是课堂研讨阶段。在课堂上，学生将通过文献查阅等方式自主学习获取的知识与同学和老师充分交流，任课老师在课堂中针对学生阐述的相关知识点进行查漏补缺、知识面拓展，同时通过课堂交流，也考察学生自学完成情况及对知识点的掌握程度。不同组之间通过交流和讲述进行思维碰撞，交叉掌握其他各组的学习成果，再经老师解答学生自学中存在的不解之处，进而巩固和提高理论知识的学习，达到学生主动学习的良好效果。

其次向学生讲解前沿技术及成果，以学生调研、课堂介绍和相关学科精英讲授的形式依次展开。学院科研实验室的科研技术成果介绍，既是与学科相关研究前沿的一次科普，也是与实验课程息息相关的前沿技术的一次理论预热，这样将学科前沿知识与学院科研实验室的成果进行了平稳过渡，有利于让学生了解传感器发展最新动态，了解学院相关实验室、学院教授们的科研方向，使得实践阶段学生在实验进行中能更具指导性地进行科研成果转化的探索［8］。

（2）实践阶段⁃科研成果转化。实践阶段是生物医学传感器实验课程的主体部分，包括“用于葡萄糖测定的电化学传感芯片”“柔性传感器的制备”“传感器性能指标的检测”“人体温度计的设计”“睡眠呼吸监测的设计”“脉搏信号检测仪的设计”“血氧信号的检测”“酒精含量的检测”等具体实践课程，重点培养学生实际动手操作能力。在实践环节中增加生物传感器制备，通过该环节让学生自己制备柔性传感器［9］、纸微流控分析芯片等生物传感器［10］。以往的教学形式是由教师准备所需设备与材料，学生只需按部就班做即可。而本实验课程教学形式相反，大部分实验前置设备材料都需要学生在前期自学和课堂老师指导下自行制备。因为这些实验所需设备器材多为实验中心教师科研成果，所以指导教师可以有目的地将科研成果转化为实验成果，且转化层级减少，转化效果较好。在实验过程中自行设计制作实验所需器材，是实验综合能力的体现，需要有良好的总体设计把控能力，并要求能够在实验的全过程中不停地分析与矫正实验方向，保证实验进度的完成和实验的成功。

2 新型生物医学传感器课程实践成果

以生物医学传感器课程实践体系为试点的科研成果转化的探索，做到了“生物技术与材料综合实验中心”和“医用电子技术实验中心”相联合，打破了生物科学与信息科学间的教学壁垒，成功建立了生物医学传感器实践教学体系。经过多届学生的课程实践检验，上述实验教学改革对学生的自主分析、综合设计和创新能力进行了锻炼和提高，取得了良好的效果（表2）。通过该实践环节的训练，拓展了学生的眼界和知识面，也提升了科研创新及综合设计能力。这一结果有力地证明了充分科学利用前沿性科研成果的优良资源，将其转化为实践教学环节是实验教学值得发展和改革的正确方向。

表2 生物医学传感器课程改革成果Table 2 Reform achievements of biomedical sensor course

3 新型生物医学传感器课程实践的经验总结

3.1 基于“互联网思维”的“翻转课堂”

当前专业知识更新速度以秒计算，学习自由度显著增加，大多数学习不再受到时间、空间及教师的限制，学习方法多样，知识获取越来越便捷、快速。虽然高校教学仍是大学生系统学习专业知识与技能的主要方式，但由于互联网的快速发展，高校逐渐失去对知识的垄断。因此，运用互联网思维改变信息获取的途径，转变教学思维、改革教学方式才能适应当前的教学新形态。在理论授课阶段实施“翻转课堂”模式时，注意强调学生自主获取信息能力的培养，真正做到由先教后学颠倒为先学后教，提升了课堂的质量。与此同时，新的课堂模式对任课教师也提出了更高的要求，需要教师不断扩充知识储备，实时掌握学科研究进展，以应对学生们的各种“奇思妙想”，从而促进师生共同进步。

3.2 “跨界”教学要勇于探索

在单一学科中，将科研成果运用到教学实验中较易实现，但有一定的内容局限性，受众面较窄。本次科研成果转化实践利用了学科融合的优势，将相关学科融合后进行实验教学，实现了学科知识体系的“跨界”，同时令学科理论指导实验进行“跨界”，使得知识体系容积增大，相关科研成果都可以并入教学实践，使得原本仅靠单一学科理论无法支撑教学的综合实验能够顺利进行，达到了“1+1＞2”的效果。但是，学科融合是一项长期工程，靠小部分单一学科的师资力量难以构建，必须依靠多学科的“跨界”团队进行周密合作，才能达到预期的效果。

3.3 科研成果转化要落到实处

科研成果转化是科教融合的一种有益探索，科教融合本身可作为科研成果到实际应用的催化剂。通过生物医学传感器实验课程实践的成功，我们总结经验，认为科研成果转化工作要将成果和课程紧密结合，不能仅仅是为课程的更新而机械地结合，要探讨和评估相关科研成果融入教学实践的专业相关性和执行可行性，通过不断地在教学实践中打磨，形成良性循环，将科研成果转化为教学资源落到实处，并通过缩短科研成果到教学实践的转化时间，保证学生所学知识及时更新，实现科研成果转化价值最大化。

4 新型生物医学传感器实验教学体系建立的意义

近年来，理工科高等院校教育非常注重实践操作能力的培养，但专业课程的授课模式还是以传统课堂教学为主，以教师为中心，学生被动接受［11］，目的是使学生建立固有专业知识体系。这种教学模式随着教育的发展和时代的变化，其通用性空间逐步缩小，会使得知识与产业相脱节，上课动机唯学分化等弊端逐渐显露。特别针对实践操作要求高的实验教学，这种传统教学模式的不足之处更为凸显。这也使得专业实验教学模式的改革迫在眉睫。

首先，新课程体系改变了课堂教学模式。传统的“黑板式”教学内容偏重于理论知识的讲授，对于带有实际操作与探索未知属性的实验课教学来说，严重不匹配。在实验教学中，如果只机械地罗列实验内容，则必然影响实验教学的效果。现在我们运用“翻转课堂”有效地解决了传统教学模式的弊端，增加师生的互动交流、活跃课堂氛围、取得了较好的教学效果。其次，新课程体系催化相关学科教学深度融合。在单一学科的发展趋势不足以支撑实验教学的跨越发展时，借力交叉学科、与现有教学相融合是一个创新性的思路。这种学科融合不是简单的合并，而是深度交叉融合。本次探索中，生物医学传感器设计实验实现了“生物材料”“医学电子”“生物信息”“生物器件”等多方向的融合，使不同知识体系与实践作用真正发挥于实验教学当中，在理论支撑和实验设计实施中进行全程支持，成为实验课教学的有机组成部分，是实验课教学、学科融合的有益探索。再次，新课程体系实现了前沿成果转化。教师以经过实践验证的科研成果来增强教学内容的时效性，大大地丰富和拓展了教学内容，使实验教学更加贴近最新的科技前沿。这不是知识量上的累积，也不是教学内容上无意义的堆砌，而是优化固有的教学知识结构体系，使之更加符合专业的发展，最终改革已有的教学模式。

翻转课堂、学科融合、科研成果转化三者有机结合，共同促进了新课程体系的建立，这一模式对专业实验课教学具有一定的指导和借鉴意义。