以动物实验为兴趣激发平台的“生物医学材料学”课程教学改革初探

陈国宝 陈忠敏 王富平

(重庆理工大学药学与生物工程学院 重庆 400054)

目前，生物医学材料在大健康领域内有着广泛的应用，如组织工程、再生医学与整形美容等。“生物医学材料学”是生命科学与材料科学的交叉学科，涉及生物学、医学、材料学、免疫学、力学、化学等多个学科，是生物医学工程本科专业的基础课。该课程主要介绍生物医用材料的基本概念、分类、结构、性能、加工、体外和体内生物相容性等，侧重理论与应用研发相结合，了解和掌握生物医用材料与机体的相互作用现象及内在机制，关注生物医用材料的最新前沿进展和成果[1]。但是，由于该课程具有内容多、涉及面广、交叉性强等特点，大多数生物医用材料学本科教学主要通过从教师为中心的填鸭式上课方式，依据教学大纲，依靠文字或者幻灯片形式来完成[2]，且教学内容多集中在生物医用材料制备与表征部分，缺乏对生物医用材料在组织修复方面的评价，难以加深学生对生物医用材料的功能的理解，课堂气氛较沉闷，学生多为被动接受教学内容，对生物医用材料的很多概念和专业术语理解不够，缺乏有效的兴趣激发平台，不利于学生的学习兴趣和主动参与性的提高，等等，导致学生对教学内容的理解和掌握不足，影响教学效果，一定程度上限制了学生的创新思维和创新能力的培养等。

针对上述存在的问题和“生物医学材料学”的课程和教学内容特点，文章从“生物医学材料学”的应用角度入手，提出通过构建组织再生动物实验为兴趣激发平台的生物医学材料学本科生创新教学方法，包括通过建设相关的虚拟仿真实验室和结合人工智能技术开展生物医学材料设计等，让学生在完成动物实验的过程中切实感受生物医用材料的魅力，激发对生物医学材料学的兴趣，加强学生动手能力培养，以及通过实验动物手术等过程增强团队合作意识，让学生更加真实地感受生命和培养学生的尊重生命的意识等，提高教学效果。

1 搭建动物实验平台，激发学生学习兴趣

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”在教学过程中，兴趣对于学生在学习过程中能否更加地投入显得至关重要，直接影响教学效果。生物医学材料的理论教学往往更加关注生物医学材料的组成成分、物理与化学性质、制备的策略和方法、表征技术的原理和方法以及体外和体内的生物学响应等，教学内容缺乏直观性，不容易让学生在学习过程中产生浓厚兴趣，甚至会出现对所学理论知识存在枯燥感，不利于学生对所授知识的理解和掌握。通过设计不同的动物实验，更加直观地让学生感受不同损伤组织的修复和重建的效果，从而体验到生物医学材料的功能效果和独特魅力，加深对生物医学材料专业方向知识的兴趣与学习的主动性等，提高教学效果。例如：利用胶原-羟基磷灰石支架来修复新西兰大白兔的桡骨缺损；利用脱细胞神经导管来修复大鼠的坐骨神经损伤；等等。学生对这些支架植入实验动物体内的过程表现出浓厚的兴趣，对于生物医用材料如何能够完成组织缺损的修复具有很大的好奇心，包括从实验动物的麻醉、组织缺损模型的建立、生物医用材料的植入、创口的缝合、手术后消毒、注射青链霉素预防创口感染、以及经过不同的修复时期后对修复效果的评价等方面。

伴随着组织修复动物实验的开展，可以将生物医用材料制备的方法和基本性能的求贯穿其中。例如：生物医用材料只有满足细胞、组织和血液相容性才能在植入动物体内后不引起强烈的炎症反应，才能达到修复缺损组织的目的，满足临床的基本要求。通过不同组织缺损模型的建立，让学生更加直接、清晰地了解和掌握该种组织的天然结构与特征，明确生物医用材料设计和制作的基本原则就是仿生天然组织的结构和成分等；不同的修复时长后通过大体观察、组织学、影像学等方法来评价支架对缺损组织的修复效果，让学生切实地感受到生物医用材料在组织修复与再生中的独特魅力。

此外，与单纯的理论课堂教学相比较，通过搭建对应的动物实验平台而开展的生物医学材料教学方式具有更高的直观性、验证性、综合性、启发性与创新性等特点[3-4]，能够在实践过程中对“生物医学材料学”所涉及的基本理论知识点和应用性进行更加深入的阐述，更利于激发生物医学工程专业本科学生的学习兴趣和主观能动性，是促进“生物医学材料学”课程教学目标高质量完成和培养学生具备良好动手能力的重要途径之一。

2 建设虚拟仿真实验室，提高学生实践能力

考虑到本科实验教学条件的限制和实验经费不足等问题，可以将“生物医学材料学”课程相关的动物实验通过建设相关的虚拟仿真实验室来完成。虚拟仿真的基本原理是利用能反映现实情况的第一人称交互场景来开展训练、实验和研究[5]。

近年来，从中华人民共和国国家教育部到地方相关部门，均相继发布了一系列政策，大力推广虚拟仿真教学中心、虚拟仿真实验教学项目及虚拟仿真实训教学基地的建设，推动了我国虚拟教学产业的快速发展[6]。生物医学材料的制备和理化性质表征的实验周期长，表征仪器多，而且还会涉及高温、强酸、强碱以及其他危险试剂的不安全实验步骤等。因此，通过应用虚拟仿真技术让学生能够在虚拟实验环境下完成对生物医学材料的创新设计、制备过程、物理与化学性质的表征以及通过动物实验来对生物医学材料的功能进行虚拟评价，从而在有限时间、有限空间、有限条件下，尽可能避免长时间的实验过程和危险试剂使用等不安全实验步骤，降低实验成本，获得最大和最有效的实验教学效果，保证教学质量[7]。还可以通过引进人体解剖学虚拟仿真系统，帮助学生掌握人体的骨骼、肌肉、神经、血管、呼吸系统、淋巴系统、生殖系统、消化系统等，带给学生沉浸式的体验，可以完成仿真模拟手术操作等。通过虚拟仿真实验室这种方式，也可克服由于教学场地和成本等引起的问题，突破时间和空间限制，让学生能够有更多时间参与实验过程。此外，通过虚拟仿真实验室进行教学，可以进一步激发学生自主学习的积极性和实践能力，提高教学效果，达到培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力的目的，以及培养学生具备良好的综合素质，为以后从事生物医用材料相关工作或者进一步考取生物医用材料相关专业研究生奠定良好的基础。

3 结合人工智能技术，提升学生创新能力

人工智能（Artificial intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学[8]。目前，人工智能技术已经广泛应用于人脸识别、自动驾驶、金融等多个领域。在生物医学工程领域的应用主要集中于医学诊断的图像识别。人工智能技术已经被证明在数据获取、实验预测、结果分析等方面具有优势，尝试在“生物医学材料学”的教学过程中引入人工智能技术，指导生物医学材料的设计对于培养学生理解学科交叉与应用最新前沿技术具有重要的意义。任何材料的物理特性都取决于其独特的化学成分和分子结构。但是，设计高性能和功能的新型生物医学材料至今仍是一项充满挑战的工作，利用实验的方法对候选生物医学材料进行深入研究的传统试错方式，存在周期长、成本高、失败率高等诸多问题，难以在庞大的组合序列中筛选出满足实际多项性能需求的新材料。例如：统水凝胶的设计方法有限，效率低下，合成难度大，耗时长。利用人工智能技术，计算和统计多种不同化合物的物理、化学等特征参数并构建相关的数据库等，可以很好地预测和指导具有不同理化性质和不同结构的多功能水凝胶支架的设计。目前，已有研究报道利用深度学习的方法成功实现了将凝胶的物理化学结构特征与其自组装行为联系起来，加速了用于生物医学用途的新型自组装水凝胶结构的设计[9]。考虑到生物医学工程专业本科生在低年级时已经学习了包含了人工智能技术基础与应用的相关课程，了解人工智能技术的基本概念和原理，可以在生物医学材料的教学过程中，引导学生将人工智能技术与生物医学材料的设计进行有机结合，开展生物医学材料的创新设计，切实做到坚持以学生为中心的、人人参与的实验方案设计思路与理念，提升教学效果。

建设高水平本科教育是提高高等教育质量的最重要基础。培养本科生的创新思维是提高本科人才培养质量的一个重要方法[10-11]。通过“生物医学材料学”课程中引入的组织缺损修复模型的动物实验来带动和提高本科生的创新思维能力，可进一步构建以学生为中心的实验理论教学体系[12]，有助于培养本科生学术思维和学术素养，增加本科生与教师之间的专业知识交流，使学生尽早地具备学术规范的意识，通过对动物实验的结果的观察、评价、数据的分析等，完善本科生的科研训练、学术成果撰写等基础能力，并以此为基础，积极参与申报国家、省部级以及校级的本科生竞赛项目，如大学生创新创业训练计划项目、全国大学生生物医学工程创新设计大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛和挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛等。生物医学工程专业本科学生通过这些科研项目和竞赛项目的完成，可以进一步加强和巩固自身对“生物医学材料学”理论知识的理解、掌握和应用能力[13-14]。

动手能力是本科生综合能力的重要组成部分，也是本科生培养目标的重要组成部分[15-16]，缺损修复模型的动物实验是培养生物医学工程专业本科生的动手能力的一个非常有效的平台和方法。学生通过参与开展动物实验前的准备工作，例如手术器械的准备、植入材料的灭菌、实验动物手术前的禁食不禁水、麻醉剂的配置等，可以掌握实验动物麻醉的方法、动物手术固定装置的使用方法、伤口缝合技术和防止术后感染等知识。在动物修复评价阶段，主要通过石蜡切片或冰冻切片来进行组织学评价，学生可以掌握样本的切片技术、组织学染色技术等，通过最终修复结果评价分析，可以让学生获得成就感，增强对科研上午兴趣并提高科研能力，同时也能在这个过程中感受到科学研究所必需的严谨性和专业性。通过这些动物实验的完成，可以达到开拓学生知识范围、学术视野、吸收新的知识的目的，更重要的是在此过程中培养了学生的动手能力。在此过程中，也可很好地培养学生的团队合作意识，引导和教育学生明白再优秀的个体很难战胜一个优秀的团队，既要鼓励发挥个人才能，又要注重相互之间配合，加强组内和组间的沟通交流。此外，通过组织缺损修复模型的动物实验也可以进一步加强生物医学工程专业本科学生的尊重生命意识等，使学生的身心得到健康的发展。

4 结语

“生物医学材料学”不仅仅是“生命科学与材料科学”的交叉学科，还涉及医学、化学、工程学、力学、计算机科学、环境科学等众多学科领域，应用方向也非常广泛。此外，“生物医学材料学”也是一门实用性很强的学科，但由于该课程具有内容多、涉及面广、交叉性强等特点，缺乏有效的教学兴趣激发平台，导致学生对教学内容的理解和掌握不足，影响教学效果。通过构建组织缺损修复模型的动物实验平台来激发学生对“生物医学材料学”相关知识的学习兴趣与主动性，并在动物实验的过程中逐步培养和加强学生的创新能力、动手实践能力、团队合作意识以及动物伦理与福利意识等具有很好的可行性。此外，为了更好地完成这些动物实验，还需要进行一定的本科生实验条件改善和实验平台的建立，如建立标准的实验动物中心和动物手术室等。还可通过建设生物医学材料设计、制备和理化性质表征虚拟仿真实验室，搭建虚拟仿真训练系统，配置虚拟仿真训练设备，提高学生对生物医学材料的认识。也可借助人工智能技术的特点和优势，结合生物医学材料设计要求，通过应用人工智能方法，完成快速设计和精确预测具有自然界中不存在的复合材料或者结构等。总之，通过以动物实验为平台可以切实激发学生对“生物医学材料学”的浓厚兴趣和主观能动性，提升教学质量，增强生物医学工程专业本科学生的综合素质。