主题互动式新工科研究生教学探索与实践

摘 要：在生物医学工程院系开设生物材料表界面一类专精课程有利于凸显新工科背景下多学科交叉融合特色，助力培养医疗器械细分领域创新型科技攻关人才。该文以中山大学研究生课程生物材料表界面与功能化为例，在“以学生为中心”教育理念导向下，以“自主创新精神”为引领，以生物材料表界面及表面改性相关原理、技术和应用为切入点，针对交叉学科研究生多元化个体需求及传统“灌输式”授课模式潜在问题进行“主题互动式”教学改革，以实现教与学立体联动，培养学生核心素养和综合能力。

关键词：新工科;生物材料表界面;主题互动式教学;研究生课程改革;创新型人才培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）21-0134-05

Abstract： The establishment of specialized courses such as those on "Biomaterials Surface and Interface" in the School of Biomedical Engineering helps highlight the unique characteristics of multidisciplinary integration under the background of new engineering and contributes to the cultivation of innovative scientific and technological talents in the subfield of medical devices. This article exemplifies our "theme-based interactive teaching" practice for the postgraduate course "Biomaterials Surface， Interface and Functionalization" in Sun Yat-sen University， which was implemented under the guidance of the "student-centered" educational concept while embracing the "spirit of independent innovation". Principles， techniques and applicationsthat are related to biomaterials surface/interface and surface modification were selected as the entry points of theme-based interactive teaching to meet the diverse individual needs of postgraduates with interdisciplinary background and facilitate classroom interactions that are lacking intraditional "indoctrination-based" teaching. Such innovative educational mode is expected to help realize multidimensional linkages between teaching and learning while cultivating students' core literacy and comprehensive competence.

Keywords： new engineering; biomaterials surface and interface; theme-based interactive teaching; postgraduate curriculum reform; innovative talent cultivation

生物医学工程是一门理、工、医高度交叉融合的综合性边缘学科，旨在运用物理学、生物学、医学、信息学和工程学等多学科理论和方法，面向疾病预防、诊断、治疗和康复，开发先进生物材料、医疗器械/装备、诊断技术等以解决有关临床问题，促进医学进步，服务人类健康[1]。推进高端生物材料及医疗器械自主研发以打破国际市场垄断，保障国民健康安全，是新工科背景下各生物医学工程院系开展学科建设、科学研究和人才培养的核心任务之一[2]。生物材料作为医疗器械研发的物质基础，其进入人体后，首先通过其表界面与宿主发生相互作用，进而引发一系列生物学响应和材料学变化，最终决定器械的安全性、有效性和功能性[3]。为此，通过表面处理、涂层修饰等表面改性手段可有效调控生物材料的表界面行为，提升医疗器械的临床效用及寿命[4]。然而，我国现阶段匮乏此方面关键技术及高层次人才，严重制约了高性能医疗器械自主创新研发。

一 生物医学工程专业开设生物材料表界面与功能化课程必要性

研究生有着独立活跃的思想和相对成熟的知识储备，是学术创造和科技创新的主力军[5]。研究生课程教学是研究生培养的重要环节[6]。为更好地培养新工科创新人才以主动应对医疗器械行业新一轮科技革命与产业变革，有必要在生物医学工程院系开设生物材料系列研究生课程，帮助学生夯实生物材料基础理论，了解领域前沿和行业需求，提升医工融合自主创新能力[5]。当前国内高校相关师资主要集中面向本科生开设内容宽泛的生物材料学基础课程，而缺乏针对研究生认知特点的更为系统深入的课程教学，如鲜有设立生物材料表界面之类专精前沿课程[7]，长此以往易导致细分领域科研攻关人才短缺。为此，笔者在中山大学生物医学工程学院开设生物材料表界面及功能化研究生课程，协助培养具有扎实专业知识、广阔学科视野和自主创新意识的新工科复合型人才。

二 生物材料表界面与功能化教学过程中存在的问题和挑战

生物材料表界面与功能化是笔者结合个人研究领域，于2022年起在中山大学新开设的一门生物医学工程专业研究生选修课，共2学分，32学时，在开课之初就吸引了来自我院生物医学材料、生物医学传感和医疗仪器三个学科方向以及附属医院相关方向研究生的积极选课。笔者在教学过程中发现以下问题。

（一） 选课学生个体需求多元化

交叉学科属性决定了各类相关专业（如材料、化学、医学、生物、机械和计算机）本科生跨学科考研或保研进入我院，表现出对授课内容的个性化需求。以生物材料基本性能要求等学科常识为例，非本专业背景学生先前较少接触相关理论需适当科普，但这会造成本专业生源学生重复性学习。又如，不同研究方向学生关注应用领域不同，如骨科植入物、心血管支架、抗肿瘤纳米材料和传感芯片等，难在有限学时内逐一覆盖。

（二） 适合本课程的教材较为稀缺

目前缺乏针对生物材料表界面与功能化的专门教材。当前市面上已有诸如《生物材料：生物学与材料科学的交叉》《生物医学材料学·材料生物学》等一众优秀的生物材料教科书籍，但仅在部分章节对生物材料表界面这一主题进行了泛泛的介绍。国内兄弟院校同题材课程多基于教师研究方向和相关文献自主设计，体系性较差，不利于培养系统思维。

（三） 学生缺乏互动积极性

研究生课程在知识深度和前沿性上普遍高于本科，若还沿用传统“教师讲、学生听”的单向灌输式授课模式，会使刚步入研究生阶段的新生难以适应，互动积极性差，影响教学成效。同时，还有部分对本课程无兴趣的学生为了“凑学分”被动选课。不同专业背景所致学情差异也会造成学生课堂参与感不足，逐步丧失学习兴趣。

针对上述问题，有必要对生物材料表界面与功能化进行教学改革，帮助提升教学效率，达成既定育人目标。

三 生物材料表界面与功能化主题互动式教学模式创新

为深入贯彻“以学生为中心”的教育理念，全面提升新工科背景下生物医学工程专业研究生的创新思维、专业素养和综合能力，笔者在生物材料表界面与功能化授课过程中探索并实践了多元立体的“主题互动式”创新教学模式（图1），其运行机制概述如下：教师根据大纲将教学内容划分为逻辑关联的若干“主题板块”，并按照实际需要在各主题板块下设置“互动话题”，以问答、研讨和汇报等互动教学活动展开，引导学生全面主动参与课堂，帮助丰富完善授课体系，实现“教”与“学”立体联动。

具体来讲，课程基于生物医学工程理工医“互融互促”学科特色以及对医疗器械表界面细分领域科技攻关技术与人才的需求，以原理、技术和应用为切入点，设立了“表界面基础理论”“表界面表征评价”“表面改性技术”和“表面功能化与应用”等层层递进且多维交叉的四大“主题板块”及下属的兼具科学性和趣味性的“互动话题”，让学生学习体悟“何为表界面及生物材料表界面”“如何对生物材料表界面特性进行表征或评价”，以及“如何选择合适的表面改性技术进行表面功能化以满足临床应用需求”等本领域核心科学与技术问题。在课程前半段，重点教师概述性/主线性讲解表界面理论、技术和应用逻辑框架，穿插问答或研讨式互动活动以激活课堂氛围、启发自主思维；在后半段，随着学生认知水平的提升，课程以学生自主选题的独立或分组主题汇报互动为主，要求结合文献调研展示其擅长或熟知的表界面创新技术或应用领域，辅以教师提问和点评，完成课堂的翻转。

由上述模式驱动的课程体系既蕴含学科基本概念原理，又涉及行业先进技术手段，还辐射领域应用研究前沿，能够较好地兼顾授课内容的广度与深度，以及科学性、技术性与创新性。更为重要的是，不同专业背景和课题方向的研究生均可在各主题板块下找到契合自身情况的原理、技术或应用相关互动话题，在独立思考、分组讨论和学术报告过程中调动求知热情，拓展学科视野，培养自主创新意识和综合思辨能力，锻炼团队协作能力。

四 生物材料表界面与功能化主题互动式教学实施实例

（一） 基于“问题”的主题互动式教学

哲学家波普尔曾说，“知识并非起源于观察，也非起源于理论，而是起源于问题”[8]。其实早在两千年前，我国著名教育家孔子就在《论语·为政》中讲“学而不思则罔”，提倡在学习过程中不断思考、提出问题。基于“问题”的主题互动式教学旨在围绕选定的主题创设具体话题，以精心设计的“互动式”问题为知识载体，引导学生在思索、分析和解答问题的过程中主动汲取知识。实践表明，该法能有效激发学生的学习兴趣，助其培养独立思考和创新思维的能力。

具体举例来说，在“表界面基础理论”主题下，教师以“日常表界面现象”为互动话题，通过有趣的动图或微视频引入紧贴实际生活的情景问题，如“为何吹出来的肥皂泡泡接近球形？”“为什么水黾能在水面上行走？”“雨伞伞面有细小的孔，为何水不会从孔里漏出？”“为何荷叶能出淤泥而不染？”并鼓励现场同学自荐作答，再由教师分析总结。该“教师引导、学生思考”的互动环节能够唤醒学生的科学探索欲望，引导其主动发现现象背后的机理，助其构建对“表面”“界面”“表面张力”“表面浸润”等知识点的系统概念。进一步，笔者还通过陈设层次嵌套的问题链深化主题互动，训练学生的逻辑思维能力。例如，以“表面张力”为互动话题，教师在课堂开展“浮针”小实验，即将一枚金属针轻放于一杯水的水面展示针“浮而不沉”的现象，由此导入互动问题“金属针受哪些力”。绝大多数同学都能正确描绘针因重力（G）及另一相反的托力（F）达受力平衡，但对于F属性存在争议（有说是浮力，有说是表面张力）。此时，教师辨析浮力（液体内部不同深度压强差）与表面张力（液体表面与内部水分子受分子间力不均衡）产生原理，明确F源自表面张力（针位于液面而非内部）。在此基础上，要求学生画出液体内部与表面水分子受力图，以启发对表面张力本质和特征的探析。最后，进阶提问“根据表面张力定义，推测在氯化钠、汞、水和苯等液滴之中谁具有最大表面张力”，并鼓励学生严谨分析、演算求证。

值得一提的是，通过合理设计还能将问题（链）有机嵌入研讨、汇报等主题互动活动中，并贯穿于各个主题板块和知识环节。此外，为提高互动参与度及时效性，还探索了利用“雨课堂”等新兴网络教辅工具，进行线上实时互动与线下教学相结合的混合式“主题·问题”互动教学模式，颇受欢迎且成效显著。

（二） 基于“研讨”的主题互动式教学

为进一步深化课堂互动，增进教学黏性，教师结合特定表界面主题，组织实施基于“研讨”的主题互动式教学，将学习“抛锚”于情景化的、以学生为主体的、以解决问题为导向的专题研讨活动[9]。为此，教师参考学生学科背景和研究方向将其划分为小规模研讨小组，在先导教学内容的基础上，为学生陈设基于问题、案例、文献的“开放性”研讨任务，鼓励小组成员课前查阅相关资料，自主学习，做好前期准备；在课堂中，教师营造师生平等、宽松民主的研讨氛围，鼓励组内与组间协同头脑风暴，互动交流观点，旨在集思广益，澄清困惑，达成共识，实现对课堂知识的内化吸收与外延拓展。

例如，当教师对“界面的定义”（物质与物质的交界面）进行先导教学后，要求学生针对以下互动话题进行分组研讨：“盛有沸水的烧杯涉及的界面”。当各组讨论得出“固-液/固-气/液-气”的结论后，教师对结果进行点评，并增加话题难度“在上述烧杯中加入乙醇或磁子”。在进一步得出结论后，向同学们展示加利福尼亚大学伯克利分校Phillip Geissler教授团队近期发现“水-空气”界面存在“类冰”结构的文章[10]，请同学们充分阅读后讨论其对物质界面的新理解。最后，提出开放性话题，如“是否存在‘气-气’界面”“当物质的第四态等离子体与其他物质形态接触时是否存在界面”“钛基及镁基植入体进入骨组织后分别面临哪些界面”，要求学生课后调研文献后于下次课堂深入研讨。

又如，当对“表面接触与浸润”基本概念进行先导教学后，要求学生分组协作、推导接触角的基础公式——杨氏方程，并讨论其成立的前提条件（理想化的表面）。进一步，考虑实际材料表面存在粗糙度及成分差异的情况，创设话题“在非理想化的表面如何推导接触角”，引出Wenzel方程和Cassie-Baxter方程。在此基础上，以“荷叶效应”为切入点，引导学生讨论接触角与超疏水效应的关系，以及在动、静态情况下水滴在荷叶表面与普通表面的行为特点，从而引出接触角滞后现象及机理。最后，教师进行总结，导入“特殊浸润性”概念，并要求学生查阅该领域代表性文献，于下次课堂开展进一步研讨话题“如何制备特殊浸润性表面”及“特殊浸润性表面在生物材料领域有何应用”。

上述“主题·探讨”互动教学可同时减轻教师授学任务及研究生听课负担，并通过促进学生自学，知识共享，综合思辨，让其体验在思想碰撞过程中解决复杂问题之“趣”与“获”。除了扮演引导者角色，教师还应就研讨结果给予及时有效的反馈、点评和总结，并对该过程新生问题进行解析，促使学生继续思考。为提高研讨参与积极性，记录小组成员表现并以“互动分”纳入综合考核。

（三） 基于“汇报”的主题互动式教学

为更充分地发挥学生的主观能动性，助其拓展学科视野，激活自主创新思维，教师以生物材料表界面表征评价技术和表面功能化为主题（相关案例库见表1），探索实践了基于“汇报”的主题互动式教学，分为个人汇报和小组汇报两种模式。

1 个人汇报

学生根据个人专业背景和兴趣，独立围绕“表界面表征评价”主题准备汇报材料，这包括生物材料表界面所涉及的材料学、化学、力学等表征测试手段与各类生物学性能评价方法。汇报安排在课程中期以后，此时学生已对生物材料表界面基础理论和表征评价知识框架有了较为清晰全面的了解。汇报采用PPT讲解方式，鼓励图文并茂，合理利用科技文献、科普视频等资源。学生汇报后，教师引导其余学生提问，促进观点交流。同时，教师视情况进行补充讲解，并给予学生适当的肯定与赞扬。

2 小组汇报

汇报安排在课程后期，纳入期末考核。学生依自愿原则，每组2、3人自发组队，鼓励跨学科背景和专业方向联动，以促进学科交叉、创新融合。确定分组后，学生围绕“表面功能化与应用”主题选取具体汇报话题，并分工协作查阅文献，准备汇报PPT，要求展示研究背景、研究现状（代表性团队/技术策略）、典型实例、核心难题和解决思路等。通过贡献度计分模式，激励组内成员积极合作、沟通交流；通过不限制同类选题及组间比赛等形式，鼓励竞争，激活课堂互动氛围。每组汇报后，教师及其余学生分别针对汇报内容提问，实现对课程知识的深化与拓展。最后，教师进行总结性点评，提出改进建议。

实践发现，上述主题汇报可促进学生系统掌握材料表界面表征和生物学评价的方法与原理，尝试从多维层面（从宏观到微观、从现象到本质）去理解材料学与生命科学内在关联，主动追踪了解相关领域研究动态与应用前沿，并能够基于“表面改性技术—表界面理化特性—生物材料学应用”这一主链关系进行表面功能化设计以解决临床实际问题。该过程还能强化学生查阅、遴选和归纳文献资料的能力，锻炼学生的口头表达能力，满足其自我展示需求，并培养独立思考与团队协作创新的“卓越工程师”意识，为今后的学习、科研与工作奠定基础。

五 结束语

本文结合生物医学工程学科特点以及新工科背景下培养医疗器械细分领域创新型科技攻关人才需求，阐述了开设生物材料表界面与功能化研究生课程的必要性以及面临的问题和挑战，并从“以学生为中心”教学理念出发，以研究生“创新精神培养”为契机，以“多学科交叉融合”为牵引，针对性探索了基于“问题”“研讨”和“汇报”的主题互动式教学改革，在教与学多元立体互动过程中，让学生主动掌握生物材料表界面与功能化相关核心原理、关键技术和应用前沿。教学实践表明，上述创新教学模式能够有效激发学习热情，调动课堂互动积极性，在有限学时内兼顾不同学科背景和专业方向学生的差异化学习需求，有助于凸显研究生的课堂主体地位，提升其创新思维、专业素养和综合能力，保证新工科高层次人才培养的质量。上述探索经验可为其他相关课程改革提供一定参考。

参考文献：

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[3] 陈箫，姚跃君，张昊岚，等.生物材料表界面的奥秘[J].科学，2017，69（6）：10-13.

[4] 王蓉，沈新坤，胡燕，蔡开勇.医用材料表界面设计及其与细胞相互作用[J].高分子学报，2019，50（9）：863-872.

[5] 张权，孔祥东，赵瑞波，等.国际化联合培养提升交叉学科研究生创新能力的实践与探索——以浙江理工大学生物材料学科为例[J].教育现代化，2021，8（92）：44-47.

[6] 穆锐，刘元雪，姚未来.新工科背景下研究生课程体系的建构——以岩土工程专业为例[J].学位与研究生教育，2023（4）：13-20.

[7] 李丹.《生物材料表界面》课程的必要性及设计示范[J].化工设计通讯，2019，45（12）：172-173.

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[9] 李玉林.基于生产游戏的研讨式课堂教学改革研究——以《精益生产》课程为例[J].教育现代化，2019，6（A4）：59-61.

[10] ODENDAHL N L， GEISSLER P L. Local Ice-like Structure at the Liquid Water Surface [J]. J. Am. Chem. Soc. 2022，144（25）：11178-11188.