“生物光子學”教學方法的探索與實踐

余霞

［摘 要］ 案例式教學法近年來在理工科的教學過程中被廣泛應用，但是，如何根據知識點系統(tǒng)性組織教學案例一直是課程實踐中的難點。通過研究一種以創(chuàng)新過程為牽引的案例式教學法在“生物光子學”課程中的實踐，分別從教學內容的改革和教學模式的改革兩個方面闡述了“生物光子學”教學案例的設計方法。提出了利用生物醫(yī)學中的臨床成熟度量表作為科學工具，來提高課程內容系統(tǒng)性的探索與嘗試。這種新的教學方法有利于培養(yǎng)學生系統(tǒng)性解決醫(yī)工交叉領域問題的創(chuàng)新思維。

［關鍵詞］ 生物光子學；案例式教學法；臨床成熟度

［基金項目］ 2021年度北京航空航天大學教學改革重點項目“案例式教學法在生物光子學課程中的思路與實踐”

［作者簡介］ 余 霞（1980—），女，江蘇鹽城人，博士，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授，主要從事激光光學與生物光子學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0085-04［收稿日期］ 2022-06-20

引言

“生物光子學”是一門以光子學為知識基礎、生物醫(yī)學為應用場景的新興應用學科，是醫(yī)工交叉學科群中一門典型的跨學科課程，也是圍繞著儀器科學與技術這種一級學科展開的新興科研領域。這門課程旨在使學生通過了解生物光子學的發(fā)展歷史、現狀、前景及面臨的挑戰(zhàn)，對該領域產生學習興趣。同時，希望學生掌握生物醫(yī)學應用中的關鍵——光子學技術與原理，并結合具體的生物光子學應用案例，闡述生物光子學儀器技術發(fā)展的來龍去脈和關鍵里程碑，能夠使用科學工具對案例技術進行分析。本課程的重點是培養(yǎng)學生基于科學原理并采用科學方法對醫(yī)工交叉儀器領域的復雜工程問題進行研究，通過團隊合作過程中掌握的信息，得到有效的結論。

“生物光子學”這門課程存在以下授課難點：首先，工作原理抽象。光子學基于電磁波原理，而用于生物醫(yī)學的光子學儀器的各結構部件之間存在較為復雜的光、電、機耦合關系，這種關系看不見、摸不著，非常抽象，不利于學生掌握和理解。其次，隨著光子學技術的不斷進步，各種測量儀器和光電元件的發(fā)展日新月異，新型技術不斷出現并廣泛應用在儀器搭建中，因此，授課內容每一學年都需要與時俱進，不斷更新。傳統(tǒng)的教學模式以對知識點的講授和運用為主［1］。由于大部分生物光子學技術的原理抽象、結構復雜，因此學生很難將上課所學的模塊化的知識點與實際應用中的儀器系統(tǒng)進行連接。因此，教學團隊致力于使用案例式教學法在“生物光子學”課程中進行探索與實踐。

案例式教學立足于實際案例，學生通過案例分析進行學習研究，以實現舉一反三以及理論和實踐的統(tǒng)一，從而提高認知水平和增強專業(yè)能力［2］。該方法目前已在經濟管理、法學和醫(yī)學等學科教學中得到了廣泛應用。作為一種啟發(fā)式教學方法，案例式教學雖然在一定程度上提高了學生的參與意識和創(chuàng)新思維，但由于對該教學模式的認識還不夠深刻，導致案例式教學在理工科的教學過程中遇到一些困難。由于案例始終只是存在特殊性和局限性的個例，如果過于突出案例的講解而忽視對知識點的講授和運用，容易導致學生課后只記住了案例而對知識點一知半解。

一、教學改革

在傳統(tǒng)的“生物光子學”教學大綱中，學生的學習興趣主要在介紹系統(tǒng)和儀器的具體應用階段被調動起來。如何選擇儀器技術及相關的應用案例進行介紹，才能覆蓋生物光子學的主要知識點？如何推進不同儀器及應用案例的難度和前沿性，才能潤物無聲地讓學生學習到科學創(chuàng)新的過程？針對以上兩個問題，我們在教學改革中主要從教學內容和教學模式兩個方面開展提高案例式教學方法的探索與實踐。

（一）教學內容改革

在理工類課程的授課過程中，如何處理好案例式教學法與其他教學方法之間的關系成為教學內容改革中要解決的首要問題?；凇吧锕庾訉W”的交叉型課程特性，本課程對學生的知識儲備有一些基本的要求，“大學物理”應作為先修課。因此，本課程的教學對象為二年級及以上的理工科學生，他們已經掌握了一定的光學基礎知識，并且對所選的案例技術有一定的理解或想象。課程大綱的簡介如表1所示，主要的課時集中在從光子學器件到儀器系統(tǒng)的專業(yè)知識點以及從3個案例分析所引入的光學檢測儀器的教學內容，案例選擇的主要依據包括以下兩個方面。

1.要把握好案例選擇與教學大綱主要知識點的組織把控、普適性的方法總結與提升等三個環(huán)節(jié)，真正開展“生物光子學”案例式教學。在案例選取的過程中，以案例對應的主要知識點為結構框架。以最近一輪教學過程選取的光學檢測技術案例為例，其展開方式如表2所示。第一個案例選用的是新冠病毒感染期間的核酸檢測技術，旨在講述生物醫(yī)用光學檢測技術中的檢測限和檢測速度兩個主要概念，回答檢測技術中“有多少”的問題；第二個案例選用的是癌癥診斷技術中的表面增強拉曼散射技術，旨在講述光學檢測技術中靈敏度和特異性兩個概念，回答“是什么”的問題；第三個案例選用的是生物醫(yī)用成像技術中的腦磁儀技術，旨在介紹成像系統(tǒng)中的空間和時間分辨率的概念，解答“在哪里”的問題。

2.在生物醫(yī)用的應用領域，根據臨床成熟度（Clinical Readiness Level， CRL）選取有代表性的案例。CRL是筆者根據技術成熟度（Technology Readiness Level， TRL）推演出的一個新概念，其目的是將醫(yī)工交叉技術領域的創(chuàng)新過程進行分級。TRL作為一種科技評價工具，由美國宇航局提出。其九個細分級別包括：（1）基本原理被發(fā)現和闡述。（2）形成技術概念或應用方案階段。（3）關鍵功能實驗室驗證階段。（4）實驗室原理樣機組件或實驗板在實驗環(huán)境中驗證。（5）完整的實驗室樣機、組件或實驗板在相關環(huán)境中驗證。（6）模擬環(huán)境下的系統(tǒng)演示。（7）真實環(huán)境下的系統(tǒng)演示。（8）定型試驗。（9）運行與評估。對應到醫(yī)學行業(yè)內，我們也可將CRL分為低、中、高三個主要階段，分別對應實驗室驗證、臨床驗證、臨床使用三個階段。利用臨床成熟度量表，重點在于培養(yǎng)學生對創(chuàng)新過程的理解和對“科技評價計算器”系列工具的使用。案例一是以民生熱點為基礎，既可以達到激發(fā)學生學習興趣的目的，又幫助學生理解了技術成熟度最高的CRL高級階段的定義；案例二選取的是北航“大學生馮如杯競賽”中的一等獎項目成果，以科技競賽為推力，在鼓勵學生發(fā)展創(chuàng)新思維的同時，幫助他們理解技術成熟度居中的CRL中級階段的技術挑戰(zhàn)和實際應用難點；案例三選取的是腦科學計劃中非常有挑戰(zhàn)性的腦磁儀領域，該技術尚處于成熟度較低的CRL初級階段，還有很多原理性的驗證有待完成，屬于以科技前沿為導向的案例，能夠鼓勵學生敢為人先的創(chuàng)新精神。圖1和圖2從生物醫(yī)用檢測診斷技術和光治療技術兩個方面進行了案例選擇方法的總結，其橫軸所選的主要技術參數是光子學儀器的主要知識點，縱軸為CRL的三個主要階段。

（二）教學模式改革

在每個案例的授課過程中，最后一個環(huán)節(jié)都是以翻轉課堂的形式展開討論［3］。為了兼顧各小組討論的發(fā)散性和聚焦性，需要給出一定的案例分析方法。報告的主要內容圍繞4個維度展開：（1）技術原理介紹。（2）國內外研究現狀，論文趨勢的分析表，臨床成熟度的評估。（3）國內外主要產品的介紹，應用場景的分類表、專利池的分析表。（4）技術發(fā)展的趨勢預期和主要挑戰(zhàn)。案例式教學作為一種開放式教學模式，其案例探討答案不應具有唯一性和標準性，在自主分析、充分討論、大膽質疑的過程中，學生能從4個不同角度看待問題、分析案例。以學生為主體，以CRL為案例分析和討論的主要科學工具，使課程內容的討論既有豐富的主線和層次，也更加貼合實際，從而提高學生分析解決問題的能力、語言表達能力和創(chuàng)新能力。

另外值得注意的是，圖1中有若干空白區(qū)域，因此在翻轉課堂的過程中，學生能夠討論自己所選擇案例在九宮格中間的位置，從而達到鞏固專業(yè)知識和科學方法的目的。案例的技術內容既能夠凸顯交叉學科的特色，在每一輪的教學過程中又能夠做到可積累可迭代，且便于實現電子化及信息化。案例式教學的優(yōu)勢在于案例庫的建立過程是可以逐年積累的。具備擴展性的案例庫將有效地助力醫(yī)工交叉儀器科學領域的長期課程建設。

學生的反饋對于教學模式的改革也起到了積極的促進作用。基于46位學生的調研報告顯示，超過95%的學生認為案例式教學提升了他們對于“生物光子學”課程的興趣；超過91%的學生認可所選的三個主要教學案例對于知識點理解的促進作用。我們也發(fā)現，對于三個案例的選擇，76%的學生認為這三個案例幫助他們更好地理解了創(chuàng)新的不同階段，而另外24%的學生并沒有意識到這三個案例選擇的用意。這為后續(xù)教學模式的改革提供了方向性的指導。

結語

以CRL創(chuàng)新過程為牽引的案例式教學改革在“生物光子學”課程中取得了很好的應用效果。通過可迭代的案例選擇方法，以臨床成熟度量表為科學依據，本課程可以建成開放式、面向醫(yī)工交叉儀器科學的典型案例庫，且可隨新的教學需求和新的科研成果不斷補充和豐富。同時，在教學實踐中形成了一套隨案例展開的教學組織和實踐方法。案例式教學能激發(fā)學生的學習興趣，精準地對應到專業(yè)知識點及CRL區(qū)間形成的圖表中，培養(yǎng)學生系統(tǒng)性解決醫(yī)工交叉領域問題的綜合能力，鍛煉科研思維，為學生下一步進入專業(yè)領域研究奠定堅實基礎［4］。

參考文獻

［1］張堃，付君紅.基于“醫(yī)工融合”的新工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探討［J］.教育教學論壇，2019（40）：240-242.

［2］張艷芳，趙淼峰.美國案例式教學發(fā)展歷程及啟示［J］.科教導刊電子版（上旬），2018（2）：45.

［3］林娟，莊金洪.案例教學與翻轉課堂耦合式教學的探索與實踐［J］.福建教育學院學報，2021，22（4）：88-90.

［4］教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見［J］.中國大學教學，2007（3）：9-11.

Exploration and Practice of a New Teaching Method in Biomedical Photonics： Innovation-Process-Driven Case-Study Based Teaching

YU Xia

（School of Instrumentation and Opto-Electronic Engineering， Beihang University，

Beijing 100191， China）

Abstract： Case-study based teaching method has been widely used in science and engineering courses. However， it has encountered challenges due to its lack-of systematic knowledge structure. This paper introduces the experience of innovation-process-driven case-study based teaching in Biomedical Photonics course. It illustrates the case-study based teaching method from technical content and approach perspectives. It emphasizes the utilization of Clinical Readiness Level （CRL） chart， which can enhance the systematic delivery of multi-disciplinary knowledge. This new teaching method is potential useful for innovation-capability training of multi-disciplinary biomedical engineering students.

Key words： Biomedical Photonics; case-study based teaching; clinical readiness level