生物醫(yī)學(xué)光電檢測課程教學(xué)方法探索

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摘要：21世紀(jì)是學(xué)科之間交叉融合的世紀(jì)，也是生命科學(xué)、光學(xué)和醫(yī)學(xué)的世紀(jì)，《生物醫(yī)學(xué)光電檢測》正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的新興課程。鑒于其在目前自然科學(xué)教育中的發(fā)展前景和重要意義，有必要對該門課程實(shí)施新穎的教學(xué)模式。本文針對該課程涉及相關(guān)學(xué)科內(nèi)容廣泛、參考資料豐富、工程化技術(shù)化程度高等特點(diǎn)，從教學(xué)體系的構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容的選擇及系統(tǒng)化、教學(xué)方法的實(shí)施、教學(xué)手段的運(yùn)用等方面就如何有效開展對該交叉學(xué)科課程的交叉融合型教學(xué)工作進(jìn)行了初步探討，力爭以此門課程的教學(xué)為切入點(diǎn)，達(dá)到開闊學(xué)生的視野，加強(qiáng)學(xué)生對基本原理、概念的認(rèn)知能力，提高學(xué)生對相關(guān)問題的思考能力和理解能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的目的。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)光電檢測；交叉學(xué)科；教學(xué)模式；原理概念；創(chuàng)新思維

一教學(xué)體系的構(gòu)建和優(yōu)化

生物醫(yī)學(xué)光電檢測是應(yīng)目前學(xué)校教學(xué)改革的需求，結(jié)合現(xiàn)今生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及光學(xué)等多門學(xué)科交叉融合發(fā)展的現(xiàn)狀，而面向大學(xué)本科三年級學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課程。該門課程涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛：綜合了一般醫(yī)學(xué)與生物學(xué)的檢測技術(shù)——光學(xué)顯微技術(shù)、電子顯微技術(shù)、X射線影像檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、核磁檢測技術(shù)和太赫茲檢測技術(shù)等；所呈現(xiàn)的內(nèi)容新，處于自然科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿：涵蓋了包括近代物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域等的多項(xiàng)研究成果和最新進(jìn)展；相關(guān)的參考資料如專業(yè)書籍、雜志和相關(guān)文章數(shù)量眾多，內(nèi)容豐富；與多種檢測技術(shù)相關(guān)的檢測儀器種類多，發(fā)展迅速，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容具有一定的工程化技術(shù)化的特點(diǎn)；相比本系開設(shè)的其他專業(yè)課程如《波動(dòng)光學(xué)》、《激光原理》、《信息光學(xué)》和《光通信技術(shù)》等，該門課程的開設(shè)時(shí)間較短。因此如何根據(jù)本門課程的特點(diǎn)，合理有效地開展教學(xué)工作，達(dá)到開闊學(xué)生的視野，加強(qiáng)學(xué)生對基本原理、概念的認(rèn)知能力，提高學(xué)生對相關(guān)問題的思考能力和理解能力，培養(yǎng)學(xué)生工程化能力、多學(xué)科綜合能力和創(chuàng)新思維能力的目的，就成為了本門課程的教學(xué)目標(biāo)和重中之重。為此，筆者根據(jù)擬定的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行了教學(xué)體系的構(gòu)建和優(yōu)化，內(nèi)容包括教材的選取、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教案的準(zhǔn)備和教學(xué)要求的制定等。筆者首先進(jìn)行了教材的篩選。在眾多教材和參考書中，筆者選取了2014年清華大學(xué)出版社出版的，由黃國亮等主編的《生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)與臨床檢驗(yàn)》[1](清華大學(xué)985名優(yōu)教材)一書作為教材，另考慮到近年來激光技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)的緊密結(jié)合，將1995年由湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版的，由向洋編寫的《激光生物學(xué)》[2]和2010年由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社出版的，由段智英等編寫的《激光生物學(xué)效應(yīng)研究》[3]兩本書中的部分章節(jié)選入作為補(bǔ)充教材。之后在教材內(nèi)容的選取上，以生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)和激光生物學(xué)技術(shù)為兩大板塊，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和取舍：生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容包括多種成像檢測技術(shù)和光譜檢測技術(shù)；激光生物學(xué)技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容包括了激光工作原理及特性、激光生物學(xué)作用原理和激光的安全防護(hù)等。以這些內(nèi)容為教學(xué)重點(diǎn)，做到教學(xué)體系的完整性和合理性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合教材內(nèi)容和相關(guān)的參考資料[4-13]準(zhǔn)備手寫教案，并同時(shí)進(jìn)行多媒體教學(xué)課件的準(zhǔn)備，完成教學(xué)前的準(zhǔn)備工作。值得一提的是，在準(zhǔn)備多媒體課件的過程中，筆者在網(wǎng)上搜集了大量的與該課程有關(guān)的圖片、視頻和PPT等，并對這些資料進(jìn)行了分析、整理和整合，融入到自己所制作的課件中，力爭做到課件信息量大、形象直觀，讓學(xué)生記憶深刻。在教學(xué)過程中，舉出豐富的事例對學(xué)生進(jìn)行知識點(diǎn)的講解，并遵循知識點(diǎn)隨機(jī)提問，進(jìn)行課堂討論，增加與學(xué)生的互動(dòng)；向?qū)W生提出合理的學(xué)習(xí)要求：上課之前預(yù)習(xí)教材內(nèi)相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，課堂記筆記，課后復(fù)習(xí)；積極思考課堂提問，認(rèn)真完成課堂作業(yè)、課后作業(yè)，學(xué)有余力且對相關(guān)知識感興趣的學(xué)生可參考筆者提供的參考資料收集相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外參考國外的教學(xué)方式，為了讓學(xué)生了解平時(shí)學(xué)習(xí)的重要性，相應(yīng)設(shè)計(jì)出了多元化的考查方式，將平時(shí)成績在總成績中所占的比例提高到了50%，平時(shí)成績?yōu)樯险n點(diǎn)名、課堂提問、課堂測驗(yàn)和平時(shí)作業(yè)等成績的加權(quán)平均，而期末考試成績只占總成績的50%，這從另外一方面也減輕了學(xué)生的考試壓力，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。除此而外，筆者在課后收集學(xué)生對每堂課的教學(xué)反饋意見，實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)中的部分內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生感興趣的內(nèi)容，查閱該領(lǐng)域該部分內(nèi)容的最新進(jìn)展，增加相應(yīng)的教學(xué)量，提高教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化教學(xué)體系?？傊?，教學(xué)體系的構(gòu)建和優(yōu)化涵蓋了教學(xué)活動(dòng)中的所有環(huán)節(jié)，對于有效開展課堂教學(xué)非常重要。

二教學(xué)內(nèi)容的選擇和系統(tǒng)化

在教學(xué)體系的構(gòu)建和優(yōu)化中，教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化是一個(gè)非常重要的部分。該門課程的內(nèi)容廣泛，參考資料豐富，如何有側(cè)重地選取教學(xué)內(nèi)容，保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化有一定的難度，因此筆者在備課和教學(xué)的過程中，對該門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心的選擇和安排，力爭做到以教材為藍(lán)本，突出教學(xué)重點(diǎn)，注重基本概念和基本原理的理解，注重光、機(jī)、電、軟件的結(jié)合，注重檢測技術(shù)和儀器運(yùn)用的結(jié)合，注重工程化與技術(shù)化的結(jié)合，注重理論和實(shí)踐的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容完整性和系統(tǒng)性的統(tǒng)一。以顯微技術(shù)一章為例，自從1665年胡克發(fā)表了用顯微鏡觀察軟木塞組織的微觀結(jié)構(gòu)以后，顯微鏡就與生物醫(yī)學(xué)觀察和檢測密不可分了。以光學(xué)顯微技術(shù)為代表的顯微技術(shù)成為了生物醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)的基礎(chǔ)與核心內(nèi)容，之后產(chǎn)生和應(yīng)用的檢測技術(shù)如電子顯微技術(shù)，雖然在技術(shù)手段和方案上有所創(chuàng)新，但依然在重復(fù)利用或借鑒顯微技術(shù)的基本原理和基本思想，因此筆者以顯微技術(shù)為基礎(chǔ)和切入點(diǎn)，向?qū)W生展示相關(guān)檢測技術(shù)的原理。而在闡述顯微鏡的成像原理時(shí)，又著重介紹了顯微鏡性能評價(jià)參數(shù)如視角放大率、分辨率、有效放大率、光束限制和線視場，并從光學(xué)知識出發(fā)，分別對這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)；通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)讓學(xué)生理解和掌握有關(guān)顯微鏡的基本問題，如為何高倍物鏡比低倍物鏡能觀察到的物面范圍要小；顯微鏡的分辨率與波長，與數(shù)值孔徑有何關(guān)系；為何數(shù)值孔徑要與放大倍率合理匹配，才能充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力等。對這些問題的理解都有助于學(xué)生今后正確地選取和使用顯微鏡，也有助于引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和其性能的關(guān)系，提高他們的分析能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。在此基礎(chǔ)上，筆者介紹了顯微鏡的制片技術(shù)和使用；之后，筆者對多種顯微鏡如熒光顯微鏡、暗視野顯微鏡、激光掃描共焦顯微鏡、相襯顯微鏡、金相顯微鏡、偏光顯微鏡、倒置顯微鏡及新型顯微鏡的原理進(jìn)行了描述，并與普通顯微鏡原理的異同進(jìn)行了比較。對于顯微技術(shù)的發(fā)展歷史、國內(nèi)外主要顯微鏡生產(chǎn)廠家介紹等趣味性強(qiáng)和難度較低的內(nèi)容則不作教學(xué)要求，留給學(xué)生自學(xué)，給予他們一定的空間開拓視野。這樣的內(nèi)容安排使學(xué)生輕松容易地掌握相關(guān)的知識，且對儀器的使用產(chǎn)生濃厚的興趣，達(dá)到較好的教學(xué)效果。而后面章節(jié)的內(nèi)容也正是基于同樣的思路進(jìn)行選擇和安排的。正是由于對教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的選擇和合理安排，讓筆者做到了課程內(nèi)容的完整性和統(tǒng)一性，為之后教學(xué)方法的實(shí)施和教學(xué)手段的運(yùn)用作了鋪墊。

三教學(xué)方法的實(shí)施和教學(xué)手段的運(yùn)用

好的教學(xué)方法和教學(xué)手段有助于推動(dòng)教學(xué)工作的開展，有助于提高教學(xué)質(zhì)量。2011年筆者進(jìn)行了該門課程的申請和教學(xué)工作，由于當(dāng)時(shí)缺乏經(jīng)驗(yàn)，不知如何完成此項(xiàng)教學(xué)任務(wù)，故在一次偶然的機(jī)會中，向1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、斯坦福大學(xué)物理系教授DouglasOsheroff請教了該門課程的教學(xué)問題，他告訴筆者一句話：“Startingtheclassfromthesimplethings.”他的這番話讓筆者受益匪淺：教學(xué)就是要深入淺出，從簡單的事物、事例出發(fā)，讓學(xué)生對這門課程的內(nèi)容有所了解，充滿興趣，借此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入該課程的學(xué)習(xí)。在之后的教學(xué)工作中，筆者始終秉持這種由淺入深，由簡單到復(fù)雜的方式來幫助學(xué)生吸收知識，積極思考。以該門課程的引言部分為例，筆者首先向?qū)W生介紹此課程具有學(xué)科交叉、涉及專業(yè)廣等特點(diǎn)，再將課程內(nèi)容進(jìn)行了歸納，課程的核心是“檢測”二字，此課程著重解決兩個(gè)問題：一是檢測什么？二是如何檢測？對于第一個(gè)問題，答案是物體形貌和特性表征；對于第二問題，答案是成像和成分分析。提綱挈領(lǐng)的表達(dá)讓學(xué)生清晰地認(rèn)識到課程的內(nèi)容；之后從檢測技術(shù)和激光生物學(xué)這兩個(gè)板塊，對課程的構(gòu)架進(jìn)行了框圖表述，讓學(xué)生直觀地看出教學(xué)內(nèi)容間的邏輯聯(lián)系。在此之后，從學(xué)生最熟知的觀察及成像出發(fā)，將課程內(nèi)容引入。向?qū)W生提出一個(gè)看似簡單卻甚少有人思考的問題：“我們是如何觀察到物體的？”學(xué)生經(jīng)過思考后給出的答案不是非常全面，筆者就學(xué)生的回答做出了一定程度上的肯定，然后向?qū)W生拋出筆者自己總結(jié)出的觀察物體的三個(gè)層次：看得到、看得清楚和看得舒服。言簡意賅的答案引起了學(xué)生的熱烈討論，由此引出了學(xué)生對光特性探討的熱情。學(xué)生從光的波動(dòng)性和粒子性回顧了他們的光學(xué)知識。之后，筆者又引導(dǎo)他們思考在物體太小和物體離人眼距離太遠(yuǎn)的情況下，如何觀察物體的問題。認(rèn)真思考的學(xué)生做出了回答：可用顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡來進(jìn)行觀察。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)透鏡成像的規(guī)律分析對比放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡成像的異同；然后順利引出顯微技術(shù)和其他生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展概況和應(yīng)用實(shí)例，較好地完成了既定的教學(xué)任務(wù)。在整個(gè)教學(xué)過程中，筆者盡量做到由淺入深、循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生興趣；在隨機(jī)提問和自由討論的輕松氛圍中，讓學(xué)生自然地做到了與教師的“教”與“學(xué)”的互動(dòng)；通過圖片、視頻資料豐富的多媒體課件，讓學(xué)生獲取信息量大、直觀生動(dòng)的知識；結(jié)合在黑板上用粉筆推演公式的傳統(tǒng)方式，以適中的速度讓學(xué)生理清楚基本原理和相關(guān)公式的來龍去脈；根據(jù)學(xué)生感興趣的知識點(diǎn)和目前的熱點(diǎn)研究成果，實(shí)時(shí)調(diào)整部分教學(xué)內(nèi)容，收集相關(guān)知識的最新進(jìn)展，為學(xué)生補(bǔ)充知識，如教材中沒有的太赫茲檢測技術(shù)等，以達(dá)到擴(kuò)展學(xué)生知識面，擴(kuò)大學(xué)生視野的目的?？傊?，通過多樣化的教學(xué)方法和有效的教學(xué)手段來培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和理解能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

四總結(jié)

從生物醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)這門課程的教學(xué)體系的構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容的選擇及系統(tǒng)化、交叉融合型教學(xué)方法的實(shí)施和教學(xué)手段的運(yùn)用等方面，對該課程的教學(xué)工作進(jìn)行了初步探討，力爭使學(xué)生通過對該課程的學(xué)習(xí)，了解生物醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，掌握多種生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的原理和基本思想，拓寬視野，提高他們對相關(guān)問題的思考能力和理解能力，并培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際、多學(xué)科綜合應(yīng)用和創(chuàng)新思維等能力?？傊婕暗浇徊鎸W(xué)科的課程的相關(guān)知識豐富，很多內(nèi)容處于科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿，其教學(xué)工作量大，教學(xué)過程復(fù)雜細(xì)致，要達(dá)到好的教學(xué)效果，在教學(xué)方面需要付出巨大的努力，就教學(xué)內(nèi)容而言，既要注重基礎(chǔ)，又要與時(shí)俱進(jìn)；在教學(xué)方法和教學(xué)手段上要推陳出新；要不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。一句概括之，任重而道遠(yuǎn)！

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作者：李瑋 馮國英 單位：四川大學(xué) 電子信息學(xué)院