生物医学光子学实验教学研究与探索

生物医学光子学实验教学研究与探索

刘亚丰

（华中科技大学生命科学与技术学院，湖北武汉430074）

摘　要：生物医学光子学是近年来受到国际光学界和生物医学界关注的一个热点。华中科技大学在国内率先为生物医学工程专业本科生开设了生物医学光子学课程。针对其多学科交叉的鲜明特点，对如何较好地完成本科实验教学，本文结合近几年工作，进行了一些积极有效的探索与实践。

关键词：生物医学光子学　多学科交叉　实验教学

生物医学光子学（Biomedical Photonics）是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的新兴学科，最近十几年发展迅猛，已成立专门的学科委员会——国际生物医学光学学会（International Biomedical Optics Society，IBOS）和专业期刊——生物医学光学期刊（Journal of Biomedical Optics，JBO）。从1996年创刊至今，JBO已发表论文2 639篇，近5年期刊平均影响因子为3.659，成为本领域权威期刊（SCI收录）。

国内华中科技大学、西安交通大学、天津大学、东南大学、华南师范大学、南京航空航天大学等先后建立了专业实验室，积极开展这方面的研究。国内举办的生物医学光子学与成像技术国际学术研讨会（PIBM），从1999年创办至今，已成为亚洲地区规模最大的生物医学光子学国际盛会之一。教育部在2002年建立了生物医学光子学网上合作研究中心（华中科技大学、东南大学、西安交通大学和华南师范大学为依托单位），旨在整合生物医学光子学学科资源，促进学科发展、信息交流与共享。为了促进该交叉学科的发展，国家基金委等部委在“十一五”、“十二五”规划上都把它作为重要的资助领域。这些说明，生物医学光子学已成为国际和国内光学界和生物医学界广泛关注的热点和最活跃的研究领域。

目前从事这方面科研的研究生大都是从其他专业转过来的，由于自身专业的局限性制约了学生的发展，进而也制约了该学科的发展。要实现该交叉学科的快速、可持续发展，则需从本科生阶段建立完善的培养制度，从招生、培养计划、管理运行机制等方面完善相应的配套工作。在这方面，华中科技大学生命学院走在了全国前列，率先建立了生物医学光子学专业方向，在研究生和本科生中开设了生物医学光子学课程，并建立了生物医学光子学专业实验室，经过几年的发展，在国内外均有较大的影响力，为本学科发展培养出一批有潜质的本科生。本文结合这几年的工作，从实验教学角度探讨面对这样一个多学科交叉、相互渗透的新兴学科，如何开展教学以使学生搭建合理的学科知识结构、掌握专业知识，并在实践中锻炼学生的动手能力和创新能力。

1　打破传统实验教学观念、更新教学模式

生物医学光子学是多学科交叉、相互渗透的学科，几乎每个实验都涉及到光学、医学、生物学、电子学、计算机、数学、物理等学科知识，因此每个实验项目知识容量大、用到的技术多。如果教师还像传统教学那样，先从头到尾给学生讲解、再给学生示范操作，势必会带来一些问题：首先，讲解示范过程中会浪费许多时间，减少学生实验动手的时间；其次，学生在较短时间内不可能接纳太多知识点、领悟实验原理；再者，许多实验设备复杂、实验条件要求高，学生很难重复老师的操作，获得良好的实验现象或实验数据。因此，教师必须转变传统的教学观念、教学理念，打破以往老师一味地讲、学生一味机械重复操作的模式，与时俱进，面向世界，确定新形势下的教学思想，以辩证和发展的眼光去看待实验教学中的各个环节，针对交叉学科的鲜明特点有的放矢。首先，学校应减少教师的授课时间，让2～5个学生为一组，相互讨论、相互学习，课前掌握实验基本原理，并调研与实验相关研究背景、现状。这样课堂中，教师就只需讲解实验内容、注意事项及安全问题，少讲或不讲背景知识及其原理，从而把更多时间用在实验指导上。其次，教师应减少实验示范时间或不演示。实验不演示，更能激发学生的求知欲和学习兴趣，更好地锻炼学生的动手能力，帮助学生理解基本原理和技术。由于一些设备复杂，一些学生未必能记住老师的每一步操作，这就要求学生课前充分预习，实验时独立动手操作实验。最后，教师应在实验中随机穿插提问。为督促学生作好课前预习，保证实验顺利进行，实验过程中针对一些现象和问题，可直接向学生提问。这样做，一方面可加强与学生的互动效果，另一方面可重点检查学生是否作好实验前准备，对一些基本概念、原理、常识是否了解。在实验教学中我们发现，在课程刚开始的几个实验中，随机提问会使教师更辛苦一些，但后来的实验会事半功倍，学生实验取得了良好的效果。

2　结合交叉学科特点，加强学生创新能力培养

高等教育的目的是为了培养学生的才能，即培养学生的创新意识、创新思维、创新方法、创新能力。创新不仅是大学的办学理念，也是大学的灵魂。教师不仅要传授学生新知识，还要培养学生获得知识、运用知识和在实际工作中解决问题的能力，即创新能力。如何培养学生的创新能力，使学生尽快接受先进的科学技术、掌握先进的实验操作规程、适应社会发展的需要，是广大高等教育者思考的问题。

生物医学光子学是一门交叉新学科，伴随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发展，近几年来发展迅猛，成为本世纪的研究热点。因此，生物医学光子学所用到的技术都是非常先进的，许多实验和技术是目前国内外开展研究的热点。比如华中科技大学本科生开展的生物医学光子学实验，一些技术和设备都源自该校生物医学光子学教育部重点实验室的科研成果。

因此，我们应结合生物医学光子学先进科学技术，积极探索新的教学方法、手段，充分发挥实验教学和实验室作用，创造各种条件培养学生的创新能力。主要措施有：①基本实验方法和操作技术能力培养，通过一些基础实验，使学生掌握常用仪器应用、实验基本方法、实验注意事项以及如何来验证基本理论等方法，如通过让学生组装显微镜实验，使学生懂得显微镜如何放大、调焦是如何实现的、光具座调节应注意事项等理论课上无法体验到的问题；②综合性实验能力培养，在掌握基础实验基础上，让学生接触一些较先进的、高级的仪器设备，培养学生的科学思维能力、系统分析能力、实验知识的综合运用能力，如开展荧光显微镜实验，使学生掌握它的结构、性能，以及与传统显微镜有何不同；③科学检索能力的培养，要培养学生的创新能力，不了解当前科学技术发展就好比井底之蛙，相反，就会一览众山小，因此，培养学生的科学检索能力是非常必要的，因而我们在实验中，一方面让学生根据实验内容自己查阅文献资料，调研当前研究现状，另一方面课堂上采取随机选题的方式，让学生完成某个方向课题的调研，上交书面文档，作为实验考核的一个组成部分，实践证明，这些措施取得了很好的效果；④创新实验能力培养，鼓励学生根据自己的兴趣和爱好，调研研究现状，自己制订实验方案、组织实验、对实验结果及现象作出解释等。教师给予学生参考，使学生尽早接触有实用价值的、有创造性的、前沿学科的实验研究。

通过这些措施的实施，使学生处于教学的中心地位，有利于调动学生的积极性，激发学生解决问题的兴趣，培养学生解决问题的能力，同时激励学生根据自己的兴趣，进行创新实验，培养他们的实践能力和创新能力。

3　坚持实验开放，施行教师助理制，提高设备利用率

生物医学光子学应用到许多现代新技术，一些实验设备精密贵重，不可能重复购置多台同类型设备，从而限制了实验人数，在高校扩招之后这个问题显得更突出。比如，为了让学生对光压有一个直观感性的认识，深入理解光压的概念，我们开设了光镊实验。一台国产光镊系统价值15万元，现实只允许我们购置一台这样的设备。本科生按120人计算，2人一组，一次实验4个学时，那么完成这样一个实验需要240个学时，这将使教师重复讲解，占用更多时间。另外，学生必须拥有一定知识作为基石才能进行创新，由于学生理论课程学习很繁重，而留给实验的时间就很紧张，安排实验势必很集中，从而很难保证实验获得良好效果，不利于锻炼学生动手能力和培养学生创新能力。

为了使教师从繁琐的教学工作中解脱出来，把更多时间用于开发新实验，研究新的教学方法、教学手段上，也为了更好锻炼学生实践技能、获得良好的实验效果，我们必须坚持实验开放，使实验室资源得到优化、合理应用，从而发挥最佳效能。具体措施有：非实验教学时间做到实验室开放，让有兴趣的学生进入实验室，根据他们的能力，让他们围绕实验课程进行不同阶段的实验。学生与教师积极配合，教师辅导、启发学生，鼓励学生按自己的想法、灵感设计实验，动脑动手，自主参与，这样有利于开发学生的潜能和促进其个性发展，同时也提高了实验设备的利用率。

教师可根据学生的实验数据和在实验室的表现，一方面给学生打分，作为实验课成绩；另一方面让优秀的学生担任教师助理，在教学时间指导其他学生的实验操作。由于教师助理是将实验吃透后再去辅导其他同学进行实验，这样对于助理而言又一次巩固了所学知识，对于其他学生来说，由于助理人数较多，能够对每一个实验小组进行更为充分的指导，使他们对实验有更深的理解。这样，学生之间的交流、信息传递会更为直接有效，可增强他们的协调动手能力和团队合作意识，促进学生创新思维和创新能力的培养。

4　建立对话沟通机制

实验教学中，我们发现有些学生对一些实验很感兴趣，由于实验室条件不能满足学生求知的要求，我们推荐学生到其他研究所，提早进入科研领域，进行一些更为前沿、深入的实验和研究。另外，由于生物医学光子学实验往往会涉及到较广而又深的理论知识，有时学生碰到的一些疑难问题即使是实验教学人员也未必能给出准确的答复，我们就为学生与研究所、专家学者建立一座沟通桥梁，使学生碰到的一些疑难问题能够及时得到解决，从而延伸了实验教学，而学生的反馈又反过来促进了实验教学。

因此，加强与学生、与研究所的沟通联系，建立有效的对话机制，不仅会进一步激发学生对实验、对学科研究的兴趣，也将为学生进行创新实验打下一个良好的基础。

5　结束语

针对生物医学光子学学科特点，我们在实验教学中，进行了一些积极有效的研究与探索，如改变教学模式，以学生为主体培养学生的创新性等。实践证明，我们的方法措施是有效的，教学效果良好，学生反映良好。目前国内已出版有专业教材《生物医学光子学》和《生物医学光子学新技术及应用》，这将大大促进本学科的发展。

参考文献

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