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生物医学光电检测课程教学方法探索

来源:搜集整理   日期:2020-06-02   点击数:

摘要:21世纪是学科之间交叉融合的世纪,也是生命科学、光学和医学的世纪,《生物医学光电检测》正是在这种背景下应运而生的新兴课程。鉴于其在目前自然科学教育中的发展前景和重要意义,有必要对该门课程实施新颖的教学模式。本文针对该课程涉及相关学科内容广泛、参考资料丰富、工程化技术化程度高等特点,从教学体系的构建、教学内容的选择及系统化、教学方法的实施、教学手段的运用等方面就如何有效开展对该交叉学科课程的交叉融合型教学工作进行了初步探讨,力争以此门课程的教学为切入点,达到开阔学生的视野,加强学生对基本原理、概念的认知能力,提高学生对相关问题的思考能力和理解能力,培养学生创新思维能力的目的。

关键词:生物医学光电检测;交叉学科;教学模式;原理概念;创新思维

一教学体系的构建和优化

生物医学光电检测是应目前学校教学改革的需求,结合现今生物学、医学及光学等多门学科交叉融合发展的现状,而面向大学本科三年级学生开设的专业课程。该门课程涉及的内容相当广泛:综合了一般医学与生物学的检测技术——光学显微技术、电子显微技术、X射线影像检测技术、超声检测技术、核磁检测技术和太赫兹检测技术等;所呈现的内容新,处于自然科学研究领域的前沿:涵盖了包括近代物理学、化学、数学、生物学、医学和生物化学领域等的多项研究成果和最新进展;相关的参考资料如专业书籍、杂志和相关文章数量众多,内容丰富;与多种检测技术相关的检测仪器种类多,发展迅速,相应的教学内容具有一定的工程化技术化的特点;相比本系开设的其他专业课程如《波动光学》、《激光原理》、《信息光学》和《光通信技术》等,该门课程的开设时间较短。因此如何根据本门课程的特点,合理有效地开展教学工作,达到开阔学生的视野,加强学生对基本原理、概念的认知能力,提高学生对相关问题的思考能力和理解能力,培养学生工程化能力、多学科综合能力和创新思维能力的目的,就成为了本门课程的教学目标和重中之重。为此,笔者根据拟定的教学大纲和教学内容,进行了教学体系的构建和优化,内容包括教材的选取、教学内容的调整、教案的准备和教学要求的制定等。笔者首先进行了教材的筛选。在众多教材和参考书中,笔者选取了2014年清华大学出版社出版的,由黄国亮等主编的《生物医学检测技术与临床检验》[1](清华大学985名优教材)一书作为教材,另考虑到近年来激光技术与生物学技术的紧密结合,将1995年由湖南科学技术出版社出版的,由向洋编#的《激光生物学》[2]和2010年由中国农业科学技术出版社出版的,由段智英等编#的《激光生物学效应研究》[3]两本书中的部分章节选入作为补充教材。之后在教材内容的选取上,以生物医学检测技术和激光生物学技术为两大板块,进行了教学内容的调整和取舍:生物医学检测技术的主要教学内容包括多种成像检测技术和光谱检测技术;激光生物学技术的主要教学内容包括了激光工作原理及特性、激光生物学作用原理和激光的安全防护等。以这些内容为教学重点,做到教学体系的完整性和合理性。在此基础上,结合教材内容和相关的参考资料[4-13]准备手#教案,并同时进行多媒体教学课件的准备,完成教学前的准备工作。值得一提的是,在准备多媒体课件的过程中,笔者在网上搜集了大量的与该课程有关的图片、视频和PPT等,并对这些资料进行了分析、整理和整合,融入到自己所制作的课件中,力争做到课件信息量大、形象直观,让学生记忆深刻。在教学过程中,举出丰富的事例对学生进行知识点的讲解,并遵循知识点随机提问,进行课堂讨论,增加与学生的互动;向学生提出合理的学习要求:上课之前预习教材内相关章节内容,课堂记笔记,课后复习;积极思考课堂提问,认真完成课堂作业、课后作业,学有余力且对相关知识感兴趣的学生可参考笔者提供的参考资料收集相关内容进行学习。另外参考国外的教学方式,为了让学生了解平时学习的重要性,相应设计出了多元化的考查方式,将平时成绩在总成绩中所占的比例提高到了50%,平时成绩为上课点名、课堂提问、课堂测验和平时作业等成绩的加权平均,而期末考试成绩只占总成绩的50%,这从另外一方面也减轻了学生的考试压力,有助于增强学生学习的兴趣,提高学生学习的能动性。除此而外,笔者在课后收集学生对每堂课的教学反馈意见,实时调整教学中的部分内容,根据学生感兴趣的内容,查阅该领域该部分内容的最新进展,增加相应的教学量,提高教学质量,优化教学体系。总之,教学体系的构建和优化涵盖了教学活动中的所有环节,对于有效开展课堂教学非常重要。

二教学内容的选择和系统化

在教学体系的构建和优化中,教学内容的选择、教学内容的系统化是一个非常重要的部分。该门课程的内容广泛,参考资料丰富,如何有侧重地选取教学内容,保证教学内容的系统化有一定的难度,因此笔者在备课和教学的过程中,对该门课程的教学内容进行了精心的选择和安排,力争做到以教材为蓝本,突出教学重点,注重基本概念和基本原理的理解,注重光、机、电、软件的结合,注重检测技术和仪器运用的结合,注重工程化与技术化的结合,注重理论和实践的结合,实现教学内容完整性和系统性的统一。以显微技术一章为例,自从1665年胡克发表了用显微镜观察软木塞组织的微观结构以后,显微镜就与生物医学观察和检测密不可分了。以光学显微技术为代表的显微技术成为了生物医学光电检测技术的基础与核心内容,之后产生和应用的检测技术如电子显微技术,虽然在技术手段和方案上有所创新,但依然在重复利用或借鉴显微技术的基本原理和基本思想,因此笔者以显微技术为基础和切入点,向学生展示相关检测技术的原理。而在阐述显微镜的成像原理时,又着重介绍了显微镜性能评价参数如视角放大率、分辨率、有效放大率、光束限制和线视场,并从光学知识出发,分别对这几个参数进行了理论推导;通过数学推导让学生理解和掌握有关显微镜的基本问题,如为何高倍物镜比低倍物镜能观察到的物面范围要小;显微镜的分辨率与波长,与数值孔径有何关系;为何数值孔径要与放大倍率合理匹配,才能充分发挥显微镜的分辨能力等。对这些问题的理解都有助于学生今后正确地选取和使用显微镜,也有助于引导学生思考实验仪器的选择和其性能的关系,提高他们的分析能力和实践应用能力。在此基础上,笔者介绍了显微镜的制片技术和使用;之后,笔者对多种显微镜如荧光显微镜、暗视野显微镜、激光扫描共焦显微镜、相衬显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、倒置显微镜及新型显微镜的原理进行了描述,并与普通显微镜原理的异同进行了比较。对于显微技术的发展历史、国内外主要显微镜生产厂家介绍等趣味性强和难度较低的内容则不作教学要求,留给学生自学,给予他们一定的空间开拓视野。这样的内容安排使学生轻松容易地掌握相关的知识,且对仪器的使用产生浓厚的兴趣,达到较好的教学效果。而后面章节的内容也正是基于同样的思路进行选择和安排的。正是由于对教学重点和难点的选择和合理安排,让笔者做到了课程内容的完整性和统一性,为之后教学方法的实施和教学手段的运用作了铺垫。

三教学方法的实施和教学手段的运用

好的教学方法和教学手段有助于推动教学工作的开展,有助于提高教学质量。2011年笔者进行了该门课程的申请和教学工作,由于当时缺乏经验,不知如何完成此项教学任务,故在一次偶然的机会中,向1996年诺贝尔物理学奖获得者、斯坦福大学物理系教授DouglasOsheroff请教了该门课程的教学问题,他告诉笔者一句话:“Startingtheclassfromthesimplethings.”他的这番话让笔者受益匪浅:教学就是要深入浅出,从简单的事物、事例出发,让学生对这门课程的内容有所了解,充满兴趣,借此引导学生进入该课程的学习。在之后的教学工作中,笔者始终秉持这种由浅入深,由简单到复杂的方式来帮助学生吸收知识,积极思考。以该门课程的引言部分为例,笔者首先向学生介绍此课程具有学科交叉、涉及专业广等特点,再将课程内容进行了归纳,课程的核心是“检测”二字,此课程着重解决两个问题:一是检测什么?二是如何检测?对于第一个问题,答案是物体形貌和特性表征;对于第二问题,答案是成像和成分分析。提纲挈领的表达让学生清晰地认识到课程的内容;之后从检测技术和激光生物学这两个板块,对课程的构架进行了框图表述,让学生直观地看出教学内容间的逻辑联系。在此之后,从学生最熟知的观察及成像出发,将课程内容引入。向学生提出一个看似简单却甚少有人思考的问题:“我们是如何观察到物体的?”学生经过思考后给出的答案不是非常全面,笔者就学生的回答做出了一定程度上的肯定,然后向学生抛出笔者自己总结出的观察物体的三个层次:看得到、看得清楚和看得舒服。言简意赅的答案引起了学生的热烈讨论,由此引出了学生对光特性探讨的热情。学生从光的波动性和粒子性回顾了他们的光学知识。之后,笔者又引导他们思考在物体太小和物体离人眼距离太远的情况下,如何观察物体的问题。认真思考的学生做出了回答:可用显微镜和望远镜来进行观察。在此基础上,引导学生根据透镜成像的规律分析对比放大镜、显微镜和望远镜成像的异同;然后顺利引出显微技术和其他生物医学检测技术的发展概况和应用实例,较好地完成了既定的教学任务。在整个教学过程中,笔者尽量做到由浅入深、循序渐进地引导学生对所学内容产生兴趣;在随机提问和自由讨论的轻松氛围中,让学生自然地做到了与教师的“教”与“学”的互动;通过图片、视频资料丰富的多媒体课件,让学生获取信息量大、直观生动的知识;结合在黑板上用粉笔推演公式的传统方式,以适中的速度让学生理清楚基本原理和相关公式的来龙去脉;根据学生感兴趣的知识点和目前的热点研究成果,实时调整部分教学内容,收集相关知识的最新进展,为学生补充知识,如教材中没有的太赫兹检测技术等,以达到扩展学生知识面,扩大学生视野的目的。总之,通过多样化的教学方法和有效的教学手段来培养学生的思考能力和理解能力,提高教学质量。

四总结

从生物医学光电检测技术这门课程的教学体系的构建、教学内容的选择及系统化、交叉融合型教学方法的实施和教学手段的运用等方面,对该课程的教学工作进行了初步探讨,力争使学生通过对该课程的学习,了解生物医学光电检测技术的研究现状和发展趋势,掌握多种生物医学检测技术的原理和基本思想,拓宽视野,提高他们对相关问题的思考能力和理解能力,并培养其理论联系实际、多学科综合应用和创新思维等能力。总之,涉及到交叉学科的课程的相关知识丰富,很多内容处于科学研究领域的前沿,其教学工作量大,教学过程复杂细致,要达到好的教学效果,在教学方面需要付出巨大的努力,就教学内容而言,既要注重基础,又要与时俱进;在教学方法和教学手段上要推陈出新;要不断总结教学经验。一句概括之,任重而道远!

参考文献

[1]黄国亮,等.生物医学检测技术与临床检验[M].北京:清华大学出版社,2014.

[2]向洋.激光生物学[M].长沙:湖南科学技术出版社,1995.

[3]段智英,等.激光生物学效应研究[M].北京:中国农业科学技术出版社,2010.

[6]孙业英.光学显微分析[M].北京:清华大学出版社,1997.[7]严瑛白.应用物理光学[M].北京:机械工业出版社,1990.

[8]张树霖.近场光学显微镜及其应用[M].北京:科学出版社,2003.

[9]戈尔茨坦(美)著,张大同译.扫描电子显微技术与X射线显微分析[M].北京:科学出版社,1988.

[10]朱祖福,沈锦德.电子显微镜[M].北京:机械工业出版社,1984.

[11]高上凯.医学成像系统[M].北京:清华大学出版社,2000.

[12]刘文耀.光电图像处理[M].北京:电子工业出版社,2002.

[13]施心路.光学显微镜及生物摄影基础教程[M].北京:科学出版社,2002.

作者:李玮 冯国英 单位:四川大学 电子信息学院

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