張 亮

(空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 陜西 西安 710032)

生物醫(yī)學(xué)工程主要運(yùn)用工程學(xué)原理和方法解決生物醫(yī)學(xué)問題,是一門集工程技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)于一體的跨領(lǐng)域交叉學(xué)科[1-2].2016年以來,教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè),強(qiáng)調(diào)學(xué)科建設(shè)的實(shí)用性、交叉性和綜合性,突破學(xué)科壁壘培養(yǎng)復(fù)合型人才[3].這進(jìn)一步凸顯了醫(yī)工專業(yè)人才培養(yǎng)的重要性和迫切性.但在人才培養(yǎng)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)仍有不少問題制約著其發(fā)展[4].其中在課程教學(xué)方面,以大學(xué)物理為代表的基礎(chǔ)課程相比于其他專業(yè)課,由于理論性較強(qiáng)、實(shí)踐性偏弱,且傳統(tǒng)教學(xué)模式下不易凸顯其在整個(gè)專業(yè)體系中的根基地位,導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中興趣不高、目的性不強(qiáng),教學(xué)效果大打折扣.

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué),是自然科學(xué)與工程技術(shù)的基礎(chǔ),其重要性不言而喻.如何在大學(xué)物理課程教學(xué)過程中結(jié)合醫(yī)工專業(yè)特點(diǎn),加強(qiáng)其理論與實(shí)踐、基礎(chǔ)課與專業(yè)課關(guān)聯(lián),凸顯該課程的基礎(chǔ)性、交叉性、融合性,以提升其在學(xué)生心中的地位.這是當(dāng)前高校教師在課程設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中需要考量的重要環(huán)節(jié)[5].

本文在新時(shí)代高校大力推進(jìn)“新工科”建設(shè)和課程思政的背景下,以“液體表面張力系數(shù)測(cè)量”實(shí)驗(yàn)課為例進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.詳細(xì)闡述了以學(xué)生為主體的啟發(fā)式教學(xué)模式,以及大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐應(yīng)用、專業(yè)課程、課程思政相互融合的教學(xué)策略.為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大學(xué)物理課程交叉融合實(shí)踐提供思路與參考.

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)

本校大學(xué)物理與實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)對(duì)象為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生,其中“液體表面張力系數(shù)測(cè)量”授課于大一下學(xué)期,是實(shí)驗(yàn)課中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分.依學(xué)情分析,本次課的教學(xué)目標(biāo)為:

(1)理解液體表面張力系數(shù)的概念、物理意義及其應(yīng)用價(jià)值.

(2)了解拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的基本原理;在此之上,啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索的科學(xué)熱情,培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于突破的科學(xué)精神.

本次課的教學(xué)重點(diǎn)是拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的基本原理,教學(xué)難點(diǎn)是從原理到實(shí)際操作過程中關(guān)鍵測(cè)量要素的提取與優(yōu)化.圖1給出了本次課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定思路.

圖1 “液體表面張力系數(shù)測(cè)量”教學(xué)目標(biāo)設(shè)定思路

1.2 教學(xué)策略設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)本次課堂教學(xué)過程中,教學(xué)組堅(jiān)持問題導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)模式,注重知識(shí)邏輯的梳理,激發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主思考與探究.同時(shí)注重突出物理學(xué)思想和物理學(xué)與其他專業(yè)課程的緊密聯(lián)系.

授課引入結(jié)合新冠肺炎疫情,從肺與肺泡的功能出發(fā),引入表面張力的基本概念及其對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的重要意義,激發(fā)學(xué)生興趣;通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生思考如何對(duì)表面張力進(jìn)行表征與測(cè)量,進(jìn)而得出本次課主題——基于拉脫法對(duì)表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量;結(jié)合醫(yī)工專業(yè)課程知識(shí)對(duì)拉脫法的測(cè)量原理進(jìn)行分析講解,并基于原理啟發(fā)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),培養(yǎng)其動(dòng)手能力;在設(shè)計(jì)過程中解析模型、討論關(guān)鍵變量,啟發(fā)學(xué)生思考并優(yōu)化;在實(shí)際操作與數(shù)據(jù)驗(yàn)證環(huán)節(jié),重點(diǎn)提醒學(xué)生對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析并討論得出結(jié)論;最后小結(jié)本次課內(nèi)容,鞏固知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)踐,形成教學(xué)閉環(huán)——源于實(shí)踐,歸于實(shí)踐.圖2給出了本次課的教學(xué)思路.

圖2 “液體表面張力系數(shù)測(cè)量”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路

1.3 思政要素挖掘

在液體表面張力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,傳感器電壓測(cè)量點(diǎn)的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分關(guān)鍵.不少文獻(xiàn)與教材選用的測(cè)量點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)原理的分析結(jié)論存在一定差異[6-8].在課堂教學(xué)過程中,針對(duì)傳感器電壓測(cè)量點(diǎn)的選取,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自行思考,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的結(jié)論,給出優(yōu)化方法.重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于突破的科學(xué)探索精神.

2 教學(xué)實(shí)施過程

2.1 問題引入與鋪墊

以全球新冠肺炎疫情為背景,結(jié)合醫(yī)工專業(yè)特點(diǎn),簡(jiǎn)要介紹呼吸的基本生理過程以及新冠肺炎病毒的基本作用機(jī)理[9].一方面可以關(guān)聯(lián)生理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容,提升學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)踐性感受;另一方面重點(diǎn)突出呼吸過程中表面張力對(duì)肺泡生理機(jī)能的重要作用,進(jìn)而引出關(guān)鍵詞——表面張力.

給出表面張力的定義后,通過設(shè)問方式啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考表面張力的物理學(xué)內(nèi)涵:表面張力的主要作用位置在哪?如何對(duì)表面張力進(jìn)行數(shù)學(xué)表征?測(cè)量液體表面張力的主要方法?這里側(cè)重點(diǎn)在第二個(gè)問題——表面張力的數(shù)學(xué)表征.為何采用表面張力系數(shù)而不直接用力的大小來對(duì)其進(jìn)行表征?

由定義可知:設(shè)想液面上一條長(zhǎng)為L(zhǎng)的線段,表面張力作用于液面上該線段兩側(cè)且垂直于該線段,如圖3所示.其大小F正比于線段長(zhǎng)度L,即F=αL,α表示液體的表面張力系數(shù),單位為N·m-1.表明不同人在測(cè)量時(shí)設(shè)定不同的線段L時(shí),得到的表面張力大小是不同的,不能作為比照依據(jù),也不能反映液體自身的性質(zhì).以此啟發(fā)學(xué)生思考測(cè)量的基本條件以及科學(xué)研究中研究對(duì)象選取的重要性.

圖3 液體表面張力定義示意圖

2.2 拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的基本原理

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中廣泛采用拉脫法對(duì)液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量.其特點(diǎn)是過程簡(jiǎn)單、原理易懂.在基本原理講授過程中側(cè)重于在3個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)引導(dǎo):被測(cè)液體表面張力的作用位置、液面下降過程中吊環(huán)內(nèi)外壁處表面張力的變化規(guī)律、微小力的測(cè)量方法.

前兩個(gè)問題是整個(gè)拉脫法測(cè)量原理的關(guān)鍵因素,通過啟發(fā)學(xué)生自行思考并明確了表面張力的作用位置及變化規(guī)律,就可根據(jù)表面張力的定義式通過受力分析得到液體表面張力系數(shù)的計(jì)算式.第三問則是理論轉(zhuǎn)換為實(shí)踐過程的關(guān)鍵技術(shù)問題.通過相關(guān)技術(shù),將難以得到的力學(xué)參量轉(zhuǎn)換為電學(xué)參量,這是工程領(lǐng)域中常用的技術(shù)手段.分析過程涉及壓敏轉(zhuǎn)換裝置、平衡電路等工程專業(yè)知識(shí),可以體現(xiàn)出物理學(xué)與電子信息技術(shù)、電路等專業(yè)課程的緊密結(jié)合,其課程基礎(chǔ)地位得以凸顯.

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)原理,選取實(shí)驗(yàn)器材,開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).啟發(fā)學(xué)生根據(jù)原理明確實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)定的關(guān)鍵因素:力敏傳感器靈敏度K、吊環(huán)在臨界狀態(tài)時(shí)傳感器對(duì)外輸出電壓U1、吊環(huán)脫離液面穩(wěn)定后傳感器對(duì)外輸出電壓U2,以及被測(cè)液體溫度T.其中,力敏傳感器靈敏度K需要定標(biāo),通過數(shù)值擬合的方法得到,涉及數(shù)值運(yùn)算方法專業(yè)課程內(nèi)容;而被測(cè)液體溫度T是學(xué)生容易混淆的物理量,實(shí)驗(yàn)中常有學(xué)生以環(huán)境溫度替代被測(cè)液體溫度進(jìn)而造成實(shí)驗(yàn)誤差偏大的結(jié)果.

吊環(huán)脫離液面穩(wěn)定后傳感器對(duì)外輸出電壓U2的測(cè)量時(shí)機(jī)比較明確.而對(duì)U1的測(cè)量,根據(jù)原理所述U1應(yīng)取數(shù)字電壓表中電壓最大示數(shù),但文獻(xiàn)[6-8]與教材認(rèn)為:U1應(yīng)取液膜破裂前瞬間的電壓表讀數(shù).此處將產(chǎn)生矛盾點(diǎn).授課過程中,可以以此矛盾點(diǎn)為切入點(diǎn),啟發(fā)學(xué)生不要盲目迷信教材,通過思考對(duì)兩種取值方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證比較得到結(jié)論.培養(yǎng)其敢于質(zhì)疑、勇于突破的科學(xué)探索精神.

此外,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中操作員既要關(guān)注液面下降過程中液膜狀態(tài),又要關(guān)注數(shù)字電壓表示數(shù),往往難以兼顧進(jìn)而造成實(shí)驗(yàn)誤差.這里可以結(jié)合實(shí)際情況,鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)專業(yè)課程內(nèi)容開展程序設(shè)計(jì),以計(jì)算機(jī)代替人工讀取數(shù)字電壓表示數(shù),進(jìn)而提升課程的實(shí)踐性與專業(yè)課程的交叉融合性.

2.4 實(shí)際操作與數(shù)據(jù)驗(yàn)證

實(shí)際操作環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力.在教學(xué)環(huán)節(jié)中側(cè)重于關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)處理,特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大影響的操作處理:吊環(huán)表面的清潔、玻璃皿的潤(rùn)洗、吊環(huán)與砝碼托盤的水平掛載等.對(duì)于數(shù)據(jù)處理部分,側(cè)重于讓學(xué)生進(jìn)行對(duì)比后在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中得出結(jié)論,并給出相應(yīng)的原因分析和優(yōu)化方法.這部分可以作為額外加分項(xiàng)融入課程平時(shí)表現(xiàn)分,完善課程形成性考核機(jī)制.

2.5 小結(jié)

對(duì)本次課的內(nèi)容進(jìn)行梳理,明確教學(xué)目標(biāo)與授課重點(diǎn)、難點(diǎn).最后對(duì)表面張力在實(shí)踐中的應(yīng)用,特別是醫(yī)學(xué)應(yīng)用[10]進(jìn)行歸納引導(dǎo),形成教學(xué)閉環(huán).完成本次課的授課工作.

3 實(shí)施效果

課后通過與聽課專家的溝通得到了本次課的反饋:(1)課程脈絡(luò)清晰,各小節(jié)之間的邏輯關(guān)系銜接較好;(2)重難點(diǎn)突出,主次分明,達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo);(3)授課內(nèi)容豐富,既有物理學(xué)知識(shí)傳授,又有其他專業(yè)課程內(nèi)容的介紹,還有科學(xué)研究思想的融入,有一定廣度和深度;(4)思政元素的融入比較順滑,有一定的育人價(jià)值.學(xué)生方面表示本次課內(nèi)容豐富,感興趣的要素相對(duì)較多;對(duì)液體表面張力的物理概念有了更加深入的理解;對(duì)自己動(dòng)手能力的提升有很大幫助.

在授課過程中涉及生理學(xué)、電路、電子信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí),這要求教師需要掌握的內(nèi)容增多,備課要求增加;同時(shí),伴隨知識(shí)深度和廣度的拓展,授課難度有所提升,授課時(shí)間壓力較大,對(duì)教師的課堂掌控力有較高的要求.

4 結(jié)束語

大學(xué)物理與實(shí)驗(yàn)課程作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)公共基礎(chǔ)課程,在當(dāng)前“新工科”背景下理應(yīng)在課程教學(xué)中體現(xiàn)其基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和課程橋梁銜接作用.在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中可以從需求導(dǎo)向和熱點(diǎn)結(jié)合兩個(gè)方面出發(fā),將其與實(shí)踐應(yīng)用緊密結(jié)合;在授課過程中注重與其他專業(yè)課程的關(guān)聯(lián),從授課內(nèi)容中的一些關(guān)鍵要素出發(fā),融合其他專業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化,以突出其基礎(chǔ)性和銜接性.

本文以“液體表面張力系數(shù)測(cè)量”實(shí)驗(yàn)課為例開展課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.結(jié)合新冠肺炎疫情問題作為課堂引入,提升實(shí)踐性;授課過程中以問題為導(dǎo)向推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程,并將授課內(nèi)容中的關(guān)鍵要素與其他專業(yè)課程內(nèi)容結(jié)合開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與問題討論,既增加了授課過程中的學(xué)生參與度,也提升了各學(xué)科之間的交叉融合性.整個(gè)授課過程體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的啟發(fā)式教學(xué)模式,以及大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐應(yīng)用、專業(yè)課程、課程思政相互融合的教學(xué)策略.為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大學(xué)物理課程交叉融合實(shí)踐提供思路與參考.