探索OBE教学理念的生物医学传感器通识课教学

郭 晋

(北京理工大学生命学院, 北京 100081)

通识教育(general education)旨在打破专业壁垒,让拥有不同背景知识的学生广泛涉猎不同学科领域的知识与思想,拓展学生知识体系,健全学生人格,促进学生全面发展[1-3]。通识教育与专业教育相辅相成,是高等教育体系重要的组成部分[4]。

生物医学传感器是生物医学与传感技术相互渗透与交叉的产物,它能够将人体的各种生理信号转化为易观测的、可用的电信号,是构成医疗设备与医用检测仪器的核心部件。通识课程是实现通识教育理念的重要载体和渠道。为了让非生物医学工程专业的学生了解典型的人体生理信息的产生机制、特征及其传感检测方法,北京理工大学面向全校本科生开设生物医学传感器通识课程。然而,生物医学传感器涉及生物医学、电子信息、物理、材料等多个学科的技术,内容庞杂,并且选课学生来自不同专业,生物医学背景知识非常薄弱,这些客观因素给本通识课程的教学活动带来了巨大的挑战。

成果导向教育理念(outcome-based education,OBE)又称为目标导向教育理念或需求导向教育理念,是由学者Spady[5]提出的一种以学习成果为导向的教育理念。在OBE教学模式中,教学理念产生了从“以教材为中心”“以教师为中心”到“以学生为中心”的根本性转变[6-7]。鉴于此,基于OBE教育理念,针对生物医学传感器通识课程面临的挑战,本文从教学目标、教学内容、教学模式以及考核方法等4个方面对该课程的教学改革进行探索。

1 以通识教育理念为指导,明确预期学习成果

教学目标是课程教学过程的出发点和归宿,也是评价学生学习成果的重要依据,在教学活动中起指导性作用[8]。OBE教学理念强调以学生预期学习成果为导向(教学目标),所有教学活动都应该围绕学生完成课程时应获得的能力或成果展开。课程的预期学习成果应当是明确的、可达成的、可评价的。该教学理念对生物医学传感器通识课程教学目标的制定具有一定的启发作用,在设计生物医学传感器通识课程教学目标时应当充分考虑通识教育的目的、“以学生为中心”等因素。

专业教育旨在针对某一学科或领域培养高、精、专人才[9]。作为与专业教育相对应的教育理念,通识教育的目的在于“育人”而非“制器”[10]。因此,在通识课程的教学活动中不应当秉持专业教育的思想与理念,不能按照专业课的标准来制定生物医学传感器通识课程的教学目标,使课程目标过度重视专业知识,造成教学内容过于专业,把通识课程变成专业课程。这往往会导致学生无法听懂教师讲授的知识,严重破坏学生的学习兴趣。一般来讲,通识教育课程的教学目标包含知识与能力、道德与情怀等方面的培养[11]。生物医学传感器通识课程在知识与能力方面的教学目标是屏蔽选课学生的专业背景,让专业各异且生物医学背景知识薄弱的学生能够学习生物医学传感技术的基本原理,了解生物医学传感器领域的研究热点、发展趋势及其在医疗设备、医用检测仪器中的应用,培养学生运用生物医学传感技术相关知识分析、解决实际问题的能力。生物医学传感器通识课程在人格与道德方面的教学目标是让学生深刻意识到尽管近年来我国在生物医学传感器领域取得了显著成就,但是无论是产品竞争力还是所占市场份额都远不及美、日等发达国家,超过90%的高端传感器需要依赖国外进口,仍面临关键技术“卡脖子”难题,严重制约我国高新技术产业的发展[12]。唯有自主创新才能突破国外对高端传感器的垄断,培养学生科技报国、创新为民的家国情怀。

2 以预期学习成果为起点,逆向设计生活化教学内容

在OBE教育理念中,课程教学以预期学习成果为起点,逆向设计课程教学内容,开展教学活动,确保学生能够达成预期学习成果。教学内容的设置不再是“以教材为中心”,也不是授课教师想要教什么内容,而是要达成预期学习成果需要讲授些什么内容。

生物医学传感器通识课程全校学生都可以选修,选课学生背景知识相差悬殊。不仅如此,现有生物医学传感器相关教材过于专业化,教材修订需要一定的周期,最新前沿技术成果更新滞后,不适用于通识课程的教学。因此,非常有必要对本通识课程的教学内容进行合理选择与重组。根据待测量的人体生理信息的种类,将生物医学传感器分为物理(量)传感器、化学(量)传感器以及生物(量)传感器3大类[13]。为了让学生了解传感器技术在医疗设备或器械中的具体应用,采用案例化方法,以学生熟知的、贴近日常生活的医疗设备或器械为起点,设计相应的教学内容,从而达成预期学习成果。除此之外,教学内容应该打破教材固有知识的束缚,与时俱进,紧贴生物医学传感器科技发展前沿,融合国内外最新科研成果。这样既能够使学生掌握课程的知识点,又可以提高学生的学习兴趣。

生物医学传感器通识课程的主要教学内容如图1所示。在物理传感器部分,重点介绍电子血压计、电子心音听诊器等常用医用设备或器械核心传感器的结构、工作原理及其检测的人体生理信息。例如,在电子血压计案例的教学内容中,以电子血压计功能与结构为导入,详细介绍评估心血管功能最常用的参数——血压的基础知识、产生机制、测量方法,讲解血压计的工作原理,剖析电子血压计关键部件——压阻式传感器的结构、检测原理等。当讲解完成物理传感器相关教学内容后,引导学生展开课堂讨论,除了课堂上讲解的传感器以外,还有哪些物理传感器可以应用于电子血压计,并且比较这几种传感器在血压测量中的优缺点,培养学生运用所学生物医学与传感技术等相关理论知识分析、解决实际问题的能力。化学传感器主要基于pH传感器、血气分析仪等案例,讲解化学传感器的基础知识,介绍离子传感器、气体传感器、湿度传感器的结构、原理及特性。生物传感器重点聚焦便携式血糖仪、新型冠状病毒的检测试剂等案例,讲解酶生物传感器、免疫传感器、DNA/RNA传感器、细胞与组织传感器的相关基础知识和检测原理。前沿生物医学传感技术聚焦“用意识让瘫痪患者手写字母”的脑机接口技术、无创伤的智能化可穿戴汗液传感器、用于临床医学检测的微流控分析芯片,让学生了解科技创新与发展给人类尤其是病患带来的巨大福音。

图1 生物医学传感器通识课程案例化教学内容Figure 1 The case-based teaching contents of the general education course “biomedical sensors”

3 以学生为中心,构建多元化教学模式

教学实践表明,多元化的教学模式更有助于在教学内容讲授过程中调动和维持学生学习的兴趣[14]。针对选课学生专业差异且均无生物医学背景知识,生物医学传感器通识课程采用多元化的教学模式,旨在让学生能够听懂本课程的教学内容并且能够参与到教学活动中,达到调动学生学习积极性、提升教学效果的目的:(1)充分利用多媒体辅助教学模式,通过文字、图片、动画、视频相结合的方式,将教学内容中抽象难懂的知识生动形象地展示给学生。PPT可以实现图片展示、视频播放、动画演示等功能,相较传统教学方式——板书教学,具有突出优势。利用这一优势,任课教师可以结合教学内容制作PPT动画,从视频网站、企业网站、纪录片等多种渠道获取优质视频资料,在课堂教学活动中播放,吸引学生注意力,提升教学效果。例如,人体生理参数的产生机制以及各类传感器的工作原理、内部结构等比较抽象的知识点,通过图片、动画、视频等方式生动形象地展示给学生,突破教学难点;(2)设置课堂讨论,让学生参与到课堂教学中,有利于教师与学生进行互动,引导学生思考,使学生参与其中,促进学生理解记忆。生物医学传感器通识课程的教学内容主要包括4个部分,在每个部分的教学过程中或完成后,引导学生独立思考、小组讨论,然后共同探讨,让学生各抒己见。由于选课学生背景知识各异,分析问题的角度不同,学生根据自身专业背景提出自己的见解。最后,教师根据学生的观点与看法进行总结与拓展,并且适当留白,鼓励学生查阅相关材料;(3)课堂上融合实物展示教学方法,将一些传感器实物和便携式医疗器械带到课堂,让学生更直观地认识“传感器是什么样的装置”,并且了解传感器及其在医疗器械中的应用。例如,在讲解电阻应变片的工作原理时,可以将金属丝和万用表带到课堂,通过向学生展示金属丝拉伸时电阻值发生改变来介绍电阻应变效应的定义。在讲解电子血压计的结构和工作原理时,可以将带入课堂的血压计进行拆卸与分解,让学生了解血压计的内部结构以及各个部件的功能与作用,引导学生逐步揭开电子血压计这款医疗器械的秘密。此外,本通识课程采用案例法组织教学内容,然而设计的案例难以覆盖全部教学内容。因此,可以通过生活中常见的、常用的非生物医学传感器弥补未覆盖到的教学内容,鼓励学生发现生活中隐藏在我们身边的传感器,增加课堂教学的趣味性。例如,本课程设计以B超超声源案例为出发点,讲解压电式传感器中压电材料的逆压电效应等一系列相关知识点。对压电材料正压电效应等知识点的讲解,可以将生活中常见的电动打火机带入课堂,通过拆解让学生了解电动打火机的内部结构以及压电材料在其中发挥的功能与作用;(4)充分利用生命学院自身优势,组织学生进行实地参观教学。增加实地参观教学,能够使学生将课堂上学习到的理论知识与具体的医用传感器、器械、仪器、设备相结合,进一步加深对生物医学传感器相关知识点的理解。这种教学方式尤其有助于学生对生物传感器和化学传感器的学习。另外,在实地参观教学过程中,学生不仅能够获悉到生物医学传感器诸多科研领域的发展理念与前沿技术,还能够了解生物医学传感器产业化的发展情况,深刻认识到传感器在生物医学领域的重要性,从而有效提高学生更为深入地探索与研究生物医学传感器的兴趣;(5)充分利用北京理工大学乐学平台,搭建课程线上教学“图书馆”,补充教学内容,拓展学生的眼界与知识面。生物医学传感器通识课程总计32学时,由于生物医学传感器涉及的知识点较多,而且随着医疗、生物、电子、材料等技术的突飞猛进,各种新型的传感技术不断更新,仅仅利用线下课堂教学难以满足教学需求。因此,非常有必要构建网络教学平台,让学生能够通过线上平台根据自己的兴趣自主选择学习内容。受课时数限制,在教学内容的选择上会有所取舍、在教学过程中会有所侧重且适当留白。将在课堂教学中“舍”的、留白的相关知识点的资料上传到学习平台,学生可以自由安排时间进行学习。此外,还可以甄选课程相关的最新科研成果、专家讲座、行业动态等资料,更新学生的知识库;(6)建立课程交流群,学生在学习过程中不懂的问题或者新的想法,可以与任课教师就相关话题展开讨论。

4 以预期学习成果为依据,建立多层次考核方式

在OBE教育理念中,考核方式应以预期学习成果为依据,能够定量地评估、衡量学生通过学习后掌握的知识点和达成的能力点。此外,考核方式还应该能够在教学过程中提供有效的反馈,从而推动教学内容的持续改进。美国大学通识课程的考核体系侧重于考核学生是否掌握了基本技能,是否具备了超越精神、创新思维和批判性思维[15]。基于OBE教育理念,借鉴美国大学通识课程考核体系,结合生物医学传感器通识课程自身的特点,我们建立平时成绩和阶段性考试相结合的考核评价体系。平时成绩占总成绩的22%,用来考核学生课堂学习的参与情况,包括考勤、课堂讨论、课堂互动等。与专业课程的期末考试不同,阶段性考试采用考察方式,取消了试卷考试,更加注重考核学生应掌握的学习成果以及运用所学知识解决问题的能力。阶段性考试共计3次,分别针对教学内容中的3大类传感器,每次考试分别占总成绩的26%,不占用课程教学的学时。3次阶段性考试分别安排在相应教学内容讲授完成之后。阶段性测验能够有效地反馈学生的学习效果,指导教师优化教学活动。3次阶段性考试均采用PPT演讲的方式,由学生自行寻找感兴趣的物理传感器、化学传感器和生物传感器,查阅相关文献资料,展示该传感器的结构、工作原理、性能评价、实验验证及其在生物医学中的应用,并且论述自己对该传感器的理解与评价,进一步拓展学生在生物医学传感技术领域的知识,同时培养学生查阅文献的能力和表达能力。教师和其他同学提出问题进行现场答辩,依据学生PPT讲演情况、PPT内容的完整程度、学生回答问题的正确性以及知识点探索、拓展情况进行评分。

5 改革成效与学生反馈

本文提出的教学改革方案已经在北京理工大学生物医学传感器通识课程教学活动中试运行,目前取得了一些良好的效果:(1)教学实践表明,利用学生熟知的、日常生活常见的医疗设备或传感器为出发点设计教学内容和教学模式,课堂上融合实物展示,能够有效提升学生的学习兴趣。学生带着好奇心“这款医疗设备或传感器是如何工作的?”听讲,能够更好地参与到课堂教学活动中;(2)教学活动中要站在学生的角度充分考虑学生背景知识的差异,尽可能详细地讲解案例化教学内容涉及的基础知识,将相关资料上传到网络教学平台。通过问卷调查发现,87%以上的学生反馈能够听懂课堂上讲授的内容。我们收集了反馈听不懂的知识点,进一步对教学内容和教学模式进行补漏和优化;(3)超过84%的学生认为PPT讲演的考核形式锻炼了自主学习能力、表达能力,对考核体系持赞成态度。然而,也有学生反馈本课程的考核体系占用学生较多的课后时间,后续我们将根据学生的反馈持续改进;(4)从评教内容来看,收获选课学生“课程内容丰富、充实、有趣”“学到了很多知识,拓展了自己的知识面”“第一次站在讲台做PPT汇报很紧张,后面自信了很多”等好评,也有学生反馈希望获得教师的指导参加市级、校级大学生创新创业竞赛。

6 结语

通识教育是国家创新人才培养战略的重要组成部分,在完善学生知识体系的同时,健全学生人格,促进学生全面发展。以OBE教育理念为指导,综合考虑通识教育的作用和目的,我们对生物医学传感器通识课程的教学改革方法进行探索,提出采用案例法组织教学内容,通过介绍日常生活中常见的、常用的医疗设备或传感器等相关案例,让学生带着兴趣学习生物医学传感技术相关的知识,了解传感器在信息技术中占据至关重要的地位,拓展学生的眼界和知识面,培养学生的自学、讲演、表达能力。今后,本课程将继续根据学生的反馈与沟通持续改进。