“生物光子学”教学方法的探索与实践

余霞

［摘 要］ 案例式教学法近年来在理工科的教学过程中被广泛应用，但是，如何根据知识点系统性组织教学案例一直是课程实践中的难点。通过研究一种以创新过程为牵引的案例式教学法在“生物光子学”课程中的实践，分别从教学内容的改革和教学模式的改革两个方面阐述了“生物光子学”教学案例的设计方法。提出了利用生物医学中的临床成熟度量表作为科学工具，来提高课程内容系统性的探索与尝试。这种新的教学方法有利于培养学生系统性解决医工交叉领域问题的创新思维。

［关键词］ 生物光子学；案例式教学法；临床成熟度

［基金项目］ 2021年度北京航空航天大学教学改革重点项目“案例式教学法在生物光子学课程中的思路与实践”

［作者简介］ 余 霞（1980—），女，江苏盐城人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授，主要从事激光光学与生物光子学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）18-0085-04［收稿日期］ 2022-06-20

引言

“生物光子学”是一门以光子学为知识基础、生物医学为应用场景的新兴应用学科，是医工交叉学科群中一门典型的跨学科课程，也是围绕着仪器科学与技术这种一级学科展开的新兴科研领域。这门课程旨在使学生通过了解生物光子学的发展历史、现状、前景及面临的挑战，对该领域产生学习兴趣。同时，希望学生掌握生物医学应用中的关键——光子学技术与原理，并结合具体的生物光子学应用案例，阐述生物光子学仪器技术发展的来龙去脉和关键里程碑，能够使用科学工具对案例技术进行分析。本课程的重点是培养学生基于科学原理并采用科学方法对医工交叉仪器领域的复杂工程问题进行研究，通过团队合作过程中掌握的信息，得到有效的结论。

“生物光子学”这门课程存在以下授课难点：首先，工作原理抽象。光子学基于电磁波原理，而用于生物医学的光子学仪器的各结构部件之间存在较为复杂的光、电、机耦合关系，这种关系看不见、摸不着，非常抽象，不利于学生掌握和理解。其次，随着光子学技术的不断进步，各种测量仪器和光电元件的发展日新月异，新型技术不断出现并广泛应用在仪器搭建中，因此，授课内容每一学年都需要与时俱进，不断更新。传统的教学模式以对知识点的讲授和运用为主［1］。由于大部分生物光子学技术的原理抽象、结构复杂，因此学生很难将上课所学的模块化的知识点与实际应用中的仪器系统进行连接。因此，教学团队致力于使用案例式教学法在“生物光子学”课程中进行探索与实践。

案例式教学立足于实际案例，学生通过案例分析进行学习研究，以实现举一反三以及理论和实践的统一，从而提高认知水平和增强专业能力［2］。该方法目前已在经济管理、法学和医学等学科教学中得到了广泛应用。作为一种启发式教学方法，案例式教学虽然在一定程度上提高了学生的参与意识和创新思维，但由于对该教学模式的认识还不够深刻，导致案例式教学在理工科的教学过程中遇到一些困难。由于案例始终只是存在特殊性和局限性的个例，如果过于突出案例的讲解而忽视对知识点的讲授和运用，容易导致学生课后只记住了案例而对知识点一知半解。

一、教学改革

在传统的“生物光子学”教学大纲中，学生的学习兴趣主要在介绍系统和仪器的具体应用阶段被调动起来。如何选择仪器技术及相关的应用案例进行介绍，才能覆盖生物光子学的主要知识点？如何推进不同仪器及应用案例的难度和前沿性，才能润物无声地让学生学习到科学创新的过程？针对以上两个问题，我们在教学改革中主要从教学内容和教学模式两个方面开展提高案例式教学方法的探索与实践。

（一）教学内容改革

在理工类课程的授课过程中，如何处理好案例式教学法与其他教学方法之间的关系成为教学内容改革中要解决的首要问题。基于“生物光子学”的交叉型课程特性，本课程對学生的知识储备有一些基本的要求，“大学物理”应作为先修课。因此，本课程的教学对象为二年级及以上的理工科学生，他们已经掌握了一定的光学基础知识，并且对所选的案例技术有一定的理解或想象。课程大纲的简介如表1所示，主要的课时集中在从光子学器件到仪器系统的专业知识点以及从3个案例分析所引入的光学检测仪器的教学内容，案例选择的主要依据包括以下两个方面。

1.要把握好案例选择与教学大纲主要知识点的组织把控、普适性的方法总结与提升等三个环节，真正开展“生物光子学”案例式教学。在案例选取的过程中，以案例对应的主要知识点为结构框架。以最近一轮教学过程选取的光学检测技术案例为例，其展开方式如表2所示。第一个案例选用的是新冠病毒感染期间的核酸检测技术，旨在讲述生物医用光学检测技术中的检测限和检测速度两个主要概念，回答检测技术中“有多少”的问题；第二个案例选用的是癌症诊断技术中的表面增强拉曼散射技术，旨在讲述光学检测技术中灵敏度和特异性两个概念，回答“是什么”的问题；第三个案例选用的是生物医用成像技术中的脑磁仪技术，旨在介绍成像系统中的空间和时间分辨率的概念，解答“在哪里”的问题。

2.在生物医用的应用领域，根据临床成熟度（Clinical Readiness Level， CRL）选取有代表性的案例。CRL是笔者根据技术成熟度（Technology Readiness Level， TRL）推演出的一个新概念，其目的是将医工交叉技术领域的创新过程进行分级。TRL作为一种科技评价工具，由美国宇航局提出。其九个细分级别包括：（1）基本原理被发现和阐述。（2）形成技术概念或应用方案阶段。（3）关键功能实验室验证阶段。（4）实验室原理样机组件或实验板在实验环境中验证。（5）完整的实验室样机、组件或实验板在相关环境中验证。（6）模拟环境下的系统演示。（7）真实环境下的系统演示。（8）定型试验。（9）运行与评估。对应到医学行业内，我们也可将CRL分为低、中、高三个主要阶段，分别对应实验室验证、临床验证、临床使用三个阶段。利用临床成熟度量表，重点在于培养学生对创新过程的理解和对“科技评价计算器”系列工具的使用。案例一是以民生热点为基础，既可以达到激发学生学习兴趣的目的，又帮助学生理解了技术成熟度最高的CRL高级阶段的定义；案例二选取的是北航“大学生冯如杯竞赛”中的一等奖项目成果，以科技竞赛为推力，在鼓励学生发展创新思维的同时，帮助他们理解技术成熟度居中的CRL中级阶段的技术挑战和实际应用难点；案例三选取的是脑科学计划中非常有挑战性的脑磁仪领域，该技术尚处于成熟度较低的CRL初级阶段，还有很多原理性的验证有待完成，属于以科技前沿为导向的案例，能够鼓励学生敢为人先的创新精神。图1和图2从生物医用检测诊断技术和光治疗技术两个方面进行了案例选择方法的总结，其横轴所选的主要技术参数是光子学仪器的主要知识点，纵轴为CRL的三个主要阶段。

（二）教學模式改革

在每个案例的授课过程中，最后一个环节都是以翻转课堂的形式展开讨论［3］。为了兼顾各小组讨论的发散性和聚焦性，需要给出一定的案例分析方法。报告的主要内容围绕4个维度展开：（1）技术原理介绍。（2）国内外研究现状，论文趋势的分析表，临床成熟度的评估。（3）国内外主要产品的介绍，应用场景的分类表、专利池的分析表。（4）技术发展的趋势预期和主要挑战。案例式教学作为一种开放式教学模式，其案例探讨答案不应具有唯一性和标准性，在自主分析、充分讨论、大胆质疑的过程中，学生能从4个不同角度看待问题、分析案例。以学生为主体，以CRL为案例分析和讨论的主要科学工具，使课程内容的讨论既有丰富的主线和层次，也更加贴合实际，从而提高学生分析解决问题的能力、语言表达能力和创新能力。

另外值得注意的是，图1中有若干空白区域，因此在翻转课堂的过程中，学生能够讨论自己所选择案例在九宫格中间的位置，从而达到巩固专业知识和科学方法的目的。案例的技术内容既能够凸显交叉学科的特色，在每一轮的教学过程中又能够做到可积累可迭代，且便于实现电子化及信息化。案例式教学的优势在于案例库的建立过程是可以逐年积累的。具备扩展性的案例库将有效地助力医工交叉仪器科学领域的长期课程建设。

学生的反馈对于教学模式的改革也起到了积极的促进作用。基于46位学生的调研报告显示，超过95%的学生认为案例式教学提升了他们对于“生物光子学”课程的兴趣；超过91%的学生认可所选的三个主要教学案例对于知识点理解的促进作用。我们也发现，对于三个案例的选择，76%的学生认为这三个案例帮助他们更好地理解了创新的不同阶段，而另外24%的学生并没有意识到这三个案例选择的用意。这为后续教学模式的改革提供了方向性的指导。

结语

以CRL创新过程为牵引的案例式教学改革在“生物光子学”课程中取得了很好的应用效果。通过可迭代的案例选择方法，以临床成熟度量表为科学依据，本课程可以建成开放式、面向医工交叉仪器科学的典型案例库，且可随新的教学需求和新的科研成果不断补充和丰富。同时，在教学实践中形成了一套随案例展开的教学组织和实践方法。案例式教学能激发学生的学习兴趣，精准地对应到专业知识点及CRL区间形成的图表中，培养学生系统性解决医工交叉领域问题的综合能力，锻炼科研思维，为学生下一步进入专业领域研究奠定坚实基础［4］。

参考文献

［1］张堃，付君红.基于“医工融合”的新工科专业人才培养模式的探讨［J］.教育教学论坛，2019（40）：240-242.

［2］张艳芳，赵淼峰.美国案例式教学发展历程及启示［J］.科教导刊电子版（上旬），2018（2）：45.

［3］林娟，庄金洪.案例教学与翻转课堂耦合式教学的探索与实践［J］.福建教育学院学报，2021，22（4）：88-90.

［4］教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见［J］.中国大学教学，2007（3）：9-11.

Exploration and Practice of a New Teaching Method in Biomedical Photonics： Innovation-Process-Driven Case-Study Based Teaching

YU Xia

（School of Instrumentation and Opto-Electronic Engineering， Beihang University，

Beijing 100191， China）

Abstract： Case-study based teaching method has been widely used in science and engineering courses. However， it has encountered challenges due to its lack-of systematic knowledge structure. This paper introduces the experience of innovation-process-driven case-study based teaching in Biomedical Photonics course. It illustrates the case-study based teaching method from technical content and approach perspectives. It emphasizes the utilization of Clinical Readiness Level （CRL） chart， which can enhance the systematic delivery of multi-disciplinary knowledge. This new teaching method is potential useful for innovation-capability training of multi-disciplinary biomedical engineering students.

Key words： Biomedical Photonics; case-study based teaching; clinical readiness level