基于OBE理念的生物医学工程专业物理化学课程教学探讨

张红平,唐鹏飞,李劲超,智 伟,鲁 雄,冯 威,王清远,

(1.成都大学机械工程学院,四川 成都 610106;2.四川大学建筑与环境学院,四川 成都 610000;3.西南科技大学材料与化学学院,四川 绵阳 621010;4.西南交通大学医学院,四川 成都 610031)

成果导向教育(Outcome Based Education,OBE)是一种以学生为中心,以成果为导向的教育理念[1]。它通过设定明确的教学目标,设计和实施教学活动,进行有效的教学评估,帮助教育者更深入地理解和满足学生的需求,从而提高教学效果,培养出具有实践能力和创新能力的学生。这一理念正在被广泛应用于我国高等教育各个学科的教育改革中。

生物医学工程(Biomedical Engineering,BE)是现代医学的重要支撑,是国家科技水平和文明程度的重要体现[2]。生物医学工程专业作为生物、医学及工程等领域的交叉学科,在本科教育教学中涉及众多的专业基础课程,其中物理化学课程也是该专业重要的专业基础课程之一。物理化学课程具有普适性强、理论性强、衔接多学科基础理论等特点。然而,由于物理化学课程教学内容复杂的知识体系和缺乏有显示度的专业成果,使传统的教学方法难以满足生物医学工程专业学科的教育需求[3]。因此,如何在OBE理念的启发下,将持续改进的思想和产出导向的理念与物理化学课程的教学过程相结合,针对生物医学工程专业学生的培养需求,改革传统的物理化学课程教学模式,对于提升生物医学工程专业学生的教育教学质量具有重要意义。

生物医学工程专业学生的就业场景主要有科学研究或工程研发;器械维护、培训及管理等部分组成。具体地讲,其中产品研发和科学研究工作与物理化学课程的具体知识有较多的联系。因此,有效、针对性地设计适用于生物医学工程专业的物理化学教学体系则具有重要的意义,直接关系到物理化学课程对生物医学工程专业的支撑程度和有效性。

因此,我们认为基于OBE理念的生物医学工程专业的物理化学课程体系的构建势在必行,需要根据不同高校生物医学工程专业的培养目标和专业侧重点(关注生物医用材料研发或者关注医疗器械应用、二次开发等)进行物理化学课程教学内容和理念的顶层设计[4]。物理化学课程教学思路见图1。

图1 OBE理念下的物理化学课程教学思路

将物理化学中的热力学判据、动态变化等思维方式融入到生物医学工程专业的教学中,是帮助学生培养科研素养和职业素养的重要途径。例如,物理化学课程中讲述的“研究对象的热力学状态函数之间是相互关联的”,就生动地阐释了哲学思想中“物质是普遍联系的”的道理。拓展该思维方式,就能和生物医学工程中的生物材料/生物体间的相互作用机制相对应,能较好地理解生物材料在生物环境中的稳定性。因为,生物材料植入人体,或与生物组织接触时会受到生物组织的影响,产生微观结构、性能上的变化。学生如果能深刻理解这个联系,在后期的专业课学习、生产、研发工作中也会受益。

将物理化学课程的主要内容(平衡态热力学、动力学和物质结构等)针对性地融入到生物医学工程专业人才培养的环节中,是有效推动OBE理念在生物医学工程专业的物理化学课程教学践行的关键。建议生物医学工程专业的物理化学课程教学采用基础理论知识教学结合生物医学工程专题的方式进行。在基础理论知识教学环节中,重点突出基本概念的理解和思维方式的引导。在专题讲解讨论中,有意穿插、使用物理化学的基本原理和定律,生动地将课本上的物理化学的概念、定律用到生物医学工程的各个专题中。例如,生物材料的制备过程中用到的溶胶-凝胶法的原理与热力学定律(尤其是化学势判据)间的关联;蛋白质的多级结构与生物功能间的关联可尝试建立体系能量与多级结构的关联等。

2.1 相平衡

物理化学课程中相平衡的知识内容主要包括相和相平衡,关于两组分系统的相平衡知识点通常讲解较多的是两组分固-液平衡和液-液的相图,涉及相态、相数及相转变等物理过程。学生学习相平衡章节后,应该对相平衡的基本概念有较深刻的理解,同时应该了解相态转变的概念,理解相态和物质性质之间的密切关联,能较好地运用相平衡的知识分析生物医学工程中物质相态的问题。基于此,本文提出一个适用于生物医学工程专业(偏生物医用材料)学生学习相平衡知识的教学案例——基于生物医学视角的二氧化钛相态认识及分析,具体内容如下:

(1)背景:钛及钛合金是常用的生物医用植入材料,此类材料表面二氧化钛的致密层的理化性质很大程度上决定了此类植入体的临床表现。固相的二氧化钛主要由锐钛矿(Anatase)、金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)等相态组成[5]。

(2)教学方法:通过温度-组成图让学生先认识Ti和O可以形成热力学稳定的相态,然后逐步过渡到TiO2的不同相态,结合相变所需要的能量等参数分析不同相态TiO2的热力学稳定性。通过相图-晶胞结构交互讲解方式让学生能将抽象的相图与其对应的微观结构联系起来,让学生对“材料的微观结构决定材料的宏观性能”有更加直观的认识和理解。

(3)教学目的:全面认识TiO2的相态和相转变机制,结合材料科学研究的先进研究手段从原子结构排列的差异开始自下而上地认识这类材料,通过热力学状态函数、表面能等基本热力学概念的穿插,让学生对相平衡的本质有较深刻的认识。

具体讲解过程如下:

(1)展示Ti-O两组分系统的相图(主要是温度-组成图,图2a),可以让学生全面、系统地认识Ti、O两种元素可以组成的物质种类和形态。

图2 Ti-O两组分系统的相图(温度-组成图)、局部放大图及几种典型Ti-O化合物的晶体结构图(a)和Ti-O两组分系统各化合物的相图及空间群信息(b)

(2)具体到Ti-O两组分系统相图的局部(氧含量在58%～68%,温度在1 500～2 100 ℃),重点讲述微观尺度下Ti-O化合物的晶体结构[6-7](图2b,空间群,晶胞参数),在条件允许的情况下还可展示不同Ti-O化合物的宏观照片和X射线衍射图谱。

(3)展示Ti-O两组分相图上TiO2物相的详细情况(讲解TiO2的温度-压力图,结合不同物相TiO2的晶体结构和热力学函数深入了解TiO2)。

(4)讲解不同物相TiO2的电子结构(能带及带隙),见图3。由此说明不同物相TiO2催化性能的差异。表1列出了金红石、锐钛矿和板钛矿等三种二氧化钛的带隙值,通过比较我们的计算值(黑体)和文献报道的数值,可看出金红石的带隙最窄,说明了该种二氧化钛光催化性能较好的原因。

表1 三种晶型二氧化钛的带隙值

图3 三种晶型二氧化钛的电子能带结构

由上述案例可知类似的物理化学教学案例可以更好地激发学生对物理化学特定知识、概念的学习兴趣,体现了以学生为中心的教学理念。然而,教学过程完成后,了解学生对特定知识的掌握程度,做到教与学的持续改进是OBE理念下物理化学教学的核心和关键。以二氧化钛的相图讲解物理化学课程中相平衡的知识板块为例,可将同学分组,让学生进行知识讲解,结合相平衡教学内容中的知识体系提出并分析一个自己认为重要的相平衡体系,在实际的讲解和交流中加深对相平衡体系各个基本概念、规则的认识,同时发现学生对相平衡体系特定规则或概念掌握不到位的地方。

2.2 溶液热力学

物理化学课程中溶液热力学的知识内容主要包括溶液组成对溶液性质的影响,如偏摩尔量、理想稀溶液和依数性、理想溶液和对应的性质等[13]。主要的教学目的是需要学生能理解溶液的组成、状态等与热力学基本原理之间的关系。学生学习溶液热力学章节后应该对溶液的组成是可变的,溶液组成对溶液性质的影响规律有较深刻的理解[14-15],能较好地运用溶液热力学的知识分析理解生物医学工程中纳米生物材料制备中的物质结晶生长问题。基于此,本文提出溶液热力学知识的教学案例——基于溶液热力学的生物医用材料制备过程的认识及分析,具体内容如下:

(1)背景:仿生纳米生物材料在生物医学工程中具有重要的研究和实用价值,此类材料的制备方法较多,如溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热、溶剂热法等,采用这些方法制备仿生纳米材料时都不可避免地要用到溶液或材料制备的前驱液[16-17]。因此,细致了解溶液热力学的知识,尤其是书本上的知识与具体实践内容的联系是至关重要的。

(2)教学方法:通过微观实验数据结合计算机模型加深学生对溶液稀、浓的认识,让学生能将抽象的溶液热力学过程与其对应的微观模型联系起来。通过分析纳米羟基磷灰石的水热制备过程,对应相关的溶液热力学知识,加深学生对基本知识认知的同时,能找到知识的出口,践行以学生为中心的OBE理念。

(3)教学目的:全面认识溶液中的溶剂-溶质相互作用,溶液热力学规律和仿生纳米材料制备过程的关联,通过偏摩尔量、理想稀溶液、稀溶液的依数性等溶液热力学基本概念的穿插,让学生对溶液体系有更为深刻的认识。

本案例具体讲解过程逻辑如下:

(1)展示水分子的计算机模型,讲解溶剂-溶剂、溶质-溶质及溶质-溶剂间的相互作用,让学生对溶液的浓和稀的概念有更加直观的认识。

图4中,水分子间距约3.2 Å,Ca-PO4间距约13 Å,Ca-Ca间距约7Å。通过图4(a)可比较直观地看到一个尺寸在1 nm3的水盒子,水盒子中水分子间的距离保持在3～4 Å,这个距离刚好落在氢键的相互作用距离(约3.5 Å以内)范围内。水分子中O原子和H原子的键长约1.1 Å。关于水分子间的氢键作用,可以穿插讲解当前实验科学上表征水分子间氢键的飞秒激光技术,该技术为飞秒激光泵浦-探测光谱技术(femtosecond pump-probe spectroscopy),是一种脉冲激光,持续时间只有几个飞秒(1 fs= 10-15s),这种激光可以表征水分子团簇的运动形态,水分子间依靠氢键维持团簇结构刚好也在这个时间尺度范围内。由图4可知,纯水中,水分子间的相互作用是均匀的,单个水分子周围的微结构和微环境是一致。图4(b)显示的是含有一个Ca3(PO4)2分子的水溶液,由100个水分子和一个Ca3(PO4)2分子组成,该体系可直观地说明一个Ca3(PO4)2的稀溶液微观模型,而且是极端稀释的Ca3(PO4)2溶液的模型。由图4(b)可知钙离子与钙离子的间距约7 Å,磷酸基团的间距约13 Å。同时,具体到某个钙离子周围的微观环境,它周围除了Ca-H2O的相互作用,还有Ca-PO4及Ca-Ca相互作用。因此,H2O、Ca及-PO4的数量会极大程度地改变Ca周围的微观环境和受到的约束。这里,可以引入偏摩尔量的定义、公式和物理意义,让学生对溶液组成(浓度)有从抽象到形象的认识和理解。接下来,再讲解稀溶液的依数性后,可将稀溶液的蒸气压降低、凝固点降低、沸点升高及渗透压等性质的微观分子结构和原理形象地展示出来。

图4 纯水(a)和含有一个Ca3(PO4)2分子的稀溶液的分子模型(b)

(2)具体到水热法制备纳米羟基磷灰石的案例中,分别从溶质对溶液理化性质的影响等角度,将溶液热力学的基本概念对标到实际的仿生纳米材料制备过程。

首先,讲解羟基磷灰石为骨骼的主要无机成分,它在骨修复领域是重要的原材料,因此具有重要的研究价值,需要实现纳米羟基磷灰石的人工合成。然后,介绍水热合成纳米羟基磷灰石的工艺步骤。1)前驱溶液的配制,用到溶液热力学的内容,可以要求学生现场配置溶液,进行溶液组成不同表述间的换算。例如,摩尔浓度和体积分数间的换算,巩固溶液的基本概念;2)水热反应釜的组成、使用方法及水热实验过程中的注意事项;3)水热工艺参数的调节;4)实验样品的收集。将溶液热力学知识中环境压力、温度等对系统蒸气压、沸点等的影响规律与水热法制备纳米羟基磷灰石工艺过程中,水热温度调控纳米材料合成和最终水热反应产物组成结合起来予以形象地讲解。

由上述案例可知,结合生物医用材料制备和物理化学课程知识的教学案例可以让学生更好地了解到基础物理化学知识在实际生产、生活中的作用,可以将抽象的知识和前沿的科学研究手段结合,激发学生学习兴趣的同时更好地践行了“以学生为中心,从学生的角度出发思考”的教学理念。为提高教学效果,可以开展溶液热力学相关的专题研讨会,请学生结合生物医学工程案例讲解溶液热力学在该专业中的应用和相关问题,在实际的讲解和交流中加深大家对溶液热力学部分各个基本概念、规则的认识,同时发现问题,从教学端做好持续改进工作。

物理化学的知识主要可分为平衡态热力学、化学反应动力学和物质结构三个部分,当前高校讲解物质结构主要是晶体结构的内容,而生物医学工程中涉及很多非晶态的物质,因此,将蛋白质、核酸等生物分子的结构融入到生物医学工程专业的物理化学教学中是值得探讨的问题之一。总之,在OBE理念的导向下,将物理化学课程中的热动力学普遍规律与生物医学工程中的具体案例结合,达到以产出为导向的教学效果是物理化学教学的重要课题。

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