生物力学课程实验的思政元素挖掘与教学实践

Exploration of ideological and political elements in biomechanics experimental courses teaching

摘要

在思想政治工作贯穿教育教学全过程的背景下，结合生物力学实验课的课程特点，围绕实验课的多个教学环节，深度挖掘其中蕴含的思想政治元素，通过多种形式将思政元素融入生物力学课程的实验教学。教学实践结果表明思政元素在生物力学课程实验的融入，提高了学生的学习兴趣，在培养他们爱国、专业自信、尊重生命及严谨求实的科研作风等方面均起到了促进作用。

Abstract

This paper aims to explore and integrate the ideological and political elements into experimental course teaching in multiple ways, taking into consideration of ideological and political education throughout whole teaching process, and characteristics of the biomechanics experimental course and teaching process of the experimental course. Our study showed that integration of ideological and political elements in the biomechanics experiment courses increased students' interest in learning, and promoted cultivation of their patriotism, professional self-confidence, respect for life, and rigorous and pragmatic research style.

关键词

实验课 / 课程思政 / 生物力学

Key words

experimental course / ideological and political education / biomechanics

大学是立德树人、培养人才的地方，是青年人学习知识、增长才干、放飞梦想的地方^［1］。2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面”^［2］。《高等学校课程思政建设指导纲要》^［3］中提出，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量。在思想政治工作贯穿教育教学全过程的背景下，实验课也开始了思政元素的提炼和课堂实践^［4-6］，且取得了较好的教学效果。为此，本文结合生物力学实验课的特点，深度挖掘实验课中蕴含的思想政治元素，通过多种形式将思政元素融入生物力学课程实验教学中，为实现全程育人，全方位育人的高校教育目标起到促进作用^［2］。

1 生物力学课程实验的特点

生物力学是解释生命现象及其活动的力学，是力学与生物学、医学等学科相互渗透融合而形成的交叉学科^［7］。了解生物力学有助于学生通过力学原理解释生命现象，有助于医务工作者对力学相关疾病的诊治。为此，首都医科大学分别对生物医学工程专业、听力学专业的本科生开设了生物力学课程。生物力学实验是生物力学课程的重要实践环节，学生可以通过生物力学实验课加深对基本理论和基本知识的理解，还可以提高操作技能、动手能力和解决问题的能力。

生物力学实验课的课程内容主要包括不同工程材料力学特性的比较、柔性传感器的步态测量实验、生物组织力学特性测试（皮肤的拉伸实验、长骨的三点弯实验及皮肤的应力松弛实验）和整体膨胀实验。其中，柔性传感器的步态测量实验和整体膨胀实验为自主研发实验，其余的则为验证性实验。

教师就实验内容、基本原理及实验样本进行介绍，对实验仪器设备进行介绍并进行操作演示。学生按照实验要求，组成小组完成试样制备、测量、实验操作、数据记录等实验内容。课下学生进行数据处理，完成实验报告。与理论课不同，实验课以学生动手操作为主，教师讲授和演示为辅。

2 生物力学课程实验中的思政元素挖掘

《高等学校课程思政建设指导纲要》^［3］指出： “工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当”。以纲要精神为指导，基于应用型高校创新型、应用型人才的培养目标，结合实验课的教学模式，对实验课中的实验介绍、实验样本介绍、仪器设备介绍演示、学生动手实验及数据处理等多个环节进行梳理，挖掘相应的思政元素，主要包括大国工匠精神（创新精神、严谨求实的科研精神）、伦理教育和家国情怀（表1）。

2.1 实验原理及应用介绍

帮助学生树立专业自信生物软组织力学特性对于某些疾病的病程监测、提供疾病诊断依据等均起到重要作用，因此，准确获得生物软组织力学特性非常重要。生物软组织材料力学特性的基本测量方法是拉伸实验，主要是将软组织裁成一定长宽比的条状试样，夹持在万能试验机上进行拉伸实验，通过拉伸过程的载荷-位移数据，计算对应的弹性模量等力学参数。而对于眼球、血管等具有特定形状的软组织材料来说，考虑到形状对其力学响应及功能的发挥均有很大的影响，通过改造夹具和装置，研发了整体膨胀实验。在青光眼的相关研究中，通过将整体膨胀实验结合多种技术（数字体积图像相关技术、数字图像相关技术及散斑干涉技术），获得实验眼在不同眼内压作用下的视乳头变形及周围巩膜纤维的变化，从而间接了解视神经损伤情况，为监测青光眼的病程发展提供依据。不管是单轴拉伸实验还是整体膨胀实验，均是将工程技术应用到医学相关研究领域的成功案例，为此，本研究团队将皮肤拉伸实验和整体膨胀实验引入到本科生的生物力学实验教学中。

此外，传感器技术也是重要的工程技术手段，生物力学课程实验“柔性传感器的步态测量实验”中，学生自制柔性传感器并测量步态过程中肌肉的变形情况，获得个性化的运动学参数。柔性传感器是新兴的可穿戴电子设备，通过附着于人体皮肤或组织上，实时、连续监测人体信号的变化。柔性传感器多应用于健康监测、运动传感、人群大健康分析等领域^［8］，利用柔性传感器，对偏瘫患者的关节活动进行监测，记录关节活动范围和速度，可用于康复评估^［9］。

不管是整体膨胀实验方法，还是柔性传感器技术，都是方法上或技术上的创新产物。只有技术手段的不断创新，才能更好地为医学服务。通过实验介绍，学生不仅了解了如何将工程技术应用到具体的医学相关研究过程，也坚定了他们的专业志向，树立了专业自信，促进他们创新意识的形成，从而助力他们成为生物医学工程领域高级复合型人才。

2.2 实验样本介绍，引发学生尊重生命的思考

整体膨胀实验中的实验样本是动物眼球，软组织力学特性测试实验中的实验样本主要包括兔股骨或胫骨以及动物皮肤。以上均涉及到实验动物组织的使用，为此，本研究团队在介绍实验样本时，引入实验动物伦理及实验动物使用的3R准则^［10］。

代替（replacement）：倡导应用无知觉材料替代有知觉动物的方法。包括低级动物代替高级动物、小动物代替大动物；用组织学实验代替整体动物实验；用分子生物学方法替代动物实验；人工合成材料替代动物实验；利用数学及计算机模拟动物各种生理反应替代动物实验；用物理、化学和信息技术方法代替实验动物的使用等。

减少（reduction）：指在保证获取一定数量与精确度的信息前提下，通过选择优质量动物、改进实验设计、规范操作程序等，达到动物使用数量的最少化。

优化（refinement）：使用动物时尽量减少非人道程序的影响范围和程度。优化饲养方式和实验步骤，在动物正常状态下取得真实可靠的实验数据。实验同时，避免或减轻给动物造成的与实验目的无关的疼痛和紧张不安。

依据3R准则，在满足实验课需要的前提下，保证取材安全的情况下，与其他教学实验室共用实验动物，减少实验动物的使用量。

生物力学实验课的授课对象为大三生物医学工程和听力学专业的学生，通过对实验样本的取材介绍引出实验动物的使用原则，使学生了解3R原则，引发他们尊重生命的思考。

2.3 设备讲解，激发学生的爱国热情

实验课上，实验教师会对用到的实验设备进行介绍和操作演示，帮助学生了解设备原理和操作。试验机是生物力学实验课的重要大型仪器设备，不同材料力学特性的比较、生物组织力学特性测试实验均依赖于万能试验机完成。10年前，众多国内试验机需要减震平台才能正常工作，试验机的单位质量超出了实验室楼板的承重范围。为了满足实验室楼板承重要求，最终选择了国外试验机。随着国内制造业的发展，目前的国产设备在满足承重的前提下，量程、精度均可达到或超过国外水平。通过对实验设备的对比讲解，让学生感受到中国制造的强大，从而激发学生的爱国热情。

2.4 小组实验，促进规范严谨作风的培养

实验课上，通常为4～5名学生为一组进行小组实验，小组成员间的良好配合才能顺利完成实验内容。这一过程培养了学生的团队合作精神。此外，实验课过程中，学生需要完成试样制作、试样尺寸测量、数据记录、试样装夹、实验设备操作、实验条件的设置、实验、试验后的样本尺寸及形状的测量记录、实验数据的处理分析等多项工作。通过这一系列工作的规范操作，学生掌握实验技术的同时，也培养了他们规范严谨的科研作风。

2.5 实验数据处理，促进严谨求实科研作风的培养

实验数据处理是实验课的重要内容，通常情况下，课上学生完成实验操作和数据记录工作，数据处理工作在课下完成。生物力学实验课中涉及的数据处理主要包括数据截取、数据分段拟合、计算材料参数及绘制相应的图表。整个过程，涉及到EXCEL、SPSS等多个软件的使用，通过实验数据处理的训练，学生不仅可以掌握科学作图方法，还可以掌握实验数据拟合和计算方法，最重要的是，这些训练可为他们后续科研工作的规范提供帮助。

3 多种形式结合促进思政元素融入生物力学课程实验的教学实践

只有将挖掘的思政元素融入实验课的课程教学中，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，才能帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。生物力学实验课是实践性课程，主要以学生动手操作为主，结合教师的讲解和演示。考虑到实验课的课时安排及教师的讲解时间有限，实际教学过程中，通过多种形式相结合，将思政元素融入课程过程，以达到润物细无声的育人效果^［11］。

3.1 教师的示范和引导

教师提前做好预实验，准备好教学仪器设备，课前半小时开放实验室，认真讲解实验课内容。在实验演示环节，实验教师对实验仪器的规范操作和实验过程进行认真演示讲解，并对可能出现的问题进行分析^［1］。

针对学生在实验过程中出现的问题，教师通过积极引导，提升学生解决实际问题的能力。对于学生实验过程中出现的问题，实验教师不急于给出解决方案，而是引导学生进行思考并解决。此外，对于实验结果的组间差异，教师引导学生进行归因思考，并根据影响因素，对于实验误差的控制提出自己的建议。这一过程可以培养学生在研究过程中多思考及解决问题的能力。

3.2 科学家故事的引入

对整体膨胀实验进行介绍时，引入首都医科大学的已经退休的眼生物力学团队带头人刘志成教授。刘教授的专业是天体物理，1983年分配到首都医科大学后，在物理教研室任教。他立足医学，将物理学中方法应用到医学相关领域，最先将光的衍射原理应用到青蛙肌节长度的测量，此研究获得了北京市科技进步奖。

在与眼科医生的合作中，他了解到闭角型青光眼是国人最主要的眼病，会引起不可逆的致盲，瞳孔阻滞是闭角型青光眼的重要特征，研究虹膜的力学特性对认识闭角型青光眼意义重大。虹膜组织非常柔软，很难通过常规的拉伸实验进行测量。通过反复试验和研究，刘教授提出了对虹膜整体进行实验。虹膜是个圆环状的材料，刘志成团队就通过水密缝合将虹膜变成完整的材料，形成了最初的虹膜整体膨胀实验^［12-13］。由于兔眼的虹膜环只有5 mm左右，水密缝合对虹膜的力学响应影响较大。考虑到瞳孔阻滞加重是闭角型青光眼的重要表现，刘志成团队通过负压装置对虹膜内缘进行吸附（图1）模拟瞳孔阻滞，获得了更符合生理状态的虹膜的力学响应^［14］。此外，刘志成团队通过调整负压幅度，模拟不同的瞳孔阻滞程度，获得不同瞳孔阻滞程度下的虹膜力学响应^［15］，为闭角型青光眼的研究提供了基础。虹膜整体膨胀实验外，刘志成团队还对角膜等^［16-17］进行了研究，为相关的眼科疾病的研究提供了基础数据。

通过对整体膨胀实验的介绍，引入刘志成教授孜孜不倦、不断探索的科研精神，激励学生奋发图强。他的研究过程使学生感受到工科技术在医学领域发挥的作用，促进他们树立专业自信。

此外，对于皮肤拉伸实验的拉伸曲线，通过一维Fung模型脚趾区的实验数据，得到材料的力学参数^［18］。借助该模型，引入冯元桢先生及其为国内生物力学发展所作的贡献，激发学生的爱国热情。

3.3 小视频的辅助

实验结果的处理分析过程，可以促进学生严谨求实科研作风的培养。为了达到以上效果，课堂上教师会对实验分析方法进行介绍，使学生了解主要的方法。考虑到课上时间有限，部分学生很难做到完全掌握，本研究团队将皮肤拉伸实验、应力松弛实验及整体膨胀实验分别录制了对应的小视频，不仅包括数据处理方法和过程，还包括规范作图等。为了让学生方便下载，本研究团队在FTP服务器上开辟了专门的文件夹，存放小视频。通过教师课上讲解和课后的小视频辅助自学相结合，帮助学生掌握实验数据的科学处理方法。整个训练过程也促进了学生严谨求实的科研作风的培养。

3.4 公式的巧用

对于线弹性材料，可以通过胡克定律 \mathrm{\sigma } = \mathrm{E} \mathrm{\epsilon }描述应力应变关系，其中 \mathrm{\sigma }表示应力， \mathrm{\epsilon }表示应变，E表示弹性模量。胡克定律是由力学家胡克（Robert Hooke， 1635—1703年）于1678年发现的。早于他1500年前，经学家和教育家郑玄（公元127—200年）为《考工记·马人》一文的“量其力，有三钧”一句作注解中写道：“假设弓力胜三石，引之中三尺，驰其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”就正确地提示了力与变形成正比的关系^［19］。郑玄的发现比胡克早1500年，这一公式背后的故事可以增强学生的民族自豪感。

4 教学效果

将思政元素通过多种方式融入生物力学课程实验后，取得了较好的教学效果。首先，学生的上课积极性得到提高，尤其是提到身边的人和事，他们表现出明显的热情。他们表示可以从身边人身边事中汲取力量，只要坚韧不拔、持之以恒就能取得成功。其次，学生按照规定动作进行规范操作，实验数据基本可以按照正确方法进行处理并进行规范作图，促进了他们严谨求实的科研作风的培养。再次，越来越多的学生积极参加生物力学相关科研活动，提升了自身的科研素养。近两年来，共有15人参加生物力学本科毕业设计课题；8人参加校级学生科研创新活动；11人参加生物力学相关竞赛并获奖，主要包括“全国大学生生物医学工程创新设计竞赛”二等奖及三等奖各1项、“首届中国智能医疗创新大赛”三等奖1项。最后，作为工科生，中国制造的崛起坚定了他们可以为医疗器械的中国制造添砖加瓦的信心。

5 结 语

虽然通过多种形式将思政元素融入生物力学课程实验的教学中，但教学实践中也存在一些问题。如目前可提供的针对生物力学实验方面的思政素材非常有限；素材主要以文字和图片为主，学生会觉得枯燥；目前的思政元素素材资源不集中，不利于学生进行集中学习。针对以上存在的问题，后续可以通过自制具有生物力学特色的小视频丰富思政素材库内容，并对所有的思政素材进行分类整理，置于云平台，便于学生进行随时随地的学习。

通过梳理生物力学课程实验的教学环节，深挖实验课中的思政元素，通过多种途径结合，将思政元素融入生物力学课程实验的教学实践。教学实践结果表明思政元素的融入，提高了学生的学习兴趣，提升了实验的规范操作。此外，思政元素的融入也提升了学生的爱国热情及对生命的尊重，同时也促进了他们严谨求实科研作风的培养。

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