2014年1月6日

如何引導跨領域合作能力的學習

作者/蔡孟利(任教宜蘭大學生物機電工程學系)

「跨領域合作」是現代科技發展的大趨勢,例如現今廣受重視的新興生技產業,對於工程技術的依賴與日俱增,其所牽涉之資訊、電機、機械及材料等工程技術的複雜及深入程度,已非一般僅具生物或醫學專業能力的工作者所能負荷。現以生醫與工程為例,說明如何引導跨領域合作能力的學習。

就近期的研究課題來說,「腦機介面」於2002 年被著名的科普雜誌《科學美國人》(Scientific American)選為當年度頂尖科學研究之首,2004 年之《自然神經科學》期刊(Nature Neuroscience) 亦將此研究列為神經科學發展之主要方向之一,至今,此課題的進展仍不斷的推陳出新。例如尼可列利斯(Miguel Nicolelis)等人在2005 年就發表了如何以多通道記錄法配合腦機介面,讓猴子具有類似「念力」的方法:利用擷取自猴腦中的神經訊號,可驅動機械手臂與猴子的手臂同步動作,甚至當猴子的手臂並無運動時,猴子仍可以透過思想指揮機械手臂正確動作。2008年維里斯特(Meel Velliste)等人更展示了猴子能透過思考,以神經元動作電位的訊號驅動機械手臂進行三維空間、並能控制抓夾等動作。對那些因為脊椎神經受傷,或中樞神經系統疾病導致癱瘓的病人來說,這種利用神經訊號控制的機電設備,可以協助他們自主活動。在2006 年、2012 年的Nature 期刊中,霍奇博格(Leigh Hochberg)也發表了此方面的臨床應用成果。

這個研究課題的發展,是個跨領域合作很好的範例。如何確認與運動控制有關的腦區是神經生物學的問題;如何製造出精細且具生物組織相容性的電極、微推進器以及無線傳輸的系統,是材料科學與電機工程的事情;如何對微弱的電訊號進行濾波放大等訊號處理的工作是電子工程的範疇;對所記錄到的巨量資料進行儲存及快速運算是資訊工程的領域;而給出適當的計算模式以整合所取得的資料、產生有意義的結果則必須仰賴數學;當然,最後那些會動的機械手臂則是機械工程的產出。這些環環相扣的跨領域合作過程中,沒有任何一個人能夠同時具有全部專業所需要的能力,因此,誰來掌握研究課題的重點,誰又能夠發動並整合所需要的各式各樣人才,讓大家都能找到可以貢獻自己專業的地方,是跨領域合作的核心問題。

一般說來,這個核心問題最困難的部份,該是如何讓兩個本來互不熟悉對方領域的人,能夠知道彼此的重點所在。作為「提出問題的人」,必須要有將問題以「擁有解決問題工具的人」所能理解的語言解釋清楚的能力,讓這些「擁有解決問題工具的人」想得出他的工具箱裡有哪些工具合用。同樣的,這些「擁有解決問題工具的人」也不能太被動,也需要以「提出問題的人」所能理解的方式,將想到的解決方法表達出來,讓「提出問題的人」能夠評估這樣的解決方法適不適合。

就生物和工程人員的合作來說,如何讓唸生物的人,能廣博的了解其他工程學門的基本專業語言所代表的意義,也讓唸工程的人能夠擁有生物學的基本概念,這種互相溝通能力的培養,是跨領域合作能夠成功的重要基礎,當然,這是個知易行難的工作。其實不只上述的「腦機介面」工作,包括在目前仍方興未艾的基因體及蛋白質體的研究工作中,那些數理工程專業對生物學家來說,絕大部分都是陌生的領域。特別是在台灣的「生命科學系」的課程設計中,基本上仍是以生物學現有的知識內容傳授為主,頂多輔以化學方面的進階知識,對於基礎數學、物理與工程科技相關的內容,除了微積分與普通物理學以外,俱付諸闕如。工程科系也有著類似的問題,必、選修課程中將本身專業的科目塞入之後,能空出來的課程空間就極其有限,特別是在教育部極力「希望」大學各科系,都將畢業學分數降到128 的下限之後。

因此,在既有的系所必修課擴充的空間有限之情況下,去思考如何引導學生充實自己跨領域合作的能力,是現在的科學教育必須要正視的問題。在現行的大學系所結構變動不易以及教育部對128 畢業學分的限縮下,有個方式或許可行:亦即現有的「大學共同必修科目」以及「通識教育」的內容,可以因應時代與科技進步的變化,在學分數、必選修性質、涵蓋領域及授課內容作更彈性的調整。一些基礎數理能力及生物醫學的基礎觀念養成,不只針對工程或生物科系的學生,甚至包括文、法、商科系的學生,我們都可以因應不同科系的性質,將共同必修科目以及通識教育的學習方向,設計成可與其將來專業學習互補之內容。

例如,對於工程科系的學生來說,共同必修或通識課程的規劃,有一部分的重點可放在生物相關知識或產業的介紹。但這些生物相關課程,並非只是單純將校內目前現有之課程加以引進而已,而是要針對工程背景的學生之生物學基礎薄弱的前提下,重新設計課程教材、教法及評量方式,以兼顧學生對於新知識之有效吸收與教師維持授課內容完整的雙重需求。我們期許這樣學習出來的工程科系學生具有能夠「認識」生物學研究內容及相關產業的入門基礎知識,也具有與生醫研究或生物產業從業人員「溝通」的能力。學生將來不管是選擇農業延伸的生物產業工程,或是選擇生物醫學相關的生物技術行業,他都能夠在既有的生物學知識之基礎上認識所從事的生物研究或產業的特性,並且能夠跟相關的生物專長之從業人員溝通,從而明確的掌握該研究或產業之關鍵工程需求,然後在既有的工程專業下,有效率的切入該研究或產業的活動。

當然要達成這樣的學習效果,生物與工程兩個方面的課程規劃單位必須要先有足夠的溝通,共識出最適合該科系的互補課程設計。不過,教育部及學校行政當局是否能夠對現有的「大學共同必修科目」以及「通識教育」的學分數及內容鬆綁,或許是能否跨出這一步的最大關鍵。

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