創新實踐模式在生物醫學工程教學中的探索

章浩偉，秦 翥，劉 穎，李 震，劉海剛，譚江浩，曹海濤，陳有平，張 可，丁宇清

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海200093)

0 引 言

生物醫學工程(Biomedical Engineering，BME)是工程科學和生命科學高度綜合和交叉的學科，著重研究在生命科學基礎上開發各類以高新技術為特征的現代醫療器械及系統［1］。BME 主要研究領域包括:基因工程及生物化學、電子信息、醫療器械的設計及制造、醫學影像技術、醫用軟件開發、醫療儀器的營銷及維修、醫用材料及人工器官組織工程等。從其研究領域可以看到，BME 運用現代自然科學和工程技術的原理和方法，從工程學的角度，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，揭示生命現象，為防病、治病提供新的技術手段的一門綜合性、高技術的學科，多學科的高度綜合交叉是生物醫學工程的特點［2］。由于生物醫學工程具有特殊的復雜性且在我國的發展時間較短，如何將國外的教學模式與我國的醫療研究現狀相結合，培養出一批兼具工程技術研發和生物醫學基礎能力的專用型研究人員，是該學科發展中的重要課題之一。經過多年教學經驗逐漸表明，創新實踐型的教學模式更適合該學科的培養目標［3］，實驗教學在大學生的創新意識、創新思維和創新精神的培養中具有不可替代的作用，更是提高整體教學質量的根本保證和有效途徑［4］。同時也是符合教育部在十二五規劃中提出的卓越工程師培養計劃的要求［5］，本文在分析制定專業培養方案應遵循的原則的基礎上，具體研究專業培養方案的主要內容，包括學校培養標準的制定與實現以及企業培養方案的制訂與實施，以期為高校制定和實施“卓越計劃”專業培養方案提供借鑒與參考［6］，開展以項目開發為導向的人才培養模式，加強與醫療機構，研究科研單位的聯合協作，不僅有利于整合學科優勢資源，讓科研滲入實踐教學，也符合我國在該領域的發展需要［7］。

1 生物醫學工程的教育現狀

在國外，生物醫學工程的發展相當迅速，從學科建設及發展趨勢可以看出該學科的應用前景相當廣闊，在課程設置上，應注重理論與實際相結合以及多學科交叉的特點［8］。斯坦福大學的BME 課程計劃，參與人由醫學院、大學的多個院系，以及校外的專家等組成，學生接受的培養包括生物科學、電子技術、計算機技術及信息科學有關的基礎理論知識，旨在培養具有醫學與工程技術相結合，能在醫學、醫療儀器以及其他電子技術、計算機技術、信息產業等部門從事研究、開發、教學及管理的高級工程技術人才。要求學生的必須課程包括生物醫學工程概論;醫學基礎;電子技術;生物醫學檢測技術;高級語言程序設計;微機原理與應用;計算機組成原理;數字信號處理;自動控制原理等課程。學生應掌握面向對象的程序設計和系統設計;數據結構和算法分析;醫療儀器設計;醫學圖像處理;醫學模式識別和人工智能等技術方法［9］。在本世紀初，大約40 所美國高校設置了BME 專業，其中18 所通過了美國工程與技術鑒定委員會(Accreditation Board for Engineering and Technology，ABET)的評估［10］。ABET準則鼓勵各種教學計劃的一致性，對于推動生物醫學工程學科的發展具有極其重要的作用。因為BME 是新學科，在課程要求方面沒有現成的標準和公認的準則，每個學校通常根據其專業教師的研究興趣設置課程，保持BME 教學計劃的一致性為評估畢業生的能力提供一個標準，這既有助于生物醫學工程學科的健康發展，又為擴大研究經費和撥款來源奠定了良好的基礎［11］。縱觀國外的培養模式及教育反饋，通過多學科教學與豐富的實踐安排，能夠培養出符合要求的生物醫學工程師。

在我國，生物醫學工程學科的建設工作開展已有多年，根據我國國情的需要，應在醫學方向多參與研究與實踐，并在生物醫學的研究領域中逐漸加入所學的工程技術相關知識［12］。但是，現行的教育體制下培養出來的相關技術人才相當匱乏，尤其是在新醫改建設數字化醫院及城鎮醫療改革的趨勢推動下，需要大量的既能熟練掌握工程技術，又掌握足夠的生物醫學知識的人才。

2 創新實踐體系建設目標與框架

近年來，國家在醫療體制改革的步伐逐步加快，工程技術在生物醫學及醫療領域內的普及程度也越來越廣。結合教育部正在實施的“卓越工程師培養計劃”，培養造就一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量生物醫學工程技術人才，強化主動服務國家醫療領域發展需求，確立以德為先、能力為重、全面發展的人才培養觀念［13］。要使學生的綜合素質和創新能力得到提高，需要通過基礎理論和專業理論學習進行培養，并在實踐中的不斷鍛煉加以積累。遵循“行業指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的原則，我們在BME 學科計劃的實踐教學方面進行了積極的探索、改革和實踐，在教學內容設置、教學方法擴展以及成績考核等各個方面，都進行了強化，著重強調了綜合型、設計型和創新型教學實踐活動在整個實踐教學環節中的主導地位。如圖1 所示的創新實踐教學體系框圖，是結合傳統的教育方法并借鑒國外成功的教學模式，將理論與實踐相結合，注重學生的自主性與實踐環節的靈活性，將能力提高作為實踐的核心所設計的體系架構。

圖1 創新實踐教學體系框圖

創新實踐教學模式主要包含實踐基礎、能力提高和綜合培養3 個模塊，通過設立學分互認、多種形式、多種選擇途徑的專業綜合實驗和相應的考核方式，并建立學科交叉的畢業設計選擇試點，使學生積極參與科研基金項目及院校與醫療企業單位合作的創新項目建設中，在完成綜合培養的整個環節后，使學生能夠掌握以下能力:①學習生物醫學工程領域堅實的基礎理論和系統的專業知識;②具備計算機應用及外語翻譯能力，及時了解生物醫學工程領域內的新理論、新方法和新技術;③培養創新意識，能在生物醫學工程、醫療器械、醫院等領域的企、事業和行政管理部門獨立從事技術研發、工程設計、運行和管理的高層次人才;④鍛煉團隊溝通合作能力和項目管理技巧，具有產品研發、設計制造、經營管理、技術服務、教育培訓等工作能力。

3 創新實踐教學體系的思路

3.1 夯實基礎實踐環節

創新實踐需要有扎實的基礎學科知識，通過對應的實踐環節掌握基本的實驗方式方法也是創新實踐的基本［14］。基礎課內的實驗主要是對具體授課內容章節的驗證和實現與分析，幫助學生掌握基本理論和方法，鍛煉動手能力，培養基本工程素質。同時每門課程應設置小型的綜合性實驗，使學生可以對整門課程起到融會貫通的作用。例如，“生物醫學檢測技術”課程實驗可以增加“生物傳感器與傳感器檢測技術的綜合實驗”內容;“數據庫系統原理與設計”可以增加“小型應用系統設計與實現”內容。在每門課的實踐環節的設置與內容的安排上，保證實驗的合理性及適宜的難度性，讓學生在實踐中學習，在學習中實踐，不斷看到自己的成果，提高學習和實踐的興趣［15］。

在重要的專業課，如“醫學基礎”、“生物醫學信號處理”、“生物醫學檢測技術”、“數據庫系統原理與設計”等，應以實踐授課帶動理論授課。并在實驗過程中，由教師引導、幫助學生在規定時間內完成實驗。使學生在深刻理解理論知識的同時，建立嚴謹的實驗態度，培養學生將理論與實際問題相結合的科學思維，從而激發學習興趣。

3.2 加強重點課程建設

主干學科的選擇及其課程體系的設計也是體現該專業特色的一條重要途徑。在BME 中重要的專業主干課，如“生物醫學檢測技術”、“醫學信號處理”、“電路與電子技術”等，分設理論授課和實踐授課，開設相應實驗課程。實驗課又包含授課和實驗，授課教師必須參與、指導學生實驗，教師和學生兩方面進行雙向互動。下面以生物醫學檢測技術課程建設為例，介紹我校在重點課程上的改革措施。

生物醫學檢測技術是一門生物醫學工程的專業課，它應用電子技術、傳感器技術和計算機技術，解決生物醫學領域中的信號提取，檢測和處理以及生物醫學儀器的設計等問題，使學生了解典型醫學儀器的原理，特點和性能指標，掌握常用醫用傳感器的測量原理和使用方法，掌握基本測量技術，為醫學儀器設計奠定基礎。在理論授課上，主要內容是以教師課堂教學為主導，使學生掌握生物醫學檢測技術基本理論知識，主要包括:生物醫學檢測系統的基本概念、生物電與生物醫學電極、醫用傳感器、信號的中間變換和測量電路。對于本科生在理論的學時部分略微降低，研究生在教師授課方面還應適當加入學生集體討論環節。在實踐授課中，為了使學生更深刻地理解所學理論知識，引導學生建立良好的實驗習慣和嚴謹的學習方法。主要采取由學生為主導，教師從旁輔助的方式完成，培養學生建立理論與實際相結合的思想，增強學生動手能力。使學生在實驗室很快得到一定的收獲，從而激發了他們的學習興趣。由于實驗學時數的增加，充分地保障了學生在已經掌握了基本實驗技能的基礎上，發揮自己的主觀能動性，能夠有充分的時間和機會完成自己的設計，驗證自己的想法。專題實驗課中還有三分之一的時間，屬于綜合、設計性實驗，同時設有選作實驗，提供更多，更高層次的設計研究實驗，給不同層次的學生提供一個寬闊的訓練平臺。

3.3 突出創新實踐項目的主導地位

開展學生科研創新的實驗，突出其在該教學模式體系主導地位及鮮明特色。除了積極鼓勵和組織學生申報國家級大學生創新基金、學校及學院的創新基金以外，還應配合基金項目，指導學生如何查閱文獻、撰寫項目申請書、制定方案、處理實驗數據、撰寫論文等問題。可以更好地使科研工作滲入到本科的實踐教學，使研究生培養和本科生培養銜接起來，為學生創造良好的科研環境與創新條件。探討以項目開發為導向的人才培養模式［16］，使學生在大學期間走進科研團隊，實際參加到與企業、醫院合作的科研項目中來，能夠使學生學習到課本外的知識，更好地找到自己在社會中的價值。如圖2 所示，以創新實踐為主導的實踐教學體系能夠真正的使學生學以致用。

圖2 創新實踐體系間的關系示意圖

通過創新實踐項目，充分利用合作企業及醫療機構的資源與項目，將其引入學校課堂中，學生可以從查閱的文獻信息和實際應用中獲得具體的生物醫學和工程技術知識，使學生廣泛地接觸社會，擴展眼界和思路，自主學習相關的課外知識，復習鞏固課內的學習成果。因此，以創新實踐為主導的教學體系，有效發揚和繼承傳統實驗模式中的優點和合理要素，把綜合實驗課程和科研基金項目、創新基金項目和畢業設計有機融合在一起，強化綜合型、設計型和創新型教學實踐活動在整個實踐教學環節中的主導地位。

4 構建創新實踐的軟、硬件支撐

4.1 構建創新實踐平臺

BME 的實踐環節應在醫療衛生領域和協作研發單位中進行，尋找有較強研發技術能力的企業或者研究機構，及有合作意愿的醫院信息研發團隊，將教師創新和專利項目公開，吸引有興趣和能力的學生參與其中，使學生了解到生物醫學領域內的工程技術研發單位的實際生產、開發及實際應用過程。如醫院的工作流程或企業在醫療器械、傳感器方面的制造工藝研發等方面，引導學生探索現有的設備或系統中的弊端，找出相應的解決方法，鼓勵學生對有興趣的課題申請創新基金，并實行學分獎勵制度，使學生有動力和充分的時間參與創新實踐活動，全面提高自己的能力。

4.2 創新實踐方案實行情況

目前我院積極鼓勵有能力的本科生申報創新項目，并將畢業設計與創新項目相結合。讓學生在實踐中創新。例如，我校正在與醫院合作的多學科協作診治腫瘤信息管理系統的上海市創新項目開發團隊，主要以學生為主體，讓學生與醫院的進行需求探討、與其他接口系統進行協作開發與交流，不僅可以充分了解醫院的信息流轉模式，還可以掌握醫院系統在開發方面的核心技術及特殊要求。通過查閱中外文獻，了解國外的癌癥基因探索項目、腫瘤網格系統等相似的大型醫學信息系統，探索如何從腫瘤信息管理系統上升到網格化共享腫瘤病人資料、病人醫療診治模型分析等具有挑戰性的高科創新項目，不僅有利于學生自主學習、解決問題的能力，也有利于我國在該領域的發展進程。

學生在創新實踐培養模式下的反饋良好，尤其在學生的綜合能力方面有較大的提高。除了對檢索問題、解決問題、自主學習方面的能力提高，在團隊合作的創新項目，可以讓學生對就業目標更明確，更好地適應社會及工作環境，有利于培養項目管理領導能力和對所學學科的興趣，減少學生畢業后到企業的培訓時間，將學生培養成為合格的卓越工程師。

5 結 語

隨著科學技術的發展，各類醫療設備在生活中的應用越來越廣泛，醫療設備和信息系統的研發、操作、維修及管理人員是各大醫院及公司急需的人才。對生物醫學工程人才培養模式的改革還任重道遠，不僅涉及對教學內容、教學手段和課程體系等方面，還應在實踐教學中大幅度增加創新科研的比重，通過不斷總結經驗，進一步調整完善體系結構。通過在實踐教學中的不斷探索，有效利用教師的科研項目及創新基金項目，把培養學生的創新實踐內力放在首位，可以更好地為學生提供在該領域的發展空間，提高團隊合作意識、創造性和競爭力，也是符合生物醫學工程學科特點的必然選擇。

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