醫工融合生物醫學工程學案例式教學實踐

魏國輝 閔巍巍 李麗萍

山東中醫藥大學智能與信息工程學院，山東濟南 250355

2016 年10 月，“健康中國2030”規劃綱要由國務院發布實施，綱要明確指出：“推進健康中國建設，要堅持預防為主，推行健康文明的生活方式，強化早診斷、早治療、早康復。”[1]“健康中國2030”是行動綱領，指明了未來健康中國的發展方向。在此綱領的指導下，針對醫療衛生相關行業的工程技術人才需求，結合山東中醫藥大學（以下簡稱“我校”）醫學院校的實際情況，生物醫學工程學科研究確立了面向“醫工融合”的生物醫學工程學科創新人才培養目標[2-3]。

生物醫學工程學是一門導論性質的課程[4]，為生物醫學工程專業核心課程的學習起到了綜述和引導作用，該課程為新生打開了了解生物醫學工程的一扇窗戶，讓同學們領略到生物醫學工程專業的概貌，對生物醫學工程學科的基礎理論和應用研究有一個基本認知，初步建立生物醫學工程學科的概念體系，從而培養了興趣，為后續專業課程的學習奠定了基礎。

1 生物醫學工程學教學改革必要性分析

2016 年，在全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記提出：“要用好課堂教學這個主渠道，提升思想政治教育親和力和針對性，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應?！盵5]因此，將思政元素融入生物醫學工程學課程的教學過程勢在必行，讓新生在領會專業知識的同時，著重培養學生的科研創新能力和素養，大力弘揚中國傳統文化和“工匠精神”，培養學生的民族自豪感，樹立建設科技強國的理想與信念。

生物醫學工程學是融合生物醫學和現代工程技術的新方法、新技術，是研究運用工程技術手段解決臨床中的實際問題的交叉學科[6]。醫學影像設備、生物醫學光子學、智能醫療儀器、生物力學、健康大數據等將成為“健康中國2030”發展的重要領域，而這些都屬于同一個學科：生物醫學工程學。生物醫學工程學研究運用自然科學和現代工程技術的原理和方法探索人體結構、功能和各種生命現象，服務于醫學臨床決策。因此，生物醫學工程學專業教育的研究與改革對我國衛生與健康領域的發展至關重要。生物醫學工程學是導論性質的課程。作為新入學的沒有任何專業基礎的學生認識該專業的先導課程，生物醫學工程學的理論性太強，理解起來太抽象，現存主要問題如下：

1.1 導論課程性質問題

生物醫學工程學是對生物醫學工程專業的綜合介紹，每一章都是生物醫學工程的一個學科的濃縮，在短短兩節課的時間里將一個學科的面貌展現在學生面前是非常困難的，而且課程的理論性太強，課程內容難理解，要求學生具有較高的獨立思考和解決問題的能力，但是剛入學的新生面臨學習角色的轉換、學習目標的迷茫等問題，容易損傷學生的學習積極性和主動性，導致教學效果不好。

1.2 課程性質引起的教學方法問題

生物醫學工程學是綜述性的導論課程，教學模式老舊，由于該課程的理論性太強，現有授課方式主要是填鴨式的理論授課，授課內容寬泛，理論深度不夠，這導致了很多學生被動接受老師的授課，而沒有調動學生的學習積極性，導致授課效果不佳。

1.3 教學效果評價問題

生物醫學工程學作為工科專業強調應用性和實踐性，生物醫學工程學課程的導引性和指導性特征使得普通工科專業課程教學效果的通用評價標準體系并不適用于評價該課程。

2 生物醫學工程學教學改革方案

當前大部分高校的生物醫學工程學授課主要以理論授課為主，山東中醫藥大學課程教學團隊在根據該課程的特點研究制訂了基于醫工融合的案例教學法授課模式[7-8]。在理論講述的同時，穿插案例，將復雜枯燥對于新生來說不易理解的專業知識，通過案例形象地展現給學生。在2018 年度中華醫學會醫學教育研究課題的支持下，團隊結合自身科研及文獻研究，進行案例開發，教學改革實踐。從教學方法上，研究基于問題的啟發式教學[9]。啟發式教學強調學生個性化學習的培養。針對每一次理論授課，設計具體的問題供學生思考和討論，引導學生自主的查閱、搜集資料解決問題，提高學生自主學習的積極性。因此，生物醫學工程學教學改革主要劃分為：案例式教學設計、個性化教學設計和教學評價。

2.1 案例式教學設計

2.1.1 課程思政案例式教學設計 生物醫學工程學教學團隊長期積極主動開展思政教育融入的教學探索，不斷深入挖掘導論課程的不同知識單元的課程思政元素，尋找不同知識單元與思政元素的銜接點，建立專業課與思政課的無縫連接[10-11]。經過教學團隊3 年的不懈努力，生物醫學工程學的課程思政建設工作取得初步成果，課程思政建設不斷強化課程的育人功能，推進智育和德育的協同作用，從而培養高素質創新性人才。

生物醫學工程學的每一章就是一門生物醫學工程的專業課程。每一章的講解，首先要介紹該專業的發展歷史。每個專業的發展歷史都包含了幾代科學工作者的努力，可以借此弘揚科學家精神，強調了嚴謹、嚴肅、嚴格、嚴密作風的重要性，培養克服困難、努力攀登、持之以恒的毅力和勇氣，養成嚴謹求實的學術精神。專業發展歷史也包含了我國科學家的研究貢獻，可以借此展示我國科學家的愛國情懷及建設社會主義的歷史使命，激發學生的愛國情懷，培養胸懷祖國、服務人民的愛國主義精神和勇攀高峰、敢為人先的承擔創新探索精神。

比如生物醫學光子學中的光譜技術在生物醫學中的應用章節，可以重點介紹學校承擔的國家“973”項目“中藥藥性理論相關基礎問題研究”，該課題獲得2019 年國家科學技術進步二等獎，激發學生對學?？蒲械淖院栏?，養成嚴謹求實的科研精神[12]。1 個973 課題通常劃分為若干子課題，由多位專家共同完成，啟發學生的團隊合作和科研協作精神；通過光譜技術可以提取中藥的成分信息，培養學生探索中醫藥未知的好奇心和對教授永攀科研高峰的仰慕之心；直到現在科學家仍在研究該課題，并延伸出若干國家級或省部級小課題，培養學生克服困難、持之以恒的科學研究信念。

2.1.2 生物力學案例式教學設計 生物力學研究生物體中的力學問題，隸屬于生物物理學科，是應用力學原理和方法進行定量研究的科學，是研究力與生物體運動、生理、病理之間關系的學科。課題組結合自身研究成果，開發出中醫正骨手法評價教學案例，用以形象的介紹骨的力學性質[13]。該中醫正骨手法評價系統可以利用無線傳感器采集專家手法操作過程中骨折斷端復位的運動數據，描述復位過程的運動軌跡，提取手法操作的運動學特征，以專家正骨操作數據為標準，建立正骨手法標準數據曲線，實現醫生正骨手法的客觀科學的量化評價，并藉此探討手法操作的運動規律。利用有限元模型，探討正骨復位過程的力學效應。

2.1.3 生物醫學光子學案例式教學設計 生物醫學光子學是運用光子學的理論和方法研究生物醫學領域中的科學問題。課題組結合自身研究成果，開發出基于紫外-紅外光譜的中藥寒熱藥性識別教學案例，用以形象的介紹紫外紅外光譜在生物醫學中的應用以及中藥寒熱藥性的智能辨識。國家“973”項目“中藥藥性理論相關基礎問題研究”提出“性-效-物質三元論”假說，指出產生藥性的基礎是中藥物質成分[14-16]。中藥紫外紅外指紋圖譜技術則可以提取中藥藥物內復雜物質群中的多種化學成分特性。中藥指紋圖譜已經在中藥材真偽鑒別、質量評價等方面進行了大量的研究。

2.1.4 醫學影像技術案例式教學設計 醫學影像技術分為醫學影像成像原理和醫學圖像后處理。前者指醫學影像學圖像的成像過程；后者指醫學影像的后處理過程。在介紹醫學圖像處理時，團隊將最新的科研成果“基于醫學圖像檢索的肺結節診斷研究”形成案例進行教學。醫學圖像檢索技術可以完成兩方面的功能：一方面可以輔助疑似肺結節的良惡性診斷；另一方面可以輔助尋找和疑似肺結節類似的診斷案例供醫生診斷參考。案例的講解能夠激發學生學習的興趣[17]。醫學圖像檢索后，疑似肺腫瘤檢索出若干相似的案例[18-19]。

2.2 個性化教學設計

個性化教學是以學生個性為中心的教學方法。個性化教學要求因材施教，提倡教育特色化，發揮學生的主動性和創造性。從教學方法上，啟發式教學強調學生個性化學習的培養。生物醫學工程學個性化教學研究基于問題的啟發式教學[20]。針對每一次理論授課，設計具體的問題供學生思考和討論，引導學生自主的查閱、搜集資料解決問題，提高學生自主學習的積極性。比如在生物力學案例教學中，可以讓學生思考：如何進行骨骼的三維建模，該案例中的應力與應變的關系如何體現？學生可以在課下查閱資料，進行模擬仿真學習。在生物醫學信號案例教學中，可以讓學生思考：中醫脈診信號如何獲取，脈診信號的辨證分型如何定義？個性化教學可以充分調動學生的主觀能動性，并激發學生的學習興趣和求知欲，達到較好的教學效果。

2.3 教學評價

生物醫學工程學課程教學實踐部分主要包括理論教學和案例教學，在理論教學完成后，銜接案例教學。案例教學可以將枯燥的理論形象的展現在學生面前。以科研反哺教學，將最新的科研成果介紹給學生，更能夠激發學生的學習興趣。

為了客觀地評價本教學團隊關于生物醫學工程學的教學改革效果，尤其是案例式教學的成效，評估學生的學習效果，需要建立一套科學的教學改革效果評價體系[21]。筆者所在團隊將教學效果評價分為兩部分：案例式教學評價、個性化教學評價。具體衡量學生的預期教學效果評價詳述如下：

2.3.1 案例式教學評價 教學評價是指在整個教學過程中由學生對授課內容及方法進行評價，以提高學生的課堂參與度和思考能力，并及時獲取學生關于教學效果的反饋信息，以改進教師的教學方法[22-23]。本評價采用問卷星形式的情景式選擇題進行評價。根據案例式教學的特點設計選擇題，由學生進行情景評價。本評價也可以通過召開生物醫學工程學導論教學座談會，邀請學生參加，針對相關的案例提出意見及建議。從反饋的意見來看，能夠帶動學生積極性，評價較高。

2.3.2 個性化教學評價 每一個主題授課完成后，由授課教師為學生布置作業思考題，并要求小組制作PPT在講臺上向全體同學展示作業完成情況。課堂講述包括學生的思考、作業的完成過程及作業答案等，以便綜合評價學生的表達能力、創新思維、研究能力、團隊協作能力等個性化能力[24]。

3 結語

針對醫療衛生相關行業的工程技術人才需求，結合我校醫學院校的實際情況，生物醫學工程專業確立了“醫工融合”的生物醫學工程創新人才培養目標。創新“醫工融合”式的教學體系的基礎是生物醫學工程專業課程的教學改革，其中導論課程生物醫學工程學的教學改革對于引導學生了解專業概貌，激發學生學習興趣具有重要作用[5]。本課題的研究就是在這樣的背景下提出的。

本教學改革方案的研究能夠創新醫工融合的生物醫學工程專業的人才培養模式，通過生動的案例增強新生對所學專業的認識，培養新生的學習興趣；啟發式教學又能兼顧學生的個性化學習的需要，從而促進醫教協同的醫學教育改革與發展[25]。

本教學改革方案深刻領會國家醫教協同推動醫學教育改革發展的精神，同時貼合國家人工智能發展計劃，緊跟當前“人工智能+醫療”的熱潮，通過本課題的研究可以推動人工智能在醫學教育中的應用和發展。