新工科背景下生物醫學工程專業科研訓練培養體系探索

趙元弟， 朱 丹， 丁明躍， 劉亞豐， 張日欣

（華中科技大學武漢光電國家研究中心，生命科學與技術學院，生物醫學工程系，武漢430074）

0 引 言

生物醫學工程是運用工程學原理和方法來解決生物醫學問題、提高人類健康水平的一門綜合性學科［1］。它將物理、化學、數學、電子、計算機及信息技術等應用于生物醫學領域，通過引入工程學方法推進現代生物科學和醫學的發展，同時也促進工程學科的發展。生物醫學的每一次突破，都源于工程技術的重大創新。隨著各種生物醫學研究新技術的不斷涌現，多種組學迅猛發展，腦科學蓬勃興起，變革性的醫療技術層出不窮，進而推動生物醫學工程的快速發展［2］。生物醫學工程已成為醫療衛生事業發展的重要引擎，催生出許多新的產業，從高端醫療裝備到先進醫學材料，在創造出可觀的經濟效益同時，也產生了很好社會效應［3］。社會對生物醫學工程專業人才需求日益增長，同時對人才質量要求也越來越高。

教育部生物醫學工程教學指導委員會提出生物醫學工程的人才培養目標，學生除應系統地掌握專業基礎知識外，還應具有分析和解決復雜工程問題的綜合能力以及創新精神，將培養學生創新意識、創新能力提升到前所未有的高度。為應對新一輪科技革命與產業變革，2017 年2 月教育部發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》，全力推進工程教育中國模式的探索和高等教育強國建設。在新工科教育背景下，打破傳統產業分工和學科分類標準，鼓勵學科間交叉融合和相互滲透［4］。這對于本身就具有強交叉特性的生物醫學工程專業提出了更新、更高的要求。

科研訓練是本科教育中極其重要的實踐環節［5］，一直將其列為生物醫學工程專業集中性實踐課程，通過科研訓練課的實施，試圖使學生了解科學研究的過程和方法，培養和強化學生的科學意識和科研素養，使其掌握從事科學研究的基本技能，為其今后進一步讀研深造或進入產業界打下基礎。早期的科研訓練一般安排大三第一學期進行，時間為期2 周，為達到上述教學目的，自2006 年就開始對科研訓練進行不斷的探索與實踐。新工科教育對人才培養提出了更高的要求，需要學生具有扎實的基礎理論知識和專業實踐技能，更寬廣的知識面、更高綜合素質，更強的創新意識和創新能力，因此科研訓練課程的改革亟待進一步升級，教學模式亟待創新、教學內容亟待優化。本文將從科研訓練課程設置出發，分析其所存在的問題，并就科研訓練課程體系探索實踐及初步成效進行闡述。

1 原有科研訓練課程設置及存在主要問題

全球生物醫學工程產業發展迅速，年增長率遠遠高于同期全球經濟增長速度，社會對生物醫學工程專業高端創新人才需求巨大［6］，要求也越來越高。因此，對高校的人才培養提出了更高的要求［7］。隨著云計算、大數據、人工智能、虛擬現實等現代信息技術的快速發展，學生獲取知識的途徑呈多元化［8］，掌握知識的速度和容量也遠超以往，原有的生物醫學工程專業科研訓練課程體系已不再適應新工科的要求，也無法適應信息化所帶來的巨大沖擊。

1.1 學生知識結構與社會需求存在落差

當前生物醫學工程發展迅猛，涌現出分子影像技術、納米生物技術等一大批新技術與新方法，如沿用傳統課程體系，很難將最新的科技成果融入教學，專業知識前沿性不夠，使得學生發展空間受限，畢業后無法勝任生物醫學工程產品的創新研發工作。

1.2 教學形式單調

現階段實踐教學往往是教師在教室講解課件，學生視聽，而實踐環節由實驗課老師演示與示范，學生分組根據實驗教材亦步亦趨，按圖索驥獲取相應實驗數據。這種單一的教學模式無法實現學生對知識的主動獲取，不利于激發學生主動學習興趣的培養，難以培養出具有創新精神的人才。

1.3 骨干教師參與度不夠

專業骨干教師大都處于科研第一線，緊跟當今科技的發展，但科研訓練課程教學往往由1 個老師常年承擔，采用固有教學模式，使得其他老師無法深度參與。由于生物醫學工程是一個多學科、強交叉的學科，包括生物醫學電子學、生物醫學光子學、生物醫學信息工程、生物醫學材料、生物醫學傳感器和醫學納米技術等多個專業方向。學生在科研訓練中只會接觸到1 名任課教師，無法從本專業眾多不同研究方向的教師處獲得收益和指導，因此科研訓練缺乏多樣性和適應性，使得培養的人才知識面較狹隘，缺乏創新思路。另外，各類實踐教學之間又人為劃分自成體系，相互之間缺乏聯系與融合，不利培養學生創新精神，并容易造成更多教育資源的浪費。

2 課程體系改革與實踐

創新人才培養需要轉變教學理念，積極實施教學改革，突破原有教學方式［9］。自2006 年以來，就開始針對科研訓練課程的改革嘗試，積極組織本專業教師進行教學研討，分析早期科研訓練課程中存在的問題。近幾年，借新工科教育的改革東風，順勢而為，進一步對科研訓練課程體系及教學模式進行深化改革，倡導“以學生為中心、以興趣為主線、強化自主學習、做到學以致用”的教學指導思想，采用學研結合的教學模式［10］，以期在教學中讓學生學習正確的創新思想、方法和實現步驟，提高分析和解決問題的能力，滿足新時期高等教育背景下對生物醫學工程人才創新研究基本素質和基本技能的要求。

2.1 梳理與重構課程體系

因課程學時有限，為使學生在各個環節上都得到系統的鍛煉，將授課內容濃縮為科研選題、文獻查閱、項目申請、項目實施、數據處理及繪圖、科研成果總結和成果宣講等多個不同模塊（見圖1）。

（1）科研選題。學生通過前面2 年多的學習，已修完所有專業基礎課，此階段正進行專業核心課程學習，學生已對本專業各方向有了初步了解，對自己的興趣方向也有一定判斷。此模塊工作是如何進一步挖掘他們的興趣點，使他們了解本專業各課題組教師研究方向及成果，并將自己的興趣與教師研究方向結合。

圖1 生物醫學工程專業科研訓練培養體系

（2）文獻查閱。對于科研工作的新兵，強調從中文文獻開始入手，先熟悉相關的專業詞匯，此模塊工作主要介紹如何利用中國知網、超星圖書館和維普數據庫等查閱中文文獻（期刊／圖書／學位論文），如何利用科學引文索引（Science Citation Index）搜索英文文獻，如何在國家知識產權局等網站查詢專利，同時介紹一些基本知識如他引、影響因子和H指數等。

（3）項目申請。主要介紹如何基于查閱的文獻凝練出科學問題，撰寫一份合格的項目申請書。以我校大學生創新訓練項目申報書為模板，介紹立項依據、研究內容、創新點、擬解決關鍵問題等的撰寫策略，以及預算編制等相關注意事項。

（4）項目實施。結合選題，將教學計劃中的其他實踐環節納入課程項目實施內容，如課程設計、各級各類比賽項目等。其中課程設計為生物醫學工程專業學生必修的實踐環節，因此可以作為兜底實踐訓練內容，讓科研訓練有血有肉、落到實處；在此基礎上鼓勵同學積極參加各級各類比賽，比賽的內容納入科研訓練，若取得名次，還可記入相應學分，從而對學生產生極大的興趣和吸引力，激發其內生動力。

（5）數據處理及繪圖。生物醫學工程包括眾多方向，此部分主要介紹一些共性的典型數據處理方式，如利用軟件Origin 繪圖及數據統計分析，利用軟件CorelDraw、Photoshop、3DsMax、Flash 等繪制化學結構式、流程圖和示意圖等。

（6）科研成果總結。介紹撰寫學術論文的一些基本常識，如背景、實驗設計、數據處理、結果討論與總結的基本寫法，論文作者的排序規則、通訊作者的含義等，同時也介紹專利撰寫和申請的一些注意事項，如申請日、專利保護范圍的界定等。

（7）成果宣講。主要介紹如何使用PPT 做科研報告，包括報告的前期準備，PPT的模板、結構、配色和視覺效果，報告現場注意事項等，最后通過一個實戰PPT的講解來介紹新人常犯的錯誤。

2.2 鼓勵骨干教師深度參與

科研不僅是探索未知世界的活動形式，更是培養創新人才的基本手段［11］，特別是在人才培養過程中，將教學與科研融合可以更有效地培養學生創新思維方式和創新意識［12］。生物醫學工程專業教師的科研主要集中在生物醫學光子學、納米醫藥技術與生物材料、生物醫學信息技術和生物醫學儀器4 個研究方向［13］，如何吸引各方向具有豐富科研閱歷的教師參與科研訓練課程教學，使其成為教學團隊成員，把科研或工程成果轉化為教學資源，吸引學生結合教師科研工作開展科研訓練，成為提升科研訓練多樣性的關鍵。為此，從學生和教師兩方面著手推動。

學生在其科研選題時即開始強調，挖掘出自己興趣點后通過學院網站了解本專業教師科研方向，尋找契合度高的教師，主動聯系主動上門，老師往往樂意接受主動學習的學生。教師，一方面在教學計劃中打通科研訓練、課程設計和畢業設計等實踐課程，學生選題后各實踐課程都可持續在同一老師指導下進行，保證學生選題的研究深度，避免學生蜻蜓點水般在老師實驗室短期訓練；另一方面，積極向教師宣傳，強調利用科研訓練時機可考查學生科研潛力，可使學生深度了解自己研究方向，有助于學生今后保研考研留在自己實驗室，有利于提高實驗室優質生源的比例，廣撒網、多斂魚、擇優而從之。通過上述兩方面的工作，促使學生和教師的雙贏，為提升科研訓練課程教學效果提供了堅實保證。

2.3 實施全過程定制化指導與管理

任課教師首先要對自己的角色進行轉變，從課程的主角逐步過渡為配角，讓學生成為教學過程中的主角，給學生更多自由選擇機會、更大思維空間、更寬活動范圍，更多層次交流機會，任課教師成為學生的引導者和服務者，更多提供咨詢和建議。具體做法是，任課教師介紹完科研主要環節后，便從講授者轉變為聆聽者或觀察者，學生開始自己創新實踐過程，從聆聽者變為自己科研的主導者，根據自己的興趣、愛好自主選題，走進不同方向的實驗室，接觸真正的科研項目，在確定指導教師后學生通過自己的努力實現目標，充分發揮學生的潛能，這樣便有了主動學習的基礎。

興趣是人才成長最大內生動力，從內因出發將學生興趣、特長及需求作為重要因素來加以引導，就能更有效地培養學生的創新能力；科研不僅是人才培養的基本手段，也是激勵學生保持探究熱情的外部驅動力［14］。學生在整個科研訓練實踐過程中保持主動性：主動查資料、主動設計、主動向指導老師尋求幫助等，進而激發學生興趣，將學生從“要我學”轉變為“我要學”。指導教師在教學中則將科研方法、思路融于其中，將學生選題涉及的基本原理與實際應用有機關聯起來，使學生自己通過調研結合實驗完成選題，讓學生在科研中培養自主學習能力、創新能力，在與指導教師、研究生以及其他本科生交流與合作中培養其團隊協作精神［15］。同時，課程采用開放式教學管理方式，每個學生選題確定后自主安排進程和方式，提出科研訓練計劃，原則上2 周內完成項目申請書的撰寫任務，項目實施可根據選題目標在該學期期末前完成均可，這樣有利于學生充分利用課余時間進行科研訓練。指導教師會定期與學生檢查、答疑，指導和督促學生完成相應進度要求，體現1 人1 方案的定制化教學。

2.4 完善課程考核方式

為提高科研訓練教學質量，對課程考核方式相應改革也勢在必行，將該課程考核內容設置兩部分，第1部分是每位學生與其指導教師協商后，根據選題獨立撰寫一份大學生創新訓練項目申報書；第2 部分是訓練完成后，學生要制作一份PPT 進行展示匯報，指導教師對這些內容進行考核評定。

2.5 鼓勵實踐

科研能力的培養如果只是“天橋的把式——光說不練”是不行。只有讓學生在結合實際的項目進行鍛煉，才能真正體會其中的感受，領會具體設計的細節，最終才能夠真正有所收獲，達到提升學生科研動手能力的目的［16］。因此，在該課程的改革實踐中，積極鼓勵學生在走進老師科研實驗室的同時，積極支持他們以申請和完成大創項目、參加各級各類競賽等多種形式進行實踐，把單純的課程報告變成了真刀真槍的實干。

3 結 語

科研訓練是生物醫學工程專業學生培養過程中極其重要的實踐教學環節，在新工科背景下更顯重要和需要加強。通過改革優化課程培養體系，讓學生在科研訓練中領悟到創新的思維、科研的方法，結合大創項目、競賽項目等具體實施，能夠綜合運用所學知識，真正做到學以致用。據統計，經過本課程改革實踐，學生參加各類創新活動的積極性高漲，學生作為項目負責人年均獲國家級大創項目30 余項、省級校級大創項目40 余項、院級大創項目70 余項，參與一線科技創新訓練比例達到95%，同時學生還在iGEM 國際遺傳工程機器設計大賽、BIOMOD 國際生物分子設計大賽、“互聯網＋”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”全國大學生系列科技學術競賽、全國大學生生物醫學工程創新設計競賽和全國大學生生物醫學電子創新設計競賽等各類學科競賽中獲得多項佳績，為生物醫學工程學科建設奠定了堅實的人才基礎。