生物醫學工程專業實踐教學改革

關雪梅，盧敬，陳瑞娟，王瑤，田磊，鄭羽，陳純鍇

（天津工業大學 生命科學學院，天津 300387）

近年來，隨著生物醫學工程產業的迅速發展，工程教育模式的不斷優化，創新創業理念深入人心，國內生物醫學工程專業教育正經歷著深刻的變化，課程設置也趨于多元化，存在的一些問題主要表現在：（1）基礎性、應用性研究不足，培養體系不能切合就業崗位能力素質需要和學科特點，課程缺乏交叉性，實踐課程較少.（2）實踐教學體系不清晰，實踐教學內容缺乏系統性，教學形式簡單，在實踐教學設置與人才培養目標結合方面不夠，存在重理論、輕實踐，重知識、輕能力的現象，很容易導致學生的理論知識與實踐脫節[1-5].（3）在對生物醫學實習實踐的認識和分配上也有不足，由于對教學目的認識缺乏，實踐項目很多來自理論課，而來自實際工程項目的很少，與實際需求脫節；開設的實驗課程中既有電子信息類也有生物醫學方面的，但電子信息類的實踐項目偏多，比例不符合培養方案.天津工業大學設置了生物醫學工程專業，該專業是以生命科學和醫學工程為基礎，結合電子信息、計算機技術等工程應用進行前沿學科領域的科學研究.在實踐教學方面經過多年的探索，取得了一些成績[6-10].

1 基于能力培養的分層次實踐教學體系

1.1 實踐教學體系構建

按照生物醫學工程專業培養方案以及學生認知規律，建立了以能力培養為主線的實踐教學體系.其中，基礎實驗是根據電子信息和生物醫學基本理論進行驗證，而綜合設計性實驗要求根據所學多門實驗課程，在掌握基礎實驗原理和實踐能力的基礎上，進行設計、仿真及數據分析，并根據獲得的數據及圖表給出結論.如電路理論實驗、生物醫學電子學實驗、傳感器與醫學工程實驗、醫學成像新技術等，通過硬件實驗，讓學生通過儀器觀察波形；通過虛擬實驗，使學生掌握電路及波形的綜合分析方法.通過EDA 及FPGA 知識，采用VHDL 語言編寫程序，設計出邏輯電路和時序電路，進行邏輯仿真和功能仿真，增強綜合設計性實踐能力.大力支持學生參與國家大學生電子設計競賽、生物醫學電子大賽、TI 杯天津市電子設計競賽、數學建模競賽及校級科技創新活動.大學一年級開設專業認證和前沿知識講座，提高科學研究興趣；二年級通過大學生創新實驗項目等活動，初步培養創新能力；三年級通過參與“挑戰杯”等活動，提升創新能力；四年級通過參與“全國電子設計競賽”及畢業論文或設計，強化實踐能力，提升創新創業能力.生物醫學工程專業實踐教學體系結構見圖1[11-15].

圖1 生物醫學工程專業實踐教學體系

通過對實踐教學體系的優化，同時加大力度創建專業及創新實驗室，開發系列新實驗并完成了實驗指導書的編寫工作，將實踐教學延伸到大學生科研訓練計劃、生物醫學電子設計競賽及畢業設計等實踐活動中，形成完整、層次清晰的實踐教學體系.

1.2 進階式實驗平臺建設

實驗平臺面向工程需求，不斷引進具有工程應用背景的綜合性、設計性實驗項目，創建了生物醫學電子學、生理學、傳感器與醫學工程、醫學電子儀器設計、醫學成像新技術先進實驗室.通過實驗室硬件及軟件建設，實驗平臺條件極大改善.按照培養方案設定培養目標，完成了基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗和創新性實驗平臺的建設，進階式實驗過程見圖2.其中，基礎實驗平臺主要是完成一個課程基礎理論的驗證；綜合設計性實驗平臺主要是以信號處理為算法，ARM 為開發工具，醫學電子儀器設計為方法，多門課程綜合起來完成設計到仿真的實驗過程；創新實驗平臺提供科研條件，指導大學生參與電子競賽、參加教師科研項目、大創項目等.

圖2 進階式實驗平臺

進階式實驗過程符合人才培養的一般規律，實現創新人才培養.如在醫學信號處理課程完成了自適應濾波器驗證，在ARM 課程中編寫信號處理算法來實現濾波，在創新性實驗環節實現基于ARM 的心電檢測系統設計，在生物醫學工程專題實踐環節完成智能可穿戴電子系統設計.這些舉措既是教學實踐的總結，又是科研成果的積累.增強了學生的動手實踐能力和創新設計能力，激發了科研興趣.

2 實踐教學創新方法

2.1 虛擬仿真教學方法

按照“學生為主體，教師為主導”的理念，以虛擬仿真實驗教學中心為平臺，結合線上討論和線下交流的教學方法，加強網絡化條件下的實驗教學，達到了“虛實互補”“資源共享”的效果，為本專業交叉人才實踐能力培養提供了保障.

為全面提高學生的操作能力、思維能力、舉一反三等能力，開發了“生物醫學工程虛擬實驗”“智能服裝虛擬仿真實驗”“機織物組織識別方法”等項目.利用虛實結合的技術手段，提升核心課程實驗教學效果，為可穿戴技術在紡織品服裝上的實現提供了一個虛擬實踐環境.采用多維度、多環節的考核評價機制，實現對學習全過程的評價.教學上包含課前、課中、課后和實踐各個環節的內容，記錄學生的儀器操作信息，學生在操作過程中通過自己的判斷可以看到錯誤和問題，實驗完成后可自動生成成績，達到實時交互反饋的效果；學生成績包括課前預習、實際操作、參觀學習和實驗報告4 個部分，實現學習過程和學習能力綜合判斷的評價機制，引導學生主動學習，提升教學質量.

2.2 教師科研與學生實踐結合

實踐教學涵蓋了課程實驗、專題實踐、畢業設計、課程設計、畢業實習等.近年來，在科研課題的研究和實施過程中，根據學生的知識面和接受能力，先后有多個科研項目研究內容降低難度后被轉化為實踐教學內容.將科研項目中難度較低，與教學知識點相關的項目內容提煉出來，讓學生參與解決，就會讓學生對這門課程有新的認識.課后利用網絡資源，尤其是圖書館的電子數據庫資源對課題進行研究.一方面，可激發學生的學習熱情，加強對所學知識的理解和進行綜合運用的能力，提高學習效果；另一方面，可讓學生獲得科研經歷，為以后的工作和進一步深造奠定基礎.

2.3 校企合作

目前，全國在大力推廣本科生的實習實踐教學，保證學生的實習實踐時間和內容，盡量縮短高校與企業之間的人才需求間隙.在這個大背景下，學校、學院各層面均有保障本科生實習實踐的措施，并大力鼓勵系部組織和發展本科生實習實踐內容.目前，生物醫學工程專業已發展3 個長期穩定的實習實踐基地，并簽署相關實習實踐協議.其中，與天津怡和嘉業醫療科技有限公司多次合作，已邀請企業工程師在2018年分別為醫學電子儀器設計、醫療儀器概論與法規等實操性很強的課程進行講座，得到學生的好評；并由公司贊助，帶領2017，2018 級生物醫學全體學生進行參觀實踐，已簽署協議，公司為2017 級生物醫學畢業生提供實習崗位十余個，并贊助全體學生實習、培訓24 個學時.與天津南開醫院簽署學生實習協議，將2017 級生物醫學本科畢業生8 人一組，每組1 天，在南開醫院進行醫院參觀、科室介紹、大型儀器參觀講解、醫院財務系統和物流系統介紹、醫學電子儀器拆解維修等實習實踐活動，這些實習實踐活動對提高學生的生物醫學技術學習興趣、創新能力和實踐能力都具有重要的意義.

3 實踐教學實施與效果

針對天津工業大學特點，提出以生物醫學信號檢測與儀器為核心的課題群，優化了培養方案及課程體系；實踐平臺的建設為培養應用型人才，提高學生動手能力提供了基礎.針對本課題的目標，大力開展實踐教學方法改革，不斷增大與紡織學科、企業與醫學的合作，搭建一套滿足學生實踐教學需求的高水平實驗教學平臺，提高實驗室開放的效果和覆蓋面，鼓勵本科生參與科研和創新活動，提高生物醫學工程專業學生的實踐能力、探究能力和創新能力.

將高校的虛擬仿真實驗中心與醫院、企業的實體醫學診療設備及系統結合，在不易開展的實驗項目方面提高了學生的理解和創新能力，定期請高校、醫院和企業專家參與開展沙龍活動，提升學校虛擬實驗項目在天津市的知名度和影響力.在教師能力提升方面，本專業已組織全系教師進行了多次高校和企業調研，并定期組織青年教師到高水平高校進行學習和交流，到中國紡織工業聯合會檢測中心和具有可穿戴智能設備的企業進行參觀學習，并與紡織學院相關的優秀教師進行交流，建立一支具備生物醫學工程交叉專業知識背景的優秀教學團隊.

4 結語

以天津工業大學的生物醫學工程專業為例，介紹了以能力培養為主線、進階式的實踐教學體系，探討了實踐培養體系中的創新方法，構建了基本技能——專業技能——應用與創新能力培養三大實驗平臺，培養學生探究、創新及綜合實踐能力，構建了縱向傳承、橫向交疊互補的課程體系.2年的教學實踐表明，生物醫學工程實踐體系建設與改革達到了預期目標.對促進生物醫學教學質量，學生實踐能力、創新能力培養等方面具有重要意義.