生物醫學工程專業綜合實驗教學開發與實驗室建設

蘇昕，曹輝，劉敏

（北京化工大學 生命科學與技術學院，北京 100029）

生物醫學工程是一門交叉學科，結合了生物醫學、工程學和醫學的原理和技術[1-2]，其利用工程技術和方法解決醫學和生物學領域的問題，研發醫療保健設備和提供治療方法，促進人類健康。

隨著人們對健康質量追求的不斷提高和人口老齡化的加速發展，社會對生物醫學工程專業的需求也越來越大[3-4]。因此，培養具有較高綜合素質和實踐能力的專業人才至關重要。生物醫學工程專業實驗教學作為培養專業人才的重要手段，其綜合實驗教學和實驗室建設是其中不可缺少的重要環節[5-6]。本文從綜合實驗教學內容、實驗室建設、實驗教學的評價與改進等方面探討如何開展專業綜合實驗教學。

1 綜合實驗教學內容建設

生物醫學工程專業綜合實驗教學是培養學生綜合能力、提高學生實踐技能的重要途徑，其特點和作用是將多門課程的實驗內容相互融合，設計一系列有機銜接的實驗，培養學生系統、綜合的分析能力和解決問題的能力，同時加強學生的實踐能力，激發學生對生物醫學工程專業的興趣和熱情。綜合實驗教學應該針對生物醫學工程專業的特點和實踐需求，設計涉及多門課程的綜合實驗內容，以提高學生的綜合能力和實踐能力[7]。實驗項目選擇應考慮學生的實際水平和實驗教學的目的，選擇難度適當的實驗項目，確保實驗能夠達到預期的教學效果。在實驗教學過程中，教師需對學生進行實驗操作引導，指導學生掌握實驗技能和方法，同時也要加強對學生的安全教育和實驗規范的教育。在實驗教學結束后，教師對學生實驗數據分析和實驗報告撰寫進行指導，幫助學生深入理解實驗結果和數據，提高學生數據分析和實驗報告撰寫的能力。

1.1 生物信號處理實驗

生物信號處理教學實驗是在生物醫學工程中常見的一種教學形式，旨在幫助學生深入理解生物信號的獲取、分析和處理方法。一些常見的生物信號處理教學實驗包括：（1）心電圖（ECG）信號分析實驗。學生通過獲取心電圖信號并使用 MATLAB 等工具對信號進行分析，如心率檢測、QRS 波分離、心律失常檢測等。（2）腦電圖（EEG）信號分析實驗。學生通過獲取腦電圖信號并使用 MATLAB 等工具對信號進行分析，如腦電圖信號的頻譜分析、事件相關電位分析等。（3）血壓信號分析實驗。學生通過獲取血壓信號并使用 MATLAB 等工具對信號進行分析，如血壓波形的形態分析、動脈硬化檢測等。（4）聲音信號分析實驗。學生通過獲取聲音信號并使用 MATLAB 等工具對信號進行分析，如聲音信號的頻譜分析、語音信號的識別等[8]。這些實驗可以幫助學生掌握生物信號獲取、分析和處理的基本方法和技巧，培養學生的實驗能力和創新思維，提高學生對生物信號處理的理解和應用能力。

1.2 醫學成像實驗

醫學成像是一種用于獲取身體內部結構和功能信息的非侵入性技術，例如計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）[9-10]。在這種實驗中，學生可以學習如何使用不同的成像技術，并了解它們在疾病診斷和治療中的應用。

常見的醫學成像教學實驗有：（1）X 射線影像教學實驗。通過觀察X 射線影像，學習不同部位的正常解剖結構和常見病變的影像表現，如胸部、骨骼等。（2）CT 影像教學實驗。通過觀察CT 影像，學習不同部位的正常解剖結構和常見病變的影像表現，如頭顱、胸部、腹部等。（3）MRI 影像教學實驗。通過觀察MRI影像，學習不同部位的正常解剖結構和常見病變的影像表現，如腦部、脊髓、關節等。（4）超聲影像教學實驗。通過觀察超聲影像，學習不同部位的正常解剖結構和常見病變的影像表現，如腹部、心臟、血管等。實驗可以幫助學生深入了解醫學成像技術的原理和應用，掌握影像診斷的基本方法和技巧，提高學生對醫學影像學的理解和應用能力。同時，教學實驗也可以培養學生的實驗能力和創新思維。

1.3 生物材料實驗

生物材料是用于醫療器械和植入物的各種材料，例如人造關節和血管支架[11]。在這種實驗中，學生可以了解不同的生物材料類型和它們的優缺點，學習如何測試材料的生物相容性，并設計滿足不同功能的材料。生物材料教學實驗可以涵蓋許多主題，例如生物材料制備、性質表征、生物相容性測試等。以下是一些可以開展的實驗項目：（1）基于纖維素的生物材料制備實驗。在這個實驗中，學生可以學習如何從天然纖維素源（例如木材、棉花）中提取纖維素，并將其制備成生物材料。制備過程涉及纖維素的化學改性、成型和固化等步驟，同時需要對制備后的生物材料進行物理、化學和生物學性質表征。（2）生物相容性測試實驗。在這個實驗中，學生可以學習如何對生物材料進行生物相容性測試，了解材料在人體內的耐受性和生物學反應。學生可以將生物材料置于細胞培養液中，觀察細胞的生長和代謝情況，并進行細胞毒性和細胞增殖實驗等。（3）生物材料力學性能測試實驗。在這個實驗中，學生可以學習如何使用材料力學測試設備（例如萬能試驗機）來測試生物材料的力學性能，包括彈性模量、屈服強度、斷裂強度等。學生需要進行樣品制備和測試操作，并對測試結果進行數據處理和分析。（4）生物材料表面性能測試實驗。在這個實驗中，學生可以學習如何使用表面測試設備（例如接觸角測量儀）來測試生物材料的表面性能，包括表面張力、接觸角等。學生需要進行樣品制備和測試操作，并對測試結果進行數據處理和分析。

這些實驗可以根據課程需求和學校實驗室條件進行調整和改進。同時，安全性是實驗教學的重要因素，需要嚴格遵守實驗室安全規定，確保學生和實驗室的安全。

1.4 生物傳感器實驗

可以讓學生了解生物傳感器的工作原理和應用。生物傳感器是一種可以檢測生物分子或細胞的儀器，常用于生物醫學診斷和治療[12]。通過這個實驗，學生可以學習如何構建和測試不同類型的生物傳感器，如光學傳感器、電化學傳感器和生物傳感器陣列。以下是幾個可以開展的生物傳感器教學實驗：（1）pH 傳感器實驗。制備pH 敏感試紙并測試不同pH 酸堿度的溶液，觀察試紙顏色的變化并對比不同pH 酸堿度下的顏色變化程度。（2）葡萄糖傳感器實驗。使用葡萄糖氧化酶和電化學傳感器制備葡萄糖傳感器，測試不同濃度的葡萄糖溶液，通過測量電化學信號的變化來確定葡萄糖的濃度。（3）DNA 傳感器實驗。制備DNA探針和熒光染料，將探針與目標DNA 結合，并通過熒光信號的變化來檢測目標DNA 的存在和濃度。（4）免疫傳感器實驗。制備抗體或抗原，將其與電化學或光學傳感器結合，通過檢測抗原或抗體的存在和濃度來診斷疾病或檢測污染物。在這些實驗中，學生可以學習傳感器原理和制備技術，了解不同傳感器類型的優缺點和應用場景，同時還可以進行實驗數據的收集和分析，培養實驗技能和科學思維。同時，教師也可以根據學生的實驗結果提供反饋和指導，幫助學生加深對生物傳感器技術的理解和掌握。

2 教學實驗室建設

在生物醫學工程教學中，實驗室是不可或缺的組成部分，因為它們為學生積累實踐經驗提供了各種儀器和設備，這些設備在該領域中被廣泛應用[13-14]。實驗室是實驗教學的基礎，建設適合生物醫學工程專業的實驗室，對于開展實驗教學具有非常重要的意義。實驗室的建設需要注意以下幾點：

（1）設計合理。

實驗室的設計需要充分考慮教學需求和實驗操作流程，合理分配空間，確定設備放置位置和實驗操作區域，確保實驗室能夠滿足實驗教學的需要。

（2）設備先進。

生物醫學工程實驗室需要配備先進的實驗設備，能夠滿足生物醫學工程專業的實驗需求，同時，需要具備良好的性能和穩定性，以保證實驗數據的可靠性和準確性。

（3）安全可靠。

實驗室需要具備良好的安全性能，保證實驗操作的安全性，同時，需要配備相應的安全設施，如實驗室通風系統、消防設備等，確保實驗室的安全可靠。

（4）環境舒適。

實驗室的環境需要舒適，保證學生在實驗操作中的舒適度和工作效率，同時，需要保證實驗室的清潔和整潔度，保持實驗室的良好衛生環境。

3 實驗教學的評價與改進

評價和改進是實驗教學的重要環節，可以通過學生的實驗成績、實驗報告質量和實驗操作能力等方面對實驗教學進行評價，從而提出改進意見和建議，以進一步提高實驗教學的質量和效果。（1）評價指標。實驗教學的評價指標應包括學生實驗成績、實驗報告質量、實驗操作能力等多個方面，綜合評價學生的實驗水平和實驗教學存在的問題。（2）改進措施。根據評價結果，針對實驗教學的不足和問題，提出具體的改進措施，如增加實驗項目的難度、加強對學生實驗操作的指導、加強對實驗數據分析的指導等。

4 結語

生物醫學工程專業綜合實驗教學是提高學生綜合素質、實踐能力和解決問題能力的重要手段。實驗室建設和環境安全是保證實驗教學順利進行的重要前提條件。實驗教學的設計和實施應根據生物醫學工程專業的特點和實踐需求，注重實踐能力和綜合能力的培養，同時也需要對實驗教學進行科學評價和改進，以提高實驗教學的質量和效果。