新工科背景下智能醫學工程專業課程建設改革與實踐探究

潘桃桃，尚志會，董利，謝小芳

（遵義醫科大學，貴州 遵義 563000）

0 引言

“新工科”對應的是各類新興產業，以及對傳統產業的改造升級，更加注重學科的實用性、融合性與綜合性[1-2]。隨著大數據時代的到來，國務院發布了多部規劃與指南[3]，如《中國制造2025》、《健康中國2030規劃綱要》，工信部、國家衛健委、國家發改委等十多個部門聯合印發了《“十四五”醫療裝備產業發展規劃》，這些規劃與指南均強調“十四五”時期是全面推進落實健康中國建設、深入實施制造強國戰略的關鍵時期，也是推進醫療行業高質量發展的攻堅時期。這意味著我國的醫療行業將面臨巨大的挑戰，但與此同時也蘊含了重大的機遇。一方面，醫療產業發展迎來了新的機遇，新興科技技術的變革不斷深化，如人工智能、新一代信息融合技術等。另一方面，在“大健康”“大衛生”等產業快速發展的同時，醫學服務模式也逐漸從傳統的疾病醫學服務向“疾病+健康”的新型醫學服務模式轉變，即由醫院診療向入院前家庭健康管理、入院時資源共享、出院后康復治療的連續性服務方向延伸拓展。在一系列環節中，多學科的知識的綜合應用除了需要傳統醫學知識作為支撐之外，也要求專業人員需掌握相關的人工智能技術，因此未來醫療體系對綜合性人才的需求會越來越大。智能醫學工程專業旨在培養更善于利用大數據、云計算、機器學習等技術解決傳統醫療領域問題，并以人工智能技術輔助診療的專業人才，能夠在一定程度上促進醫療行業的發展。

1 智能醫學工程專業概況

1.1 智能醫學專業發展概況

智能醫學工程是高度交叉融合醫科、工科、理科的新興學科，按照“醫理工融合，醫教研協同發展”的思想建設本專業，融合了先進的人工智能及相關領域的工程應用技術，深入探索生命和疾病現象與本質并尋找其中的規律[4]。智能醫學工程是以患者為中心，深入分析臨床需求，研究新型醫療方法和臨床應用的交叉學科，是未來工程醫學的重要發展方向。

1.2 智能醫學工程專業就業前景

由于我國現階段醫療資源較短缺且分布不均，加上我國老齡化日益加重的現狀，因此急需對現有的醫療行業進行智能化變革，智能醫學工程專業剛好契合這一目標。相關數據顯示，全球智慧醫療支出在2016-2018年間快速增長，復合增長率約為60%，全球智慧醫療服務業產值在2019 年達到4 000 億美元左右，在未來仍將以較高的復合增長率增長。在國內，眾多的科技企業，諸如華為、阿里、騰訊、百度等也在逐年增加大健康產業的投入，打造自己的生態鏈[5]。可以預見，在國家大力支持下，“十四五”期間乃至以后的很長一段時間里，智慧醫療、“大健康”、“大衛生”等將形成一個龐大的產業鏈，由此將會產生大量的就業崗位和人才缺口，智能醫學工程專業在未來的發展中大有可為。

1.3 智能醫學工程專業在國內的建設現狀

智能醫學工程專業作為新興專業，從2017年才正式開設，南開大學、天津大學成為首批開設該專業的本科院校，2018年又有7所高校獲批智能醫學工程專業，之后每年都有新的高校獲批該專業，智能醫學工程專業進入高速發展期[6]。2020年遵義醫科大學智能醫學工程專業獲教育部批準開設，從2021 年開始招生，是學校重點建設專業之一。

2 智能醫學工程專業面臨的難題

目前國內智慧醫療相關市場需求量大，國內外發展潛力大，人才非常緊缺，但是想要短時間內培養出符合社會需求的復合型人才還面臨著諸多困難。主要是因為智能醫學工程專業是一門“醫理工”等知識高度融合的交叉學科，對學生的要求較高，該專業的專業性強，需要學生有很強的學習能力與動手能力，有很多課程以往只在碩士研究生階段開設，但是現在需要提前學習，導致部分學生在學習過程中無法深入了解整個行業現狀，不能將所學知識與產業發展相結合，缺乏良好的科研素質和動手能力[7]。這些問題在一定程度上是由于培養過程中出現的偏差導致的，具體原因分析如下。

2.1 課程體系不完善，理論知識較深，部分課程之間缺乏聯系

因為智能醫學工程專業是新興專業，所以不同的高校在課程設置上有差異，需要在不斷探索中逐步完善課程體系。在課程體系中大多數院校將人工智能、機器學習、深度學習作為了核心專業課，然而這部分課程理論知識較多且需要很多數學知識作為鋪墊，對于剛剛進入大學的學生來說學習起來較為吃力，部分學生由于抓不住重點，逐漸喪失學習信心。同時，在該專業的課程體系中包含了較多醫學類的基礎課程，如人體結構、生物化學、病理學、外科學等課程，具體課程系統如圖1所示。在走訪調查中發現，學生對于這部分醫學類課程理解存在誤區，往往認為這部分課程既難又與本專業無關，這一現象充分體現了學生對本專業的定位存在誤區。

圖1 智能醫學工程課程體系

2.2 師資隊伍中擁有跨學科教學能力的教師少

智能醫學工程專業授課教師一般為醫學類或者計算機科學類教育背景的教師，很少有復合型教師，這就導致了在教學過程中就被動地將課程體系進行了割裂，不同教育背景的教師對非本專業的知識了解不多，使得學生在學習過程中也很難將醫學和云計算、大數據、機器學習等人工智能課程融會貫通，因此不能體現智能醫學工程中的“醫理工”高度融合的理念。

2.3 行業定位模糊

人工智能技術發展十分迅猛，各種新應用、新場景出現了井噴式增長。高校在進行學生培養過程中，忽略了醫療行業發展給本專業帶來的影響，不能緊跟醫療行業發展趨勢，學生也無法系統性、全面性地了解整個醫療行業，對自身在醫療行業中的定位較模糊。

2.4 體系建設欠缺

智能醫學工程作為新興專業，各高校的培養方案中都重點體現了醫學和電氣、信息以及人工智能專業知識的交叉融合，將自身培養重點放在了交叉融合部分。具體怎么交叉融合，目前國內尚不能做到統一，且缺少相關儀器設備，導致智能醫學工程學生與傳統電氣類、電子信息類、計算機科學類等專業學生使用相同的儀器設備和課程教材，偏離了本專業的培養初衷，使得課程體系建設思路不明確。

3 智能醫學工程專業課程體系建設改革目標

智能醫學工程專業是滿足國家大健康發展規劃的新興交叉學科，該專業以解決臨床醫學中的工程應用為出發點，結合大數據、機器學習等專業知識，大力促進智慧醫療、智能養老等產業蓬勃發展。在人才培養環節中，需要建立一套符合智能醫學工程專業培養目標的課程體系，通過課程教學、動手實踐、生產實習和畢業設計等環節，培養出具有專業性、體系性的復合型高水平人才。因此在課程體系建設中提出以下幾個改革目標。

3.1 課程體系改革方案

針對目前智能醫學工程專業課程理論知識偏多，知識點偏難的現狀，遵義醫科大學對部分課程進行了調整，進一步降低了入門難度，同時大幅增加了動手實踐部分內容，在原有的實驗課程基礎上增加了部分虛擬仿真實驗，大大增強了學生學習興趣。具體改革方案如下：

1）搭建機器學習實驗教學平臺

整合機器學習、深度學習、自然語言處理、圖像識別、醫學圖像識別等實驗，從最基礎OpenCV機器視覺算法、模型訓練到部署至終端設備都進行了全棧式的封裝，大大降低了算法學習與應用開發的難度。同時平臺中還內置了很多個性化的應用案例，可以加深學生在機器學習領域中的實際應用，并且可以進一步延伸到醫學領域的應用，如醫學影像識別、智能導診、問診等。圖2為平臺整體應用框架。

圖2 機器學習實驗教學平臺整體框架

2）引入虛擬仿真實驗輔助教學

虛擬仿真實驗教學可以提供直觀、形象的實驗場景，使教學手段更加科學化。由于虛擬訓練系統不存在任何操作風險，所以在進行實際操作之前，學生可以在虛擬環境中反復訓練，直到掌握操作技能為止。因此虛擬現實技術被列為高等教育信息化發展的重要內容之一。在智能醫學工程專業的培養方案中有部分醫學相關的課程，但是本專業學生和醫學類專業學生學習方式不太一樣，本專業學生注重理論知識的學習，去掉了大部分實操，因此學生反饋這部分知識較難且不能深刻理解。借助于遵義醫科大學的虛擬仿真平臺，可以讓學生進行虛擬仿真實驗，強化理論知識。同時，在實驗過程中可以深入思考仿真實驗的不足之處，然后借助學院建設的虛擬仿真實訓中心，對實驗進行完善，真正把虛擬仿真技術運用到醫學領域中去，而這也是目前臨床上比較流行的一種模擬實驗方法。

3）開設醫學增材制造（3D 打印）課程，助力醫學行業發展

增材制造技術近年來發展迅猛，在諸多行業中都有應用。在醫療行業中也有較多成功應用案例，如術前規劃、口腔修復、手術導板、假肢、內植入物以及器官組織打印等，部分大型醫院已經將3D 打印技術列為重點發展技術。因此，在智能醫學工程專業中有必要開設這門的課程，建設相關實驗室，將醫學理論、3D 建模結合在一起使得相關知識能夠落地實施。

4）打造智能醫學工程專業特色課程

智能醫學工程專業中包含了很多電子類、信息類課程，如在圖1課程體系中的數據庫原理、移動應用開發、智能儀器設計、模擬電子電路等課程。這些課程和傳統的電子類、信息類專業使用的教材幾乎一樣，教學過程中使用的儀器設備也沒有差別。為了突出本專業的特點，應對課程進行改版，強調不同學科在醫學中的實際應用，引導學生主動去思考電子技術、信息技術、人工智能等在現代醫學中可以發揮的作用。

3.2 師資隊伍建設目標

優秀的師資和教學團隊是教學質量的基本保證，由于本專業多學科交叉融合型專業，因此需要不同專業的教師相互協作，每位教師應根據自己擅長的領域對教案、教材等進行撰寫和更新，緊跟醫療行業發展前沿，確保所學知識的時效性和準確性。同時，教學團隊應對本專業的培養方案針對性地查缺補漏，根據學生提供的反饋意見適時地修改培養方案。

3.3 學生能力培養目標

本專業著力于培養具有“醫理工”高度融合思維，能夠運用前沿工程技術解決醫學問題能力的復合型人才。著重培訓學生的四個能力，即邏輯思維能力、工程實踐能力、科研創新能力和團隊合作能力的培養。采取四位一體的方式加強人才培養，如圖3所示。

圖3 “四位一體”人才培養模式

在培養過程中除了常規的課堂教學培養外，還可以建立本科生導師制，讓學生盡早加入科研團隊，對學生進行科研訓練，使其熟悉科研流程，在參與項目的過程中鍛煉創新能力和實踐能力。同時，還可以通過參加各種技能競賽，以賽促學，讓學生在競賽中鍛煉團隊協作能力。

4 結束語

智能醫學工程專業是新興專業，將醫學知識和電子類、信息類、人工智能等專業知識進行了深度融合，為未來的醫療模式和醫療手段指明了方向。對于本專業的人才培養尚處于初始階段，缺乏可供借鑒的教學經驗，許多方面還不夠完善，需要我們在教學中不斷地改進。通過對遵義醫科大學智能醫學工程專業課程體系進行改革，學生對課程的滿意程度有了明顯的提升，整體學習氛圍更濃，學習更加主動，同時對本專業的定位趨于清晰。