创新实践模式在生物医学工程教学中的探索

章浩伟，秦 翥，刘 颖，李 震，刘海刚，谭江浩，曹海涛，陈有平，张 可，丁宇清

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海200093)

0 引 言

生物医学工程(Biomedical Engineering，BME)是工程科学和生命科学高度综合和交叉的学科，着重研究在生命科学基础上开发各类以高新技术为特征的现代医疗器械及系统［1］。BME 主要研究领域包括:基因工程及生物化学、电子信息、医疗器械的设计及制造、医学影像技术、医用软件开发、医疗仪器的营销及维修、医用材料及人工器官组织工程等。从其研究领域可以看到，BME 运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示生命现象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科，多学科的高度综合交叉是生物医学工程的特点［2］。由于生物医学工程具有特殊的复杂性且在我国的发展时间较短，如何将国外的教学模式与我国的医疗研究现状相结合，培养出一批兼具工程技术研发和生物医学基础能力的专用型研究人员，是该学科发展中的重要课题之一。经过多年教学经验逐渐表明，创新实践型的教学模式更适合该学科的培养目标［3］，实验教学在大学生的创新意识、创新思维和创新精神的培养中具有不可替代的作用，更是提高整体教学质量的根本保证和有效途径［4］。同时也是符合教育部在十二五规划中提出的卓越工程师培养计划的要求［5］，本文在分析制定专业培养方案应遵循的原则的基础上，具体研究专业培养方案的主要内容，包括学校培养标准的制定与实现以及企业培养方案的制订与实施，以期为高校制定和实施“卓越计划”专业培养方案提供借鉴与参考［6］，开展以项目开发为导向的人才培养模式，加强与医疗机构，研究科研单位的联合协作，不仅有利于整合学科优势资源，让科研渗入实践教学，也符合我国在该领域的发展需要［7］。

1 生物医学工程的教育现状

在国外，生物医学工程的发展相当迅速，从学科建设及发展趋势可以看出该学科的应用前景相当广阔，在课程设置上，应注重理论与实际相结合以及多学科交叉的特点［8］。斯坦福大学的BME 课程计划，参与人由医学院、大学的多个院系，以及校外的专家等组成，学生接受的培养包括生物科学、电子技术、计算机技术及信息科学有关的基础理论知识，旨在培养具有医学与工程技术相结合，能在医学、医疗仪器以及其他电子技术、计算机技术、信息产业等部门从事研究、开发、教学及管理的高级工程技术人才。要求学生的必须课程包括生物医学工程概论;医学基础;电子技术;生物医学检测技术;高级语言程序设计;微机原理与应用;计算机组成原理;数字信号处理;自动控制原理等课程。学生应掌握面向对象的程序设计和系统设计;数据结构和算法分析;医疗仪器设计;医学图像处理;医学模式识别和人工智能等技术方法［9］。在本世纪初，大约40 所美国高校设置了BME 专业，其中18 所通过了美国工程与技术鉴定委员会(Accreditation Board for Engineering and Technology，ABET)的评估［10］。ABET准则鼓励各种教学计划的一致性，对于推动生物医学工程学科的发展具有极其重要的作用。因为BME 是新学科，在课程要求方面没有现成的标准和公认的准则，每个学校通常根据其专业教师的研究兴趣设置课程，保持BME 教学计划的一致性为评估毕业生的能力提供一个标准，这既有助于生物医学工程学科的健康发展，又为扩大研究经费和拨款来源奠定了良好的基础［11］。纵观国外的培养模式及教育反馈，通过多学科教学与丰富的实践安排，能够培养出符合要求的生物医学工程师。

在我国，生物医学工程学科的建设工作开展已有多年，根据我国国情的需要，应在医学方向多参与研究与实践，并在生物医学的研究领域中逐渐加入所学的工程技术相关知识［12］。但是，现行的教育体制下培养出来的相关技术人才相当匮乏，尤其是在新医改建设数字化医院及城镇医疗改革的趋势推动下，需要大量的既能熟练掌握工程技术，又掌握足够的生物医学知识的人才。

2 创新实践体系建设目标与框架

近年来，国家在医疗体制改革的步伐逐步加快，工程技术在生物医学及医疗领域内的普及程度也越来越广。结合教育部正在实施的“卓越工程师培养计划”，培养造就一批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量生物医学工程技术人才，强化主动服务国家医疗领域发展需求，确立以德为先、能力为重、全面发展的人才培养观念［13］。要使学生的综合素质和创新能力得到提高，需要通过基础理论和专业理论学习进行培养，并在实践中的不断锻炼加以积累。遵循“行业指导、校企合作、分类实施、形式多样”的原则，我们在BME 学科计划的实践教学方面进行了积极的探索、改革和实践，在教学内容设置、教学方法扩展以及成绩考核等各个方面，都进行了强化，着重强调了综合型、设计型和创新型教学实践活动在整个实践教学环节中的主导地位。如图1 所示的创新实践教学体系框图，是结合传统的教育方法并借鉴国外成功的教学模式，将理论与实践相结合，注重学生的自主性与实践环节的灵活性，将能力提高作为实践的核心所设计的体系架构。

图1 创新实践教学体系框图

创新实践教学模式主要包含实践基础、能力提高和综合培养3 个模块，通过设立学分互认、多种形式、多种选择途径的专业综合实验和相应的考核方式，并建立学科交叉的毕业设计选择试点，使学生积极参与科研基金项目及院校与医疗企业单位合作的创新项目建设中，在完成综合培养的整个环节后，使学生能够掌握以下能力:①学习生物医学工程领域坚实的基础理论和系统的专业知识;②具备计算机应用及外语翻译能力，及时了解生物医学工程领域内的新理论、新方法和新技术;③培养创新意识，能在生物医学工程、医疗器械、医院等领域的企、事业和行政管理部门独立从事技术研发、工程设计、运行和管理的高层次人才;④锻炼团队沟通合作能力和项目管理技巧，具有产品研发、设计制造、经营管理、技术服务、教育培训等工作能力。

3 创新实践教学体系的思路

3.1 夯实基础实践环节

创新实践需要有扎实的基础学科知识，通过对应的实践环节掌握基本的实验方式方法也是创新实践的基本［14］。基础课内的实验主要是对具体授课内容章节的验证和实现与分析，帮助学生掌握基本理论和方法，锻炼动手能力，培养基本工程素质。同时每门课程应设置小型的综合性实验，使学生可以对整门课程起到融会贯通的作用。例如，“生物医学检测技术”课程实验可以增加“生物传感器与传感器检测技术的综合实验”内容;“数据库系统原理与设计”可以增加“小型应用系统设计与实现”内容。在每门课的实践环节的设置与内容的安排上，保证实验的合理性及适宜的难度性，让学生在实践中学习，在学习中实践，不断看到自己的成果，提高学习和实践的兴趣［15］。

在重要的专业课，如“医学基础”、“生物医学信号处理”、“生物医学检测技术”、“数据库系统原理与设计”等，应以实践授课带动理论授课。并在实验过程中，由教师引导、帮助学生在规定时间内完成实验。使学生在深刻理解理论知识的同时，建立严谨的实验态度，培养学生将理论与实际问题相结合的科学思维，从而激发学习兴趣。

3.2 加强重点课程建设

主干学科的选择及其课程体系的设计也是体现该专业特色的一条重要途径。在BME 中重要的专业主干课，如“生物医学检测技术”、“医学信号处理”、“电路与电子技术”等，分设理论授课和实践授课，开设相应实验课程。实验课又包含授课和实验，授课教师必须参与、指导学生实验，教师和学生两方面进行双向互动。下面以生物医学检测技术课程建设为例，介绍我校在重点课程上的改革措施。

生物医学检测技术是一门生物医学工程的专业课，它应用电子技术、传感器技术和计算机技术，解决生物医学领域中的信号提取，检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题，使学生了解典型医学仪器的原理，特点和性能指标，掌握常用医用传感器的测量原理和使用方法，掌握基本测量技术，为医学仪器设计奠定基础。在理论授课上，主要内容是以教师课堂教学为主导，使学生掌握生物医学检测技术基本理论知识，主要包括:生物医学检测系统的基本概念、生物电与生物医学电极、医用传感器、信号的中间变换和测量电路。对于本科生在理论的学时部分略微降低，研究生在教师授课方面还应适当加入学生集体讨论环节。在实践授课中，为了使学生更深刻地理解所学理论知识，引导学生建立良好的实验习惯和严谨的学习方法。主要采取由学生为主导，教师从旁辅助的方式完成，培养学生建立理论与实际相结合的思想，增强学生动手能力。使学生在实验室很快得到一定的收获，从而激发了他们的学习兴趣。由于实验学时数的增加，充分地保障了学生在已经掌握了基本实验技能的基础上，发挥自己的主观能动性，能够有充分的时间和机会完成自己的设计，验证自己的想法。专题实验课中还有三分之一的时间，属于综合、设计性实验，同时设有选作实验，提供更多，更高层次的设计研究实验，给不同层次的学生提供一个宽阔的训练平台。

3.3 突出创新实践项目的主导地位

开展学生科研创新的实验，突出其在该教学模式体系主导地位及鲜明特色。除了积极鼓励和组织学生申报国家级大学生创新基金、学校及学院的创新基金以外，还应配合基金项目，指导学生如何查阅文献、撰写项目申请书、制定方案、处理实验数据、撰写论文等问题。可以更好地使科研工作渗入到本科的实践教学，使研究生培养和本科生培养衔接起来，为学生创造良好的科研环境与创新条件。探讨以项目开发为导向的人才培养模式［16］，使学生在大学期间走进科研团队，实际参加到与企业、医院合作的科研项目中来，能够使学生学习到课本外的知识，更好地找到自己在社会中的价值。如图2 所示，以创新实践为主导的实践教学体系能够真正的使学生学以致用。

图2 创新实践体系间的关系示意图

通过创新实践项目，充分利用合作企业及医疗机构的资源与项目，将其引入学校课堂中，学生可以从查阅的文献信息和实际应用中获得具体的生物医学和工程技术知识，使学生广泛地接触社会，扩展眼界和思路，自主学习相关的课外知识，复习巩固课内的学习成果。因此，以创新实践为主导的教学体系，有效发扬和继承传统实验模式中的优点和合理要素，把综合实验课程和科研基金项目、创新基金项目和毕业设计有机融合在一起，强化综合型、设计型和创新型教学实践活动在整个实践教学环节中的主导地位。

4 构建创新实践的软、硬件支撑

4.1 构建创新实践平台

BME 的实践环节应在医疗卫生领域和协作研发单位中进行，寻找有较强研发技术能力的企业或者研究机构，及有合作意愿的医院信息研发团队，将教师创新和专利项目公开，吸引有兴趣和能力的学生参与其中，使学生了解到生物医学领域内的工程技术研发单位的实际生产、开发及实际应用过程。如医院的工作流程或企业在医疗器械、传感器方面的制造工艺研发等方面，引导学生探索现有的设备或系统中的弊端，找出相应的解决方法，鼓励学生对有兴趣的课题申请创新基金，并实行学分奖励制度，使学生有动力和充分的时间参与创新实践活动，全面提高自己的能力。

4.2 创新实践方案实行情况

目前我院积极鼓励有能力的本科生申报创新项目，并将毕业设计与创新项目相结合。让学生在实践中创新。例如，我校正在与医院合作的多学科协作诊治肿瘤信息管理系统的上海市创新项目开发团队，主要以学生为主体，让学生与医院的进行需求探讨、与其他接口系统进行协作开发与交流，不仅可以充分了解医院的信息流转模式，还可以掌握医院系统在开发方面的核心技术及特殊要求。通过查阅中外文献，了解国外的癌症基因探索项目、肿瘤网格系统等相似的大型医学信息系统，探索如何从肿瘤信息管理系统上升到网格化共享肿瘤病人资料、病人医疗诊治模型分析等具有挑战性的高科创新项目，不仅有利于学生自主学习、解决问题的能力，也有利于我国在该领域的发展进程。

学生在创新实践培养模式下的反馈良好，尤其在学生的综合能力方面有较大的提高。除了对检索问题、解决问题、自主学习方面的能力提高，在团队合作的创新项目，可以让学生对就业目标更明确，更好地适应社会及工作环境，有利于培养项目管理领导能力和对所学学科的兴趣，减少学生毕业后到企业的培训时间，将学生培养成为合格的卓越工程师。

5 结 语

随着科学技术的发展，各类医疗设备在生活中的应用越来越广泛，医疗设备和信息系统的研发、操作、维修及管理人员是各大医院及公司急需的人才。对生物医学工程人才培养模式的改革还任重道远，不仅涉及对教学内容、教学手段和课程体系等方面，还应在实践教学中大幅度增加创新科研的比重，通过不断总结经验，进一步调整完善体系结构。通过在实践教学中的不断探索，有效利用教师的科研项目及创新基金项目，把培养学生的创新实践内力放在首位，可以更好地为学生提供在该领域的发展空间，提高团队合作意识、创造性和竞争力，也是符合生物医学工程学科特点的必然选择。

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