挑战性生物医学工程综合设计实验教学改革探索

腾轶超, 杜亚楠, 梁作清, 丁 辉, 王广志

(清华大学 医学院, 北京 100084)

1 背景与目的

生物医学工程(biomedical engineering,BME)是工程学与生命科学、医学深度交叉融合的学科,致力于用工程学的原理和方法解决生命、医学与健康的关键问题。我校生物医学工程学科致力于培养学术科研和产业创新的领军人才,为“健康中国”国家战略贡献核心力量。学科经过近40年的发展,形成了医学影像、神经工程、微纳医学与组织工程、生物医学仪器4个优势科研方向,2017年入选“双一流”建设学科,成为全国2所拥有生物医学工程“双一流”建设学科的高校之一(另一所为东南大学)。

美国工程技术认证委员会(ABET)将“应用数理科学和工程知识,解决工程与生命科学交叉的问题”“测量生命系统并阐释测量数据”“综合运用技术、技能和现代工程工具,开展工程实践”等能力作为评估生物医学工程本科教育的关键指标[1],生物医学工程综合设计实验是全面训练本科生上述能力的核心环节之一。约翰霍普金斯大学、斯坦福大学等国际名校的生物医学工程专业都开设了需求导向的挑战性、创新性设计系列课程,实验教学思路和学生设计成果得到国际广泛认可,并与研究生培养有机贯通、相互促进,发挥了很好的示范作用[2-3]。近年来,国内高校的生物医学工程专业陆续加强本科生综合设计类实验教学,要求学生自主选题并实现小型、智能化医学仪器样机,取得了较好效果[4-11];但总体来说,学生设计选题仍集中在体温、心电、血压等常规生理参数检测,挑战性、前沿性有待提升,“学科交叉”的特色待发挥,特别在开阔学生视野、激励创新等方面与国际名校仍存在差距。

我校生物医学工程系贯彻落实教育部“新工科”建设指导思想和我校教育教学改革理念[12-13],推进了生物医学工程综合设计实验教学改革,通过建设“挑战性”实验课程,着力激发学生创新思维、体现学科交叉特色、促进实验教学与科研互动,取得了较好效果。

2 改革思路与创新

2.1 设计实验选题——需求导向,贴近前沿科研

每年春季学期开设“生物医学工程综合设计”实验课程(BME Design Program,2学分),主要面向生物医学工程专业大三本科生,并欢迎校内兄弟院系有兴趣的学生选修。促进实验教学与前沿科研互动,要求本科生基于生物医学工程科研平台的需求凝练设计选题,综合运用交叉学科的知识和能力,设计实现满足需求的新型生物医学仪器或系统,领略学科前沿并激发创新思维。实验教学的基本思路如图1所示。

图1 生物医学工程综合设计实验教学的基本思路

春季学期开学前,课程负责教师主动与生物医学工程系各科研方向的教授代表沟通,邀请其提供有明确前沿科研和医学健康需求的设计方向。成立课程指导教师组,由相关科研方向的教授代表、研究生代表以及课程负责教师、教学实验室教师组成。春季学期开学后,本科生团队(一般3人一组)结合兴趣选择设计方向,并主动向指导教师组成员请教,开展充分的、面对面的师生互动交流,辅以文献及实地调研,凝练出具体的设计选题。这一过程使学生能够“沉浸式”体验生物医学工程专业的前沿科研,有利于开阔视野。

借鉴“项目制”思路,学生团队需在选题阶段结束后作立项报告、汇报设计方案及解决思路、申请经费支持(原则上每组不超过2000元)。为提升挑战、激励创新思维,要求设计方案应检测新的参数指标,或采用新的实验技术,或采用新的核心器件。指导教师组成员,特别是课程负责教师评估学生设计选题的需求与意义及设计方案的可行性与创新性,尽可能确保本科生团队在1个学期内取得明确的阶段性成果。

选题和立项报告阶段,课程负责教师等针对生物医学仪器的低功耗设计、数字接口设计、系统设计、典型案例、安全标准等共性技术问题进行专题讲解,扩展学生视野和知识储备。

2.2 设计实验过程——严格规范,促进学科交叉

在立项报告提出设计方案的基础上,学生团队综合运用生理学与机械、电子、计算机等知识与能力,完成软硬件设计、系统联调、实验验证与性能评估等环节。要求学生设计实现完整的、可独立工作的系统样机,需包括生物医学传感、电子电路与采集、数据处理与信息挖掘、机械结构与控制等模块,以体现“学科交叉”的特色。

从实验规程、师生交流、支持平台等方面,完善实验教学的“过程化”管理(见图2),确保学生接受严格规范的工程设计训练。

图2 生物医学工程综合设计实验教学的“过程化”管理示意

(1) 实验规程方面。编写了指示书,明确了设计实验流程与各环节的详细要求。要求学生认真记录关键问题、解决思路、测试数据及阶段性成果等,每周提交书面的进展报告,以便教师合理掌控实验教学进度、开展针对性的辅导,准确评估每位学生的具体贡献。

(2) 师生交流方面。要求学生团队每周主动与指导教师组成员面对面探讨,并做书面记录。期中举办设计实验进度交流会,每个团队汇报进展与关键问题,师生共同探讨解决方案。

(3) 支撑平台方面。教学实验室及相应方向的科研实验室均面向学生团队开放。针对生物医学仪器设计对硬件模块的共性需求,在学校实验室创新基金重点项目支持下,研制了人体生理参数检测仪器所需的模拟放大、滤波、采集、传输等通用模块,保障了实验教学顺利开展。

2.3 设计成果评估——多种形式,注重学生反馈

期末以成果展示会等形式完成设计实验成果评估,包括现场演示和PPT答辩,学生团队汇报具体设计方案、关键问题解决与创新、进一步优化设计方向或计划等,指导教师组给出个性化的评价和建议。为全面训练学生的学术表达能力(包括学术文章写作、口头报告与海报张贴报告等能力),要求学生提交“设计成果文件包”,包括：

(1) 设计成果展示答辩PPT;

(2) 设计成果演示的短视频(5 min左右);

(3) 设计成果展示海报,按学术会议海报的格式;

(4) 最终设计报告,按学术文章的格式,包括中英文摘要、关键词,以及设计目的、方法、结果、讨论与结论等。

注重收集学生反馈与建议,要求学生结合具体实例,提交设计实验期末评估报告,作为学习成效评估的关键载体,也为继续深化实验教学改革提供重要参考,主要内容包括：

(1) 学生在设计实验中学到的新知识、新技能,如何解决实际工程问题;

(2) 与指导教师组交流讨论的关键问题及收获;

(3) 设计实验中遇到的主要困难及解决,学生的收获与提升;

(4) “医工融合,学科交叉”在设计成果中的体现;

(5) 对设计成果创新性、实用性的自我评价;

(6) 对实验教学挑战性的自我评价;

(7) 团队成员分工合作情况;

(8) 对实验教学的具体意见与建议。

实验课程成绩由学生选题、设计过程、设计成果、总结报告、学生评估报告5个方面组成,占比分别为15%、40%、25%、10%、10%,既参照选题与成果,更注重每位学生设计实验全过程的具体贡献及收获。成绩评定时充分考虑团队成员角色、工作量和贡献的差异性,同一团队内不同学生的成绩可有相应的区分度。

2.4 第二课堂拓展——“课”“赛”结合,累进支持激励

由于设计实验选题与前沿科研密切结合,在完成实验教学基础上,激励、引导学生利用课余及课程结束后的更多时间,开展更深入、更挑战的设计探究,为大四及研究生阶段的科研工作打下更好的基础。主动为学生匹配经费、场地、仪器设备、教师指导等累进支持,鼓励学生自主申报“大学生研究训练计划”(SRT)等累进项目。主动推进“课”“赛”结合,推荐优秀学生基于设计实验成果,参加“全国大学生生物医学工程创新设计竞赛”“挑战杯”等科创赛事,推荐优秀成果申报学校“学生实验室建设贡献奖”等奖励,进一步激励学生专业志趣和创新思维。

3 成效与总结

通过推行实验教学改革,从需求导向、贴近前沿科研的设计实验选题,严格规范、促进学科交叉的设计实验过程,多种形式、注重学生反馈的实验成果评估,“课”“赛”结合、累进支持激励的第二课堂拓展等方面,切实提升了生物医学工程综合设计实验教学的“挑战性”(见图3)。学生的设计选题源自生物医学工程前沿科研及医学健康的具体需求,设计方案集成了电子、计算机、机械等工程技术,充分体现了生物医学工程“学科交叉”的特色。指导教师组对选课学生给予了全过程、全方位、个性化的指导,保障了实验教学质量。

图3 生物医学工程综合设计实验教学“挑战性”的体现

近5年来,学生在生物医学工程综合设计实验课上累计实现生物医学仪器系统(样机)近40项次。例如本科生团队基于神经工程领域前沿科研的需求,采用24位高精度A/D和脑电时频分析等技术,实现了便携、可穿戴的动物颅内脑电检测系统样机,系统功耗约30 mW,面积3.2 cm×2.0 cm,初步完成了大鼠硬膜下脑电信号实时检测(见图4)。

图4 学生代表性设计成果——便携、可穿戴的动物颅内脑电检测系统样机

又如本科生团队基于医学组织工程科研平台的需求,研制了可实现神经胶质细胞非接触式电刺激的系统样机,将40 kHz超声作用于钛酸钡纳米压电颗粒(混有离体的神经胶质细胞),实现了刺激功率20～60 W、刺激时间5～30 s定量可调的神经胶质细胞非接触式电刺激,初步取得了定性的刺激效果(见图5)。再如本科生团队基于我校生物医学影像研究中心的科研需求,设计实现了磁共振兼容的头部运动检测及在线校正系统样机,单片机通过摄像头获取受试者头部运动的视频图像,如运动幅度超出阈值,则向磁共振成像系统发送脉宽50 ms的门控电平,使其重新采集之前5 s的成像数据,实现运动伪影校正,系统具备铁磁屏蔽外壳,可在磁共振扫描间使用等(见图6)。学生通过设计实验领略了前沿科研、增进了学术志趣,设计成果也为生物医学工程系科研平台提供了重要的技术支撑,实现了“科研转化教学,教学促进科研”的良性互动。

期末评估报告显示,超过70%的学生认为生物医学工程综合设计实验具有较高的挑战性,自身综合设计能力得到了明显提升。学生对“过程化”的成绩评定方式及最终所获成绩也比较认可,近5年未收到学生成绩申诉或复议的申请。

通过“课”“赛”结合的尝试,进一步激发了学生的创新思维。近年来,选课学生基于设计实验成果,获我校学生实验室建设贡献二等奖3项、三等奖3项;2018年近1/3的学生组队参加了第4届全国大学生生物医学工程创新设计竞赛,获一等奖、二等奖、三等奖各1项。作为我校生物医学工程本科生教学培养特色之一,“挑战性”实验教学改革思路及成效曾在2017年生物医学工程本科教学审核评估、2018年生物医学工程学位授权点合格评估等场合汇报,阶段性成果曾获2016年我校教育教学成果二等奖,研制的人体生理参数检测通用模块也获得2018年我校实验技术成果二等奖。

图6 学生代表性设计成果——磁共振兼容的头部运动检测及在线校正系统样机

4 结语

作为培养生物医学工程专业学生设计能力与综合素质的关键环节,生物医学工程综合设计实验教学改革还需进一步深化。首先,立足我校本科“大类培养”的实际,着重引导来自化生类、电子信息类的生物医学工程本科生“交叉组队”,开阔思路,凝练更创新、更交叉的设计选题,将综合设计实验建设成培养学生“交叉学科”思维能力的核心环节。其次,应进一步加强“课”“赛”互动,加大对学生创新思维、创业精神的激励与支持力度,更好地发挥实验教学的“价值塑造”功能。同时应针对学生学习成效及能力、素质提升开展中长线评估,将“挑战性”生物医学工程综合设计实验教学改革作为突破口,提升整个生物医学工程本科教学体系的“挑战度”,培养更具“核心竞争力”的生物医学工程领军人才。