“新工科”“新医科”改革下生物医学工程专业的医工融合教学创新*

杨润怀 朱华庆

（安徽医科大学生物医学工程学院 安徽合肥 230032）

1 生物医学工程专业简介

生物医学工程专业，是以工学、理学中的工程技术为手段，以生命科学、临床医学领域中的科学问题为对象，通过对工程技术的使用与研发，对生命科学、临床医学领域存在的问题进行解决与研究，是“新工科”“新医科”改革背景下的医工融合桥头堡。从手段和理论具体而言，生物医学工程专业需要综合工程学（如电子技术、机电技术、人工智能、新材料技术等）以及生命科学和临床医学的理论和方法。

生物医学工程专业是是结合物理、化学、数学和计算机与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究，其核心是针对临床、医学类的科学问题，通过综合型工程手段来构思解决方案［1］。与其他理工科专业不同的是，生物医学工程的学生在本科阶段除了学习理工科的高等数学、大学物理、四大化学、电子电路基础、机械设计、材料学等课程外，还会大量学习包括系统解剖、普通生物学、临床实践见习等生物医学类背景的课程。在这样课程背景下培养出的本科生，不仅能深入的理解医学领域的科学问题，而且可以对接工程思维，知道如何开展工程思维与方法来解决生命领域的科学问题［2］。生物医学工程专业培养的本科生就业面极为广泛，以该系培养的学生为例，大量学生进入了医院设备处、医疗器械公司、智能医疗公司、互联网医疗公司、医疗3D打印公司等等。他们的优势在于，相比传统理工科学生，能更快的与医疗口的需求进行对接，迅速找出问题的突破口，并利用自身的工程背景优势确定解决方案。因此，一个受到良好本科教育的生物医学工程专业的学生，在就业市场上供不应求。而从深造角度来说，生物医学工程的考研方向涵盖了生物电子学、医用材料学、电子工程、机械工程等诸多方向，由于具备了医学与工程背景，该专业的本科生读研、读博后得到了研究生实验室的一致好评，在学术上也很容易产生突破。

“新工科”与“新医科”，是国家为应对新科技革命和产业变革提出的“四新”之二。在教育部的倡导下，高校纷纷开展了将理工科与医科类课程结合的发展方向，如各个高校开展的“新工科”与“新医科”相结合（如MED-X），打破传统学科与学院壁垒，培养医工交叉人才［3］。生物医学工程专业作为典型的医工交叉专业，同时具备了“新医科”和“新工科”的改革重任。在“四新”改革背景下，生物医学工程中的医工交叉需要进行进一步的深化，如传统医学与机器人、人工智能、大数据等新兴攻克技术需要进一步融合。根据教育部要求，新医科是适应新一轮科技革命和产业变革的要求，提出了从治疗为主到兼具预防治疗、康养的生命健康全周期医学的新理念，开设了精准医学、转化医学、智能医学等新专业。实践证明，重大的医学创新成果出现在交叉学科中，如各种医学成像设备、医学自动化设备、医学材料的研发，离不开包括临床医生、物理学、工程学等领域的跨学科的合作与交流。在科技高速发展的今天，单靠某一个学科推动人类社会的发展，已经显得力不从心。因此，要想进一步推动科技的发展、服务人类，实现教育部提出的“新医科”，将治疗为主变为诊疗一体、智能医疗，就必须要推动工程技术与医学技术深度融合。医学领域的科学问题是工程技术“引子”与“目标”，而工程技术则是解决医学科学问题的最好“途径”与“抓手”。因此，生物医学工程专业由于其独特的交叉性、综合性，在未来的医科类发展，尤其是转化医学、智能医学领域的发展中将进一步起到举足轻重的作用。

2 生物医学工程专业人才培养面临的挑战

生物医学工程专业鲜明的医工交叉培养特点对生物医学工程专业的培养主体提出了很高的要求，需要培养主体本身同时具备有临床医学、生命科学、电子技术、计算机技术及信息科学有关的基础理论知识以及医学与工程技术实践相结合的培养能力与条件，目标是培养出在生物医学工程领域、医学仪器和其它电子技术、智慧医疗、医疗信息等产业进行研究、管理的工程技术相关人才［4］。同时，由于生物医学工程专业是典型的工科专业，需要培养人才具备解决实际问题的能力，因此历来重视动手、实践能力的培养。正因为有这样典型的医工交叉的培养特点，生物医学工程专业的学生先天具备了毕业有多重选择的优势，但同样与高校其他专业相比，学生在学习过程中容易出现由于课程压力过大而产生的自我怀疑以及“万金油”的定位。如何明确专业定位与特色，充分发挥学校特色背景下的医工交叉定位，同时在“新工科”“新医科”改革背景下培养具备迎接新一轮科技革命和产业变革挑战的高素质技术人才，是绝大多数生物医学工程专业的负责人与教师都必须仔细思考的问题。

中国目前生物医学工程专业大体可分为两类，一类是以传统医科类大学为代表开设的生物医学工程专业；另一类是传统工科强校或综合性大学为代表开设的生物医学工程专业［5］。由于学校特色不同，同为生物医学工程专业但培养特色不同。如传统医科类大学往往在开设生物医学工程专业之前就已经具备了非常完整的临床医学培养体系，又拥有联系紧密的多家直属附属医院，拥有非常好的医院实践培养条件，同时，校内几乎所有的专业都是以医学为导向的，全校的教学管理上先天就有着极为鲜明的临床特色。因此，其设立的生物医学工程专业培养方案中的临床医学与基础医学部分往往系统性强，学生与医院的关系在整个培养过程中结合较为紧密，学生就业倾向性也较为明显。而传统工科高校以及综合性大学的生物医学工程专业往往依托本校的理工科特色，在开设本专业前就已经具备了完整的相关学科（如测控技术与仪器、仪器科学与技术等仪器类或其他电子信息类专业本身与生物医学工程的培养体系具有重叠部分）工科培养体系，可以在建立生物医学工程专业之初就使其具备很强的工学底蕴。而在“新工科”“新医科”发展需求的背景下，这两类特色的生物医学工程专业虽然各有优势，但都需要更进一步加强“医”与“工”的深度融合，从师资力量、实践基地平台建设、课程体系设置等多个方面提高培养条件的多学科背景，而不仅是简单将传统工科的教学与医学简单缝合。

在如今多变的科技革命和国际形势下，习近平总书记提出的维护人民健康新要求“要建立稳定的公共卫生事业投入机制”“要优化完善疾病预防控制机构职能设置”“要加大卫生健康领域科技投入”，这些要求离不开新型医疗智能终端、医联网、智能医学大数据以及无接触医疗机器人等新型医疗设备的研发，需要生物医学工程专业的技术人才相比以往更能具备快速迭代与研发的能力。因此，如何在多变的形势下加快“新医学”和“新工科”改革，进一步推动生物医学工程专业的深度医工融合人才培养，是现阶段极其紧迫的任务。面临百年未有之大变局，需要行业加速深化供给侧改革、解决“卡脖子”技术，而这就需要高校的“人才培养，科学研究，服务社会”等职能发挥最大作用。生物医学工程专业作为一个重实践的工科专业，几乎所有的课程都和实践紧密联系，如何切实推动“产学研创”育人模式落到实处，如何将“新工科”改革下的互联网+技术、物联网技术、虚拟现实技术、人工智能技术与“新医科”中面临的健康问题深度结合并培养医工融合的科技创新人才，是生物医学工程专业的教学科研人员必须认真思考的问题。作为一个为医疗、临床服务的专业，生物医学工程必须在此时勇于承担历史使命，结合社会实际需求，培养出一批高水平、高素质的专业人才，提高中国在高端医疗器械研发、医用材料研发、新型医用检测技术、智慧医疗等领域的核心竞争力。

3 医工融合推动创新，确保人才培养质量

要满足当下时代的特点，培养出具备快速医疗设备、软件研发的人才，就必须充分发挥医工融合的特点，培养学生紧密结合临床中的前沿科学问题和机理性问题的思维，以及充分运用工程中的前沿技术的能力［6］。正如第一、二点中所说，生物医学工程专业的本科课程有着很大的特殊性与交叉性，而对于人才培养来说，是否真的能让本科生得到交叉学科的能力培养，并且让学生在医学科学问题与工程手段运用中都具备足够的能力，是实际验证培养方案的唯一标准。在这样的要求下，生物医学工程专业必须进一步提高学生培养质量，在确保医学类与工学类的基础课与专业课的质量上，积极融入实践类课程，充分发挥校企合作实践基地的作用，以实际的产业项目、科研项目与课题为引导，落实以项目为指导的机遇问题的教学模式，结合大学生创新创业训练，激发学生的主动学习意识。

3.1 基础医学类课程与工程类专业课程深度融合

在“新工科”“新医科”改革背景下，生物医学工程专业需要做到医工融合，就必须要打破原有课程壁垒，实现医学类课程与工程类课程教学的融合。首先，在低年级开设生物医学工程学导论，由来自临床、基础医学、医工部、工程学等多学科背景的教师讲授不同学科角度下的生物医学工程专业的特点与学习方向，让学生从入学就树立医工融合的概念；其次，打破医学类与工程类课程之间的壁垒，以集体备课的形式，联动起相近课程的医学类课程与工程类课程。以心电测量电路实现为例，其中包含了医学类课程《生理学》中关于人体循环、神经信号产生与传导的原理部分；而在《电子学测量》中基于上述人体生理现象，详细描述了前置放大电路的要求与设计原理。让《生理学》与《电子学测量》的专业教师联动，将两门课的课时在同一学期讲授，同时将心电测量原理在两门课上有所侧重，并利用工程类课程的现场演示仪器与配件与生理课程的讲授联合起来，使学生更加深入的同步理解两门课，不仅同时提高了两门课的效果，而且培养了学生根据实际医学问题提出工程解决方法的能力。类似的课程还有《信号与系统》中信号处理可以实现与生理及病理类课程的信号共通［7］，以及医疗仪器类课程与医院开设的临床器械维修类课程的共通。此外，利用《生命信息检测仪器课程设计》等实践类课程设计，可以将前期已经学习完毕的医学类课程与工程类课程更好的总结归纳。

3.2 落实“基于问题的项目指导式教学模式”

结合社会需求，以健康监测、医疗器械、智慧医疗、医联网等实际需求做为医工融合的工程问题，组织同学以小组为单位，根据各年级课程设置不同，由教师将工程问题进一步抽象，并且分配给各个小组，结合课程对工程问题以及相应的解决方案进行思考与探索。以某校为例，生物医学工程专业的专业教师会根据各门课程不同的特点，组织学生充分利用电子电路技术、三维建模技术、仿真技术、3D打印技术以及互联网技术，基于教师提出的工程、科学问题进行小组问题讨论，教师在过程中进行认知引导、探讨中的理论指导以及学习动机培养。以2020年上半年线下停课阶段为例，在《生物医学与传感器》线上课程中联系实际应用积极推进了包括可穿戴心率传感器、触觉传感器、呼吸传感器、无线红外传感器等课题供同学进行问题式学习，对于部分没有实验设备的同学邮寄了相应的电子硬件开发设备，确保了同学的硬件条件。同时，针对疫情防控对口罩、灭菌设备、即时检验（POCT）等医疗小型设备与耗材的现实需求，结合线上理论与实践课程，引导学生从生物医学新材料研制的角度出发，调研最新的生物医学材料论文与专利，利用网络会议，组织本科生每周开科研组会，引导本科生以3人为小组，针对科技前沿的新型工程技术开展文献调研、技术总结、方案规划、虚拟仿真。虽然无法返校，电子类实践课程尽可能为学生提供相应的在家可用的开发套件与散件，相比试验箱能更进一步提供给学生接近实际开发的训练机会；生物医学材料类实践课程虽然无法在家进行实践操作，但是依然可以利用线上小组讨论训练实验思维，以及利用材料类仿真软件、多物理场耦合有限元仿真计算软件进行虚拟计算。同时，结合网络理论课中的理论模型，引导学生使用仿真软件自主修改理论公式，进一步理解相关理论知识。此外，结合该专业的3D打印实训中心平台的条件（省级示范实验实训中心），引导学生在线上进行医学3D模型设计，同时教师在3D打印实训中心远程进行模型打印，使得学生在家也可得到3D打印相关训练。

3.3 充分发挥本科生导师制与行业导师的作用

在实际教学中发现，很多学生有动力、有热情去探索科技前沿和产业前沿，但是对探索的途径却并不熟悉，而简单的通过文献检索等课程进行讲授的效果并不好。因此，要带动学生主动探索前沿领域，就需要充分发挥专业教师和行业兼职教师作为本科生导师与行业导师的作用，开展具备具体案例的前沿探索，带动学生深入思考技术方案，实现探究式教学。鼓励专业教师针对疫情下最新的专业相关科技前沿技术展开探索研究，并通过线上组会、博士论坛的方式分享给全体本科生，同时在报告中留下已解决和待解决的科学问题，激发学生的参与感与求知欲，进一步培养学生的创新精神和独立学习的能力。以某校为例，生物医学工程专业的专业教师由来自多个专业的博士组成，包含生物科学、精密仪器、医学光子学、生物物理、生物医学材料学、化学等专业背景，每位教师本身从自身专业出发就可以开展与行业直接相关的结合研究。如2020年疫情期间，某校专任以及行业教师开展了包括肺支气管柔性机器人、新型病毒核酸高通量快速检测微孔阵列芯片和一体机、红外图像体温识别等疫情防控相关的研究，这些课题不仅本身就发动了导师带领的本科生参与研发，同时，学科组织了这些导师以组会、学术报告、博士论坛的方式将学术前沿的思想分享给全体本科生，并且鼓励、组织本科生以小组为单位，进一步针对这些科研课题进行调研。在这一过程中，原本“高大上”的国家级科研课题的研究过程被详细的拆解给了每一位本科生，让他们充分理解了该学科在保障人民健康中实际发挥的作用，激发了学科荣誉感，培养了创新能力与探知欲。

3.4 利用创新创业竞赛引导学生“产学研创”深度融合

该校已推广本科生融入科研实验室，在科研实验室提升过程中，发现利用创新创业竞赛与互联网+竞赛可切实可行的推动学生的研发走向产品化、创业化，实现动手训练与创新创业深度融合。该专业是“创新创业”“互联网+技术”特色极为浓重的专业，应当深入结合“第二课堂”，不仅在课上培养学生的动手能力与医学情怀，而且在课下积极组织学生参加“互联网+”“挑战杯”等培养创新创业能力的活动，将导师制中培养的科研求知欲与创新能力落到实处。以该校为例，积极组织了生物医学工程专业本科生开展课题、专利等创新研究。具体而言，以“互联网+”“创新创业大赛”等科技竞赛项目为依托，在线上组织了本科生竞赛小组，疫情防控期间在家完成了用于隔离患者的无线生命体征检测小型设备研发、体表可穿戴传感器、医联网等项目，实现了对学生工程实践动手能力的培养，同时也进一步提高了教师、同学的网络组织能力与协作能力，为信息化医工融合人才的培养奠定了基础。同时，积极将创新创业竞赛落到实处，推动“互联网+”创意组走向初创组。鼓励本科或研究生学生在校期间参与到工程项目研发，在校期间或毕业后注册公司或技术入股，积极实现工程项目落地，最终将校内教学科研与校外产业创业深度融合，培养具备实践能力的高素质技术创业人才。

4 结论

文章阐述了生物医学工程专业的培养特色以及医工融合的迫切性与重要性，同时依据时代特点，阐明了当前时代背景下对生物医学工程人才培养的需求与挑战；结合该校生物医学工程培养的特点，从医工课程深度融合、基于问题的项目指导教学模式、本科生导师制、创新创业竞赛驱动等角度，提出了“新工科”“新医科”下生物医学工程专业人才培养的突破口，紧随时代步伐，实现全面提升人才培养能力和人才培养质量，培养出“百年未有之大变局”下符合时代需求、国家利益需求的医工融合技术人才。