新工科背景下生物医学工程专业科研训练培养体系探索

赵元弟， 朱 丹， 丁明跃， 刘亚丰， 张日欣

（华中科技大学武汉光电国家研究中心，生命科学与技术学院，生物医学工程系，武汉430074）

0 引 言

生物医学工程是运用工程学原理和方法来解决生物医学问题、提高人类健康水平的一门综合性学科［1］。它将物理、化学、数学、电子、计算机及信息技术等应用于生物医学领域，通过引入工程学方法推进现代生物科学和医学的发展，同时也促进工程学科的发展。生物医学的每一次突破，都源于工程技术的重大创新。随着各种生物医学研究新技术的不断涌现，多种组学迅猛发展，脑科学蓬勃兴起，变革性的医疗技术层出不穷，进而推动生物医学工程的快速发展［2］。生物医学工程已成为医疗卫生事业发展的重要引擎，催生出许多新的产业，从高端医疗装备到先进医学材料，在创造出可观的经济效益同时，也产生了很好社会效应［3］。社会对生物医学工程专业人才需求日益增长，同时对人才质量要求也越来越高。

教育部生物医学工程教学指导委员会提出生物医学工程的人才培养目标，学生除应系统地掌握专业基础知识外，还应具有分析和解决复杂工程问题的综合能力以及创新精神，将培养学生创新意识、创新能力提升到前所未有的高度。为应对新一轮科技革命与产业变革，2017 年2 月教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》，全力推进工程教育中国模式的探索和高等教育强国建设。在新工科教育背景下，打破传统产业分工和学科分类标准，鼓励学科间交叉融合和相互渗透［4］。这对于本身就具有强交叉特性的生物医学工程专业提出了更新、更高的要求。

科研训练是本科教育中极其重要的实践环节［5］，一直将其列为生物医学工程专业集中性实践课程，通过科研训练课的实施，试图使学生了解科学研究的过程和方法，培养和强化学生的科学意识和科研素养，使其掌握从事科学研究的基本技能，为其今后进一步读研深造或进入产业界打下基础。早期的科研训练一般安排大三第一学期进行，时间为期2 周，为达到上述教学目的，自2006 年就开始对科研训练进行不断的探索与实践。新工科教育对人才培养提出了更高的要求，需要学生具有扎实的基础理论知识和专业实践技能，更宽广的知识面、更高综合素质，更强的创新意识和创新能力，因此科研训练课程的改革亟待进一步升级，教学模式亟待创新、教学内容亟待优化。本文将从科研训练课程设置出发，分析其所存在的问题，并就科研训练课程体系探索实践及初步成效进行阐述。

1 原有科研训练课程设置及存在主要问题

全球生物医学工程产业发展迅速，年增长率远远高于同期全球经济增长速度，社会对生物医学工程专业高端创新人才需求巨大［6］，要求也越来越高。因此，对高校的人才培养提出了更高的要求［7］。随着云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等现代信息技术的快速发展，学生获取知识的途径呈多元化［8］，掌握知识的速度和容量也远超以往，原有的生物医学工程专业科研训练课程体系已不再适应新工科的要求，也无法适应信息化所带来的巨大冲击。

1.1 学生知识结构与社会需求存在落差

当前生物医学工程发展迅猛，涌现出分子影像技术、纳米生物技术等一大批新技术与新方法，如沿用传统课程体系，很难将最新的科技成果融入教学，专业知识前沿性不够，使得学生发展空间受限，毕业后无法胜任生物医学工程产品的创新研发工作。

1.2 教学形式单调

现阶段实践教学往往是教师在教室讲解课件，学生视听，而实践环节由实验课老师演示与示范，学生分组根据实验教材亦步亦趋，按图索骥获取相应实验数据。这种单一的教学模式无法实现学生对知识的主动获取，不利于激发学生主动学习兴趣的培养，难以培养出具有创新精神的人才。

1.3 骨干教师参与度不够

专业骨干教师大都处于科研第一线，紧跟当今科技的发展，但科研训练课程教学往往由1 个老师常年承担，采用固有教学模式，使得其他老师无法深度参与。由于生物医学工程是一个多学科、强交叉的学科，包括生物医学电子学、生物医学光子学、生物医学信息工程、生物医学材料、生物医学传感器和医学纳米技术等多个专业方向。学生在科研训练中只会接触到1 名任课教师，无法从本专业众多不同研究方向的教师处获得收益和指导，因此科研训练缺乏多样性和适应性，使得培养的人才知识面较狭隘，缺乏创新思路。另外，各类实践教学之间又人为划分自成体系，相互之间缺乏联系与融合，不利培养学生创新精神，并容易造成更多教育资源的浪费。

2 课程体系改革与实践

创新人才培养需要转变教学理念，积极实施教学改革，突破原有教学方式［9］。自2006 年以来，就开始针对科研训练课程的改革尝试，积极组织本专业教师进行教学研讨，分析早期科研训练课程中存在的问题。近几年，借新工科教育的改革东风，顺势而为，进一步对科研训练课程体系及教学模式进行深化改革，倡导“以学生为中心、以兴趣为主线、强化自主学习、做到学以致用”的教学指导思想，采用学研结合的教学模式［10］，以期在教学中让学生学习正确的创新思想、方法和实现步骤，提高分析和解决问题的能力，满足新时期高等教育背景下对生物医学工程人才创新研究基本素质和基本技能的要求。

2.1 梳理与重构课程体系

因课程学时有限，为使学生在各个环节上都得到系统的锻炼，将授课内容浓缩为科研选题、文献查阅、项目申请、项目实施、数据处理及绘图、科研成果总结和成果宣讲等多个不同模块（见图1）。

（1）科研选题。学生通过前面2 年多的学习，已修完所有专业基础课，此阶段正进行专业核心课程学习，学生已对本专业各方向有了初步了解，对自己的兴趣方向也有一定判断。此模块工作是如何进一步挖掘他们的兴趣点，使他们了解本专业各课题组教师研究方向及成果，并将自己的兴趣与教师研究方向结合。

图1 生物医学工程专业科研训练培养体系

（2）文献查阅。对于科研工作的新兵，强调从中文文献开始入手，先熟悉相关的专业词汇，此模块工作主要介绍如何利用中国知网、超星图书馆和维普数据库等查阅中文文献（期刊／图书／学位论文），如何利用科学引文索引（Science Citation Index）搜索英文文献，如何在国家知识产权局等网站查询专利，同时介绍一些基本知识如他引、影响因子和H指数等。

（3）项目申请。主要介绍如何基于查阅的文献凝练出科学问题，撰写一份合格的项目申请书。以我校大学生创新训练项目申报书为模板，介绍立项依据、研究内容、创新点、拟解决关键问题等的撰写策略，以及预算编制等相关注意事项。

（4）项目实施。结合选题，将教学计划中的其他实践环节纳入课程项目实施内容，如课程设计、各级各类比赛项目等。其中课程设计为生物医学工程专业学生必修的实践环节，因此可以作为兜底实践训练内容，让科研训练有血有肉、落到实处；在此基础上鼓励同学积极参加各级各类比赛，比赛的内容纳入科研训练，若取得名次，还可记入相应学分，从而对学生产生极大的兴趣和吸引力，激发其内生动力。

（5）数据处理及绘图。生物医学工程包括众多方向，此部分主要介绍一些共性的典型数据处理方式，如利用软件Origin 绘图及数据统计分析，利用软件CorelDraw、Photoshop、3DsMax、Flash 等绘制化学结构式、流程图和示意图等。

（6）科研成果总结。介绍撰写学术论文的一些基本常识，如背景、实验设计、数据处理、结果讨论与总结的基本写法，论文作者的排序规则、通讯作者的含义等，同时也介绍专利撰写和申请的一些注意事项，如申请日、专利保护范围的界定等。

（7）成果宣讲。主要介绍如何使用PPT 做科研报告，包括报告的前期准备，PPT的模板、结构、配色和视觉效果，报告现场注意事项等，最后通过一个实战PPT的讲解来介绍新人常犯的错误。

2.2 鼓励骨干教师深度参与

科研不仅是探索未知世界的活动形式，更是培养创新人才的基本手段［11］，特别是在人才培养过程中，将教学与科研融合可以更有效地培养学生创新思维方式和创新意识［12］。生物医学工程专业教师的科研主要集中在生物医学光子学、纳米医药技术与生物材料、生物医学信息技术和生物医学仪器4 个研究方向［13］，如何吸引各方向具有丰富科研阅历的教师参与科研训练课程教学，使其成为教学团队成员，把科研或工程成果转化为教学资源，吸引学生结合教师科研工作开展科研训练，成为提升科研训练多样性的关键。为此，从学生和教师两方面着手推动。

学生在其科研选题时即开始强调，挖掘出自己兴趣点后通过学院网站了解本专业教师科研方向，寻找契合度高的教师，主动联系主动上门，老师往往乐意接受主动学习的学生。教师，一方面在教学计划中打通科研训练、课程设计和毕业设计等实践课程，学生选题后各实践课程都可持续在同一老师指导下进行，保证学生选题的研究深度，避免学生蜻蜓点水般在老师实验室短期训练；另一方面，积极向教师宣传，强调利用科研训练时机可考查学生科研潜力，可使学生深度了解自己研究方向，有助于学生今后保研考研留在自己实验室，有利于提高实验室优质生源的比例，广撒网、多敛鱼、择优而从之。通过上述两方面的工作，促使学生和教师的双赢，为提升科研训练课程教学效果提供了坚实保证。

2.3 实施全过程定制化指导与管理

任课教师首先要对自己的角色进行转变，从课程的主角逐步过渡为配角，让学生成为教学过程中的主角，给学生更多自由选择机会、更大思维空间、更宽活动范围，更多层次交流机会，任课教师成为学生的引导者和服务者，更多提供咨询和建议。具体做法是，任课教师介绍完科研主要环节后，便从讲授者转变为聆听者或观察者，学生开始自己创新实践过程，从聆听者变为自己科研的主导者，根据自己的兴趣、爱好自主选题，走进不同方向的实验室，接触真正的科研项目，在确定指导教师后学生通过自己的努力实现目标，充分发挥学生的潜能，这样便有了主动学习的基础。

兴趣是人才成长最大内生动力，从内因出发将学生兴趣、特长及需求作为重要因素来加以引导，就能更有效地培养学生的创新能力；科研不仅是人才培养的基本手段，也是激励学生保持探究热情的外部驱动力［14］。学生在整个科研训练实践过程中保持主动性：主动查资料、主动设计、主动向指导老师寻求帮助等，进而激发学生兴趣，将学生从“要我学”转变为“我要学”。指导教师在教学中则将科研方法、思路融于其中，将学生选题涉及的基本原理与实际应用有机关联起来，使学生自己通过调研结合实验完成选题，让学生在科研中培养自主学习能力、创新能力，在与指导教师、研究生以及其他本科生交流与合作中培养其团队协作精神［15］。同时，课程采用开放式教学管理方式，每个学生选题确定后自主安排进程和方式，提出科研训练计划，原则上2 周内完成项目申请书的撰写任务，项目实施可根据选题目标在该学期期末前完成均可，这样有利于学生充分利用课余时间进行科研训练。指导教师会定期与学生检查、答疑，指导和督促学生完成相应进度要求，体现1 人1 方案的定制化教学。

2.4 完善课程考核方式

为提高科研训练教学质量，对课程考核方式相应改革也势在必行，将该课程考核内容设置两部分，第1部分是每位学生与其指导教师协商后，根据选题独立撰写一份大学生创新训练项目申报书；第2 部分是训练完成后，学生要制作一份PPT 进行展示汇报，指导教师对这些内容进行考核评定。

2.5 鼓励实践

科研能力的培养如果只是“天桥的把式——光说不练”是不行。只有让学生在结合实际的项目进行锻炼，才能真正体会其中的感受，领会具体设计的细节，最终才能够真正有所收获，达到提升学生科研动手能力的目的［16］。因此，在该课程的改革实践中，积极鼓励学生在走进老师科研实验室的同时，积极支持他们以申请和完成大创项目、参加各级各类竞赛等多种形式进行实践，把单纯的课程报告变成了真刀真枪的实干。

3 结 语

科研训练是生物医学工程专业学生培养过程中极其重要的实践教学环节，在新工科背景下更显重要和需要加强。通过改革优化课程培养体系，让学生在科研训练中领悟到创新的思维、科研的方法，结合大创项目、竞赛项目等具体实施，能够综合运用所学知识，真正做到学以致用。据统计，经过本课程改革实践，学生参加各类创新活动的积极性高涨，学生作为项目负责人年均获国家级大创项目30 余项、省级校级大创项目40 余项、院级大创项目70 余项，参与一线科技创新训练比例达到95%，同时学生还在iGEM 国际遗传工程机器设计大赛、BIOMOD 国际生物分子设计大赛、“互联网＋”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、全国大学生生物医学工程创新设计竞赛和全国大学生生物医学电子创新设计竞赛等各类学科竞赛中获得多项佳绩，为生物医学工程学科建设奠定了坚实的人才基础。