医工融合背景下医学院校工科专业课程的创新研究

梁晶，周旭，张爱桃，李连捷，郭东敏

（河北医科大学，河北 石家庄 050017）

0 引言

人工智能、大数据、智能医学、精准医学等已经使医学界发生了巨大的变化，正在从信息时代迅速过渡到人工智能时代。作为培养人才的医学院校，要适应时代发展的需求，培养具有国际化视野、创新能力和综合运用能力的医理工全能型人才。在医工融合背景下，交叉学科的融入已使医学界发生了前所未有的变化。比如全自动达芬奇手术机器人，其设计理念是使用微创的方法，实施复杂的外科手术，不仅创伤小、开口小术中出血更少，术后感染和并发症也显著降低。

医学影像技术专业作为一个医学、理学和工学相结合的具有多学科背景的专业，教学过程中注重医工结合育人，使学生既有医学背景的优势，又了解医学影像技术在临床诊断中的应用价值，并且有理工科背景，能够掌握先进医疗设备的基本原理。医学院校医学影像技术专业的工科类专业课程包括程序语言设计、图像处理、单片机控制、医学设备等多门课程，有力地促进学生了解基础临床医学的发展。本文以《单片机原理与应用》课程为例，分析课程的医工融合与创新。

1 工科专业课程现状

单片机原理与应用课程是自动化类、控制类等工科专业的必修课，该课程结合自动化控制、计算机和电子等多方面技术，具有极高的应用性和实践性。在课程设计教学环节，让学生了解单片机系统开发调试的一般步骤，掌握软硬件的设计方法及系统调试方法，初步具备单片机的系统开发应用能力；使学生能够根据项目要求选择合理的设计方案，选择性价比较高的电子元器件并进行工程估算，可以准确、规范地运用编程语言进行设计，从而实现锻炼学生的项目意识、开拓学生的创新思维、提高学生的综合应用能力和实践能力[1]。课程知识点多而分散，且前后联系较为紧密，学生在识记基础上进行理解的难度较大。而且传统的教学是以教师讲授为主，学生的学是限定在教师的教之内，虽然也强调实践能力的培养，但这种能力是被当作技能并以知识的形式来加以传授的，学生的创新意识、创新思维、创新能力的发展可能会受到限制。

2 多种形式开展医工融合教学模式

2.1 转变教学导向

传统的教学以教师讲授为主，转变教学导向则以学生为中心，以学生学习为中心，以学习效果为中心，注重学生动手能力和创新能力的培养，围绕如何能使教学质量得到提高而进行持续改进。课程在传授学生知识的基础上，引导学生自主学习，发现问题及时解决问题，适当增加课程的挑战性，系统优化知识体系。改变传统的硬件结构、接口电路设计、中断系统、定时计数器等模块化结构，同时以多个项目集合的形式，完善课程体系，使得硬件知识与软件编程得以结合运用。以完成具体的项目为目标，由浅入深、循序渐进地进行教学设计，每个知识点与对应的项目相融合，学生通过在项目设计中完成具体任务达到掌握不同知识点的效果[2]。

2.2 基于Proteus虚拟仿真软件的线上线下混合式教学

Proteus仿真软件真正做到了将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三者融合于一体，且对计算机硬件配置要求不高，普通的台式机或者笔记本电脑均可快速搭建项目，极大地方便了学生在没有硬件实物的情况下也可根据自己的构想来设计和搭建仿真电路，并快速得到仿真验证结果，提高了设计制作系统实物的效率和成功率。特别是疫情期间，单片机的实验课程完全可以通过Proteus软件仿真来取代，降低了实践成本，不受地点限制，在家也能完成课程实践内容的练习。学生通过Proteus仿真软件与硬件电路搭建相结合的设计方法，熟悉了单片机项目开发中的项目设计、硬件电路设计、软件设计、故障诊断等环节，并能够独立解决项目中的实际问题。仿真实践完整的教学实施过程如图1所示。

图1 仿真实践流程

学生按照整个实践过程设计并完成实验，在编译仿真成功后就可以看到相应的效果。图2为学生设计的通过液晶显示屏实时显示室内温度的实验，经过仿真软硬件联合仿真无误之后的效果图。

图2 温度实时显示系统

2.3 “如盐入水、有味无痕”式引入课程思政元素

（1）实现课程思政与思政课程的有机结合。课程思政与思政课程的内涵是一致的，其本质都是为了提高人才培养的质量。课程思政主要通过在学习专业课的过程中，将专业知识中蕴含的思想政治教育知识有效地融入到课堂教学内容中，实现对学生思想和价值观的引领[3]。

（2）深入挖掘工科专业课程中的思政元素。在医工融合的背景下，针对医学影像技术专业的学生特点，工科专业课中课程思政元素挖掘的主要方向就是人工智能医学、医学辅助诊断、智能医学仪器等；并且将社会主义核心价值观的基本要求、实现中华民族伟大复兴的理想和责任，有效地融入到课程教学中。

（3）课程思政元素要与时俱进。在教学过程中，课程思政元素也要做到与时俱进，把国家的新思想、新思维、新理念等及时传递给学生。用最新发生的事件为案例，提出问题引导学生正确思考、发言讨论，使其在课堂讨论中加深对事件的认识和理解，提升学生分析问题和解决问题的能力。例如2021年4月15日，龙芯中科发布的LoongArch指令系统是我国具有自主知识产权的指令系统，科技兴国、科技强国，能够自主研发就不怕被芯片厂商卡住脖子。

3 医工融合的创新

医工融合有多种形式，依托本校为医学院校背景，在教学过程中注重医工融合，使学生同时具备工程技术及医学应用能力，以达到提升人才培养综合能力和工程创新能力的目的，成为新时代全面发展的人才。教师应积极参加与单片机相关的先进学术会议，通过参与学术活动积累教学素材，提升教学经验。学生在各类科技竞赛活动或者申报大学生创新性实验计划项目的时候，选择与医学紧密联系的题目，在工程应用中突出医学的作用，通过众多活动提升学生的实践经验并积累理论知识[4]。

在医工融合的创新应用中使用PPPBL（Problem，Practice，Project Based Learning）教学方法，锻炼学生的自主学习能力并提高创新能力。首先，提出问题（Problem），让学生可以带着问题去寻找解决问题的方法，可以借助网络资源或者学术论文等。其次，通过理论联系实践（Practice），在掌握理论知识之后，通过实践来检验效果，注重医学和工科的紧密融合，探索新的兴趣点，使得学生在医工融合式教学过程中能有新的突破。最后，设计医工融合的项目（Project），通过前期的提出问题、实践验证问题，直到最后的项目设计来解决问题。学生能够独立完成一个项目的设计，不仅体现了较强的知识运用能力，还展示出了动手实践能力。项目设计的形式也有很多种，除了实验课的项目综合设计以外，还包括指导学生参加电子设计类大赛，要求学生在几天的时间内设计出一个完整的作品；指导学生参加单片机编程比赛，能在规定时间内完成项目的设计；指导学生参加大学生创新性实验计划项目，立项的题目均是与医学和工学紧密融合的项目等[5]。

4 结语

医工融合，使得学生的实践能力得到提升，能从医学和工学两个方面思考临床中的问题，并将工程技术手段应用于临床医学。鼓励学生参加相关的设计竞赛，例如18级学生在蓝桥杯单片机设计项目竞赛中经过省赛和国赛的选拔，最终获得国家三等奖。指导学生参与大学生创新性实验计划项目，申请的课题包括智能防疫系统、心电采集与分析系统等多项医工融合项目。通过竞赛和课题研究培养学生综合运用专业知识的能力，学生从中取得的成绩可以提升成就感，推动了创新型人才培养的步伐。