生物医学工程专业实践教学改革

关雪梅，卢敬，陈瑞娟，王瑶，田磊，郑羽，陈纯锴

（天津工业大学 生命科学学院，天津 300387）

近年来，随着生物医学工程产业的迅速发展，工程教育模式的不断优化，创新创业理念深入人心，国内生物医学工程专业教育正经历着深刻的变化，课程设置也趋于多元化，存在的一些问题主要表现在：（1）基础性、应用性研究不足，培养体系不能切合就业岗位能力素质需要和学科特点，课程缺乏交叉性，实践课程较少.（2）实践教学体系不清晰，实践教学内容缺乏系统性，教学形式简单，在实践教学设置与人才培养目标结合方面不够，存在重理论、轻实践，重知识、轻能力的现象，很容易导致学生的理论知识与实践脱节[1-5].（3）在对生物医学实习实践的认识和分配上也有不足，由于对教学目的认识缺乏，实践项目很多来自理论课，而来自实际工程项目的很少，与实际需求脱节；开设的实验课程中既有电子信息类也有生物医学方面的，但电子信息类的实践项目偏多，比例不符合培养方案.天津工业大学设置了生物医学工程专业，该专业是以生命科学和医学工程为基础，结合电子信息、计算机技术等工程应用进行前沿学科领域的科学研究.在实践教学方面经过多年的探索，取得了一些成绩[6-10].

1 基于能力培养的分层次实践教学体系

1.1 实践教学体系构建

按照生物医学工程专业培养方案以及学生认知规律，建立了以能力培养为主线的实践教学体系.其中，基础实验是根据电子信息和生物医学基本理论进行验证，而综合设计性实验要求根据所学多门实验课程，在掌握基础实验原理和实践能力的基础上，进行设计、仿真及数据分析，并根据获得的数据及图表给出结论.如电路理论实验、生物医学电子学实验、传感器与医学工程实验、医学成像新技术等，通过硬件实验，让学生通过仪器观察波形；通过虚拟实验，使学生掌握电路及波形的综合分析方法.通过EDA 及FPGA 知识，采用VHDL 语言编写程序，设计出逻辑电路和时序电路，进行逻辑仿真和功能仿真，增强综合设计性实践能力.大力支持学生参与国家大学生电子设计竞赛、生物医学电子大赛、TI 杯天津市电子设计竞赛、数学建模竞赛及校级科技创新活动.大学一年级开设专业认证和前沿知识讲座，提高科学研究兴趣；二年级通过大学生创新实验项目等活动，初步培养创新能力；三年级通过参与“挑战杯”等活动，提升创新能力；四年级通过参与“全国电子设计竞赛”及毕业论文或设计，强化实践能力，提升创新创业能力.生物医学工程专业实践教学体系结构见图1[11-15].

图1 生物医学工程专业实践教学体系

通过对实践教学体系的优化，同时加大力度创建专业及创新实验室，开发系列新实验并完成了实验指导书的编写工作，将实践教学延伸到大学生科研训练计划、生物医学电子设计竞赛及毕业设计等实践活动中，形成完整、层次清晰的实践教学体系.

1.2 进阶式实验平台建设

实验平台面向工程需求，不断引进具有工程应用背景的综合性、设计性实验项目，创建了生物医学电子学、生理学、传感器与医学工程、医学电子仪器设计、医学成像新技术先进实验室.通过实验室硬件及软件建设，实验平台条件极大改善.按照培养方案设定培养目标，完成了基础验证性实验、综合设计性实验和创新性实验平台的建设，进阶式实验过程见图2.其中，基础实验平台主要是完成一个课程基础理论的验证；综合设计性实验平台主要是以信号处理为算法，ARM 为开发工具，医学电子仪器设计为方法，多门课程综合起来完成设计到仿真的实验过程；创新实验平台提供科研条件，指导大学生参与电子竞赛、参加教师科研项目、大创项目等.

图2 进阶式实验平台

进阶式实验过程符合人才培养的一般规律，实现创新人才培养.如在医学信号处理课程完成了自适应滤波器验证，在ARM 课程中编写信号处理算法来实现滤波，在创新性实验环节实现基于ARM 的心电检测系统设计，在生物医学工程专题实践环节完成智能可穿戴电子系统设计.这些举措既是教学实践的总结，又是科研成果的积累.增强了学生的动手实践能力和创新设计能力，激发了科研兴趣.

2 实践教学创新方法

2.1 虚拟仿真教学方法

按照“学生为主体，教师为主导”的理念，以虚拟仿真实验教学中心为平台，结合线上讨论和线下交流的教学方法，加强网络化条件下的实验教学，达到了“虚实互补”“资源共享”的效果，为本专业交叉人才实践能力培养提供了保障.

为全面提高学生的操作能力、思维能力、举一反三等能力，开发了“生物医学工程虚拟实验”“智能服装虚拟仿真实验”“机织物组织识别方法”等项目.利用虚实结合的技术手段，提升核心课程实验教学效果，为可穿戴技术在纺织品服装上的实现提供了一个虚拟实践环境.采用多维度、多环节的考核评价机制，实现对学习全过程的评价.教学上包含课前、课中、课后和实践各个环节的内容，记录学生的仪器操作信息，学生在操作过程中通过自己的判断可以看到错误和问题，实验完成后可自动生成成绩，达到实时交互反馈的效果；学生成绩包括课前预习、实际操作、参观学习和实验报告4 个部分，实现学习过程和学习能力综合判断的评价机制，引导学生主动学习，提升教学质量.

2.2 教师科研与学生实践结合

实践教学涵盖了课程实验、专题实践、毕业设计、课程设计、毕业实习等.近年来，在科研课题的研究和实施过程中，根据学生的知识面和接受能力，先后有多个科研项目研究内容降低难度后被转化为实践教学内容.将科研项目中难度较低，与教学知识点相关的项目内容提炼出来，让学生参与解决，就会让学生对这门课程有新的认识.课后利用网络资源，尤其是图书馆的电子数据库资源对课题进行研究.一方面，可激发学生的学习热情，加强对所学知识的理解和进行综合运用的能力，提高学习效果；另一方面，可让学生获得科研经历，为以后的工作和进一步深造奠定基础.

2.3 校企合作

目前，全国在大力推广本科生的实习实践教学，保证学生的实习实践时间和内容，尽量缩短高校与企业之间的人才需求间隙.在这个大背景下，学校、学院各层面均有保障本科生实习实践的措施，并大力鼓励系部组织和发展本科生实习实践内容.目前，生物医学工程专业已发展3 个长期稳定的实习实践基地，并签署相关实习实践协议.其中，与天津怡和嘉业医疗科技有限公司多次合作，已邀请企业工程师在2018年分别为医学电子仪器设计、医疗仪器概论与法规等实操性很强的课程进行讲座，得到学生的好评；并由公司赞助，带领2017，2018 级生物医学全体学生进行参观实践，已签署协议，公司为2017 级生物医学毕业生提供实习岗位十余个，并赞助全体学生实习、培训24 个学时.与天津南开医院签署学生实习协议，将2017 级生物医学本科毕业生8 人一组，每组1 天，在南开医院进行医院参观、科室介绍、大型仪器参观讲解、医院财务系统和物流系统介绍、医学电子仪器拆解维修等实习实践活动，这些实习实践活动对提高学生的生物医学技术学习兴趣、创新能力和实践能力都具有重要的意义.

3 实践教学实施与效果

针对天津工业大学特点，提出以生物医学信号检测与仪器为核心的课题群，优化了培养方案及课程体系；实践平台的建设为培养应用型人才，提高学生动手能力提供了基础.针对本课题的目标，大力开展实践教学方法改革，不断增大与纺织学科、企业与医学的合作，搭建一套满足学生实践教学需求的高水平实验教学平台，提高实验室开放的效果和覆盖面，鼓励本科生参与科研和创新活动，提高生物医学工程专业学生的实践能力、探究能力和创新能力.

将高校的虚拟仿真实验中心与医院、企业的实体医学诊疗设备及系统结合，在不易开展的实验项目方面提高了学生的理解和创新能力，定期请高校、医院和企业专家参与开展沙龙活动，提升学校虚拟实验项目在天津市的知名度和影响力.在教师能力提升方面，本专业已组织全系教师进行了多次高校和企业调研，并定期组织青年教师到高水平高校进行学习和交流，到中国纺织工业联合会检测中心和具有可穿戴智能设备的企业进行参观学习，并与纺织学院相关的优秀教师进行交流，建立一支具备生物医学工程交叉专业知识背景的优秀教学团队.

4 结语

以天津工业大学的生物医学工程专业为例，介绍了以能力培养为主线、进阶式的实践教学体系，探讨了实践培养体系中的创新方法，构建了基本技能——专业技能——应用与创新能力培养三大实验平台，培养学生探究、创新及综合实践能力，构建了纵向传承、横向交叠互补的课程体系.2年的教学实践表明，生物医学工程实践体系建设与改革达到了预期目标.对促进生物医学教学质量，学生实践能力、创新能力培养等方面具有重要意义.