生物医学工程专业综合实验教学开发与实验室建设

2023-08-20苏昕曹辉刘敏

创新创业理论研究与实践 2023年12期

苏昕，曹辉，刘敏

（北京化工大学生命科学与技术学院，北京 100029）

生物医学工程是一门交叉学科，结合了生物医学、工程学和医学的原理和技术[1-2]，其利用工程技术和方法解决医学和生物学领域的问题，研发医疗保健设备和提供治疗方法，促进人类健康。

随着人们对健康质量追求的不断提高和人口老龄化的加速发展，社会对生物医学工程专业的需求也越来越大[3-4]。因此，培养具有较高综合素质和实践能力的专业人才至关重要。生物医学工程专业实验教学作为培养专业人才的重要手段，其综合实验教学和实验室建设是其中不可缺少的重要环节[5-6]。本文从综合实验教学内容、实验室建设、实验教学的评价与改进等方面探讨如何开展专业综合实验教学。

1 综合实验教学内容建设

生物医学工程专业综合实验教学是培养学生综合能力、提高学生实践技能的重要途径，其特点和作用是将多门课程的实验内容相互融合，设计一系列有机衔接的实验，培养学生系统、综合的分析能力和解决问题的能力，同时加强学生的实践能力，激发学生对生物医学工程专业的兴趣和热情。综合实验教学应该针对生物医学工程专业的特点和实践需求，设计涉及多门课程的综合实验内容，以提高学生的综合能力和实践能力[7]。实验项目选择应考虑学生的实际水平和实验教学的目的，选择难度适当的实验项目，确保实验能够达到预期的教学效果。在实验教学过程中，教师需对学生进行实验操作引导，指导学生掌握实验技能和方法，同时也要加强对学生的安全教育和实验规范的教育。在实验教学结束后，教师对学生实验数据分析和实验报告撰写进行指导，帮助学生深入理解实验结果和数据，提高学生数据分析和实验报告撰写的能力。

1.1 生物信号处理实验

生物信号处理教学实验是在生物医学工程中常见的一种教学形式，旨在帮助学生深入理解生物信号的获取、分析和处理方法。一些常见的生物信号处理教学实验包括：（1）心电图（ECG）信号分析实验。学生通过获取心电图信号并使用 MATLAB 等工具对信号进行分析，如心率检测、QRS 波分离、心律失常检测等。（2）脑电图（EEG）信号分析实验。学生通过获取脑电图信号并使用 MATLAB 等工具对信号进行分析，如脑电图信号的频谱分析、事件相关电位分析等。（3）血压信号分析实验。学生通过获取血压信号并使用 MATLAB 等工具对信号进行分析，如血压波形的形态分析、动脉硬化检测等。（4）声音信号分析实验。学生通过获取声音信号并使用 MATLAB 等工具对信号进行分析，如声音信号的频谱分析、语音信号的识别等[8]。这些实验可以帮助学生掌握生物信号获取、分析和处理的基本方法和技巧，培养学生的实验能力和创新思维，提高学生对生物信号处理的理解和应用能力。

1.2 医学成像实验

医学成像是一种用于获取身体内部结构和功能信息的非侵入性技术，例如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）[9-10]。在这种实验中，学生可以学习如何使用不同的成像技术，并了解它们在疾病诊断和治疗中的应用。

常见的医学成像教学实验有：（1）X 射线影像教学实验。通过观察X 射线影像，学习不同部位的正常解剖结构和常见病变的影像表现，如胸部、骨骼等。（2）CT 影像教学实验。通过观察CT 影像，学习不同部位的正常解剖结构和常见病变的影像表现，如头颅、胸部、腹部等。（3）MRI 影像教学实验。通过观察MRI影像，学习不同部位的正常解剖结构和常见病变的影像表现，如脑部、脊髓、关节等。（4）超声影像教学实验。通过观察超声影像，学习不同部位的正常解剖结构和常见病变的影像表现，如腹部、心脏、血管等。实验可以帮助学生深入了解医学成像技术的原理和应用，掌握影像诊断的基本方法和技巧，提高学生对医学影像学的理解和应用能力。同时，教学实验也可以培养学生的实验能力和创新思维。

1.3 生物材料实验

生物材料是用于医疗器械和植入物的各种材料，例如人造关节和血管支架[11]。在这种实验中，学生可以了解不同的生物材料类型和它们的优缺点，学习如何测试材料的生物相容性，并设计满足不同功能的材料。生物材料教学实验可以涵盖许多主题，例如生物材料制备、性质表征、生物相容性测试等。以下是一些可以开展的实验项目：（1）基于纤维素的生物材料制备实验。在这个实验中，学生可以学习如何从天然纤维素源（例如木材、棉花）中提取纤维素，并将其制备成生物材料。制备过程涉及纤维素的化学改性、成型和固化等步骤，同时需要对制备后的生物材料进行物理、化学和生物学性质表征。（2）生物相容性测试实验。在这个实验中，学生可以学习如何对生物材料进行生物相容性测试，了解材料在人体内的耐受性和生物学反应。学生可以将生物材料置于细胞培养液中，观察细胞的生长和代谢情况，并进行细胞毒性和细胞增殖实验等。（3）生物材料力学性能测试实验。在这个实验中，学生可以学习如何使用材料力学测试设备（例如万能试验机）来测试生物材料的力学性能，包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等。学生需要进行样品制备和测试操作，并对测试结果进行数据处理和分析。（4）生物材料表面性能测试实验。在这个实验中，学生可以学习如何使用表面测试设备（例如接触角测量仪）来测试生物材料的表面性能，包括表面张力、接触角等。学生需要进行样品制备和测试操作，并对测试结果进行数据处理和分析。

这些实验可以根据课程需求和学校实验室条件进行调整和改进。同时，安全性是实验教学的重要因素，需要严格遵守实验室安全规定，确保学生和实验室的安全。

1.4 生物传感器实验

可以让学生了解生物传感器的工作原理和应用。生物传感器是一种可以检测生物分子或细胞的仪器，常用于生物医学诊断和治疗[12]。通过这个实验，学生可以学习如何构建和测试不同类型的生物传感器，如光学传感器、电化学传感器和生物传感器阵列。以下是几个可以开展的生物传感器教学实验：（1）pH 传感器实验。制备pH 敏感试纸并测试不同pH 酸碱度的溶液，观察试纸颜色的变化并对比不同pH 酸碱度下的颜色变化程度。（2）葡萄糖传感器实验。使用葡萄糖氧化酶和电化学传感器制备葡萄糖传感器，测试不同浓度的葡萄糖溶液，通过测量电化学信号的变化来确定葡萄糖的浓度。（3）DNA 传感器实验。制备DNA探针和荧光染料，将探针与目标DNA 结合，并通过荧光信号的变化来检测目标DNA 的存在和浓度。（4）免疫传感器实验。制备抗体或抗原，将其与电化学或光学传感器结合，通过检测抗原或抗体的存在和浓度来诊断疾病或检测污染物。在这些实验中，学生可以学习传感器原理和制备技术，了解不同传感器类型的优缺点和应用场景，同时还可以进行实验数据的收集和分析，培养实验技能和科学思维。同时，教师也可以根据学生的实验结果提供反馈和指导，帮助学生加深对生物传感器技术的理解和掌握。

2 教学实验室建设

在生物医学工程教学中，实验室是不可或缺的组成部分，因为它们为学生积累实践经验提供了各种仪器和设备，这些设备在该领域中被广泛应用[13-14]。实验室是实验教学的基础，建设适合生物医学工程专业的实验室，对于开展实验教学具有非常重要的意义。实验室的建设需要注意以下几点：

（1）设计合理。

实验室的设计需要充分考虑教学需求和实验操作流程，合理分配空间，确定设备放置位置和实验操作区域，确保实验室能够满足实验教学的需要。

（2）设备先进。

生物医学工程实验室需要配备先进的实验设备，能够满足生物医学工程专业的实验需求，同时，需要具备良好的性能和稳定性，以保证实验数据的可靠性和准确性。

（3）安全可靠。

实验室需要具备良好的安全性能，保证实验操作的安全性，同时，需要配备相应的安全设施，如实验室通风系统、消防设备等，确保实验室的安全可靠。

（4）环境舒适。

实验室的环境需要舒适，保证学生在实验操作中的舒适度和工作效率，同时，需要保证实验室的清洁和整洁度，保持实验室的良好卫生环境。

3 实验教学的评价与改进

评价和改进是实验教学的重要环节，可以通过学生的实验成绩、实验报告质量和实验操作能力等方面对实验教学进行评价，从而提出改进意见和建议，以进一步提高实验教学的质量和效果。（1）评价指标。实验教学的评价指标应包括学生实验成绩、实验报告质量、实验操作能力等多个方面，综合评价学生的实验水平和实验教学存在的问题。（2）改进措施。根据评价结果，针对实验教学的不足和问题，提出具体的改进措施，如增加实验项目的难度、加强对学生实验操作的指导、加强对实验数据分析的指导等。