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面向生物医学工程专业的生物材料基础课程教学改革探讨

2024-09-11顾雪楠李林昊杨宏韬赵峰樊瑜波

高教学刊 2024年27期

摘 要:医疗健康领域对医工交叉复合型人才的需求日益增长,生物材料课程在医工交叉复合型人才培养中扮演着至关重要的角色。针对该课程目前存在的知识涵盖面广且零散,现有授课内容与真实的临床应用场景分离等问题,提出该课程的教学改革创新。课程内容“以典型医疗器械为主线,重构生物材料知识结构,达到深度医工融合人才培养的目标”。课程内容分为共性基础、组织工程、肌骨系统和心血管系统四个板块,以医疗器械构建和应用中的问题为线索,讲授天然和人工生物材料的基本理论及应用。同时,注重思政教育,将思政教育融入专业教学,引导学生从家国情怀、科学精神和专业使命等方面思考医工交叉领域问题。该课程改革举措提高课程教学效果和学生的学习兴趣,服务医工交叉型复合人才培养目标。

关键词:生物材料;医工交叉;课程教学改革;课程思政;人才培养

中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2024)27-0135-04

Abstract: Biomaterials course plays a crucial role in training interdisciplinary talents in the field of medical engineering. Currently, the course faces several challenges such as the broad and fragmented professional knowledge, the divorce between existing teaching content and real clinical applications. To address these issues, innovative reforms in teaching the course are proposed. The course content is focusing on "using typical medical devices as the main thread to restructure the knowledge of biomaterials, aiming to achieve the goal of deep integration of medical and engineering talent training." The course content is divided into four sections: common foundations, tissue engineering, musculoskeletal systems, and cardiovascular systems, using problems in the construction and application of medical devices as a thread to teach the basic theories and applications of natural and synthetic biomaterials. Additionally, the course emphasizes ideological and political education, integrating it into professional teaching to guide students to think about issues in the interdisciplinary field from perspectives of national sentiment, scientific spirit, and professional mission. These curricular reforms aim to improve the effectiveness of teaching and student interest, serving the goal of training interdisciplinary and composite talents in medical engineering.

Keywords: Biomaterials; conjunction of medicine and engineering; curriculum teaching reform; ideological and political education in the course; talent training

在“健康中国2030”国家战略的大背景下,现代医疗体系和医疗器械产业蓬勃发展,对创新性医疗器械的需求日益增加,也对生物医学工程专业教育和人才素质有了全新的要求[1-2]。近年来中国许多一流大学纷纷将医工交叉型人才培养作为创新型人才培养的重点方向,希望为“健康中国”战略储备更多的专业人才[3-4]。在生物医学工程学科的培养体系中,生物材料课程是为本科生开设的一门专业核心课程,介绍材料科学相关的基本理论,以及天然材料和人工材料在医学中的应用[5]。对于生物医学工程学科的本科生而言,掌握完整、系统的生物材料基础知识是开展后续知识学习和科研训练的基础,也是学生创新思维培养的前提。

一 教学改革思路与具体实施方案

(一) 生物材料课程定位与问题

生物材料是北京航空航天大学医工交叉试验班的专业核心必修课,在本科第四学期开设,目的是培养学生具有医工融合的生物材料知识结构,优秀的知识迁移能力,能够创新性地解决医学和生物医学工程领域复杂工程问题。

从学科角度,生物材料涉及解剖生理学、生物化学和细胞生物学等前修课程知识的综合运用;对平行课程,生物材料中的力学和电学内容,也是生物力学和生物医用电子的基础内容;对后修课程,支撑医工班包括肌骨系统、循环系统、神经系统医学与工程三门融合课,综合实验和毕业设计等后续课程的学习。

从应用角度,二十个世纪生物医学工程兴起并取得众多伟大成就。医疗器械是生物医学工程领域研究成果的重要载体,如ECMO、人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节和神经修复支架等,成为临床诊断、治疗疾病的主要手段之一。生物材料是一类具有生物相容性和生物功能性的材料,是医疗器械的重要基础,所有医疗器械的制造以及其功能的实现都离不开生物材料。同时,新材料的飞速发展也使得医学领域涌现众多创新,如可降解血管支架、电子皮肤、手术机器人等。可见,生物材料是生物医学工程领域的重要基础。

但是,生物材料课程最鲜明的特点就是多学科交叉,融合了医学、材料学、生物学、化学和工程学等多个学科的知识,知识涵盖面广且知识点比较零散[6-7]。目前,这门课程教学内容多是以材料科学类专业知识为主导,从材料属性出发分别讲授金属材料、陶瓷材料和高分子材料的结构、性能和临床应用。这种课程内容的设置容易使生物材料与其真实的临床应用问题分离,课程内容设置不能满足“健康中国”背景下对于医工交叉型创新人才的需求。生物材料课程改革应服务医工交叉型创新人才培养目标,以适应现代医学和生物医学工程专业的发展趋势。

本论文以北京航空航天大学生物医学工程专业(医工交叉实验班)生物材料基础课程为例,结合实际情况,探索适合生物医学工程专业的生物材料基础课程的教学新模式:从临床实际场景出发,以典型医疗器械为主线优化课程内容、创新教学方法、教学评价,来提升学生对生物材料理论知识的综合运用,培养分析和解决问题的高阶能力,体现医工深度交叉融合的人才培养目标。

(二) 以典型医疗器械为主线的生物材料课程内容优化

医用金属、医用陶瓷和医用高分子材料的结构与性能,以及生物相容性特征是生物材料最核心的内容。课程内容需要涵盖其重点知识点,确保内容的系统性。医疗器械是生物材料功能实现的重要载体,课程内容设置本着“以终为始”的理念,“以典型医疗器械为主线,重构生物材料知识结构,达到深度医工融合人才培养的目标”。结合专业培养目标,教学核心内容分为以下两个部分:生物材料的共性基础,肌骨系统、心血管系统和组织工程化人工器官中的生物材料。

生物材料的共性基础介绍人体组织、人造生物材料(金属材料、陶瓷材料和高分子材料)的基本结构、物理和化学性质以及生物相容性基本原理,建立材料科学基础知识框架。在人体各组织系统的生物材料中,分为肌骨系统、心血管系统和组织工程三大板块。由典型医疗器械(如人工关节、血管支架、组织工程支架)在临床应用中出现的实际问题,从器械中生物材料的设计及优化角度导入材料结构与性能基本理论知识点,从宿主反应角度导入组织与材料相互作用基本理论。以实际应用场景为背景,建立从生物材料基础知识到医疗器械中的生物材料的桥梁,使学生能够在真实临床场景中理解生物材料(成分、制备与加工、结构和性能)与人体宿主反应之间的内在联系(图1)。

优化后的课程内容,以实际问题为引导,典型医疗器械为主线,深度解析各知识点的理解和运用,培养学生运用课堂知识分析、解决生物材料临床应用中的实际问题的高阶能力。同时,新的教学方案中的三大板块对标后续肌骨系统、循环系统、神经系统的医学与工程融合课内容,为学生贯通性奠定基于生物材料基本理论的器械结构设计的基础,以发挥基础课程的作用。

(三) 多元化教学实施培养学生高阶能力

多媒体网络技术的发展,为课程教学提供了灵活丰富的学习手段。生物材料课程内容体量大,知识点多,现有课时数很难对知识点进行完善和深入的讲授。因此,针对一些简单的知识点,我们将通过搭建和提供网络自学平台,建设网络课程资源包,方便学生课下自学。经过多轮次教学反馈,我们严格筛选出自学内容。这部分内容原则上选择浅显易懂的知识点,学生可以通过自学了解掌握,达到记忆和理解的初级认知。同时,配套相应习题和思考题,通过对学生作答进行分析,检验学生对知识点的掌握情况。根据课下学习反馈,选择掌握不好的内容在课堂上集中讲授。这种方式节约了大量的课程时间,同时也极大地锻炼了学生的自学能力,为后续的课堂讨论、创新性活动留出了宝贵的时间。

以典型器械中的临床问题为线索,按照“临床背景-基本原理-材料问题-解决方案”的讲授路线开展案例式教学,始终用如何解决临床问题推动课程内容,潜移默化训练学生对问题的分析、设计和解决的科学思维方式。以心血管系统血管支架为例,分析长期植入后发生支架内再狭窄的原因,运用凝血、炎症、增生等宿主反应基本理论解释问题,引入消除异物的思路——可降解血管支架。从而带动可降解高分子、可降解金属的材料设计、降解原理、影响因素和降解测量等基础理论的实际综合运用。结合经典器械材料发展、失效案例,开展对经典案例的调研分析、失效分析等,强化内容的深度及批判性思维、分析复杂问题、设计开发等高阶能力的培养。

课程鼓励学生参与到生物材料与医疗器械的科学前沿问题的讨论中,课程实践环节在课程早期即发布先进生物材料带动的医疗器械发展前沿相关课题,如可降解骨钉、药物递送系统、电子皮肤等,进行项目导向学习,进一步训练从临床到工程、从工程到临床的“医工交叉”思维[8]。学生自主选题和自由组队,并邀请对应研究方向老师作为导师,引导学生进行对所选课题器械的临床需求、所使用的生物材料中存在的问题、现有材料学或工程学的解决方案以及局限性进行背景调研,学生通过与导师进行小组讨论提出针对临床问题的解决方案,随着课程内容的不断深入,各组成员根据课程学习知识,针对方案相应部分进行修改、完善项目方案。最后,根据完善后的项目方案进行实施、项目成果汇报。在实践环节,学生根据项目方案进行操作,这一过程不仅培养学生对知识的理解运用能力、动手能力、团队协作能力,更重要的是,学生自主选择项目的开放性,决定了结果的不确定性。在此过程中可能出现各种问题,而这些问题也恰好是今后在生产科研中经常遇到的问题。如何运用所学知识,对问题进行分析,找到解决方案,是本课程学生创新创造性思维培养的重要环节。以医疗器械开发者的角度进行真实科研生产情境的实践过程,学生才能真正学以致用,真正将理论知识与科研实践相结合。真正在高级认知层次锻炼学生,体现了课程的高阶性、创新性、挑战性,也极大调动学生学习兴趣,增强了学生通过克服困难获取成果的荣誉感和成就感。

(四) 挖掘课堂思政元素

思政教育是当前高等教育关注的重点,尤其是将思政教育融入到专业教学当中去[9-10]。围绕国家对医工交叉复合型人才培养的迫切需求,结合学校“优势医工”的战略布局,课程拟从家国情怀、科学精神和专业使命等方面挖掘课程思政资源。家国情怀层面,从我国医疗器械产业从无到有、从落后到超越以及高端医疗器械国产化替代的发展历程出发,以千家万户病患及其家属生活质量的改善及寿命延长的讨论,引导学生树立民族自信心、制度自信及专业自信;在科学精神层面,以名人事迹、材料及医疗器械案例阐述求真求实、精益求精和勇于创新的职业素养;在专业使命层面,通过医疗器械不良事件案例使学生明确行业底线,在中国高端医疗器械行业的背景下,引导学生正确看待生物材料及医疗器械现有发展中存在的不足,激发学生的专业责任感,树立提高中国医疗器械自主研发水平、为祖国医疗健康领域发展而努力学习的远大目标。以心血管系统中的生物材料为例,已挖掘的具体思政元素如:疫情下的ECMO医疗器械方面中国存在的技术差距(家国情怀、专业使命);中国血管支架从跟跑到领跑 (专业自信、家国情怀、科学精神)等。具体设计如图2所示。

二 教学改革初步成效

在新的教学方案中,明确课程在学科培养中的定位,并采用“以医疗器械为主线”优化课程内容以及项目式教学实施,学生对生物材料的基本理论及其应用的认识更加系统并且深入,学生对课程自主学习热情和专业学习兴趣明显提高。项目发布时间在课程早期,学生带着问题进行课程学习。学生一般会借助线上资源完成预习、复习、项目实践前的准备和拓展前沿等学习环节,并且经常根据所选项目涉及的知识点与老师深入讨论。课外能够主动联系老师讨论项目背景和内容,主动进行文献和相关产品调研,追踪科学和产业的前沿,将所学知识运用到课程实践中。

新的教学方案中,课程内容讲授按照“临床背景-基本原理-材料问题-解决方案”的路线开展,并将这种思维训练贯穿到项目式课程实践当中去,教学改革后学生的“医工交叉”思维优于课程改革前。以具体医疗器械项目为导向的课程实践中,项目汇报时对项目完成思路更加清晰,能够将临床问题转化为工程问题和材料问题,并且能够较灵活和熟练地将生物材料基本原理运用到解决项目中的具体实际问题,项目完成度显著高于改革前。此外,从最终考试试卷来看,改革后的班级在主观题部分能够从问题的本质出发,从原理着手,并且能够建立相关知识点和问题的联系。由此可见,本论文提出的新教学方案有助于培养学生面对临床问题时,将临床问题转化为工程问题的能力,从基本知识原理出发,通过分析和实践给出解决方案,训练了学生的“医工交叉”思维。

通过教学实践前后的问卷调查发现,学生对本课程的教学改革思路较为认可。学生认为线上课程资料和习题能够提高学习自主度(84%)和对知识点的掌握(82%),“以医疗器械为主线”的课程内容教授方式能够加深对知识点的掌握(78%)和提升分析问题的能力(66%),项目式课程实践可以提升分析问题的能力(78%)和知识运用能力(68%),并且有助于培养团队协作能力(86%)、表达和交流能力(82%)。从学生反馈和教师感受来看,生物材料课程的改革思路和方法达到了预期效果。另一方面,教学评价中,几乎所有同学均反映该课程挑战度较高,项目式课程实践的教学评价方式是EoWyMxCvS8O3xkpgBrjQgA==导师打分和项目汇报打分相结合,这种打分方式不能完全体现小组内各同学对于项目的学习过程和效果。这提示教学改革的下一步,为应对项目和案例式教学方式的转变,仍需改进教学评价体系。

三 结束语

生物材料是生物医学工程专业中的重要基础课程,为应对健康中国战略对医工交叉复合型人才的需求,本文对生物医学工程专业生物材料基础课程进行教学改革,提出“以典型医疗器械为主线,重构生物材料知识结构,达到深度医工融合人才培养的目标”,从课程定位、课程内容、课程实践等方面进行教学改革,有针对性地设计出一套完整的生物材料教学思路和实施方案。两轮教学实践证明,课程改革模式能够加深学生对专业课程的理解,锻炼学生的医工交叉思维,激发学生对专业的学习热情,在有限的教学学时内有效提高了教学质量和教学效果。此外,新的教学方案还能够让本科生真实接触科学前沿,以项目为导向的学习提高学生自主学习能力,并锻炼了学生分析临床问题,将临床问题转化为工程问题,运用所学知识解决问题的高阶能力,培养了学生的创新思维,为开展生物医学工程领域的科学研究奠定坚实基础。

参考文献:

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[4] 钟华,董世武,张珠,等.基于医工融合背景下专业实践教学体系改革[J].高教学刊,2021,7(14):128-130,135.

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[9] 崔海坡,刘宝林,宋成利.生物医学工程材料课程思政设计与实践[J].科教导刊(电子版),2023(4):96-98.

[10] 李萌.推进高校“思政教育+专业教学”向深层发展的思考[J].教育教学论坛,2020(51):48-51.

基金项目:2023年度国家医学攻关产教融合创新平台建设项目“高端医疗装备与器械(医工结合)”(工信部规函〔2023〕36号);2023年度北京航空航天大学校级一流本科课程建设项目“生物材料”(42020553)

第一作者简介:顾雪楠(1984-),女,汉族,辽宁沈阳人,博士,副教授。研究方向为生物材料。