談生物醫學工程實踐教學體系改革進展范文

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[摘要]隨著醫療衛生體制改革進入新階段，“新工科”理念逐漸深入人心，如何培養具有扎實生物醫學理論功底，同時具備工程技術研究、設計和開發能力的高素質、高水平以及復合創新型卓越工程人才，是生物醫學工程教育改革和發展亟需應對解決的問題。通過對當前國內外圍繞生物醫學工程教育體系模式、特點及優勢的研究文獻進行綜述，從教學內容、教學模式、教學平臺、教學師資等方面提出了一些思考，以期為“新工科”理念融入生物醫學工程教育實踐、優化生物醫學工程實踐教學體系改革提供研究方向。

[關鍵詞]生物醫學工程；新工科；實踐教育

近年來，國家高度重視在新一輪產業變革的浪潮中，工程科技在加快轉變經濟發展方式、推動產業結構優化升級、促進經濟社會平穩發展中的重要作用，這是變革工程教育，建設“新工科(EmergingEngineeringEducation)”以適應新技術、新產業及新業態為特征的新經濟的歷史機遇期?！靶鹿た啤敝械摹肮た啤笔侵腹こ炭茖W，“新”的內涵主要包括新興、新型和新生。新興是指新出現的非工科學科；新型是指對就學科進行升級轉型；新生是指不同學科領域的交叉融合[1]。自2016年“新工科”概念提出后，在教育部的組織下，國內高校進行了廣泛而深入的討論，逐漸形成了“復旦共識”、“天大行動”及“北京指南”。可見，“新工科”不再是某個專業、某種領域的單打獨斗，而是新經濟背景下工程教育改革的重大戰略抉擇[2]。近些年，作為工程科學與生物醫學高度交叉融合的學科——生物醫學工程學科快速發展，但學科高端人才不足、科研創新能力不強以及人才培養體系滯后，嚴重制約著生物醫學工程學科的進一步發展和生物醫學工程產業進行新一輪的升級換代。因此、將“新工科”理念融入生物醫學工程人才培養顯得尤為迫切。

1生物醫學工程的內涵及發展歷程

生物醫學工程是一門將生物醫學與工程科學的原理與方法相結合、具有高度交叉綜合特點的學科。生物醫學工程是工程科學與生物醫學之間的“橋梁”，為工程科學在生物醫學領域的應用構造途徑，提供基礎。通過將工程科學、生物醫學和臨床實踐相結合的跨學科、多學科活動，推動工程科學，生物醫學和醫學知識融合發展，并促進人類健康。該學科致力于通過實驗和分析技術理解復雜的生命系統，揭示生命現象與規律，以及開發用于臨床醫療實踐的設備、方法和算法，同時提高臨床診療水平，改善醫療服務質量，為人類在全生命周期中出現的健康問題提供有效的技術手段。因此，將傳統工程技術與生物科學和醫學相結合，以提高人類健康和生活質量[3]。生物醫學工程是生物醫學和工程科學深度交叉融合的結果，沒有自身的主體理論和知識體系，而是以理學、工學和醫學等主干學科或其發展的分支學科作為理論基礎與知識來源，具有較強的依賴性。同時也使生物醫學工程覆蓋了更加廣泛的學科領域，涉及數學、生物醫學、物理學、材料學、化學、機械、通信等領域。主要的研究領域為生物影像學、生物信息學、生物力學、生物醫學材料、生物納米技術、分子生物學、康復工程、基因工程和生物化學、生物醫學儀器等[4]。如通過解剖學、骨生物力學、步態分析和生物材料的相容性分析，為了人造髖關節制造難關的攻克提供了強有力的技術支撐。熱門的應用技術包括人造器官、自動化患者監護技術、血液生化指標傳感器、先進的治療和手術設備、人工智能、專家臨床決策系統、建設高層次臨床實驗室、醫學影像系統、生理系統的計算機建模、生物材料設計和損傷及傷口愈合的生物力學等。雖然生物醫學工程是現代工程科學與生物醫學結合的產物，但在三千年前的古埃及時期就有患者接受類似假肢的輔助機械[5]以及生物電源(魚)的電刺激的記錄[6]。生物醫學工程的發展實際始于1947年半導體電子元件—硅晶體管的發明，這使得基于晶體管設計的醫療診斷設備體積足夠小、能耗足夠低，且能夠用于臨床實踐。因此，在1958年，第一個電子起搏器被植入人體。隨著科技的不斷進步，醫療設備及其系統的開發和操作所需的知識日益復雜，導致生物醫學工程成為一個橫跨多門學科的科學領域。50年代初，許多國家相繼成立了生物醫學工程相關的工程師和醫師專業組織。1959年在聯合國教科文組織的贊助下，國際醫學和生物工程聯合會(InternationalFederationforMedicalandBiologicalEngineering，IFMBE)在巴黎成立。1963年美國電氣電子工程師學會(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)成立，之后該協會創立了工程醫學和生物學學會。1972年，美國杜克大學第一個開展了獲得認可的大學生物醫學工程項目[7]。我國的生物醫學工程專業建設始于20世紀70年代末，80年代國內成立中國生物醫學工程學會。經過幾十年的發展，特別是近些年醫療體制改革的不斷深入，互聯網、人工智能和移動可穿戴醫療設備的快速發展，高科技與生物醫學的緊密結合。然而，國內生物醫學工程專業培養的人才不能同步社會需求的發展。截止目前，有120多所高校開設生物醫學工程專業，20多所高校具備研究生招生資格，其中清華大學、東南大學、浙江大學等高校生物醫學工程專業被評為國家重點學科。

2國外生物醫學工程專業現況

國外生物醫學工程產業起步早、發展快且規模大。以產業為依托，美歐等發達國家的生物醫學工程專業在教學目標、教學內容、學位設置等方面形成了較為成熟完整的制度體系，對我國生物醫學工程專業進一步發展具有借鑒意義。

2.1教學目標致力于提升學生自主學習、科學研究與實踐應用能力。教學目標的設定體現了教學單位的育人理念。約翰•霍普金斯大學(JohnsHopkinsUniversity，JHU)生物醫學工程系是JHU醫學院最大的臨床預備專業。在培養本科生方面，強調能夠將傳統工程學科和現代生物學的核心知識結合起來，以解決生命系統中遇到的問題。培養學生對學習探索、科學研究、企業家精神和社會發展的熱情。具體包括：①充分利用和不斷加強工程科學和生物醫學的培訓，以解決全球范圍內，基于道德合理原則的健康和醫療相關問題；②在各自工作的企業、政府、學術界和臨床實踐相互關聯的領域發揮領導作用；③通過繼續在研究生或專業學校接受教育或通過高級職業或專業培訓機會，達到終身學習。在歐洲，倫敦國王學院(King's或KCL)的生物醫學工程專業是歐洲同類型專業的佼佼者，其生物醫學工程系在設置培養目標時強調在全球范圍進行高質量的多學科研究的能力，重點關注醫學領域內問題的解決與生物醫學工程技術和信息處理方法學之間的關系。通過技術轉化，實現基于特定生理特點的人性化、個性化醫療服務。以JHU和倫敦國王學院為代表的歐美發達國家生物醫學工程教育，在教學目標的設置上趨向于使學生獲得更廣泛的知識，以及掌握進行更高層級學習研究的方法技巧，擁有發現、分析和解決問題的能力，保持對所從事職業的持續熱情。而不刻意強調學生應該學習多少專業知識，掌握多少專業技能。

2.2教學內容側重通識教育，重視跨領域、多學科理論方法的學習。JHU生物醫學工程系本科課程設置學科覆蓋范圍廣，重視實踐能力培養，具有明顯的多學科、跨學科特點。其本科課程包含一系列“未來的生物醫學工程師應具備的核心知識”。核心課程包括分子和細胞生物學，線性系統，生物控制系統，建模和模擬，生物學中的熱力學原理以及系統級生物學和生理學的工程分析。在這些核心科目的基礎上，每個學生需學習一系列相關的高級工程課程，這些課程需要涉及五個重點領域：即生物系統工程；細胞/組織工程和生物材料；計算生物學；影像；傳感器、微系統和儀器儀表。如果想獲得學位至少需要獲得129學分。課程的設置重點在于讓學生能夠基于問題進行學習，使學生能夠掌握行業需要的技能，以適應迅速變化的生物醫學工程行業[8]。倫敦國王學院同樣采取學分制，全部課程會分成幾個模塊，分別在三個學年完成，通常每年會獲得總計120學分的模塊，每個學分預計耗費10h完成。第三學年在完成必修課程的基礎上，額外需要完成≥30學分的選修課程。低年級時主要學習的課程包括計算機編程、數據統計、人體解剖學、生理學等。到高年級時主要學習醫學影像、高級力學、機電一體化、工程學、信號與系統等，并參與工學學士研究項目。

2.3學位設置面向社會需求，結合自身優勢，靈活設置學位。JHU生物醫學工程系根據不同學生的不同需求為本科生設置了理學學士學位(B.S.)、文學學士學位(B.A.)、類似本碩連讀的學位(B.S.-M.B.S.)。為研究生設置了生物醫學工程碩士學位(M.S.E)、公共衛生碩士學位(PhD)以及雙BS/MSE學位。其中理學學士學位是授予準備繼續在本領域深造(攻讀研究生)或計劃進入醫學、商業等?？圃盒５谋究粕n程偏向于生物醫學工程專業知識。相較于國內生物醫學工程專業只設置理學或工學學士學位，JHU設置了文學學士學位(B.A.)。該學位是為希望獲得更多教育靈活性和多樣性的學生而設計。工程專業課程較少，選修課時間較多，畢業生可從事生物醫學工程或其他非工程專業。不同于JHU，倫敦國王學院學位設置的指向性更為明確，其生物醫學工程系為本科生設置了生物工程學士學位(BEngHons)，研究生設置了醫學工程與物理學碩士學位(MScMedicalEngineeringandPhysics)、核醫學碩士學位(MScNuclearMedicine)、放射性藥物與PET放射化學碩士(MScRadiopharmaceuticsandPETRadiochemistry)學位以及醫學影像學碩士(MResMedicalImagingSciences)學位。另外設置了本碩連讀的生物醫學工程碩士學位(MEng(Hons)。本科生學制為3年，研究生為1年。比較特別的是本碩連讀，學制為3+1年，即經過3年學士學位課程后再學習1年，以“拓展生物醫學工程知識和經驗的能力”[9]。

3我國生物醫學工程專業現況

近年來，隨著生物醫學工程產業的迅猛發展，工程教育模式的不斷優化，創新創業理念深入人心，國內生物醫學工程專業教育正經歷著深刻的變化。

3.1通識課程比重逐漸增加，課程設置多元化臺灣地區較早開設了生物醫學工程專業[10]。臺灣大學醫學工程系本科生課程重視對醫學、工程學專業基礎知識的同時強調跨學科課程的學習，增加通識課程，以提升學生跨領域整合能力。其課程分為必修課程和選修課程，必修課程分為校共同必修課+通識課(24學分)和系共同必修課(80學分)，選修課為系選修課(30學分)，共計134學分。主干課程包括微積分、物理學、有機化學、解剖學、材料力學、電路學、細胞與分析生物學、程序語言等[11]。內地高校也意識到學生如果僅掌握專業知識已不能滿足社會的需求，所以在課程設置上漸趨多元。東南大學生物工程學院圍繞生物醫學工程、電子科學與技術、信息與通信工程、計算機科學與技術、生物工程主干學科設置了通識基礎課、大類學科基礎課、專業主干課。其中通識基礎課涵蓋了人文社科類課程、經濟管理類課程、英語類等方面，有較強的靈活性和可選擇性。

3.2優化實踐教學平臺建設，重點提升工程實踐能力近些年，內地各大高校更加關注學生工程實踐能力的培養，積極構建實踐教學體系，打造更高層次的實踐教學平臺。西安交通大學生物醫學工程專業[12]在專業理論授課的同時，注重實踐教學體系的構建，強調學分、學時和可選擇性，突出綜合型、創新型實踐教學活動的主導地位，形成了以課內實驗、專題實驗、綜合訓練和生產實習4方面為核心的實踐教學體系。通過優化教學方案與計劃，組織綜合實驗設計課程，提升實驗室功能等級，打造網絡化管理平臺，切實提高學生科研能力、競爭力和創新創業能力。天津醫科大學生物醫學工程專業[13]經過不懈的嘗試與探索，形成了以提高學生創新創業能力為主體的實踐教學體系，包括研究型課程設計、研究型畢業設計(論文)、校企聯合培養(產學研)和課外自主科研與合作科研。

3.3大力提倡創新創業注重產學研深度融合創新創業是時代的呼喚。東南大學在培養學生實踐能力方面，除了學院的課堂實驗外，也開展了大學生科技訓練計劃(studentresearchtrainingprogram，SRTP)為主的課外研學活動，承辦例如亞太醫療設備設計競賽、大學生生物醫學電子創新設計競賽等賽事，使學生在參賽過程中激發創新思維、拓寬專業視野以及增強團隊意識[14]。溫州醫科大學從課程體系，實踐教學等環節緊密貼合“醫工融合”，轉變教學方式方法，將生物醫學產業標準等實用內容融入課堂教學，在崗位、能力及職業成長三個維度上構建人才培養體系。積極與企業、醫院合作，通過校企合作培養及合作研發，使學生在實際工作環境中養成創新思維，提高解決實際問題的能力。使企業在與學校的合作中增強產品研發力量，發現、培養后備研發人才[15]。雖然我國生物醫學專業取得了長足的發展，但與國外同行仍存在一定差距，不能滿足國內社會經濟發展對生物醫學工程人才的需要。李曉寒[4]認為，其不足主要表現在幾個方面：①學科平衡發展方面。引進吸收多，創新性成果少，基礎性應用性研究不足；②學科建設發展方面。主要集中在信息技術性方面，對生物材料、器械型學科關注不夠；③學科職稱方面。理工類院校學科門類較為齊全、工程類學科師資科研實力較強，實踐教學平臺完善，但缺乏生物醫學方面的知識支持，在解決臨床實際問題時，能力尚有欠缺。但醫學院校的工程科學基礎薄弱，雖然容易發現理解臨床實際問題，卻很難處理解決；④師資力量方面。我國高校既能掌握工程科學知識，又熟悉生物醫學，還能將工程技術與生物醫學緊密結合的復合型人才比較缺乏；⑤課程設計方面。由于師資的問題，培養體系不能切合就業崗位能力素質需要和學科特點，課程缺乏交叉性，實踐課程較少。

4生物醫學工程專業教學展望

4.1把握行業產業需求優化實踐教學內容國外生物醫學課程存在多元化、個性化及職業化的設置傾向，通識與人文社科類課程比重較高，重視學生綜合素質的培養，為接下來繼續深造或者入職打下良好基礎。國內的課程設置更多的體現專業化，職業發展能力和科學研究能力有所欠缺。因此要建立符合專業發展需求、市場需求和學生個性需求的新型課程體系，增加通識課程占比，提高人文社科類課程比例，提升專業基礎、主干課程的涵蓋范圍，開設經管類課程，為學生能夠從事產品研發設計、產品制造、推廣銷售全流程工作做準備。此外，互聯網浪潮正在重塑各個領域的產業形態，將互聯網、物聯網、大數據、人工智能等方面的知識引入到課程體系中來勢在必行。讓學生逐漸了解、熟悉、接受互聯網思維，改變以往孤立、單一的認知方式，形成多元、協同、互通的思維習慣，以應對生物醫學工程領域日益深度交叉融合的發展態勢。

4.2轉變教學方式方法打造實踐教學新模式國外課堂教學方法比較多樣，不拘泥于某種特定的形式，目的就是讓學生高效的獲取相關知識。①課堂教學方面。避免傳統填鴨式教學，多采取小組式、導學案等教學模式，引導學生自己探究問題，給學生更多，更自由的思考空間，把教學的重心放到學生身上，讓學生真正的參與到課堂教學中來[16]；②實習教學方面。要編制實習指導手冊，制定實習任務書，重視對實習質量的把控，實現實習全過程質量管理，對實習質量評價的主體不僅僅只包括學校，實習單位也可以參與對實習生的評價；③科研教學方面。應減少簡單重復性實驗，增加研究性創新性實驗，培養學生的創新思維，鼓勵引導學生參與教師課題研究與科協科技活動，提供優質學術報告講座，激發學生科研興趣，拓寬學術視野。引導學生探索最前沿生物醫學工程理論，把握生物醫學工程學科發展動向。

4.3推動教學平臺建設構建醫工結合實踐教學體系國外高校生物醫學工程在培養計劃中普遍涉及與科研院所、企業醫院等實踐平臺進行緊密的合作，旨在使學生能夠獲得最接近社會需要的能力，提高競爭力。①學校方面，應當根據生物醫學工程學科發展趨勢，升級換代實驗室中的老舊設備，使平臺與教學需求相適應，并且能夠為學生提供更高等級的實驗平臺；②醫院方面，通過醫院臨床實踐平臺，學生不僅可以掌握工程方面的知識，也能了解在學校難以獲得臨床治療方面的知識以及提升醫療設備維修、管理、操作等能力[17]；③企業方面，企業的生產平臺是學生提升工程實踐能力的重要平臺，通過與企業建立長期合作關系，學生能夠不斷增強解決生物醫學工程產業技術問題的能力，企業也可以在此過程中發現需要的人才，實現學校-企業-學生三方共贏。

4.4重視教師隊伍能力建設拓寬教師隊伍來源渠道相較于國外教師隊伍專業背景的多樣化，國內教師隊伍專業背景主要集中于生物醫學工程專業或相近專業，不能很好的契合生物醫學工程多學科、跨專業的學科性質。在教師團隊引進的過程中，教師專業背景的多元性、交叉性和融合性是關注的重點，同時了解教師的工作經歷、科研能力等因素，著力引進一批既能進行理論教學，又具有工程實踐能力的“雙師型”教師隊伍。在教師團隊建設的過程中，要根據學科特點、行業發展、產業需求及科學研究的要求，制定明確的職業發展規劃，提升教師團隊崗位勝任力。在教師團隊評價方面，要以聘任目標為基礎，通過中期評價、結果評價、反饋原因等手段，解決出現的問題，提升教師理論教學能力，增強實踐教學能力，培養解決復雜工程問題能力，成為學生的楷模[18]。

作者：汪卓赟 陳明壯 查靜茹 魯超 單位：安徽醫科