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谈生物医学工程实践教学体系改革进展

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[摘要]随着医疗卫生体制改革进入新阶段,“新工科”理念逐渐深入人心,如何培养具有扎实生物医学理论功底,同时具备工程技术研究、设计和开发能力的高素质、高水平以及复合创新型卓越工程人才,是生物医学工程教育改革和发展亟需应对解决的问题。通过对当前国内外围绕生物医学工程教育体系模式、特点及优势的研究文献进行综述,从教学内容、教学模式、教学平台、教学师资等方面提出了一些思考,以期为“新工科”理念融入生物医学工程教育实践、优化生物医学工程实践教学体系改革提供研究方向。

[关键词]生物医学工程;新工科;实践教育

近年来,国家高度重视在新一轮产业变革的浪潮中,工程科技在加快转变经济发展方式、推动产业结构优化升级、促进经济社会平稳发展中的重要作用,这是变革工程教育,建设“新工科(EmergingEngineeringEducation)”以适应新技术、新产业及新业态为特征的新经济的历史机遇期。“新工科”中的“工科”是指工程科学,“新”的内涵主要包括新兴、新型和新生。新兴是指新出现的非工科学科;新型是指对就学科进行升级转型;新生是指不同学科领域的交叉融合[1]。自2016年“新工科”概念提出后,在教育部的组织下,国内高校进行了广泛而深入的讨论,逐渐形成了“复旦共识”、“天大行动”及“北京指南”。可见,“新工科”不再是某个专业、某种领域的单打独斗,而是新经济背景下工程教育改革的重大战略抉择[2]。近些年,作为工程科学与生物医学高度交叉融合的学科——生物医学工程学科快速发展,但学科高端人才不足、科研创新能力不强以及人才培养体系滞后,严重制约着生物医学工程学科的进一步发展和生物医学工程产业进行新一轮的升级换代。因此、将“新工科”理念融入生物医学工程人才培养显得尤为迫切。

1生物医学工程的内涵及发展历程

生物医学工程是一门将生物医学与工程科学的原理与方法相结合、具有高度交叉综合特点的学科。生物医学工程是工程科学与生物医学之间的“桥梁”,为工程科学在生物医学领域的应用构造途径,提供基础。通过将工程科学、生物医学和临床实践相结合的跨学科、多学科活动,推动工程科学,生物医学和医学知识融合发展,并促进人类健康。该学科致力于通过实验和分析技术理解复杂的生命系统,揭示生命现象与规律,以及开发用于临床医疗实践的设备、方法和算法,同时提高临床诊疗水平,改善医疗服务质量,为人类在全生命周期中出现的健康问题提供有效的技术手段。因此,将传统工程技术与生物科学和医学相结合,以提高人类健康和生活质量[3]。生物医学工程是生物医学和工程科学深度交叉融合的结果,没有自身的主体理论和知识体系,而是以理学、工学和医学等主干学科或其发展的分支学科作为理论基础与知识来源,具有较强的依赖性。同时也使生物医学工程覆盖了更加广泛的学科领域,涉及数学、生物医学、物理学、材料学、化学、机械、通信等领域。主要的研究领域为生物影像学、生物信息学、生物力学、生物医学材料、生物纳米技术、分子生物学、康复工程、基因工程和生物化学、生物医学仪器等[4]。如通过解剖学、骨生物力学、步态分析和生物材料的相容性分析,为了人造髋关节制造难关的攻克提供了强有力的技术支撑。热门的应用技术包括人造器官、自动化患者监护技术、血液生化指标传感器、先进的治疗和手术设备、人工智能、专家临床决策系统、建设高层次临床实验室、医学影像系统、生理系统的计算机建模、生物材料设计和损伤及伤口愈合的生物力学等。虽然生物医学工程是现代工程科学与生物医学结合的产物,但在三千年前的古埃及时期就有患者接受类似假肢的辅助机械[5]以及生物电源(鱼)的电刺激的记录[6]。生物医学工程的发展实际始于1947年半导体电子元件—硅晶体管的发明,这使得基于晶体管设计的医疗诊断设备体积足够小、能耗足够低,且能够用于临床实践。因此,在1958年,第一个电子起搏器被植入人体。随着科技的不断进步,医疗设备及其系统的开发和操作所需的知识日益复杂,导致生物医学工程成为一个横跨多门学科的科学领域。50年代初,许多国家相继成立了生物医学工程相关的工程师和医师专业组织。1959年在联合国教科文组织的赞助下,国际医学和生物工程联合会(InternationalFederationforMedicalandBiologicalEngineering,IFMBE)在巴黎成立。1963年美国电气电子工程师学会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)成立,之后该协会创立了工程医学和生物学学会。1972年,美国杜克大学第一个开展了获得认可的大学生物医学工程项目[7]。我国的生物医学工程专业建设始于20世纪70年代末,80年代国内成立中国生物医学工程学会。经过几十年的发展,特别是近些年医疗体制改革的不断深入,互联网、人工智能和移动可穿戴医疗设备的快速发展,高科技与生物医学的紧密结合。然而,国内生物医学工程专业培养的人才不能同步社会需求的发展。截止目前,有120多所高校开设生物医学工程专业,20多所高校具备研究生招生资格,其中清华大学、东南大学、浙江大学等高校生物医学工程专业被评为国家重点学科。

2国外生物医学工程专业现况

国外生物医学工程产业起步早、发展快且规模大。以产业为依托,美欧等发达国家的生物医学工程专业在教学目标、教学内容、学位设置等方面形成了较为成熟完整的制度体系,对我国生物医学工程专业进一步发展具有借鉴意义。

2.1教学目标致力于提升学生自主学习、科学研究与实践应用能力。教学目标的设定体现了教学单位的育人理念。约翰•霍普金斯大学(JohnsHopkinsUniversity,JHU)生物医学工程系是JHU医学院最大的临床预备专业。在培养本科生方面,强调能够将传统工程学科和现代生物学的核心知识结合起来,以解决生命系统中遇到的问题。培养学生对学习探索、科学研究、企业家精神和社会发展的热情。具体包括:①充分利用和不断加强工程科学和生物医学的培训,以解决全球范围内,基于道德合理原则的健康和医疗相关问题;②在各自工作的企业、政府、学术界和临床实践相互关联的领域发挥领导作用;③通过继续在研究生或专业学校接受教育或通过高级职业或专业培训机会,达到终身学习。在欧洲,伦敦国王学院(King's或KCL)的生物医学工程专业是欧洲同类型专业的佼佼者,其生物医学工程系在设置培养目标时强调在全球范围进行高质量的多学科研究的能力,重点关注医学领域内问题的解决与生物医学工程技术和信息处理方法学之间的关系。通过技术转化,实现基于特定生理特点的人性化、个性化医疗服务。以JHU和伦敦国王学院为代表的欧美发达国家生物医学工程教育,在教学目标的设置上趋向于使学生获得更广泛的知识,以及掌握进行更高层级学习研究的方法技巧,拥有发现、分析和解决问题的能力,保持对所从事职业的持续热情。而不刻意强调学生应该学习多少专业知识,掌握多少专业技能。

2.2教学内容侧重通识教育,重视跨领域、多学科理论方法的学习。JHU生物医学工程系本科课程设置学科覆盖范围广,重视实践能力培养,具有明显的多学科、跨学科特点。其本科课程包含一系列“未来的生物医学工程师应具备的核心知识”。核心课程包括分子和细胞生物学,线性系统,生物控制系统,建模和模拟,生物学中的热力学原理以及系统级生物学和生理学的工程分析。在这些核心科目的基础上,每个学生需学习一系列相关的高级工程课程,这些课程需要涉及五个重点领域:即生物系统工程;细胞/组织工程和生物材料;计算生物学;影像;传感器、微系统和仪器仪表。如果想获得学位至少需要获得129学分。课程的设置重点在于让学生能够基于问题进行学习,使学生能够掌握行业需要的技能,以适应迅速变化的生物医学工程行业[8]。伦敦国王学院同样采取学分制,全部课程会分成几个模块,分别在三个学年完成,通常每年会获得总计120学分的模块,每个学分预计耗费10h完成。第三学年在完成必修课程的基础上,额外需要完成≥30学分的选修课程。低年级时主要学习的课程包括计算机编程、数据统计、人体解剖学、生理学等。到高年级时主要学习医学影像、高级力学、机电一体化、工程学、信号与系统等,并参与工学学士研究项目。

2.3学位设置面向社会需求,结合自身优势,灵活设置学位。JHU生物医学工程系根据不同学生的不同需求为本科生设置了理学学士学位(B.S.)、文学学士学位(B.A.)、类似本硕连读的学位(B.S.-M.B.S.)。为研究生设置了生物医学工程硕士学位(M.S.E)、公共卫生硕士学位(PhD)以及双BS/MSE学位。其中理学学士学位是授予准备继续在本领域深造(攻读研究生)或计划进入医学、商业等专科院校的本科生,课程偏向于生物医学工程专业知识。相较于国内生物医学工程专业只设置理学或工学学士学位,JHU设置了文学学士学位(B.A.)。该学位是为希望获得更多教育灵活性和多样性的学生而设计。工程专业课程较少,选修课时间较多,毕业生可从事生物医学工程或其他非工程专业。不同于JHU,伦敦国王学院学位设置的指向性更为明确,其生物医学工程系为本科生设置了生物工程学士学位(BEngHons),研究生设置了医学工程与物理学硕士学位(MScMedicalEngineeringandPhysics)、核医学硕士学位(MScNuclearMedicine)、放射性药物与PET放射化学硕士(MScRadiopharmaceuticsandPETRadiochemistry)学位以及医学影像学硕士(MResMedicalImagingSciences)学位。另外设置了本硕连读的生物医学工程硕士学位(MEng(Hons)。本科生学制为3年,研究生为1年。比较特别的是本硕连读,学制为3+1年,即经过3年学士学位课程后再学习1年,以“拓展生物医学工程知识和经验的能力”[9]。

3我国生物医学工程专业现况

近年来,随着生物医学工程产业的迅猛发展,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。

3.1通识课程比重逐渐增加,课程设置多元化台湾地区较早开设了生物医学工程专业[10]。台湾大学医学工程系本科生课程重视对医学、工程学专业基础知识的同时强调跨学科课程的学习,增加通识课程,以提升学生跨领域整合能力。其课程分为必修课程和选修课程,必修课程分为校共同必修课+通识课(24学分)和系共同必修课(80学分),选修课为系选修课(30学分),共计134学分。主干课程包括微积分、物理学、有机化学、解剖学、材料力学、电路学、细胞与分析生物学、程序语言等[11]。内地高校也意识到学生如果仅掌握专业知识已不能满足社会的需求,所以在课程设置上渐趋多元。东南大学生物工程学院围绕生物医学工程、电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、生物工程主干学科设置了通识基础课、大类学科基础课、专业主干课。其中通识基础课涵盖了人文社科类课程、经济管理类课程、英语类等方面,有较强的灵活性和可选择性。

3.2优化实践教学平台建设,重点提升工程实践能力近些年,内地各大高校更加关注学生工程实践能力的培养,积极构建实践教学体系,打造更高层次的实践教学平台。西安交通大学生物医学工程专业[12]在专业理论授课的同时,注重实践教学体系的构建,强调学分、学时和可选择性,突出综合型、创新型实践教学活动的主导地位,形成了以课内实验、专题实验、综合训练和生产实习4方面为核心的实践教学体系。通过优化教学方案与计划,组织综合实验设计课程,提升实验室功能等级,打造网络化管理平台,切实提高学生科研能力、竞争力和创新创业能力。天津医科大学生物医学工程专业[13]经过不懈的尝试与探索,形成了以提高学生创新创业能力为主体的实践教学体系,包括研究型课程设计、研究型毕业设计(论文)、校企联合培养(产学研)和课外自主科研与合作科研。

3.3大力提倡创新创业注重产学研深度融合创新创业是时代的呼唤。东南大学在培养学生实践能力方面,除了学院的课堂实验外,也开展了大学生科技训练计划(studentresearchtrainingprogram,SRTP)为主的课外研学活动,承办例如亚太医疗设备设计竞赛、大学生生物医学电子创新设计竞赛等赛事,使学生在参赛过程中激发创新思维、拓宽专业视野以及增强团队意识[14]。温州医科大学从课程体系,实践教学等环节紧密贴合“医工融合”,转变教学方式方法,将生物医学产业标准等实用内容融入课堂教学,在岗位、能力及职业成长三个维度上构建人才培养体系。积极与企业、医院合作,通过校企合作培养及合作研发,使学生在实际工作环境中养成创新思维,提高解决实际问题的能力。使企业在与学校的合作中增强产品研发力量,发现、培养后备研发人才[15]。虽然我国生物医学专业取得了长足的发展,但与国外同行仍存在一定差距,不能满足国内社会经济发展对生物医学工程人才的需要。李晓寒[4]认为,其不足主要表现在几个方面:①学科平衡发展方面。引进吸收多,创新性成果少,基础性应用性研究不足;②学科建设发展方面。主要集中在信息技术性方面,对生物材料、器械型学科关注不够;③学科职称方面。理工类院校学科门类较为齐全、工程类学科师资科研实力较强,实践教学平台完善,但缺乏生物医学方面的知识支持,在解决临床实际问题时,能力尚有欠缺。但医学院校的工程科学基础薄弱,虽然容易发现理解临床实际问题,却很难处理解决;④师资力量方面。我国高校既能掌握工程科学知识,又熟悉生物医学,还能将工程技术与生物医学紧密结合的复合型人才比较缺乏;⑤课程设计方面。由于师资的问题,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。

4生物医学工程专业教学展望

4.1把握行业产业需求优化实践教学内容国外生物医学课程存在多元化、个性化及职业化的设置倾向,通识与人文社科类课程比重较高,重视学生综合素质的培养,为接下来继续深造或者入职打下良好基础。国内的课程设置更多的体现专业化,职业发展能力和科学研究能力有所欠缺。因此要建立符合专业发展需求、市场需求和学生个性需求的新型课程体系,增加通识课程占比,提高人文社科类课程比例,提升专业基础、主干课程的涵盖范围,开设经管类课程,为学生能够从事产品研发设计、产品制造、推广销售全流程工作做准备。此外,互联网浪潮正在重塑各个领域的产业形态,将互联网、物联网、大数据、人工智能等方面的知识引入到课程体系中来势在必行。让学生逐渐了解、熟悉、接受互联网思维,改变以往孤立、单一的认知方式,形成多元、协同、互通的思维习惯,以应对生物医学工程领域日益深度交叉融合的发展态势。

4.2转变教学方式方法打造实践教学新模式国外课堂教学方法比较多样,不拘泥于某种特定的形式,目的就是让学生高效的获取相关知识。①课堂教学方面。避免传统填鸭式教学,多采取小组式、导学案等教学模式,引导学生自己探究问题,给学生更多,更自由的思考空间,把教学的重心放到学生身上,让学生真正的参与到课堂教学中来[16];②实习教学方面。要编制实习指导手册,制定实习任务书,重视对实习质量的把控,实现实习全过程质量管理,对实习质量评价的主体不仅仅只包括学校,实习单位也可以参与对实习生的评价;③科研教学方面。应减少简单重复性实验,增加研究性创新性实验,培养学生的创新思维,鼓励引导学生参与教师课题研究与科协科技活动,提供优质学术报告讲座,激发学生科研兴趣,拓宽学术视野。引导学生探索最前沿生物医学工程理论,把握生物医学工程学科发展动向。

4.3推动教学平台建设构建医工结合实践教学体系国外高校生物医学工程在培养计划中普遍涉及与科研院所、企业医院等实践平台进行紧密的合作,旨在使学生能够获得最接近社会需要的能力,提高竞争力。①学校方面,应当根据生物医学工程学科发展趋势,升级换代实验室中的老旧设备,使平台与教学需求相适应,并且能够为学生提供更高等级的实验平台;②医院方面,通过医院临床实践平台,学生不仅可以掌握工程方面的知识,也能了解在学校难以获得临床治疗方面的知识以及提升医疗设备维修、管理、操作等能力[17];③企业方面,企业的生产平台是学生提升工程实践能力的重要平台,通过与企业建立长期合作关系,学生能够不断增强解决生物医学工程产业技术问题的能力,企业也可以在此过程中发现需要的人才,实现学校-企业-学生三方共赢。

4.4重视教师队伍能力建设拓宽教师队伍来源渠道相较于国外教师队伍专业背景的多样化,国内教师队伍专业背景主要集中于生物医学工程专业或相近专业,不能很好的契合生物医学工程多学科、跨专业的学科性质。在教师团队引进的过程中,教师专业背景的多元性、交叉性和融合性是关注的重点,同时了解教师的工作经历、科研能力等因素,着力引进一批既能进行理论教学,又具有工程实践能力的“双师型”教师队伍。在教师团队建设的过程中,要根据学科特点、行业发展、产业需求及科学研究的要求,制定明确的职业发展规划,提升教师团队岗位胜任力。在教师团队评价方面,要以聘任目标为基础,通过中期评价、结果评价、反馈原因等手段,解决出现的问题,提升教师理论教学能力,增强实践教学能力,培养解决复杂工程问题能力,成为学生的楷模[18]。

作者:汪卓赟 陈明壮 查静茹 鲁超 单位:安徽医科

广西植物杂志责任编辑:张雨    阅读:人次