医工融合生物医学工程学案例式教学实践

魏国辉 闵巍巍 李丽萍

山东中医药大学智能与信息工程学院，山东济南 250355

2016 年10 月，“健康中国2030”规划纲要由国务院发布实施，纲要明确指出：“推进健康中国建设，要坚持预防为主，推行健康文明的生活方式，强化早诊断、早治疗、早康复。”[1]“健康中国2030”是行动纲领，指明了未来健康中国的发展方向。在此纲领的指导下，针对医疗卫生相关行业的工程技术人才需求，结合山东中医药大学（以下简称“我校”）医学院校的实际情况，生物医学工程学科研究确立了面向“医工融合”的生物医学工程学科创新人才培养目标[2-3]。

生物医学工程学是一门导论性质的课程[4]，为生物医学工程专业核心课程的学习起到了综述和引导作用，该课程为新生打开了了解生物医学工程的一扇窗户，让同学们领略到生物医学工程专业的概貌，对生物医学工程学科的基础理论和应用研究有一个基本认知，初步建立生物医学工程学科的概念体系，从而培养了兴趣，为后续专业课程的学习奠定了基础。

1 生物医学工程学教学改革必要性分析

2016 年，在全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记提出：“要用好课堂教学这个主渠道，提升思想政治教育亲和力和针对性，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”[5]因此，将思政元素融入生物医学工程学课程的教学过程势在必行，让新生在领会专业知识的同时，着重培养学生的科研创新能力和素养，大力弘扬中国传统文化和“工匠精神”，培养学生的民族自豪感，树立建设科技强国的理想与信念。

生物医学工程学是融合生物医学和现代工程技术的新方法、新技术，是研究运用工程技术手段解决临床中的实际问题的交叉学科[6]。医学影像设备、生物医学光子学、智能医疗仪器、生物力学、健康大数据等将成为“健康中国2030”发展的重要领域，而这些都属于同一个学科：生物医学工程学。生物医学工程学研究运用自然科学和现代工程技术的原理和方法探索人体结构、功能和各种生命现象，服务于医学临床决策。因此，生物医学工程学专业教育的研究与改革对我国卫生与健康领域的发展至关重要。生物医学工程学是导论性质的课程。作为新入学的没有任何专业基础的学生认识该专业的先导课程，生物医学工程学的理论性太强，理解起来太抽象，现存主要问题如下：

1.1 导论课程性质问题

生物医学工程学是对生物医学工程专业的综合介绍，每一章都是生物医学工程的一个学科的浓缩，在短短两节课的时间里将一个学科的面貌展现在学生面前是非常困难的，而且课程的理论性太强，课程内容难理解，要求学生具有较高的独立思考和解决问题的能力，但是刚入学的新生面临学习角色的转换、学习目标的迷茫等问题，容易损伤学生的学习积极性和主动性，导致教学效果不好。

1.2 课程性质引起的教学方法问题

生物医学工程学是综述性的导论课程，教学模式老旧，由于该课程的理论性太强，现有授课方式主要是填鸭式的理论授课，授课内容宽泛，理论深度不够，这导致了很多学生被动接受老师的授课，而没有调动学生的学习积极性，导致授课效果不佳。

1.3 教学效果评价问题

生物医学工程学作为工科专业强调应用性和实践性，生物医学工程学课程的导引性和指导性特征使得普通工科专业课程教学效果的通用评价标准体系并不适用于评价该课程。

2 生物医学工程学教学改革方案

当前大部分高校的生物医学工程学授课主要以理论授课为主，山东中医药大学课程教学团队在根据该课程的特点研究制订了基于医工融合的案例教学法授课模式[7-8]。在理论讲述的同时，穿插案例，将复杂枯燥对于新生来说不易理解的专业知识，通过案例形象地展现给学生。在2018 年度中华医学会医学教育研究课题的支持下，团队结合自身科研及文献研究，进行案例开发，教学改革实践。从教学方法上，研究基于问题的启发式教学[9]。启发式教学强调学生个性化学习的培养。针对每一次理论授课，设计具体的问题供学生思考和讨论，引导学生自主的查阅、搜集资料解决问题，提高学生自主学习的积极性。因此，生物医学工程学教学改革主要划分为：案例式教学设计、个性化教学设计和教学评价。

2.1 案例式教学设计

2.1.1 课程思政案例式教学设计 生物医学工程学教学团队长期积极主动开展思政教育融入的教学探索，不断深入挖掘导论课程的不同知识单元的课程思政元素，寻找不同知识单元与思政元素的衔接点，建立专业课与思政课的无缝连接[10-11]。经过教学团队3 年的不懈努力，生物医学工程学的课程思政建设工作取得初步成果，课程思政建设不断强化课程的育人功能，推进智育和德育的协同作用，从而培养高素质创新性人才。

生物医学工程学的每一章就是一门生物医学工程的专业课程。每一章的讲解，首先要介绍该专业的发展历史。每个专业的发展历史都包含了几代科学工作者的努力，可以借此弘扬科学家精神，强调了严谨、严肃、严格、严密作风的重要性，培养克服困难、努力攀登、持之以恒的毅力和勇气，养成严谨求实的学术精神。专业发展历史也包含了我国科学家的研究贡献，可以借此展示我国科学家的爱国情怀及建设社会主义的历史使命，激发学生的爱国情怀，培养胸怀祖国、服务人民的爱国主义精神和勇攀高峰、敢为人先的承担创新探索精神。

比如生物医学光子学中的光谱技术在生物医学中的应用章节，可以重点介绍学校承担的国家“973”项目“中药药性理论相关基础问题研究”，该课题获得2019 年国家科学技术进步二等奖，激发学生对学校科研的自豪感，养成严谨求实的科研精神[12]。1 个973 课题通常划分为若干子课题，由多位专家共同完成，启发学生的团队合作和科研协作精神；通过光谱技术可以提取中药的成分信息，培养学生探索中医药未知的好奇心和对教授永攀科研高峰的仰慕之心；直到现在科学家仍在研究该课题，并延伸出若干国家级或省部级小课题，培养学生克服困难、持之以恒的科学研究信念。

2.1.2 生物力学案例式教学设计 生物力学研究生物体中的力学问题，隶属于生物物理学科，是应用力学原理和方法进行定量研究的科学，是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科。课题组结合自身研究成果，开发出中医正骨手法评价教学案例，用以形象的介绍骨的力学性质[13]。该中医正骨手法评价系统可以利用无线传感器采集专家手法操作过程中骨折断端复位的运动数据，描述复位过程的运动轨迹，提取手法操作的运动学特征，以专家正骨操作数据为标准，建立正骨手法标准数据曲线，实现医生正骨手法的客观科学的量化评价，并藉此探讨手法操作的运动规律。利用有限元模型，探讨正骨复位过程的力学效应。

2.1.3 生物医学光子学案例式教学设计 生物医学光子学是运用光子学的理论和方法研究生物医学领域中的科学问题。课题组结合自身研究成果，开发出基于紫外-红外光谱的中药寒热药性识别教学案例，用以形象的介绍紫外红外光谱在生物医学中的应用以及中药寒热药性的智能辨识。国家“973”项目“中药药性理论相关基础问题研究”提出“性-效-物质三元论”假说，指出产生药性的基础是中药物质成分[14-16]。中药紫外红外指纹图谱技术则可以提取中药药物内复杂物质群中的多种化学成分特性。中药指纹图谱已经在中药材真伪鉴别、质量评价等方面进行了大量的研究。

2.1.4 医学影像技术案例式教学设计 医学影像技术分为医学影像成像原理和医学图像后处理。前者指医学影像学图像的成像过程；后者指医学影像的后处理过程。在介绍医学图像处理时，团队将最新的科研成果“基于医学图像检索的肺结节诊断研究”形成案例进行教学。医学图像检索技术可以完成两方面的功能：一方面可以辅助疑似肺结节的良恶性诊断；另一方面可以辅助寻找和疑似肺结节类似的诊断案例供医生诊断参考。案例的讲解能够激发学生学习的兴趣[17]。医学图像检索后，疑似肺肿瘤检索出若干相似的案例[18-19]。

2.2 个性化教学设计

个性化教学是以学生个性为中心的教学方法。个性化教学要求因材施教，提倡教育特色化，发挥学生的主动性和创造性。从教学方法上，启发式教学强调学生个性化学习的培养。生物医学工程学个性化教学研究基于问题的启发式教学[20]。针对每一次理论授课，设计具体的问题供学生思考和讨论，引导学生自主的查阅、搜集资料解决问题，提高学生自主学习的积极性。比如在生物力学案例教学中，可以让学生思考：如何进行骨骼的三维建模，该案例中的应力与应变的关系如何体现？学生可以在课下查阅资料，进行模拟仿真学习。在生物医学信号案例教学中，可以让学生思考：中医脉诊信号如何获取，脉诊信号的辨证分型如何定义？个性化教学可以充分调动学生的主观能动性，并激发学生的学习兴趣和求知欲，达到较好的教学效果。

2.3 教学评价

生物医学工程学课程教学实践部分主要包括理论教学和案例教学，在理论教学完成后，衔接案例教学。案例教学可以将枯燥的理论形象的展现在学生面前。以科研反哺教学，将最新的科研成果介绍给学生，更能够激发学生的学习兴趣。

为了客观地评价本教学团队关于生物医学工程学的教学改革效果，尤其是案例式教学的成效，评估学生的学习效果，需要建立一套科学的教学改革效果评价体系[21]。笔者所在团队将教学效果评价分为两部分：案例式教学评价、个性化教学评价。具体衡量学生的预期教学效果评价详述如下：

2.3.1 案例式教学评价 教学评价是指在整个教学过程中由学生对授课内容及方法进行评价，以提高学生的课堂参与度和思考能力，并及时获取学生关于教学效果的反馈信息，以改进教师的教学方法[22-23]。本评价采用问卷星形式的情景式选择题进行评价。根据案例式教学的特点设计选择题，由学生进行情景评价。本评价也可以通过召开生物医学工程学导论教学座谈会，邀请学生参加，针对相关的案例提出意见及建议。从反馈的意见来看，能够带动学生积极性，评价较高。

2.3.2 个性化教学评价 每一个主题授课完成后，由授课教师为学生布置作业思考题，并要求小组制作PPT在讲台上向全体同学展示作业完成情况。课堂讲述包括学生的思考、作业的完成过程及作业答案等，以便综合评价学生的表达能力、创新思维、研究能力、团队协作能力等个性化能力[24]。

3 结语

针对医疗卫生相关行业的工程技术人才需求，结合我校医学院校的实际情况，生物医学工程专业确立了“医工融合”的生物医学工程创新人才培养目标。创新“医工融合”式的教学体系的基础是生物医学工程专业课程的教学改革，其中导论课程生物医学工程学的教学改革对于引导学生了解专业概貌，激发学生学习兴趣具有重要作用[5]。本课题的研究就是在这样的背景下提出的。

本教学改革方案的研究能够创新医工融合的生物医学工程专业的人才培养模式，通过生动的案例增强新生对所学专业的认识，培养新生的学习兴趣；启发式教学又能兼顾学生的个性化学习的需要，从而促进医教协同的医学教育改革与发展[25]。

本教学改革方案深刻领会国家医教协同推动医学教育改革发展的精神，同时贴合国家人工智能发展计划，紧跟当前“人工智能+医疗”的热潮，通过本课题的研究可以推动人工智能在医学教育中的应用和发展。