生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的建設(shè)和教學(xué)探索

高宏建，白燕萍，王笑茹，吳水才

（北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124）

0 引言

隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的迅速發(fā)展，醫(yī)學(xué)儀器相關(guān)的應(yīng)用型和研究型人才的需求日益增加，因此高等院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)基本上都開(kāi)設(shè)了特色的專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程來(lái)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的內(nèi)容主要包括醫(yī)學(xué)儀器的使用、醫(yī)學(xué)信號(hào)的分析和處理以及醫(yī)學(xué)程序的理解和掌握。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)中，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)了醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的基本理論，但缺乏對(duì)醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)信號(hào)的動(dòng)手操作和處理能力。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)踐訓(xùn)練是本科階段最重要的課程之一，目前已成為塑造生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。因此，專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的建設(shè)勢(shì)在必行。

基于社會(huì)需求和學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程，該課程為實(shí)踐環(huán)節(jié)必修課，設(shè)置在大學(xué)四年級(jí)的第一學(xué)期，共計(jì)60學(xué)時(shí)。專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號(hào)和醫(yī)學(xué)程序的直觀理解和操作能力，為學(xué)生構(gòu)建合理的知識(shí)平臺(tái)。

1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程教學(xué)現(xiàn)狀

在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)中，國(guó)內(nèi)外大學(xué)存在一定的差異。美國(guó)大學(xué)為了突出特定研究領(lǐng)域的專項(xiàng)訓(xùn)練，一般將專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練結(jié)合到一些課程的課程設(shè)計(jì)中[3]。在國(guó)內(nèi)大學(xué)的教學(xué)中，通常單獨(dú)設(shè)置醫(yī)學(xué)儀器綜合訓(xùn)練的相關(guān)課程。西南醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息和工程學(xué)院采用面向應(yīng)用和研究的臨床儀器、探索學(xué)生動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣的形成性評(píng)價(jià)考核方式，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)參與和自主學(xué)習(xí)的能力[1]。陸軍軍醫(yī)大學(xué)（原第三軍醫(yī)大學(xué)）科研部生物醫(yī)學(xué)分析測(cè)試中心結(jié)合當(dāng)前研究的前沿和熱點(diǎn)，采用經(jīng)驗(yàn)教師授課-學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作模式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維[4]?？哲娷娽t(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系（原第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院）基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的需求，提出了細(xì)分教學(xué)內(nèi)容、引入示教儀器和設(shè)計(jì)綜合性試驗(yàn)的教學(xué)方式，培養(yǎng)適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的人才[5]。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系緊跟學(xué)科前沿和專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，更新教學(xué)內(nèi)容、建設(shè)立體化教學(xué)資源和創(chuàng)新性支撐平臺(tái)，主攻基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性、趣味性和研究性，并通過(guò)臨床醫(yī)院實(shí)習(xí)，形成了特色的專業(yè)綜合訓(xùn)練教學(xué)體系[3]。長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系采用研究性教學(xué)和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室模式，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和團(tuán)隊(duì)精神，鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)[6]。上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院針對(duì)學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力較弱的缺點(diǎn)，實(shí)行實(shí)踐性教學(xué)，通過(guò)加強(qiáng)院企合作和實(shí)踐基地建設(shè)來(lái)提高學(xué)生的醫(yī)療器械操作水平[7]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)情況，如何培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力，如何使專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容面向臨床和社會(huì)應(yīng)用，如何在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維成為該課程的關(guān)鍵所在[8-10]。針對(duì)專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的開(kāi)展現(xiàn)狀并結(jié)合我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特色，建立了醫(yī)學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)教學(xué)平臺(tái)來(lái)開(kāi)展專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)工作。

2 專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和實(shí)踐

教學(xué)平臺(tái)是專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程順利開(kāi)展的基礎(chǔ)保障。為了有效地加強(qiáng)本專業(yè)學(xué)生的綜合性實(shí)踐能力，建設(shè)了3個(gè)創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)。在基于專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在動(dòng)手能力較差的問(wèn)題。如何提高學(xué)生實(shí)踐與理論相結(jié)合的能力，深化學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號(hào)和醫(yī)學(xué)程序的理解和認(rèn)識(shí)是專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練教學(xué)的重中之重。

2.1 醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)的建設(shè)和教學(xué)探索

基于醫(yī)學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，建立了醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)，以便使學(xué)生能夠掌握臨床醫(yī)學(xué)儀器的基本原理，熟練地操作和使用常見(jiàn)的臨床醫(yī)學(xué)診斷和治療類儀器，了解醫(yī)學(xué)儀器的維修和維護(hù)。醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)包括MRI教學(xué)成像儀JXMRI-Ⅱ、醫(yī)學(xué)歸檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS）、心功能血流參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀TPCBS-Ⅱ、彩色多普勒超聲診斷儀SSI-3000、心電分析系統(tǒng)MedEx、腦電檢測(cè)分析系統(tǒng)NT9200、高頻電刀B-15、經(jīng)顱多普勒TCD-2000、全數(shù)字超聲實(shí)訓(xùn)儀PY-2000、微波熱消融儀MTC-3C等。

基于醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)的教學(xué)主要采取專項(xiàng)實(shí)訓(xùn)和小組合作的實(shí)踐方式。為了使學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)各種醫(yī)學(xué)儀器，教師應(yīng)適當(dāng)講授醫(yī)學(xué)儀器的基本工作原理，例如，MRI的成像原理、PACS的工作流程等，由此可使學(xué)生在后續(xù)操作中有的放矢。在醫(yī)學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)中，采用專項(xiàng)實(shí)訓(xùn)的方式，針對(duì)專業(yè)特色設(shè)置了8個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以供學(xué)生輪流進(jìn)行專項(xiàng)實(shí)踐，具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和要求見(jiàn)表1。研究表明，小組合作學(xué)習(xí)方式通常有助于學(xué)生獲得團(tuán)隊(duì)管理、交流和表達(dá)方面的社會(huì)和專業(yè)技能[11]。因此，為了鍛煉學(xué)生的分組合作和協(xié)作能力，提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，每3人組成實(shí)驗(yàn)小組。分組合作的醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景如圖1所示。為了培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的研究型人才，在完成教學(xué)實(shí)訓(xùn)的同時(shí)，支持學(xué)生在該平臺(tái)上進(jìn)行科學(xué)研究，發(fā)表相關(guān)科技論文[12]。

表1 基于醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)的專項(xiàng)實(shí)踐

2.2 醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的建設(shè)和教學(xué)探索

醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)主要由基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)和編程工具構(gòu)成，其中基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)包括MIT心電數(shù)據(jù)庫(kù)、MRI原始K空間信號(hào)、醫(yī)學(xué)斷層圖像（CT、MRI圖像）等；編程工具包括 VC++、MATLAB等。通過(guò)醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的實(shí)踐，可以大大地提高學(xué)生的編程能力，同時(shí)使學(xué)生能夠更好地理解、分析和處理醫(yī)學(xué)信號(hào)，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)實(shí)踐基礎(chǔ)教學(xué)理論，鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)具有非常重要的意義[13]。

醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的教學(xué)主要采取專題訓(xùn)練、循序漸進(jìn)和課程設(shè)計(jì)的方式。在醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域中，醫(yī)學(xué)信號(hào)的計(jì)算機(jī)輔助診斷仍是研究的熱點(diǎn)[14-16]?；谏鐣?huì)需求，開(kāi)展了心電信號(hào)自動(dòng)分析診斷系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。首先，教師適當(dāng)講授醫(yī)學(xué)信號(hào)的基本特征和處理算法；為了解決學(xué)生無(wú)從下手的難題，采用專題訓(xùn)練的方式，層層推進(jìn)，輔助學(xué)生建立VC++工程，讀取和瀏覽心電信號(hào)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的心電信號(hào)處理算法（例如高通濾波、低通濾波等），專題訓(xùn)練項(xiàng)目見(jiàn)表2；在專題訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進(jìn)行綜合課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生從MIT數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取心電信號(hào)，提取特征參數(shù)，同時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析和診斷，并要求學(xué)生撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，詳細(xì)介紹程序流程圖和具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及課程設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題。通過(guò)醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的訓(xùn)練，學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握醫(yī)學(xué)信號(hào)處理和分析理論，并能夠較大地提高編程能力和動(dòng)手能力。

表2 基于醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的專題訓(xùn)練

2.3 醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)的建設(shè)和教學(xué)探索

在一些醫(yī)學(xué)程序中，學(xué)生無(wú)法獲得實(shí)際的中間過(guò)程，從而不能徹底地掌握醫(yī)學(xué)程序的進(jìn)展和細(xì)節(jié)。例如，熱消融已成為治療肝腫瘤的綠色療法，但熱消融過(guò)程中的腫瘤形態(tài)和真實(shí)消融效果無(wú)法直接獲悉。因此，建設(shè)了醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)，該平臺(tái)主要由臨床醫(yī)學(xué)圖像，三維可視化軟件Amira和有限元仿真軟件Comsol、Ansys構(gòu)成。通過(guò)醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)，學(xué)生能夠掌握模擬仿真軟件的使用，并可通過(guò)仿真獲得每個(gè)醫(yī)學(xué)程序的具體實(shí)施狀態(tài)。

在醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)上，針對(duì)目前圖像處理和熱消融領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)開(kāi)展教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包括肝腫瘤和血管的三維模擬和量化、熱消融溫度場(chǎng)仿真以及熱消融手術(shù)的效果評(píng)估等。具體教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目見(jiàn)表3。通過(guò)適當(dāng)講授、講義成冊(cè)和專題實(shí)訓(xùn)，可培養(yǎng)面向?qū)嶋H臨床應(yīng)用的專業(yè)工程人才。

表3 基于醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐

2.4 以過(guò)程評(píng)價(jià)為中心的考核方式

在教學(xué)考核中，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和積極動(dòng)手的興趣，采用過(guò)程評(píng)價(jià)考核方式。專題訓(xùn)練完成后，綜合學(xué)生每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的具體表現(xiàn)來(lái)給定成績(jī)。在醫(yī)學(xué)儀器操作平臺(tái)的考核中，基于學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)儀器的掌握情況和實(shí)際動(dòng)手能力給定成績(jī)；在醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)中，基于每個(gè)專題的編程情況以及課程設(shè)計(jì)的綜合分析情況給定成績(jī)；在醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺(tái)的考核中，根據(jù)學(xué)生對(duì)每個(gè)醫(yī)學(xué)程序的掌握情況以及最終仿真結(jié)果的細(xì)節(jié)給定成績(jī)。課程考核成績(jī)最終基于學(xué)生出勤情況（20%）、課堂表現(xiàn)（40%）以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析報(bào)告（40%）等方面來(lái)綜合評(píng)定。

2.5 專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)積累和平臺(tái)完善，專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)獲得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的教學(xué)和實(shí)踐，普遍認(rèn)識(shí)到操作技能和創(chuàng)新意識(shí)的重要性，從而由被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。表4列出了近3 a的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生教學(xué)成績(jī)。從該表可以看出，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高，學(xué)生平均成績(jī)的優(yōu)秀比率逐年上升。

表4 近3 a專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的專項(xiàng)實(shí)踐，學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)得到顯著改善。首先，學(xué)生可在該平臺(tái)上進(jìn)行星火基金的研究以鍛煉自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力；其次在就業(yè)方面，學(xué)院的本科生越來(lái)越受到用人單位的歡迎，近年來(lái)不少學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入三甲醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科從事醫(yī)學(xué)儀器操作和醫(yī)學(xué)過(guò)程仿真（心臟的三維建模等）工作，得到用人單位的高度認(rèn)可；另外在繼續(xù)教育方面，有些學(xué)生直接考取研究生，從事圖像處理和熱消融手術(shù)計(jì)劃方面的研究，研究生導(dǎo)師普遍反映，學(xué)生能迅速地進(jìn)入課題研究。總之，專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)為學(xué)生奠定了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練平臺(tái)的建設(shè)和專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的專項(xiàng)實(shí)踐，不僅使學(xué)生熟悉了臨床醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理算法和臨床醫(yī)學(xué)程序的基本原理和操作方法，還使學(xué)生掌握了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必需的編程工具和模擬仿真工具。在專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)貼近日常生活應(yīng)用的醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)程序較為感興趣，如血壓計(jì)、生理參數(shù)采集儀等，因此使課程教學(xué)與學(xué)生的實(shí)際情況相結(jié)合能夠進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐操作的積極性和能動(dòng)性。在后續(xù)教學(xué)中，需加強(qiáng)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)以提高學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，由此進(jìn)一步改善實(shí)踐教學(xué)的效果。專業(yè)實(shí)踐綜合訓(xùn)練的教學(xué)探索是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，教學(xué)內(nèi)容和考核方式仍需不斷改進(jìn)，以便更好地培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的復(fù)合型人才。