新工科背景下生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)科研訓(xùn)練培養(yǎng)體系探索

趙元弟， 朱 丹， 丁明躍， 劉亞豐， 張日欣

（華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)工程系，武漢430074）

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)工程是運(yùn)用工程學(xué)原理和方法來解決生物醫(yī)學(xué)問題、提高人類健康水平的一門綜合性學(xué)科［1］。它將物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)等應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過引入工程學(xué)方法推進(jìn)現(xiàn)代生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)工程學(xué)科的發(fā)展。生物醫(yī)學(xué)的每一次突破，都源于工程技術(shù)的重大創(chuàng)新。隨著各種生物醫(yī)學(xué)研究新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，多種組學(xué)迅猛發(fā)展，腦科學(xué)蓬勃興起，變革性的醫(yī)療技術(shù)層出不窮，進(jìn)而推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)工程的快速發(fā)展［2］。生物醫(yī)學(xué)工程已成為醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的重要引擎，催生出許多新的產(chǎn)業(yè)，從高端醫(yī)療裝備到先進(jìn)醫(yī)學(xué)材料，在創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，也產(chǎn)生了很好社會(huì)效應(yīng)［3］。社會(huì)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才需求日益增長，同時(shí)對(duì)人才質(zhì)量要求也越來越高。

教育部生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出生物醫(yī)學(xué)工程的人才培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生除應(yīng)系統(tǒng)地掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)外，還應(yīng)具有分析和解決復(fù)雜工程問題的綜合能力以及創(chuàng)新精神，將培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力提升到前所未有的高度。為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017 年2 月教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，全力推進(jìn)工程教育中國模式的探索和高等教育強(qiáng)國建設(shè)。在新工科教育背景下，打破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)分工和學(xué)科分類標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)學(xué)科間交叉融合和相互滲透［4］。這對(duì)于本身就具有強(qiáng)交叉特性的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)提出了更新、更高的要求。

科研訓(xùn)練是本科教育中極其重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)［5］，一直將其列為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)集中性實(shí)踐課程，通過科研訓(xùn)練課的實(shí)施，試圖使學(xué)生了解科學(xué)研究的過程和方法，培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)意識(shí)和科研素養(yǎng)，使其掌握從事科學(xué)研究的基本技能，為其今后進(jìn)一步讀研深造或進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界打下基礎(chǔ)。早期的科研訓(xùn)練一般安排大三第一學(xué)期進(jìn)行，時(shí)間為期2 周，為達(dá)到上述教學(xué)目的，自2006 年就開始對(duì)科研訓(xùn)練進(jìn)行不斷的探索與實(shí)踐。新工科教育對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)實(shí)踐技能，更寬廣的知識(shí)面、更高綜合素質(zhì)，更強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，因此科研訓(xùn)練課程的改革亟待進(jìn)一步升級(jí)，教學(xué)模式亟待創(chuàng)新、教學(xué)內(nèi)容亟待優(yōu)化。本文將從科研訓(xùn)練課程設(shè)置出發(fā)，分析其所存在的問題，并就科研訓(xùn)練課程體系探索實(shí)踐及初步成效進(jìn)行闡述。

1 原有科研訓(xùn)練課程設(shè)置及存在主要問題

全球生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期全球經(jīng)濟(jì)增長速度，社會(huì)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)高端創(chuàng)新人才需求巨大［6］，要求也越來越高。因此，對(duì)高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求［7］。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑呈多元化［8］，掌握知識(shí)的速度和容量也遠(yuǎn)超以往，原有的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)科研訓(xùn)練課程體系已不再適應(yīng)新工科的要求，也無法適應(yīng)信息化所帶來的巨大沖擊。

1.1 學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)與社會(huì)需求存在落差

當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出分子影像技術(shù)、納米生物技術(shù)等一大批新技術(shù)與新方法，如沿用傳統(tǒng)課程體系，很難將最新的科技成果融入教學(xué)，專業(yè)知識(shí)前沿性不夠，使得學(xué)生發(fā)展空間受限，畢業(yè)后無法勝任生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)工作。

1.2 教學(xué)形式單調(diào)

現(xiàn)階段實(shí)踐教學(xué)往往是教師在教室講解課件，學(xué)生視聽，而實(shí)踐環(huán)節(jié)由實(shí)驗(yàn)課老師演示與示范，學(xué)生分組根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材亦步亦趨，按圖索驥獲取相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種單一的教學(xué)模式無法實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)獲取，不利于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，難以培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的人才。

1.3 骨干教師參與度不夠

專業(yè)骨干教師大都處于科研第一線，緊跟當(dāng)今科技的發(fā)展，但科研訓(xùn)練課程教學(xué)往往由1 個(gè)老師常年承擔(dān)，采用固有教學(xué)模式，使得其他老師無法深度參與。由于生物醫(yī)學(xué)工程是一個(gè)多學(xué)科、強(qiáng)交叉的學(xué)科，包括生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)信息工程、生物醫(yī)學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)傳感器和醫(yī)學(xué)納米技術(shù)等多個(gè)專業(yè)方向。學(xué)生在科研訓(xùn)練中只會(huì)接觸到1 名任課教師，無法從本專業(yè)眾多不同研究方向的教師處獲得收益和指導(dǎo)，因此科研訓(xùn)練缺乏多樣性和適應(yīng)性，使得培養(yǎng)的人才知識(shí)面較狹隘，缺乏創(chuàng)新思路。另外，各類實(shí)踐教學(xué)之間又人為劃分自成體系，相互之間缺乏聯(lián)系與融合，不利培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，并容易造成更多教育資源的浪費(fèi)。

2 課程體系改革與實(shí)踐

創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，積極實(shí)施教學(xué)改革，突破原有教學(xué)方式［9］。自2006 年以來，就開始針對(duì)科研訓(xùn)練課程的改革嘗試，積極組織本專業(yè)教師進(jìn)行教學(xué)研討，分析早期科研訓(xùn)練課程中存在的問題。近幾年，借新工科教育的改革東風(fēng)，順勢(shì)而為，進(jìn)一步對(duì)科研訓(xùn)練課程體系及教學(xué)模式進(jìn)行深化改革，倡導(dǎo)“以學(xué)生為中心、以興趣為主線、強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)、做到學(xué)以致用”的教學(xué)指導(dǎo)思想，采用學(xué)研結(jié)合的教學(xué)模式［10］，以期在教學(xué)中讓學(xué)生學(xué)習(xí)正確的創(chuàng)新思想、方法和實(shí)現(xiàn)步驟，提高分析和解決問題的能力，滿足新時(shí)期高等教育背景下對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程人才創(chuàng)新研究基本素質(zhì)和基本技能的要求。

2.1 梳理與重構(gòu)課程體系

因課程學(xué)時(shí)有限，為使學(xué)生在各個(gè)環(huán)節(jié)上都得到系統(tǒng)的鍛煉，將授課內(nèi)容濃縮為科研選題、文獻(xiàn)查閱、項(xiàng)目申請(qǐng)、項(xiàng)目實(shí)施、數(shù)據(jù)處理及繪圖、科研成果總結(jié)和成果宣講等多個(gè)不同模塊（見圖1）。

（1）科研選題。學(xué)生通過前面2 年多的學(xué)習(xí)，已修完所有專業(yè)基礎(chǔ)課，此階段正進(jìn)行專業(yè)核心課程學(xué)習(xí)，學(xué)生已對(duì)本專業(yè)各方向有了初步了解，對(duì)自己的興趣方向也有一定判斷。此模塊工作是如何進(jìn)一步挖掘他們的興趣點(diǎn)，使他們了解本專業(yè)各課題組教師研究方向及成果，并將自己的興趣與教師研究方向結(jié)合。

圖1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)科研訓(xùn)練培養(yǎng)體系

（2）文獻(xiàn)查閱。對(duì)于科研工作的新兵，強(qiáng)調(diào)從中文文獻(xiàn)開始入手，先熟悉相關(guān)的專業(yè)詞匯，此模塊工作主要介紹如何利用中國知網(wǎng)、超星圖書館和維普數(shù)據(jù)庫等查閱中文文獻(xiàn)（期刊／圖書／學(xué)位論文），如何利用科學(xué)引文索引（Science Citation Index）搜索英文文獻(xiàn)，如何在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局等網(wǎng)站查詢專利，同時(shí)介紹一些基本知識(shí)如他引、影響因子和H指數(shù)等。

（3）項(xiàng)目申請(qǐng)。主要介紹如何基于查閱的文獻(xiàn)凝練出科學(xué)問題，撰寫一份合格的項(xiàng)目申請(qǐng)書。以我校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書為模板，介紹立項(xiàng)依據(jù)、研究內(nèi)容、創(chuàng)新點(diǎn)、擬解決關(guān)鍵問題等的撰寫策略，以及預(yù)算編制等相關(guān)注意事項(xiàng)。

（4）項(xiàng)目實(shí)施。結(jié)合選題，將教學(xué)計(jì)劃中的其他實(shí)踐環(huán)節(jié)納入課程項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容，如課程設(shè)計(jì)、各級(jí)各類比賽項(xiàng)目等。其中課程設(shè)計(jì)為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生必修的實(shí)踐環(huán)節(jié)，因此可以作為兜底實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容，讓科研訓(xùn)練有血有肉、落到實(shí)處；在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)同學(xué)積極參加各級(jí)各類比賽，比賽的內(nèi)容納入科研訓(xùn)練，若取得名次，還可記入相應(yīng)學(xué)分，從而對(duì)學(xué)生產(chǎn)生極大的興趣和吸引力，激發(fā)其內(nèi)生動(dòng)力。

（5）數(shù)據(jù)處理及繪圖。生物醫(yī)學(xué)工程包括眾多方向，此部分主要介紹一些共性的典型數(shù)據(jù)處理方式，如利用軟件Origin 繪圖及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用軟件CorelDraw、Photoshop、3DsMax、Flash 等繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)式、流程圖和示意圖等。

（6）科研成果總結(jié)。介紹撰寫學(xué)術(shù)論文的一些基本常識(shí)，如背景、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果討論與總結(jié)的基本寫法，論文作者的排序規(guī)則、通訊作者的含義等，同時(shí)也介紹專利撰寫和申請(qǐng)的一些注意事項(xiàng)，如申請(qǐng)日、專利保護(hù)范圍的界定等。

（7）成果宣講。主要介紹如何使用PPT 做科研報(bào)告，包括報(bào)告的前期準(zhǔn)備，PPT的模板、結(jié)構(gòu)、配色和視覺效果，報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)注意事項(xiàng)等，最后通過一個(gè)實(shí)戰(zhàn)PPT的講解來介紹新人常犯的錯(cuò)誤。

2.2 鼓勵(lì)骨干教師深度參與

科研不僅是探索未知世界的活動(dòng)形式，更是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基本手段［11］，特別是在人才培養(yǎng)過程中，將教學(xué)與科研融合可以更有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新意識(shí)［12］。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教師的科研主要集中在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、納米醫(yī)藥技術(shù)與生物材料、生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)儀器4 個(gè)研究方向［13］，如何吸引各方向具有豐富科研閱歷的教師參與科研訓(xùn)練課程教學(xué)，使其成為教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，把科研或工程成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，吸引學(xué)生結(jié)合教師科研工作開展科研訓(xùn)練，成為提升科研訓(xùn)練多樣性的關(guān)鍵。為此，從學(xué)生和教師兩方面著手推動(dòng)。

學(xué)生在其科研選題時(shí)即開始強(qiáng)調(diào)，挖掘出自己興趣點(diǎn)后通過學(xué)院網(wǎng)站了解本專業(yè)教師科研方向，尋找契合度高的教師，主動(dòng)聯(lián)系主動(dòng)上門，老師往往樂意接受主動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)生。教師，一方面在教學(xué)計(jì)劃中打通科研訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程，學(xué)生選題后各實(shí)踐課程都可持續(xù)在同一老師指導(dǎo)下進(jìn)行，保證學(xué)生選題的研究深度，避免學(xué)生蜻蜓點(diǎn)水般在老師實(shí)驗(yàn)室短期訓(xùn)練；另一方面，積極向教師宣傳，強(qiáng)調(diào)利用科研訓(xùn)練時(shí)機(jī)可考查學(xué)生科研潛力，可使學(xué)生深度了解自己研究方向，有助于學(xué)生今后保研考研留在自己實(shí)驗(yàn)室，有利于提高實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)生源的比例，廣撒網(wǎng)、多斂魚、擇優(yōu)而從之。通過上述兩方面的工作，促使學(xué)生和教師的雙贏，為提升科研訓(xùn)練課程教學(xué)效果提供了堅(jiān)實(shí)保證。

2.3 實(shí)施全過程定制化指導(dǎo)與管理

任課教師首先要對(duì)自己的角色進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從課程的主角逐步過渡為配角，讓學(xué)生成為教學(xué)過程中的主角，給學(xué)生更多自由選擇機(jī)會(huì)、更大思維空間、更寬活動(dòng)范圍，更多層次交流機(jī)會(huì)，任課教師成為學(xué)生的引導(dǎo)者和服務(wù)者，更多提供咨詢和建議。具體做法是，任課教師介紹完科研主要環(huán)節(jié)后，便從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)轳雎犝呋蛴^察者，學(xué)生開始自己創(chuàng)新實(shí)踐過程，從聆聽者變?yōu)樽约嚎蒲械闹鲗?dǎo)者，根據(jù)自己的興趣、愛好自主選題，走進(jìn)不同方向的實(shí)驗(yàn)室，接觸真正的科研項(xiàng)目，在確定指導(dǎo)教師后學(xué)生通過自己的努力實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，這樣便有了主動(dòng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

興趣是人才成長最大內(nèi)生動(dòng)力，從內(nèi)因出發(fā)將學(xué)生興趣、特長及需求作為重要因素來加以引導(dǎo)，就能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；科研不僅是人才培養(yǎng)的基本手段，也是激勵(lì)學(xué)生保持探究熱情的外部驅(qū)動(dòng)力［14］。學(xué)生在整個(gè)科研訓(xùn)練實(shí)踐過程中保持主動(dòng)性：主動(dòng)查資料、主動(dòng)設(shè)計(jì)、主動(dòng)向指導(dǎo)老師尋求幫助等，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生興趣，將學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。指導(dǎo)教師在教學(xué)中則將科研方法、思路融于其中，將學(xué)生選題涉及的基本原理與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)關(guān)聯(lián)起來，使學(xué)生自己通過調(diào)研結(jié)合實(shí)驗(yàn)完成選題，讓學(xué)生在科研中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力，在與指導(dǎo)教師、研究生以及其他本科生交流與合作中培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神［15］。同時(shí)，課程采用開放式教學(xué)管理方式，每個(gè)學(xué)生選題確定后自主安排進(jìn)程和方式，提出科研訓(xùn)練計(jì)劃，原則上2 周內(nèi)完成項(xiàng)目申請(qǐng)書的撰寫任務(wù)，項(xiàng)目實(shí)施可根據(jù)選題目標(biāo)在該學(xué)期期末前完成均可，這樣有利于學(xué)生充分利用課余時(shí)間進(jìn)行科研訓(xùn)練。指導(dǎo)教師會(huì)定期與學(xué)生檢查、答疑，指導(dǎo)和督促學(xué)生完成相應(yīng)進(jìn)度要求，體現(xiàn)1 人1 方案的定制化教學(xué)。

2.4 完善課程考核方式

為提高科研訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量，對(duì)課程考核方式相應(yīng)改革也勢(shì)在必行，將該課程考核內(nèi)容設(shè)置兩部分，第1部分是每位學(xué)生與其指導(dǎo)教師協(xié)商后，根據(jù)選題獨(dú)立撰寫一份大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書；第2 部分是訓(xùn)練完成后，學(xué)生要制作一份PPT 進(jìn)行展示匯報(bào)，指導(dǎo)教師對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行考核評(píng)定。

2.5 鼓勵(lì)實(shí)踐

科研能力的培養(yǎng)如果只是“天橋的把式——光說不練”是不行。只有讓學(xué)生在結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目進(jìn)行鍛煉，才能真正體會(huì)其中的感受，領(lǐng)會(huì)具體設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，最終才能夠真正有所收獲，達(dá)到提升學(xué)生科研動(dòng)手能力的目的［16］。因此，在該課程的改革實(shí)踐中，積極鼓勵(lì)學(xué)生在走進(jìn)老師科研實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，積極支持他們以申請(qǐng)和完成大創(chuàng)項(xiàng)目、參加各級(jí)各類競(jìng)賽等多種形式進(jìn)行實(shí)踐，把單純的課程報(bào)告變成了真刀真槍的實(shí)干。

3 結(jié) 語

科研訓(xùn)練是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中極其重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在新工科背景下更顯重要和需要加強(qiáng)。通過改革優(yōu)化課程培養(yǎng)體系，讓學(xué)生在科研訓(xùn)練中領(lǐng)悟到創(chuàng)新的思維、科研的方法，結(jié)合大創(chuàng)項(xiàng)目、競(jìng)賽項(xiàng)目等具體實(shí)施，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，真正做到學(xué)以致用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過本課程改革實(shí)踐，學(xué)生參加各類創(chuàng)新活動(dòng)的積極性高漲，學(xué)生作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人年均獲國家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目30 余項(xiàng)、省級(jí)校級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目40 余項(xiàng)、院級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目70 余項(xiàng)，參與一線科技創(chuàng)新訓(xùn)練比例達(dá)到95%，同時(shí)學(xué)生還在iGEM 國際遺傳工程機(jī)器設(shè)計(jì)大賽、BIOMOD 國際生物分子設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽、全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽和全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽等各類學(xué)科競(jìng)賽中獲得多項(xiàng)佳績，為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。