關(guān)雪梅，盧敬，陳瑞娟，王瑤，田磊，鄭羽，陳純鍇

（天津工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，工程教育模式的不斷優(yōu)化，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念深入人心，國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育正經(jīng)歷著深刻的變化，課程設(shè)置也趨于多元化，存在的一些問題主要表現(xiàn)在：（1）基礎(chǔ)性、應(yīng)用性研究不足，培養(yǎng)體系不能切合就業(yè)崗位能力素質(zhì)需要和學(xué)科特點(diǎn)，課程缺乏交叉性，實(shí)踐課程較少.（2）實(shí)踐教學(xué)體系不清晰，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性，教學(xué)形式簡單，在實(shí)踐教學(xué)設(shè)置與人才培養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合方面不夠，存在重理論、輕實(shí)踐，重知識、輕能力的現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致學(xué)生的理論知識與實(shí)踐脫節(jié)[1-5].（3）在對生物醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)實(shí)踐的認(rèn)識和分配上也有不足，由于對教學(xué)目的認(rèn)識缺乏，實(shí)踐項(xiàng)目很多來自理論課，而來自實(shí)際工程項(xiàng)目的很少，與實(shí)際需求脫節(jié)；開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程中既有電子信息類也有生物醫(yī)學(xué)方面的，但電子信息類的實(shí)踐項(xiàng)目偏多，比例不符合培養(yǎng)方案.天津工業(yè)大學(xué)設(shè)置了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，該專業(yè)是以生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)工程為基礎(chǔ)，結(jié)合電子信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)等工程應(yīng)用進(jìn)行前沿學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究.在實(shí)踐教學(xué)方面經(jīng)過多年的探索，取得了一些成績[6-10].

1 基于能力培養(yǎng)的分層次實(shí)踐教學(xué)體系

1.1 實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

按照生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)方案以及學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，建立了以能力培養(yǎng)為主線的實(shí)踐教學(xué)體系.其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)電子信息和生物醫(yī)學(xué)基本理論進(jìn)行驗(yàn)證，而綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)所學(xué)多門實(shí)驗(yàn)課程，在掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真及數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)及圖表給出結(jié)論.如電路理論實(shí)驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)、傳感器與醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)成像新技術(shù)等，通過硬件實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過儀器觀察波形；通過虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握電路及波形的綜合分析方法.通過EDA 及FPGA 知識，采用VHDL 語言編寫程序，設(shè)計(jì)出邏輯電路和時(shí)序電路，進(jìn)行邏輯仿真和功能仿真，增強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)踐能力.大力支持學(xué)生參與國家大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、生物醫(yī)學(xué)電子大賽、TI 杯天津市電子設(shè)計(jì)競賽、數(shù)學(xué)建模競賽及校級科技創(chuàng)新活動.大學(xué)一年級開設(shè)專業(yè)認(rèn)證和前沿知識講座，提高科學(xué)研究興趣；二年級通過大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等活動，初步培養(yǎng)創(chuàng)新能力；三年級通過參與“挑戰(zhàn)杯”等活動，提升創(chuàng)新能力；四年級通過參與“全國電子設(shè)計(jì)競賽”及畢業(yè)論文或設(shè)計(jì)，強(qiáng)化實(shí)踐能力，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)見圖1[11-15].

圖1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系

通過對實(shí)踐教學(xué)體系的優(yōu)化，同時(shí)加大力度創(chuàng)建專業(yè)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)系列新實(shí)驗(yàn)并完成了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫工作，將實(shí)踐教學(xué)延伸到大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃、生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)計(jì)競賽及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐活動中，形成完整、層次清晰的實(shí)踐教學(xué)體系.

1.2 進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

實(shí)驗(yàn)平臺面向工程需求，不斷引進(jìn)具有工程應(yīng)用背景的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，創(chuàng)建了生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生理學(xué)、傳感器與醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)成像新技術(shù)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室.通過實(shí)驗(yàn)室硬件及軟件建設(shè)，實(shí)驗(yàn)平臺條件極大改善.按照培養(yǎng)方案設(shè)定培養(yǎng)目標(biāo)，完成了基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)過程見圖2.其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺主要是完成一個課程基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證；綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺主要是以信號處理為算法，ARM 為開發(fā)工具，醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)為方法，多門課程綜合起來完成設(shè)計(jì)到仿真的實(shí)驗(yàn)過程；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺提供科研條件，指導(dǎo)大學(xué)生參與電子競賽、參加教師科研項(xiàng)目、大創(chuàng)項(xiàng)目等.

圖2 進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)平臺

進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)過程符合人才培養(yǎng)的一般規(guī)律，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng).如在醫(yī)學(xué)信號處理課程完成了自適應(yīng)濾波器驗(yàn)證，在ARM 課程中編寫信號處理算法來實(shí)現(xiàn)濾波，在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于ARM 的心電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在生物醫(yī)學(xué)工程專題實(shí)踐環(huán)節(jié)完成智能可穿戴電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).這些舉措既是教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)，又是科研成果的積累.增強(qiáng)了學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，激發(fā)了科研興趣.

2 實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新方法

2.1 虛擬仿真教學(xué)方法

按照“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的理念，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為平臺，結(jié)合線上討論和線下交流的教學(xué)方法，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化條件下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到了“虛實(shí)互補(bǔ)”“資源共享”的效果，為本專業(yè)交叉人才實(shí)踐能力培養(yǎng)提供了保障.

為全面提高學(xué)生的操作能力、思維能力、舉一反三等能力，開發(fā)了“生物醫(yī)學(xué)工程虛擬實(shí)驗(yàn)”“智能服裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“機(jī)織物組織識別方法”等項(xiàng)目.利用虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)手段，提升核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為可穿戴技術(shù)在紡織品服裝上的實(shí)現(xiàn)提供了一個虛擬實(shí)踐環(huán)境.采用多維度、多環(huán)節(jié)的考核評價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)全過程的評價(jià).教學(xué)上包含課前、課中、課后和實(shí)踐各個環(huán)節(jié)的內(nèi)容，記錄學(xué)生的儀器操作信息，學(xué)生在操作過程中通過自己的判斷可以看到錯誤和問題，實(shí)驗(yàn)完成后可自動生成成績，達(dá)到實(shí)時(shí)交互反饋的效果；學(xué)生成績包括課前預(yù)習(xí)、實(shí)際操作、參觀學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4 個部分，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)能力綜合判斷的評價(jià)機(jī)制，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提升教學(xué)質(zhì)量.

2.2 教師科研與學(xué)生實(shí)踐結(jié)合

實(shí)踐教學(xué)涵蓋了課程實(shí)驗(yàn)、專題實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等.近年來，在科研課題的研究和實(shí)施過程中，根據(jù)學(xué)生的知識面和接受能力，先后有多個科研項(xiàng)目研究內(nèi)容降低難度后被轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容.將科研項(xiàng)目中難度較低，與教學(xué)知識點(diǎn)相關(guān)的項(xiàng)目內(nèi)容提煉出來，讓學(xué)生參與解決，就會讓學(xué)生對這門課程有新的認(rèn)識.課后利用網(wǎng)絡(luò)資源，尤其是圖書館的電子數(shù)據(jù)庫資源對課題進(jìn)行研究.一方面，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解和進(jìn)行綜合運(yùn)用的能力，提高學(xué)習(xí)效果；另一方面，可讓學(xué)生獲得科研經(jīng)歷，為以后的工作和進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ).

2.3 校企合作

目前，全國在大力推廣本科生的實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)，保證學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐時(shí)間和內(nèi)容，盡量縮短高校與企業(yè)之間的人才需求間隙.在這個大背景下，學(xué)校、學(xué)院各層面均有保障本科生實(shí)習(xí)實(shí)踐的措施，并大力鼓勵系部組織和發(fā)展本科生實(shí)習(xí)實(shí)踐內(nèi)容.目前，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)已發(fā)展3 個長期穩(wěn)定的實(shí)習(xí)實(shí)踐基地，并簽署相關(guān)實(shí)習(xí)實(shí)踐協(xié)議.其中，與天津怡和嘉業(yè)醫(yī)療科技有限公司多次合作，已邀請企業(yè)工程師在2018年分別為醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)、醫(yī)療儀器概論與法規(guī)等實(shí)操性很強(qiáng)的課程進(jìn)行講座，得到學(xué)生的好評；并由公司贊助，帶領(lǐng)2017，2018 級生物醫(yī)學(xué)全體學(xué)生進(jìn)行參觀實(shí)踐，已簽署協(xié)議，公司為2017 級生物醫(yī)學(xué)畢業(yè)生提供實(shí)習(xí)崗位十余個，并贊助全體學(xué)生實(shí)習(xí)、培訓(xùn)24 個學(xué)時(shí).與天津南開醫(yī)院簽署學(xué)生實(shí)習(xí)協(xié)議，將2017 級生物醫(yī)學(xué)本科畢業(yè)生8 人一組，每組1 天，在南開醫(yī)院進(jìn)行醫(yī)院參觀、科室介紹、大型儀器參觀講解、醫(yī)院財(cái)務(wù)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)介紹、醫(yī)學(xué)電子儀器拆解維修等實(shí)習(xí)實(shí)踐活動，這些實(shí)習(xí)實(shí)踐活動對提高學(xué)生的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力都具有重要的意義.

3 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施與效果

針對天津工業(yè)大學(xué)特點(diǎn)，提出以生物醫(yī)學(xué)信號檢測與儀器為核心的課題群，優(yōu)化了培養(yǎng)方案及課程體系；實(shí)踐平臺的建設(shè)為培養(yǎng)應(yīng)用型人才，提高學(xué)生動手能力提供了基礎(chǔ).針對本課題的目標(biāo)，大力開展實(shí)踐教學(xué)方法改革，不斷增大與紡織學(xué)科、企業(yè)與醫(yī)學(xué)的合作，搭建一套滿足學(xué)生實(shí)踐教學(xué)需求的高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，提高實(shí)驗(yàn)室開放的效果和覆蓋面，鼓勵本科生參與科研和創(chuàng)新活動，提高生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力、探究能力和創(chuàng)新能力.

將高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心與醫(yī)院、企業(yè)的實(shí)體醫(yī)學(xué)診療設(shè)備及系統(tǒng)結(jié)合，在不易開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面提高了學(xué)生的理解和創(chuàng)新能力，定期請高校、醫(yī)院和企業(yè)專家參與開展沙龍活動，提升學(xué)校虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在天津市的知名度和影響力.在教師能力提升方面，本專業(yè)已組織全系教師進(jìn)行了多次高校和企業(yè)調(diào)研，并定期組織青年教師到高水平高校進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流，到中國紡織工業(yè)聯(lián)合會檢測中心和具有可穿戴智能設(shè)備的企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，并與紡織學(xué)院相關(guān)的優(yōu)秀教師進(jìn)行交流，建立一支具備生物醫(yī)學(xué)工程交叉專業(yè)知識背景的優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì).

4 結(jié)語

以天津工業(yè)大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)為例，介紹了以能力培養(yǎng)為主線、進(jìn)階式的實(shí)踐教學(xué)體系，探討了實(shí)踐培養(yǎng)體系中的創(chuàng)新方法，構(gòu)建了基本技能——專業(yè)技能——應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)三大實(shí)驗(yàn)平臺，培養(yǎng)學(xué)生探究、創(chuàng)新及綜合實(shí)踐能力，構(gòu)建了縱向傳承、橫向交疊互補(bǔ)的課程體系.2年的教學(xué)實(shí)踐表明，生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐體系建設(shè)與改革達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).對促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面具有重要意義.