融通交叉學科基礎知識 立足前沿開拓源頭創(chuàng)新

黃璐 瞿祥猛 霍新明 周建華

摘? 要：生物醫(yī)學檢測基礎是生物醫(yī)學工程學科的核心專業(yè)課程。針對該課程目前存在的知識面涵蓋廣而講授內(nèi)容不成系統(tǒng)，授課內(nèi)容與前沿醫(yī)療技術脫節(jié)、源頭創(chuàng)新培養(yǎng)力度不足等問題，該文運用“理-工-醫(yī)”結(jié)合的思想，提出該課程的教學改革創(chuàng)新。首先，根據(jù)學科培養(yǎng)目標和醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，明確該課程在學科培養(yǎng)中的定位；然后，精選課程內(nèi)容和探索新的教學方法，按照“儀器原理-檢測方法-儀器結(jié)構(gòu)-醫(yī)學應用”的邏輯進行系統(tǒng)講授；另外，對于某一種具體的檢測技術，在從原理到應用的講授基礎上，結(jié)合該領域最新相關前沿發(fā)展狀況進行拓展介紹；最后，面向醫(yī)院臨床設備的需求，將臨床需求簡化成理科知識和工程問題，實現(xiàn)醫(yī)療器械的源頭創(chuàng)新。

關鍵詞：生物醫(yī)學工程學科；生物醫(yī)學檢測基礎；課程教學改革；交叉學科；源頭創(chuàng)新

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）32-0133-04

Abstract： Biomedical Diagnosis Fundamentals is a core course in the major of biomedical engineering. To address the current problems of the course， such as the wide coverage of knowledge but fragmented lecture content， the disconnection between the course content and the cutting-edge medical technology， and the insufficient training of original innovation， we innovatively propose a course reform based on the concept of "science-engineering-medicine". Firstly， the position of the course in the major is clarified according to the cultivation goal and the advances in medical device industry; then， the course content is elaborately selected and new methods are explored， enabling the teaching based on the clue of "instrument principle-testing， method-instrument， structure-biomedical application"; additionally， for a particular technology， elucidating its principles， sensing/biodetection techniques and clinical applications， and expanding it with the latest cutting-edge technology in the field; finally， based on the needs of clinical equipment， new principles or models based on basic scientific knowledge are proposed， and the needs of clinics are transferred into engineering problems that are solved， realizing the innovation of medical devices from the source.

Keywords： biomedical engineering; Biomedical Diagnosis Fundamentals; curriculum teaching reform; cross-disciplinary; origin innovation

基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“多學科背景下的生物醫(yī)學工程專業(yè)‘醫(yī)工融合’人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（教高廳函【2018】17號）；2023年度中山大學本科教學質(zhì)量工程類項目“《生物醫(yī)學檢測基礎》課程教學改革探討”（76190-12220011）

第一作者簡介：黃璐（1992-），女，漢族，福建莆田人，博士，助理教授。研究方向為生物醫(yī)學檢測及微流控技術。

*通信作者：周建華（1981-），男，漢族，廣東湛江人，博士，教授。研究方向為生物醫(yī)學檢測與傳感、微流控、先進診療技術。

生物醫(yī)學工程學科是一門具有復雜交叉知識體系的新型工科學科，其將生命科學、工程技術與醫(yī)學相結(jié)合，旨在應用前沿工程方法和技術，研究和解決生物學與醫(yī)學中存在的科學技術問題，從而為臨床診療提供新型技術和手段[1-2]。在生物醫(yī)學工程學科的培養(yǎng)體系中，生物醫(yī)學檢測基礎課程是為本科生開設的一門應用基礎課程和學科核心課程；其主要以生命體為研究對象，對各種生命活動所涉及到的物理結(jié)構(gòu)、化學本質(zhì)、生理特征等進行原理分析和傳感檢測，進而解決醫(yī)學領域中的信號提取、檢測和處理，以及醫(yī)療儀器的設計等問題。

對于生物醫(yī)學工程學科的本科生而言，掌握完整、系統(tǒng)的生物醫(yī)學檢測基礎知識是開展后續(xù)知識學習、開發(fā)醫(yī)學檢測設備的基礎，同時也是學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的前提。盡管生物醫(yī)學工程學科近年來得到快速發(fā)展，但由于本學科知識涵蓋面廣、知識比較零散，且成立本科教育的時間不夠長[3]，因此領域內(nèi)對于生物醫(yī)學檢測基礎課程缺乏足夠的教學經(jīng)驗，難以將相關知識成體系地串聯(lián)起來。而且，近年來醫(yī)療健康行業(yè)快速發(fā)展，生物醫(yī)學檢測領域的新技術、新方法層出不窮，傳統(tǒng)課程內(nèi)容容易與前沿技術和發(fā)展相脫節(jié)。此外，國內(nèi)當前課程教學內(nèi)容和模式多以追蹤國外學習形式為主，而對學生的實質(zhì)性源頭創(chuàng)新能力培養(yǎng)力度不夠，在一定程度上限制了學生畢業(yè)后進行醫(yī)療器械創(chuàng)新設計與研發(fā)的能力[4]。因此，生物醫(yī)學工程學科目前的生物醫(yī)學檢測基礎課程亟需發(fā)展出適合國內(nèi)本學科人才培養(yǎng)的教學新模式。

鑒于此，筆者根據(jù)工科類交叉學科本科生的特點，以中山大學生物醫(yī)學工程學科為例，結(jié)合實際情況，探索出較適合生物醫(yī)學工程學科生物醫(yī)學檢測基礎課程的新型教學模式，總結(jié)了該課程的教學理念、教學定位、教學內(nèi)容和教學方法等。本課程旨在培養(yǎng)具有“理-工-醫(yī)”結(jié)合背景的、掌握多學科交叉技能的應用型人才，從而在教學內(nèi)容安排方面，系統(tǒng)全面、重點突出地講授生物醫(yī)學檢測技術的基礎原理、工程技術、實際臨床應用和科學前沿知識，以幫助學生建立牢固、系統(tǒng)的基礎知識體系，并通過啟發(fā)式教學方式引導學生關注臨床實際、追蹤科研熱點，以臨床需求為導向，激發(fā)學生自我學習熱情，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性思維方式，提升醫(yī)療器械的源頭創(chuàng)新能力。

一? 生物醫(yī)學檢測基礎課程的教學改革思路與具體實施方案

（一）? 明確生物醫(yī)學檢測基礎課程在生物醫(yī)學工程學科培養(yǎng)體系中的定位

目前，中山大學生物醫(yī)學工程學科的課程體系主要按照“從簡單單元到復雜體系，從基礎通識到專業(yè)深入”的邏輯順序展開（圖1）。本專業(yè)課程首先從原子-分子水平的有機化學課程入手，研究體外有機分子體系的主要組成成分及其主要反應機理，讓學生形成對有機分子體系的基礎認識；進而拓展到分子水平的生物化學課程，深入研究體內(nèi)的主要生物分子及其生物化學反應體系；繼而從分子水平過渡到細胞水平的細胞生物學課程，引導學生認識生物體內(nèi)細胞的結(jié)構(gòu)、種類和功能等；然后從細胞水平上升到器官水平，學習與生物醫(yī)學密切相關的人體結(jié)構(gòu)學課程，進而深化對人體結(jié)構(gòu)、各結(jié)構(gòu)功能及各器官間關系的認識；最后，系統(tǒng)化地學習醫(yī)學生理學課程，讓學生深刻地對比、了解正常和病理狀態(tài)下的人體系統(tǒng)。

在中山大學生物醫(yī)學工程學科的課程體系中，生物醫(yī)學檢測基礎是生物醫(yī)學工程學科教學體系中與終端的醫(yī)學應用密切相關的課程，是從分子水平到細胞水平，再從細胞水平認知到人體水平認知的關鍵過渡環(huán)節(jié)，即主要用于器官水平的醫(yī)學診斷。本課程教學的關鍵是引導學生更好地構(gòu)建生物醫(yī)學檢測技術和原理的知識框架，掌握生命活動研究的原理性和技術性方法，將其思維與視野從基礎的分子與細胞水平向更具體、更復雜的人體器官與系統(tǒng)水平深化。因此，本課程囊括了針對生物體的各生命活動信息，包括生理功能、性質(zhì)、狀態(tài)和成分等，進行定性和定量檢測分析的生物學原理，以及以此為基礎開發(fā)出的系統(tǒng)醫(yī)學檢測技術等內(nèi)容。這些內(nèi)容按照“從細胞到器官、再到人體，從實際需求到檢測原理、再到技術開發(fā)”的邏輯逐步培養(yǎng)學生的思維能力，從而構(gòu)建較為系統(tǒng)的生物醫(yī)學檢測基礎知識框架。

（二）? 精選課程內(nèi)容和探索新的教學方法

中山大學的生物醫(yī)學檢測基礎課程涵蓋了現(xiàn)代生命科學和臨床醫(yī)學領域的基本實驗工具和檢測技術，包括常用檢測設備和醫(yī)療儀器的基本原理、技術方法、儀器結(jié)構(gòu)及組成、算法設計，以及研究進展狀況和臨床應用需求等，具有理論知識體量大、理解記憶內(nèi)容多、知識體系較復雜等特點。在本課程的教學中，筆者創(chuàng)新地設計生物醫(yī)學檢測基礎的課程內(nèi)容和課程授課順序。首先，根據(jù)生物醫(yī)學檢測技術所用激發(fā)源（即“光源”）的類型，按照光、電、力等激發(fā)源進行大分類。在光激發(fā)源部分，以“光源”波長由低到高為主線，依次安排電子顯微技術、X射線和正電子成像、光學檢測和顯微技術及紅外成像和核磁共振成像等課程內(nèi)容；同時，在光學檢測和顯微技術部分加入臨床檢驗的內(nèi)容。然后，在光學的內(nèi)容后進行電化學檢測和成像的內(nèi)容介紹。接著介紹力學部分的聲學檢測和超聲成像。最后，在課程末尾安排綜合實例講解和分析，加強學生理論內(nèi)容與實際應用的結(jié)合，并形成牢固的知識體系。

另外，針對每一項檢測技術和儀器，筆者按照檢測儀器“光源”基礎原理、儀器結(jié)構(gòu)、檢測信號的思路進行講解，遵循“從原理到技術、再到應用”的邏輯。從儀器設備的“光源”性質(zhì)出發(fā)闡釋基本的物理作用原理，再據(jù)此深入了解設備基本組成、結(jié)構(gòu)設計、算法分析等，最后著眼于醫(yī)學信號檢測的實際應用，邏輯清晰，深入淺出（圖2）。在上述形式的教學安排下，學生能夠深入了解到每種檢測技術的基礎原理、技術方案、應用效果；做到基礎知識和應用實踐兩頭抓，既不偏廢，又能突出重點，更加符合生物醫(yī)學工程的“理-工-醫(yī)”相互交叉的特點。

（三）? 有機融合儀器基礎原理與檢測技術，并結(jié)合最新前沿技術進行拓展

生物醫(yī)學工程學科具有知識面廣、交叉性強的特點，尤其需要學生具備強大的自主學習與獨立思考的能力[5]。本課程在具體的教學實踐中，已建立了適合生物醫(yī)學工程學科的案例式教學方法，即在課程教學中結(jié)合醫(yī)療器械行業(yè)現(xiàn)狀，從臨床醫(yī)學與生物技術的應用實例中提出問題，讓學生積極思考并自主探索解決方案，進而在此基礎上總結(jié)和闡明相關知識內(nèi)容的基本原理、重點和難點問題，并引導學生關注相關領域最新科研進展和技術成果，全方位把握生物醫(yī)學檢測技術在本學科專業(yè)研究體系中的重要地位。下面以超聲成像技術為例，做具體介紹。

在進行課程教學時，首先講授超聲成像的基本原理，引導學生思考超聲波長、介質(zhì)傳輸、聲阻抗和多普勒效應等基本概念；然后提出如何應用超聲實現(xiàn)深層組織成像，讓學生帶著問題自主學習超聲成像的工程技術實現(xiàn)；接著引導學生調(diào)研超聲成像技術在臨床醫(yī)學中的實際應用案例，通過調(diào)研相關案例從而引出超聲造影劑的概念及其在增強超聲成像中的原理和具體應用，啟發(fā)本學科學生將理論學習與工程實際、臨床問題相結(jié)合，學以致用；最后，教師通過拋出“超聲介導藥物控釋”這一本領域的前沿研究熱點，引導學生思考超聲成像與藥物攜帶超聲造影劑進行聯(lián)合使用的可行性及其獨特優(yōu)勢，從而培養(yǎng)學生追蹤前沿熱點，堅持開拓創(chuàng)新的科學素養(yǎng)。

（四）? 針對臨床需求展示如何從基礎原理出發(fā)實現(xiàn)醫(yī)療器械的源頭創(chuàng)新

生物醫(yī)學檢測技術面向臨床實際應用需求而展開設計。由于行業(yè)發(fā)展迅速，新需求不斷涌現(xiàn)，新設備層出不窮，學生僅掌握傳統(tǒng)課程設計中已有的基礎內(nèi)容將難以適應瞬息萬變的醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展。因此，本課程教學應以培養(yǎng)擁有行業(yè)先進專業(yè)知識和技能的生物醫(yī)學工程行業(yè)人才為最終目的，使學生在掌握生物醫(yī)學檢測基本原理的基礎上，更能夠結(jié)合臨床需求、技術路徑、市場發(fā)展等情況理解醫(yī)療設備的系統(tǒng)設計和發(fā)展演變，并最終能夠應用所學知識來開發(fā)和設計出可以應用于實際需求的科研檢測儀器系統(tǒng)和醫(yī)療分析裝置。

生物醫(yī)學檢測基礎課程的教學面向科學前沿、面向臨床需求，講授過程應突出“基礎原理、技術實現(xiàn)、臨床應用、科學前沿”的順序邏輯，啟發(fā)學生從基礎原理出發(fā)實現(xiàn)源頭創(chuàng)新。以血常規(guī)分析儀的開發(fā)為例（圖3），學生首先需要明確血常規(guī)分析儀的臨床需求和檢測目標，緊接著思考其背后的簡化物理模型；在此基礎之上，根據(jù)以往所學原理知識，通過分組討論以求探尋出能夠?qū)崿F(xiàn)血細胞檢測的技術方案；最終，綜合考慮研發(fā)企業(yè)和檢測醫(yī)院的實際情況和標準要求，對比分析不同技術方法的特性和優(yōu)缺點，選擇合適的檢測技術，搭建出不同場景下的最適用血常規(guī)分析儀器。在整個教學和研討過程中，教師啟發(fā)學生從實際臨床需求出發(fā)，重點追溯到實現(xiàn)檢測需求的底層原理和物理模型，以培養(yǎng)學生立足于基礎原理實現(xiàn)醫(yī)療儀器源頭創(chuàng)新的思維模式。

二? 課程教學改革的初步成效

在新的教學方案中，通過明確課程在學科培養(yǎng)中的定位，并采用“儀器原理-檢測方法-儀器結(jié)構(gòu)-醫(yī)學應用”的邏輯教學體系和案例式新型教學方法，學生對生物醫(yī)學工程學科課程體系的認識更加深入和系統(tǒng)，對專業(yè)學習的興趣和自主學習的熱情也明顯提高。對比發(fā)現(xiàn)，采用新教學方案后，學生的課堂自主性明顯提高，表現(xiàn)為課堂提問學生數(shù)量的增加，分組匯報展示后的Q&A環(huán)節(jié)中學生的參與度顯著提高等。此外，學生的課后學習積極性和自主性也得到了提升，反映在課間和課后提問的學生人數(shù)明顯增加，學生普遍養(yǎng)成了主動聯(lián)系老師咨詢問題、自主解決在科研訓練中所遇問題的習慣。另外，在課內(nèi)學習之余，學生能夠主動要求額外學習，追蹤科學前沿，將所學知識和技能投入到實驗室科研活動中。

對知識牢固、深入、系統(tǒng)的理解與掌握是學生能夠進行創(chuàng)新的基礎。本課程教學方案重點突出、完整且系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)代生命科學和醫(yī)學研究領域廣泛應用的生物醫(yī)學檢測技術和設備。通過對比本專業(yè)以往使用傳統(tǒng)教學方案的班級和使用本論文所提出的新方案的班級的考核試卷，明顯發(fā)現(xiàn)在主觀題部分，使用新教學方案的學生更能夠從問題的本質(zhì)出發(fā)，從原理著手，提出解決方案；而且能夠聯(lián)系相關知識點使方案內(nèi)容更加豐富。由此可見，本論文所提出的新教學方案有助于培養(yǎng)學生在面對實際問題時，更習慣于從基礎知識原理出發(fā)，一步步通過邏輯分析得出觀點與結(jié)論；同時也有利于促進學生對于基礎原理相對牢固和深入的掌握，以及對相關知識的靈活應用。

在新的教學方案中，除重點講授生物醫(yī)學檢測技術相關的儀器原理、檢測方法、儀器結(jié)構(gòu)和醫(yī)學應用外，還注重引導學生關注相關領域最新科研進展和技術成果，使學生及時了解傳統(tǒng)檢測技術衍生出來的新觀點、新理論、新技術和新方法，以及相關科學前沿及技術進展。通過基礎知識和最新前沿知識的結(jié)合，使學生分析具體應用案例時，能更好地做出科學且合理的判斷，并最終在教師引導下選定最合適的技術路徑和方法。該教學模式不僅加深了學生對課程基礎知識的理解和掌握，同時培養(yǎng)了學生一定的科學評判能力和鑒賞力。

在新的教學方案中，教師要求學生在掌握生物醫(yī)學檢測基本原理的基礎上，要能夠結(jié)合臨床需求、技術路徑、市場發(fā)展等情況理解醫(yī)療設備的系統(tǒng)設計和技術演變，并最終能夠應用相關知識從源頭上創(chuàng)新，設計和搭建出生物醫(yī)學檢測所需科研儀器系統(tǒng)與裝置。該教學方式不僅提高了學生的知識運用能力，還鍛煉了學生的創(chuàng)新性科學思維。截至目前，中山大學生物醫(yī)學工程學院已有百余項生物醫(yī)學檢測相關的校級、省級、國家級大學生創(chuàng)新項目立項或順利結(jié)題。此外，近年學院在全國大學生生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設計競賽、“挑戰(zhàn)杯”中也有多項生物醫(yī)學檢測相關的本科生科研項目獲得全國一、二、三等獎的優(yōu)異成績，這從另一個角度證明了課程改革和創(chuàng)新的成效。

三? 結(jié)束語

本文在生物醫(yī)學工程學科生物醫(yī)學檢測基礎課程的教學實踐過程中，運用“理-工-醫(yī)”結(jié)合的思想，從課程定位、課程內(nèi)容、課程安排，以及學生知識掌握情況和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)等方面出發(fā)，對現(xiàn)有生物醫(yī)學檢測基礎課程的教學模式進行大膽改革，有針對性地設計出一套較完整的生物醫(yī)學檢測基礎教學思路和講授模式。實踐證明，這一模式符合工程交叉學科的綜合性思維模式，能夠加深學生對專業(yè)課程的認識，激發(fā)學生對專業(yè)學習的熱情，引導學生建立較為完整的知識系統(tǒng)，并可以大大提高課堂教學質(zhì)量和授課效率；此外，該方案能夠讓本科生更多地接觸科學前沿，引導學生自主介入科研課題研究，有助于對本科生知識應用能力、科學鑒賞能力、科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這一新型教學模式使學生在有限的時間內(nèi)更好地掌握生物醫(yī)學檢測技術的基本理論、知識技能，并培養(yǎng)了學生解決問題的能力和創(chuàng)新思維能力，為將來開展生物醫(yī)學工程領域科學研究和項目研發(fā)工作打下堅實基礎。

參考文獻：

[1] 周建華，周張凱，李雪萌，等.以“理-工-醫(yī)”交叉融合實現(xiàn)源頭創(chuàng)新——生物醫(yī)學工程交叉學科研究生培養(yǎng)實踐探索[J].化學教育（中英文），2019，40（16）：75-80.

[2] 陳明惠，章浩偉.生物醫(yī)學檢測技術課程改革創(chuàng)新探索[J].科技創(chuàng)新報，2017，14（8）：224-226.

[3] 劉杰，張超，羅潔.新工科背景下生物醫(yī)學工程“多學科融合”人才培養(yǎng)體系的建設[J].高教學刊，2021，7（34）：141-144.

[4] 吳凡，李曼麗.跨學科本科課程整合方法與機制——以美國三所研究型大學生物醫(yī)學工程專業(yè)為例[J].高等工程教育研究，2022（6）：158-164.

[5] 徐杰，王振宇，彭淵，等.基于學生互評的PBL課堂設計及實踐——以“生物醫(yī)學工程前沿”課程為例[J].科教導刊，2022（23）：93-96.