新工科背景下智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程建設(shè)改革與實(shí)踐探究

潘桃桃，尚志會(huì)，董利，謝小芳

（遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 563000）

0 引言

“新工科”對(duì)應(yīng)的是各類新興產(chǎn)業(yè)，以及對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)，更加注重學(xué)科的實(shí)用性、融合性與綜合性[1-2]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，國(guó)務(wù)院發(fā)布了多部規(guī)劃與指南[3]，如《中國(guó)制造2025》、《健康中國(guó)2030規(guī)劃綱要》，工信部、國(guó)家衛(wèi)健委、國(guó)家發(fā)改委等十多個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，這些規(guī)劃與指南均強(qiáng)調(diào)“十四五”時(shí)期是全面推進(jìn)落實(shí)健康中國(guó)建設(shè)、深入實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期，也是推進(jìn)醫(yī)療行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的攻堅(jiān)時(shí)期。這意味著我國(guó)的醫(yī)療行業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)，但與此同時(shí)也蘊(yùn)含了重大的機(jī)遇。一方面，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來了新的機(jī)遇，新興科技技術(shù)的變革不斷深化，如人工智能、新一代信息融合技術(shù)等。另一方面，在“大健康”“大衛(wèi)生”等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，醫(yī)學(xué)服務(wù)模式也逐漸從傳統(tǒng)的疾病醫(yī)學(xué)服務(wù)向“疾病+健康”的新型醫(yī)學(xué)服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，即由醫(yī)院診療向入院前家庭健康管理、入院時(shí)資源共享、出院后康復(fù)治療的連續(xù)性服務(wù)方向延伸拓展。在一系列環(huán)節(jié)中，多學(xué)科的知識(shí)的綜合應(yīng)用除了需要傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)知識(shí)作為支撐之外，也要求專業(yè)人員需掌握相關(guān)的人工智能技術(shù)，因此未來醫(yī)療體系對(duì)綜合性人才的需求會(huì)越來越大。智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)旨在培養(yǎng)更善于利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)解決傳統(tǒng)醫(yī)療領(lǐng)域問題，并以人工智能技術(shù)輔助診療的專業(yè)人才，能夠在一定程度上促進(jìn)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展。

1 智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)概況

1.1 智能醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展概況

智能醫(yī)學(xué)工程是高度交叉融合醫(yī)科、工科、理科的新興學(xué)科，按照“醫(yī)理工融合，醫(yī)教研協(xié)同發(fā)展”的思想建設(shè)本專業(yè)，融合了先進(jìn)的人工智能及相關(guān)領(lǐng)域的工程應(yīng)用技術(shù)，深入探索生命和疾病現(xiàn)象與本質(zhì)并尋找其中的規(guī)律[4]。智能醫(yī)學(xué)工程是以患者為中心，深入分析臨床需求，研究新型醫(yī)療方法和臨床應(yīng)用的交叉學(xué)科，是未來工程醫(yī)學(xué)的重要發(fā)展方向。

1.2 智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)就業(yè)前景

由于我國(guó)現(xiàn)階段醫(yī)療資源較短缺且分布不均，加上我國(guó)老齡化日益加重的現(xiàn)狀，因此急需對(duì)現(xiàn)有的醫(yī)療行業(yè)進(jìn)行智能化變革，智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)剛好契合這一目標(biāo)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球智慧醫(yī)療支出在2016-2018年間快速增長(zhǎng)，復(fù)合增長(zhǎng)率約為60%，全球智慧醫(yī)療服務(wù)業(yè)產(chǎn)值在2019 年達(dá)到4 000 億美元左右，在未來仍將以較高的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在國(guó)內(nèi)，眾多的科技企業(yè)，諸如華為、阿里、騰訊、百度等也在逐年增加大健康產(chǎn)業(yè)的投入，打造自己的生態(tài)鏈[5]?？梢灶A(yù)見，在國(guó)家大力支持下，“十四五”期間乃至以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，智慧醫(yī)療、“大健康”、“大衛(wèi)生”等將形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，由此將會(huì)產(chǎn)生大量的就業(yè)崗位和人才缺口，智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在未來的發(fā)展中大有可為。

1.3 智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在國(guó)內(nèi)的建設(shè)現(xiàn)狀

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為新興專業(yè)，從2017年才正式開設(shè)，南開大學(xué)、天津大學(xué)成為首批開設(shè)該專業(yè)的本科院校，2018年又有7所高校獲批智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，之后每年都有新的高校獲批該專業(yè)，智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期[6]。2020年遵義醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)獲教育部批準(zhǔn)開設(shè)，從2021 年開始招生，是學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)之一。

2 智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)面臨的難題

目前國(guó)內(nèi)智慧醫(yī)療相關(guān)市場(chǎng)需求量大，國(guó)內(nèi)外發(fā)展?jié)摿Υ?，人才非常緊缺，但是想要短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的復(fù)合型人才還面臨著諸多困難。主要是因?yàn)橹悄茚t(yī)學(xué)工程專業(yè)是一門“醫(yī)理工”等知識(shí)高度融合的交叉學(xué)科，對(duì)學(xué)生的要求較高，該專業(yè)的專業(yè)性強(qiáng)，需要學(xué)生有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力與動(dòng)手能力，有很多課程以往只在碩士研究生階段開設(shè)，但是現(xiàn)在需要提前學(xué)習(xí)，導(dǎo)致部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法深入了解整個(gè)行業(yè)現(xiàn)狀，不能將所學(xué)知識(shí)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，缺乏良好的科研素質(zhì)和動(dòng)手能力[7]。這些問題在一定程度上是由于培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的偏差導(dǎo)致的，具體原因分析如下。

2.1 課程體系不完善，理論知識(shí)較深，部分課程之間缺乏聯(lián)系

因?yàn)橹悄茚t(yī)學(xué)工程專業(yè)是新興專業(yè)，所以不同的高校在課程設(shè)置上有差異，需要在不斷探索中逐步完善課程體系。在課程體系中大多數(shù)院校將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)作為了核心專業(yè)課，然而這部分課程理論知識(shí)較多且需要很多數(shù)學(xué)知識(shí)作為鋪墊，對(duì)于剛剛進(jìn)入大學(xué)的學(xué)生來說學(xué)習(xí)起來較為吃力，部分學(xué)生由于抓不住重點(diǎn)，逐漸喪失學(xué)習(xí)信心。同時(shí)，在該專業(yè)的課程體系中包含了較多醫(yī)學(xué)類的基礎(chǔ)課程，如人體結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)、病理學(xué)、外科學(xué)等課程，具體課程系統(tǒng)如圖1所示。在走訪調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于這部分醫(yī)學(xué)類課程理解存在誤區(qū)，往往認(rèn)為這部分課程既難又與本專業(yè)無關(guān)，這一現(xiàn)象充分體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)本專業(yè)的定位存在誤區(qū)。

圖1 智能醫(yī)學(xué)工程課程體系

2.2 師資隊(duì)伍中擁有跨學(xué)科教學(xué)能力的教師少

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)授課教師一般為醫(yī)學(xué)類或者計(jì)算機(jī)科學(xué)類教育背景的教師，很少有復(fù)合型教師，這就導(dǎo)致了在教學(xué)過程中就被動(dòng)地將課程體系進(jìn)行了割裂，不同教育背景的教師對(duì)非本專業(yè)的知識(shí)了解不多，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也很難將醫(yī)學(xué)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能課程融會(huì)貫通，因此不能體現(xiàn)智能醫(yī)學(xué)工程中的“醫(yī)理工”高度融合的理念。

2.3 行業(yè)定位模糊

人工智能技術(shù)發(fā)展十分迅猛，各種新應(yīng)用、新場(chǎng)景出現(xiàn)了井噴式增長(zhǎng)。高校在進(jìn)行學(xué)生培養(yǎng)過程中，忽略了醫(yī)療行業(yè)發(fā)展給本專業(yè)帶來的影響，不能緊跟醫(yī)療行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)生也無法系統(tǒng)性、全面性地了解整個(gè)醫(yī)療行業(yè)，對(duì)自身在醫(yī)療行業(yè)中的定位較模糊。

2.4 體系建設(shè)欠缺

智能醫(yī)學(xué)工程作為新興專業(yè)，各高校的培養(yǎng)方案中都重點(diǎn)體現(xiàn)了醫(yī)學(xué)和電氣、信息以及人工智能專業(yè)知識(shí)的交叉融合，將自身培養(yǎng)重點(diǎn)放在了交叉融合部分。具體怎么交叉融合，目前國(guó)內(nèi)尚不能做到統(tǒng)一，且缺少相關(guān)儀器設(shè)備，導(dǎo)致智能醫(yī)學(xué)工程學(xué)生與傳統(tǒng)電氣類、電子信息類、計(jì)算機(jī)科學(xué)類等專業(yè)學(xué)生使用相同的儀器設(shè)備和課程教材，偏離了本專業(yè)的培養(yǎng)初衷，使得課程體系建設(shè)思路不明確。

3 智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程體系建設(shè)改革目標(biāo)

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是滿足國(guó)家大健康發(fā)展規(guī)劃的新興交叉學(xué)科，該專業(yè)以解決臨床醫(yī)學(xué)中的工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等專業(yè)知識(shí)，大力促進(jìn)智慧醫(yī)療、智能養(yǎng)老等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。在人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，需要建立一套符合智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的課程體系，通過課程教學(xué)、動(dòng)手實(shí)踐、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)出具有專業(yè)性、體系性的復(fù)合型高水平人才。因此在課程體系建設(shè)中提出以下幾個(gè)改革目標(biāo)。

3.1 課程體系改革方案

針對(duì)目前智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程理論知識(shí)偏多，知識(shí)點(diǎn)偏難的現(xiàn)狀，遵義醫(yī)科大學(xué)對(duì)部分課程進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)一步降低了入門難度，同時(shí)大幅增加了動(dòng)手實(shí)踐部分內(nèi)容，在原有的實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ)上增加了部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。具體改革方案如下：

1）搭建機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

整合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、圖像識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別等實(shí)驗(yàn)，從最基礎(chǔ)OpenCV機(jī)器視覺算法、模型訓(xùn)練到部署至終端設(shè)備都進(jìn)行了全棧式的封裝，大大降低了算法學(xué)習(xí)與應(yīng)用開發(fā)的難度。同時(shí)平臺(tái)中還內(nèi)置了很多個(gè)性化的應(yīng)用案例，可以加深學(xué)生在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，并且可以進(jìn)一步延伸到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如醫(yī)學(xué)影像識(shí)別、智能導(dǎo)診、問診等。圖2為平臺(tái)整體應(yīng)用框架。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整體框架

2）引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提供直觀、形象的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使教學(xué)手段更加科學(xué)化。由于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)不存在任何操作風(fēng)險(xiǎn)，所以在進(jìn)行實(shí)際操作之前，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中反復(fù)訓(xùn)練，直到掌握操作技能為止。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被列為高等教育信息化發(fā)展的重要內(nèi)容之一。在智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中有部分醫(yī)學(xué)相關(guān)的課程，但是本專業(yè)學(xué)生和醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)方式不太一樣，本專業(yè)學(xué)生注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，去掉了大部分實(shí)操，因此學(xué)生反饋這部分知識(shí)較難且不能深刻理解。借助于遵義醫(yī)科大學(xué)的虛擬仿真平臺(tái)，可以讓學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化理論知識(shí)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中可以深入思考仿真實(shí)驗(yàn)的不足之處，然后借助學(xué)院建設(shè)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完善，真正把虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中去，而這也是目前臨床上比較流行的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法。

3）開設(shè)醫(yī)學(xué)增材制造（3D 打?。┱n程，助力醫(yī)學(xué)行業(yè)發(fā)展

增材制造技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，在諸多行業(yè)中都有應(yīng)用。在醫(yī)療行業(yè)中也有較多成功應(yīng)用案例，如術(shù)前規(guī)劃、口腔修復(fù)、手術(shù)導(dǎo)板、假肢、內(nèi)植入物以及器官組織打印等，部分大型醫(yī)院已經(jīng)將3D 打印技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。因此，在智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中有必要開設(shè)這門的課程，建設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，將醫(yī)學(xué)理論、3D 建模結(jié)合在一起使得相關(guān)知識(shí)能夠落地實(shí)施。

4）打造智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色課程

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中包含了很多電子類、信息類課程，如在圖1課程體系中的數(shù)據(jù)庫(kù)原理、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)、智能儀器設(shè)計(jì)、模擬電子電路等課程。這些課程和傳統(tǒng)的電子類、信息類專業(yè)使用的教材幾乎一樣，教學(xué)過程中使用的儀器設(shè)備也沒有差別。為了突出本專業(yè)的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)課程進(jìn)行改版，強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科在醫(yī)學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去思考電子技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能等在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中可以發(fā)揮的作用。

3.2 師資隊(duì)伍建設(shè)目標(biāo)

優(yōu)秀的師資和教學(xué)團(tuán)隊(duì)是教學(xué)質(zhì)量的基本保證，由于本專業(yè)多學(xué)科交叉融合型專業(yè)，因此需要不同專業(yè)的教師相互協(xié)作，每位教師應(yīng)根據(jù)自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域?qū)贪?、教材等進(jìn)行撰寫和更新，緊跟醫(yī)療行業(yè)發(fā)展前沿，確保所學(xué)知識(shí)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)本專業(yè)的培養(yǎng)方案針對(duì)性地查缺補(bǔ)漏，根據(jù)學(xué)生提供的反饋意見適時(shí)地修改培養(yǎng)方案。

3.3 學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)

本專業(yè)著力于培養(yǎng)具有“醫(yī)理工”高度融合思維，能夠運(yùn)用前沿工程技術(shù)解決醫(yī)學(xué)問題能力的復(fù)合型人才。著重培訓(xùn)學(xué)生的四個(gè)能力，即邏輯思維能力、工程實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。采取四位一體的方式加強(qiáng)人才培養(yǎng)，如圖3所示。

圖3 “四位一體”人才培養(yǎng)模式

在培養(yǎng)過程中除了常規(guī)的課堂教學(xué)培養(yǎng)外，還可以建立本科生導(dǎo)師制，讓學(xué)生盡早加入科研團(tuán)隊(duì)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研訓(xùn)練，使其熟悉科研流程，在參與項(xiàng)目的過程中鍛煉創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。同時(shí)，還可以通過參加各種技能競(jìng)賽，以賽促學(xué)，讓學(xué)生在競(jìng)賽中鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是新興專業(yè)，將醫(yī)學(xué)知識(shí)和電子類、信息類、人工智能等專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了深度融合，為未來的醫(yī)療模式和醫(yī)療手段指明了方向。對(duì)于本專業(yè)的人才培養(yǎng)尚處于初始階段，缺乏可供借鑒的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，許多方面還不夠完善，需要我們?cè)诮虒W(xué)中不斷地改進(jìn)。通過對(duì)遵義醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改革，學(xué)生對(duì)課程的滿意程度有了明顯的提升，整體學(xué)習(xí)氛圍更濃，學(xué)習(xí)更加主動(dòng)，同時(shí)對(duì)本專業(yè)的定位趨于清晰。