生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練平臺的建設(shè)
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[摘要]目的：探索生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺的建設(shè)和教學(xué)模式，以便培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的醫(yī)學(xué)工程學(xué)科人才。方法：基于實驗室現(xiàn)有條件，構(gòu)建涉及醫(yī)學(xué)儀器操作、醫(yī)學(xué)信號處理和醫(yī)學(xué)程序模擬仿真的綜合訓(xùn)練平臺，提高學(xué)生的動手實踐能力、協(xié)作意識和專業(yè)素質(zhì)。結(jié)果：教學(xué)實踐表明，學(xué)生對醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號和醫(yī)學(xué)程序的實際處理技能得到大大提高，就業(yè)和創(chuàng)新能力得以顯著提升。結(jié)論：專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺能夠促進學(xué)生的全面發(fā)展，為其將來從事生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。
[關(guān)鍵詞]生物醫(yī)學(xué)工程；專業(yè)實踐；醫(yī)學(xué)儀器；醫(yī)學(xué)信號；教學(xué)
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)基本上都開設(shè)了特色的專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。專業(yè)實踐綜合訓(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)信號處理的基本理論，但缺乏對醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)信號的動手操作和處理能力。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實踐訓(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)實踐綜合訓(xùn)練平臺的建設(shè)勢在必行?；谏鐣枨蠛蛯W(xué)生的知識儲備，我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)了專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程，該課程為實踐環(huán)節(jié)必修課，設(shè)置在大學(xué)四年級的第一學(xué)期，共計60學(xué)時。專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作意識，增強學(xué)生對醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號和醫(yī)學(xué)程序的直觀理解和操作能力，為學(xué)生構(gòu)建合理的知識平臺。
1生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)實踐綜合訓(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)實踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)中，國內(nèi)外大學(xué)存在一定的差異。美國大學(xué)為了突出特定研究領(lǐng)域的專項訓(xùn)練，一般將專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練結(jié)合到一些課程的課程設(shè)計中[3]。在國內(nèi)大學(xué)的教學(xué)中，通常單獨設(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)生動手能力和學(xué)習(xí)興趣的形成性評價考核方式，培養(yǎng)學(xué)生主動參與和自主學(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)分析測試中心結(jié)合當(dāng)前研究的前沿和熱點，采用經(jīng)驗教師授課-學(xué)生實驗操作模式來培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維[4]。空軍軍醫(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)展對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的需求，提出了細分教學(xué)內(nèi)容、引入示教儀器和設(shè)計綜合性試驗的教學(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，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，主攻基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性、趣味性和研究性，并通過臨床醫(yī)院實習(xí)，形成了特色的專業(yè)綜合訓(xùn)練教學(xué)體系[3]。長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系采用研究性教學(xué)和開放性實驗室模式，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和團隊精神，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)院針對學(xué)生獨立動手能力和工程實踐能力較弱的缺點，實行實踐性教學(xué)，通過加強院企合作和實踐基地建設(shè)來提高學(xué)生的醫(yī)療器械操作水平[7]。根據(jù)國內(nèi)外專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)情況，如何培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力，如何使專業(yè)實踐內(nèi)容面向臨床和社會應(yīng)用，如何在實踐中培養(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]。針對專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的開展現(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)儀器實驗室，通過教學(xué)平臺來開展專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)工作。
2專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程教學(xué)平臺的建設(shè)和實踐
教學(xué)平臺是專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程順利開展的基礎(chǔ)保障。為了有效地加強本專業(yè)學(xué)生的綜合性實踐能力，建設(shè)了3個創(chuàng)新性教學(xué)平臺。在基于專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在動手能力較差的問題。如何提高學(xué)生實踐與理論相結(jié)合的能力，深化學(xué)生對醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號和醫(yī)學(xué)程序的理解和認識是專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練教學(xué)的重中之重。
2.1醫(yī)學(xué)儀器操作平臺的建設(shè)和教學(xué)探索
基于醫(yī)學(xué)儀器實驗室的現(xiàn)有條件，建立了醫(yī)學(xué)儀器操作平臺，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。醫(yī)學(xué)儀器操作平臺包括MRI教學(xué)成像儀JXMRI-Ⅱ、醫(yī)學(xué)歸檔和通信系統(tǒng)（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）、心功能血流參數(shù)無損檢測儀TP-CBS-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)儀器操作平臺的教學(xué)主要采取專項實訓(xùn)和小組合作的實踐方式。為了使學(xué)生系統(tǒng)地認識各種醫(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)儀器的實驗中，采用專項實訓(xùn)的方式，針對專業(yè)特色設(shè)置了8個實訓(xùn)項目以供學(xué)生輪流進行專項實踐。研究表明，小組合作學(xué)習(xí)方式通常有助于學(xué)生獲得團隊管理、交流和表達方面的社會和專業(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人組成實驗小組。分組合作的醫(yī)學(xué)儀器實訓(xùn)場景。為了培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的研究型人才，在完成教學(xué)實訓(xùn)的同時，支持學(xué)生在該平臺上進行科學(xué)研究，發(fā)表相關(guān)科技論文[12]。
2.2醫(yī)學(xué)信號處理平臺的建設(shè)和教學(xué)探索
醫(yī)學(xué)信號處理平臺主要由基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)和編程工具構(gòu)成，其中基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)包括MIT心電數(shù)據(jù)庫、MRI原始K空間信號、醫(yī)學(xué)斷層圖像（CT、MRI圖像）等；編程工具包括VC++、MATLAB等。通過醫(yī)學(xué)信號處理平臺的實踐，可以大大地提高學(xué)生的編程能力，同時使學(xué)生能夠更好地理解、分析和處理醫(yī)學(xué)信號，這對于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識實踐基礎(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)信號處理平臺的教學(xué)主要采取專題訓(xùn)練、循序漸進和課程設(shè)計的方式。在醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域中，醫(yī)學(xué)信號的計算機輔助診斷仍是研究的熱點[14-16]?；谏鐣枨?，開展了心電信號自動分析診斷系統(tǒng)的課程設(shè)計。首先，教師適當(dāng)講授醫(yī)學(xué)信號的基本特征和處理算法；為了解決學(xué)生無從下手的難題，采用專題訓(xùn)練的方式，層層推進，輔助學(xué)生建立VC++工程，讀取和瀏覽心電信號，設(shè)計簡單的心電信號處理算法（例如高通濾波、低通濾波等）；在專題訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進行綜合課程設(shè)計，要求學(xué)生從MIT數(shù)據(jù)庫中讀取心電信號，提取特征參數(shù)，同時對心電信號進行分析和診斷，并要求學(xué)生撰寫課程設(shè)計說明書一份，詳細介紹程序流程圖和具體實現(xiàn)過程以及課程設(shè)計中所遇到的問題。通過醫(yī)學(xué)信號處理平臺的訓(xùn)練，學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握醫(yī)學(xué)信號處理和分析理論，并能夠較大地提高編程能力和動手能力。
2.3醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺的建設(shè)和教學(xué)探索
在一些醫(yī)學(xué)程序中，學(xué)生無法獲得實際的中間過程，從而不能徹底地掌握醫(yī)學(xué)程序的進展和細節(jié)。例如，熱消融已成為治療肝腫瘤的綠色療法，但熱消融過程中的腫形態(tài)和真實消融效果無法直接獲悉。因此，建設(shè)了醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺，該平臺主要由臨床醫(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。通過醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺，學(xué)生能夠掌握模擬仿真軟件的使用，并可通過仿真獲得每個醫(yī)學(xué)程序的具體實施狀態(tài)。在醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺上，針對目前圖像處理和熱消融領(lǐng)域的研究熱點開展教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包括肝腫瘤和血管的三維模擬和量化、熱消融溫度場仿真以及熱消融手術(shù)的效果評估等。通過適當(dāng)講授、講義成冊和專題實訓(xùn)，可培養(yǎng)面向?qū)嶋H臨床應(yīng)用的專業(yè)工程人才。
2.4以過程評價為中心的考核方式
在教學(xué)考核中，為了調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)和積極動手的興趣，采用過程評價考核方式。專題訓(xùn)練完成后，綜合學(xué)生每個教學(xué)環(huán)節(jié)的具體表現(xiàn)來給定成績。在醫(yī)學(xué)儀器操作平臺的考核中，基于學(xué)生對醫(yī)學(xué)儀器的掌握情況和實際動手能力給定成績；在醫(yī)學(xué)信號處理平臺中，基于每個專題的編程情況以及課程設(shè)計的綜合分析情況給定成績；在醫(yī)學(xué)程序模擬仿真平臺的考核中，根據(jù)學(xué)生對每個醫(yī)學(xué)程序的掌握情況以及最終仿真結(jié)果的細節(jié)給定成績。課程考核成績最終基于學(xué)生出勤情況（20%）、課堂表現(xiàn)（40%）以及實驗結(jié)果和分析報告（40%）等方面來綜合評定。
2.5專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺的教學(xué)效果評價
經(jīng)過多年的教學(xué)積累和平臺完善，專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺獲得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺的教學(xué)和實踐，普遍認識到操作技能和創(chuàng)新意識的重要性，從而由被動學(xué)習(xí)逐漸變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。近3a的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生教學(xué)成績。從該表可以看出，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高，學(xué)生平均成績的優(yōu)秀比率逐年上升。通過專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的專項實踐，學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)得到顯著改善。首先，學(xué)生可在該平臺上進行星火基金的研究以鍛煉自己解決實際問題的能力；其次在就業(yè)方面，學(xué)院的本科生越來越受到用人單位的歡迎，近年來不少學(xué)生畢業(yè)后進入三甲醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科從事醫(yī)學(xué)儀器操作和醫(yī)學(xué)過程仿真（心臟的三維建模等）工作，得到用人單位的高度認可；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)計劃方面的研究，研究生導(dǎo)師普遍反映，學(xué)生能迅速地進入課題研究?？傊瑢I(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺為學(xué)生奠定了良好的實踐基礎(chǔ)。
3結(jié)語
通過專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練平臺的建設(shè)和專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練課程的專項實踐，不僅使學(xué)生熟悉了臨床醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)信號處理算法和臨床醫(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)實踐綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)過程中，學(xué)生對貼近日常生活應(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、生理參數(shù)采集儀等，因此使課程教學(xué)與學(xué)生的實際情況相結(jié)合能夠進一步調(diào)動學(xué)生實踐操作的積極性和能動性。在后續(xù)教學(xué)中，需加強設(shè)計性試驗以提高學(xué)生的自主設(shè)計能力，由此進一步改善實踐教學(xué)的效果。專業(yè)實踐綜合訓(xùn)練的教學(xué)探索是一項長期任務(wù)，教學(xué)內(nèi)容和考核方式仍需不斷改進，以便更好地培養(yǎng)出適應(yīng)社會發(fā)展的復(fù)合型人才。
作者：高宏建 白燕萍 王笑茹 吳水才 單位：北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院
