生物醫學工程專業綜合訓練實踐教學改革

宮 琴

（清華大學醫學院生物醫學工程系，北京 100084）

1 生物醫學工程專業綜合訓練實踐教學改革的背景

生物醫學工程專業綜合訓練是清華大學生物醫學工程系本科核心的基礎實踐和專業綜合訓練課程，但原有教學課程的內容、環節、模式和實踐支撐平臺遠不能適應現代實踐教學發展的要求。存在的主要問題有:

（1）課程實踐訓練的目的不明確。原來的專業綜合訓練課程幾乎成了動物生理學的幾堂解剖實驗課，其重點放在了培養學生的生理解剖技能上，誤解了此課程在工科院校對交叉學科專業學生的培養目標，因此，學生常將此課程習慣地誤稱為“動物解剖實驗課”。

（2）沒有系統的參考教材。所進行的實驗課程內容少，范圍窄，僅僅進行不到10個關于動物循環系統解剖生理學的實驗。

（3）教學模式和環節比較單一。僅僅進行動物循環系統解剖的實驗技能訓練。

（4）沒有跟蹤最新的研究發展動態，缺乏必要的實驗支撐平臺。

（5）沒有與臨床結合。學生不了解臨床對本專業的要求和本專業知識成果在臨床中的作用。

基于以上多方面的原因，造成本課程沒有體現和突出生物醫學工程專業綜合訓練課程的重點和特色［1］。

2 國內外類似課程的調研分析

在2004—2007年中，我們走訪和調研了10多所美國一流大學，并對生物醫學工程專業綜合訓練相關課程進行了調研，同時，走訪了解了國內一些大學的生物醫學工程專業綜合訓練的相關課程。調研結果發現，國內外大學在課程重點、課程設置、內容和環節上存在差異。主要體現在:美國大學的課程體系與我們的培養計劃存在一定差異，他們強調將專業綜合訓練滲透到一些課程的大作業中，也就更突出對某一研究領域的專項訓練，這種專業綜合訓練是持續貫穿在本科高年級的各個學期中的某一門（些）課程里，沒有一個專門的名稱為專業綜合訓練的課程；而國內理工科大學中的生物醫學工程的專業綜合訓練課程，或被直接稱為“電生理實踐”，或以動物生理實驗為主的內容所代替，缺乏一個真正的對生物醫學工程進行專業綜合訓練的理念，同時，普遍缺少對學科前沿與最新研究動態發展的介紹［2］。

通過調研，我們深切感到生物醫學工程專業綜合訓練課程要從生物、醫學、工程這3個角度同時突破，對人和動物的生命活動和現象給予科學正確的分析、認識和掌握［3］。學生通過這門課程的學習，不僅要掌握對生命活動進行測試的基礎及前沿性實驗的設計方法和思想，做到舉一反三，而且還要學會從微觀的角度解釋宏觀上發生的現象。同時，作為工程專業的綜合訓練課，重要的一面還要求學生學會定量的分析和計算，理解現象發生的本質和量的變化，使測試結果定量化、科學化。通過一系列這樣的學習和訓練，結合臨床，使學生同時具備工程師和科學家的頭腦，達到專業綜合訓練的目的［4－5］。

3 改革的主要理念和方針

針對存在的問題，我們醞釀和規劃了此課程改革的思路，確立了需要在課程內容、環節、模式和支撐平臺等幾方面進行變革，并把改革方針確立為“1 個目標、3個環節、5 種模式、4 個主攻方向”。1 個目標是“建設成為研究型生物醫學工程專業綜合訓練的精品課”。3個環節是“研究型教學內容體系的更新，立體化課程和教學資源的建設，創新型支撐平臺的建設”。5種模式是綜合運用“教材文獻研讀、討論”、“課堂系統講授及演示”、“動手實踐操作和研究”、“臨床醫院見習和探索”、“總結、討論、提高”等5種授課方式，把課程內容落實在3個層次上。并在“基礎性”、“創新性”、“趣味性”、“研究性”4 個方向進行了主攻。經過幾年的實踐運行，形成了有特色的生物醫學工程專業綜合訓練課程的教學體系。

在進行教學內容選擇時，我們認為本科的專業實踐綜合訓練課程，要認真考慮專業教學內容選擇的基礎性、廣泛性、研究性和前瞻性，既要考慮本科學生的專業綜合實踐課程的廣度和深度，又要對前沿性技術方法及理論有所涉及，既要循序漸進地強化學生的基礎理論知識和動手實踐能力，提高學生的分析和解決問題的能力，又要激發學生的創新性思維［6］。根據這一課程內容選擇的理念，我們制定了本課程的教學大綱和培養方案，從幾方面全方位保證改革理念的可靠實施。

3.1 進行研究性課程內容的立體化設計

課程內容立體化設計包含如下幾個方面:

（1）包含30多個對動物和人的基礎性、研究性的生理實驗，并設計了將最新的科研成果轉化的實驗，使學生及時了解最新的科學發現和進展。在基礎實驗中，實驗的安排按照幾大生理系統結構（包括神經肌肉系統、血液循環系統、呼吸系統、感覺系統、中樞系統）綜合設計，從人到實驗動物、從宏觀到微觀、從現象到本質地揭示基本原理的內在根源和外在表象。

（2）將工程研究性訓練滲透在對實驗結果的分析、處理和總結中。在每個實驗后，設計相關的需要通過工程分析計算對實驗的總結提高的訓練環節，同時，大量的分析計算方法體現了生物醫學工程信號處理的本質和精髓。

（3）加強對臨床常用檢測治療設備的原理、方法、系統組成、研究進展、臨床應用的研究探索性學習。70多種檢測和治療設備的介紹以生理系統為單元，學生需要對每個生理系統常用的檢測治療方法、設計原理及采用的關鍵技術進行系統而綜合的學習、調研和討論。

（4）深入全國臨床設備最先進、最全面的解放軍總醫院（301醫院）進行生物醫學檢測治療設備的趣味性和探索性實習，使學生了解本專業知識在臨床中的具體應用。

（5）引導學生對臨床中的技術難題進行創新性探索。通過與醫生交流溝通，了解臨床檢測設備中存在的技術難題，并針對難題進行討論。

徹底改變了學生將此課程稱為“動物解剖實驗課”的教學內容體系，使學生通過全面的專業綜合訓練，逐漸培養形成觀察、思考、分析、解決和探索新問題的能力。

3.2 進行立體化課程和教學資源建設

為了配合上述課程內容的順利實施，我們做了如下的工作:

（1）編著了國內首本針對本課程的教材《生物醫學工程檢測及基礎實驗》（15章，51萬字），教材分為上下兩篇。上篇是對幾大生理系統中臨床常用檢測治療設備的基本原理、方法、組成框圖和研究進展的講解；下篇包含了幾大生理系統的生理學實驗的內容。引導學生進行文獻閱讀并指導學生進行正確的實驗操作和分析。

（2）全面系統地制作了針對各生理系統和器官的常用檢測治療設備的電子教案和多媒體課件70多種（1 200多頁），幫助學生系統掌握教材中涉及到的30多種最常用的臨床檢測設備的基本原理和技術方案，對另外30多個檢測治療設備要求一般性掌握了解。將看似“黑盒子”的檢測設備的基本組成和原理具體化、框圖化，將復雜的檢測算法和技術方法簡單化、流程化，使學生對專業研究的內容、方向、方法和進展有全面、系統、深入的掌握。

（3）制作了針對基礎實驗的多媒體課件35個，幫助學生學習實驗的基本原理、實驗技能和對實驗數據的工程處理方法。

（4）對所引進的國外先進實驗設備的說明書進行翻譯、整理（12章，8.5萬字，182頁），擴大實驗平臺的應用層面。

（5）分類收集整理了大批與本課程內容相關的電子版本，在課程教學中作為閱讀參考文獻。

3.3 進行創新型支撐平臺建設

支撐平臺是實踐類課程順利進行的保障，因此進行了創新型支撐平臺的建設。

米索硝唑是一種具有較高放射增敏比的乏氧細胞放射增敏劑，其放射增敏比為1.5[1]，最高可增至1.8～2.0[2]，常用于頭頸部鱗狀細胞癌的放療增敏。但因其水溶性低、油水分配系數高導致其不良反應發生率高，主要為外周神經系統毒性（發生率為15%～28%），故而限制了其臨床應用[3-4]。為此，本課題組將米索硝唑包裹于pH敏感脂質體中制成米索硝唑pH敏感脂質體，以此來克服藥物的外周神經毒性，并使其具有腫瘤靶向性[5-8]。

（1）分別購置了用于人體和動物的Biopac、RM6240B生理實驗檢測平臺，同時對Biopac的16種和RM6240B的6種不同傳感器進行了測試、定標和驗收。

（2）設計了利用現代檢測儀器進行生理實驗的驗證性和探索性研究，使本平臺具有鮮明的科學研究特征，同時實踐支撐平臺中的部分探索研究內容已擴展應用到研究生的專業實驗課程中，有效地擴大延伸了教學實踐支撐平臺的應用范圍。

（3）將全國臨床醫療設備最先進、全面的解放軍總醫院發展成為本課程的教學實習基地，促進學生對專業知識在臨床中應用的了解和對需要解決的技術難題的思考。

（4）將本系專業研究室的研究成果作為教學資源，并將成熟的研究成果轉化為課程實驗平臺和研究內容，實現了向研究型實驗教學模式的重大轉變。

4 實踐課程改革的實施方案

從我校的實際情況出發，我們定位此實踐課程的目標是:既要使學生具有扎實、熟練的實驗和理論基礎，又要密切關注生物醫學工程的前沿實際問題；學會應用工程的分析、計算方法；培養綜合的分析、處理和解決問題的能力。因此，本項目改革的指導思想是在內容上全面、細致的實踐活動與理論、分析并重，緊緊圍繞著“基礎性與創新型”、“趣味性與研究型”并重的實踐教學指導思想，將課程內容分解到“原理性的基礎實踐知識的掌握和實際操作”、“工程技術和分析方法的定量研究”、“科學問題及技術方法的創新探索”3個層次上，循序漸進地引導學生進行實踐課程的學習。在具體講授過程中，將“教材文獻研讀、討論”、“課堂系統講授及演示”、“動手實踐操作和研究”、“臨床醫院見習和探索”、“總結、討論、提高”5種授課模式并用，改變了僅進行動物解剖技能訓練的單一教學模式。

4.1 教學體系的全方位更新

生物醫學工程專業綜合訓練課程是:訓練學生認識掌握臨床上與本專業相關的各種檢測設備的原理及設計方法；學習理解人體和動物的生命活動過程中各種生理現象的本質特征；學會采用生物醫學工程的計算分析方法，提取出代表各個生理系統和器官的生命指征的參數，探討其生命現象和特征。它涉及到生物、醫學、數學、物理和工程等多個領域，要應用多學科的理論和知識分析、解決問題［7］。因此在認真考慮了實踐教學內容選擇的廣泛性、基礎性、研究性和前沿性的基礎上，對課程內容進行了系統規劃，使教學內容涵蓋5個主要方面:

（2）突出利用工程的方法，學會對實驗測試結果和檢測結果給出定量的計算和科學的分析結果。如在人體心電、心音的測試實驗中，不僅要求學生掌握幅度、波間期、心率的計算方法，學會心電軸的測定方法，而且要學會對比地進行心音與心電各個間期分析的工程計算方法，根據結果分析正常及病態生理過程所對應的參數指標。

（3）加強對臨床上常用的檢測治療設備的了解和技術原理的理解，使學生通過課前調研、課堂多媒體講解和討論等方式掌握先進的檢測治療設備的設計思想、技術原理、結構組成、發展歷史和臨床應用。如對中樞神經系統的檢測中，不僅包含對常用的臨床方法“腦電檢測”和“誘發電位檢測”的介紹，而且包含極具臨床應用前景、在基礎研究中的熱點方法“腦磁檢測”。而在對人體組織成分分析中，則采用對比的方法系統介紹10多種組織成分的檢測方法及應用范圍。如密度測定法、全身水量測定法、全身鉀總量測定法、基于皮脂厚度的測量方法、生物電阻抗法、雙光人體成分分析法、紅外測量法、超聲法、CT 法、MRI、中子活化分析等。

（4）加強在臨床醫院的實習，了解臨床對本專業的要求和本專業知識及成果在臨床中的作用。如在解放軍總醫院的實習中，對生物醫學工程所涉及的多個科室進行系統實習，包括心電圖室、腦電圖室、肌電、介入科、生化科、眼科（眼電，視網膜電位，視覺誘發電位）、耳科（耳聲發射，聽覺誘發電位）、超聲、醫學影像（X 線、CT、MRI、PET、PACS）、全國聲學計量檢測中心等。

（5）引導學生對臨床中的技術難題進行創新性探索。如在臨床實習中，通過與醫生交流溝通，了解到目前臨床上常用的腫瘤治療方法“放射療法”和“化學療法”，于是通過提問，“對于腫瘤，是否有綠色療法？其原理是什么？”，學生帶著問題進行調研，去了解腫瘤的綠色療法“熱療及其原理”，從而開展對治療設備的基本原理、設計方案及技術難題的討論、分析和總結，由此逐步培養學生的創新思維。

4.2 教學內容的分層次落實

除了進行了研究型課程內容的立體化規劃外，教學組同時還提出了“基礎性與創新性”、“趣味性與研究性”并重的實踐教學方法，將教學內容落實在3個不同的層次上，循序漸進地引導學生進行系統綜合的課程訓練。在課程實踐過程中，強調引導理性思維和理性實踐，注意技術的多樣性。突出了不同層次的實踐教學要求的貫徹執行及在實踐教學中的作用。

專業實踐教學訓練中的第1個層次的內容屬于原理性的基礎實踐知識的掌握和實際操作，其特點是內容相對基礎、穩定。主要通過課前資料研讀、課堂講授和課堂實驗演示來傳授知識，并通過學生動手實踐操作完成實驗和實習任務，獲取數據。在這一層次的實踐教學上要充分發揮教師課堂的操作演示作用及現代多媒體和錄像的圖文并茂的長處，使學生掌握基本操作技能，完成基本實驗內容的操作和對檢測設備基本原理的理解，同時結合課前對指定文獻研讀和對實驗設備的使用了解，完成此層次任務。

專業實踐教學訓練中的第2個層次主要體現在工程技術的多樣性和工程分析方法的定量性及對結果分析的科學性，其特點是針對不同的實驗記錄和檢測結果，利用不同的工程的計算方法和分析手段，從實驗記錄中提取反映生命體征的參數，進一步科學地分析數據所反映的科學現象。在實踐教學模式與環節的設計上，我們強調突出主線，在課堂上只介紹基本分析方法和分析思路，讓學生注意到工程技術的多樣性和可行性，然后通過對實驗記錄的計算、分析和討論來反映對實驗內容的理解和掌握［10］。

專業實踐教學訓練中的第3個層次反映的是內容的前沿性，其特點是技術上帶有不成熟性，甚至還只是一種思路，目的在于擴展學生眼界和思考問題所站的高度，培養創新思維。這部分內容不作為考試和評定成績的必要要求，而是強調實踐教學過程中學生為主體的觀點，開發學生的潛能。教師的作用體現在引導方向，調動學生有意識地去鉆研。因此通過精心設計的研究思考型實驗和臨床疑難病癥的檢測方法作為對學生自我學習能力的挑戰。通過給出較有價值的最新文獻，讓學生通過最新文獻去跟蹤技術的發展，完成帶有一定研究性、創新性的設計并去實現，最后通過實驗報告及論文等形式加以促進，激發學生的興趣和熱情［11］，使實踐課程從重復驗證為主轉變為傳授知識與培養創新性思維和能力并重。教學中關注學生開創意識和創新能力的培養，注重學生素質和能力的訓練。在教師、實驗員和助教閱讀學生報告的基礎上，安排學生逐一匯報、分組討論和教師點評，使學生看到在處理問題思路和方法上的多樣性，并比較各種方法的特點。在此基礎上，學生還可以對自己的設計進行改進并提交最終的報告。因此這種教學模式突出了培養學生研究性學習及通過實踐獲取知識的能力，盡管大幅度加大了教學工作量，但從知識和能力2個方面提高了學生的素質。

4.3 教學方法的多模式并用

立足于專業實踐課程教學內容的立體化和多層次設計，教學組針對不同層次的教學內容，又設計了多種實踐教學模式和教學環節，使學生既重視基本實踐操作與工程處理的嚴謹性，又認識到工程方法的可行性與多樣性。多模式授課體現在下面5種不同的授課方式并用的教學方法中，改變了僅進行動物解剖技能訓練的單一教學模式，讓學生掌握基礎知識，提出并解決新問題，以進一步激發創新性思維的開發。

第一種授課模式是通過課前教材和文獻研讀，引導學生對實驗內容的基本了解，了解為達到實驗目的所采用的技術方法和操作過程。引導學生了解最新的臨床檢測治療設備的基本原理、發展動態和前沿產品，了解本學科知識在目前臨床醫院的應用和發展動態。

第二種授課模式是通過課堂教學，系統簡明地澄清實驗的基本原理、目的和實驗技巧，進行檢測治療設備的基本原理、方法、系統組成、研究進展、臨床應用的研究探索性講授學習，引導學生對臨床疑難問題的創新性探索。在此模式中，教師采用當堂講授的方法，綜合利用多媒體課件、生動的DVD 錄像和實物展示等方法，突出檢測設備的設計原理及組成、實驗操作方法和技巧。在此模式中，重點主攻了基礎性學習內容和趣味性的學習過程。

第三種授課模式是學生動手實踐操作和研究，通過3周的時間，學生親自動手進行30多個經典的和前沿的關于人體和動物的生理、電生理實驗操作，強化學生的實踐操作能力，然后通過工程的方法對測試數據進行計算分析，對實驗結果給出科學合理的解釋，加強學生對生物醫學工程基礎知識的理解和創新性實驗的設計能力。在此模式中，重點主攻了學生進行驗證性和探索性實驗的基礎性和研究性的學習過程和方法的體會。

第四種授課模式是臨床醫院的見習，根據生物醫學工程學科的特點，深入臨床醫院，參觀見習與生物醫學工程相關的科室，了解生物醫學工程專業知識在臨床中的應用和臨床對本專業的需求及發展動態，豐富學生知識，開拓眼界，培養學生服務于臨床、服務于社會的思想。在此模式中，重點主攻了學生在臨床實踐過程中的理論聯系實際的比較學習過程和對疑難問題進行探索的創新性思維的激發［12］。

第五種授課模式是課程總結討論。根據教師提問、課程總結匯報、大作業和設計性實驗的安排，通過每個學生上臺匯報、演示實驗結果、總結實驗收獲、討論疑難問題、介紹調研的相關檢測治療產品的原理、發展過程及研究動態、交流設計思想和體會，最后教師進行總結提高。在此模式中，重點主攻了學生利用知識積累進行創新性思維的發掘和進行研究型工作的思維總結過程。

采用上面5種不同的實踐教學模式來滿足不同層次的教學內容的要求，以提高學生的學習興趣，提高課程學習效率，并綜合運用多種教學手段和現代化媒體，使教學效果達到最佳。

5 結束語

經過改革的培養方案、教學內容、教學環節和模式已經在清華大學2003—2010級（8 屆）學生中逐步得到全面實施，收到很好的效果。每屆48學時。經過改革的實踐教學支撐平臺已經在清華大學2003—2011級（9屆）學生2門專業實踐課程中全面實施，收到很好的效果。其中一門專業實踐課程為64學時，另一門為48學時。另外，經過改革后的實踐支撐平臺中的部分探索研究內容已經在2008年開始作為研究生的專業課程（“聽覺和語音系統的檢測分析”）的實驗平臺，在連續5年研究生實驗課程的應用中得到學生的高度評價。

該課程教學研究成果代表本系參加全國教學評估檢查，為本專業在教學評估中獲得一級學科做出了基礎性貢獻。許多本科生的SRT 項目是此課程研究內容的繼續，許多學生基于此實踐平臺完成了醫療儀器創新設計大賽和挑戰杯等大賽項目。該課程的教學成果在2008年獲得清華大學教學成果一等獎，在2009年該課程獲得清華大學精品課稱號。該課程與另外5門課程獲得清華大學“985”工程二期“生物醫學工程主干課建設”資助。該課程的配套教材獲得清華大學校級規劃教材建設項目資助，教材于2011年12月由清華大學出版社出版。

生物醫學工程專業綜合訓練實踐教學改革和實踐平臺建設項目，極大地促進了清華大學生物醫學工程系實踐教學的全面發展。

（

）

［1］袁力，焦紅霞，王葉.從生物醫學工程產業發展談生物醫學工程教育［J］.醫療設備信息，2006，21（11）:48－50.

［2］鄒慧玲，董秀珍，趙瑞剛.中美生物醫學工程本科教育的比較及啟示［J］.醫療設備信息，2004，19（4）:1－4.

［3］馬春排，李天鋼，李自毅.生物醫學工程實踐教學體系的建設［J］.實驗室研究與探索，2010，29（4）:103－105，122.

［4］董秀珍，鄒慧玲，楊國勝.我國生物醫學工程學教育有關問題的探討［J］.中國高等教育，2002（5）:6－9.

［5］馮波，翁杰，黃楠，等.結合學科特點和自身優勢建立生物醫學工程本科專業實驗教學體系［J］.實驗技術與管理，2006，23（10）:15－17.

［6］張建麗，范蕾.生物工程綜合實驗教學改革研究與實踐［J］.實驗技術與管理，2010，27（5）:144－146.

［7］肖連冬.生物工程綜合性專業實驗的教學改革與實踐［J］.廣東化工，2009，36（8）:310－312.

［8］宮琴，生物醫學工程基礎及實驗教程［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［9］Rudolf Probst，Brenda L.Lonsbury－Martain and Glen K.Martin.A Review of Otoacoustic Emissions［J］.J Acoust Soc Am，1991，89（5）:2027－2067.

［10］葉佩青，劉莉，吳志軍，等.綜合性實踐課程教學改革探索［J］.實驗技術與管理，2005，22（2）:22－36.

［11］余萍.實踐教學改革探討［J］.湖北經濟學院學報:人文社會科學版，2007，4（11）:157－158.

［12］袁力，焦紅霞.產學研結合教育的理論問題及其在生物醫學工程高等教育的實踐［J］.電氣電子教學學報，2004，26（2）:25－42.