挑戰性生物醫學工程綜合設計實驗教學改革探索

騰軼超, 杜亞楠, 梁作清, 丁 輝, 王廣志

(清華大學 醫學院, 北京 100084)

1 背景與目的

生物醫學工程(biomedical engineering,BME)是工程學與生命科學、醫學深度交叉融合的學科,致力于用工程學的原理和方法解決生命、醫學與健康的關鍵問題。我校生物醫學工程學科致力于培養學術科研和產業創新的領軍人才,為“健康中國”國家戰略貢獻核心力量。學科經過近40年的發展,形成了醫學影像、神經工程、微納醫學與組織工程、生物醫學儀器4個優勢科研方向,2017年入選“雙一流”建設學科,成為全國2所擁有生物醫學工程“雙一流”建設學科的高校之一(另一所為東南大學)。

美國工程技術認證委員會(ABET)將“應用數理科學和工程知識,解決工程與生命科學交叉的問題”“測量生命系統并闡釋測量數據”“綜合運用技術、技能和現代工程工具,開展工程實踐”等能力作為評估生物醫學工程本科教育的關鍵指標[1],生物醫學工程綜合設計實驗是全面訓練本科生上述能力的核心環節之一。約翰霍普金斯大學、斯坦福大學等國際名校的生物醫學工程專業都開設了需求導向的挑戰性、創新性設計系列課程,實驗教學思路和學生設計成果得到國際廣泛認可,并與研究生培養有機貫通、相互促進,發揮了很好的示范作用[2-3]。近年來,國內高校的生物醫學工程專業陸續加強本科生綜合設計類實驗教學,要求學生自主選題并實現小型、智能化醫學儀器樣機,取得了較好效果[4-11];但總體來說,學生設計選題仍集中在體溫、心電、血壓等常規生理參數檢測,挑戰性、前沿性有待提升,“學科交叉”的特色待發揮,特別在開闊學生視野、激勵創新等方面與國際名校仍存在差距。

我校生物醫學工程系貫徹落實教育部“新工科”建設指導思想和我校教育教學改革理念[12-13],推進了生物醫學工程綜合設計實驗教學改革,通過建設“挑戰性”實驗課程,著力激發學生創新思維、體現學科交叉特色、促進實驗教學與科研互動,取得了較好效果。

2 改革思路與創新

2.1 設計實驗選題——需求導向,貼近前沿科研

每年春季學期開設“生物醫學工程綜合設計”實驗課程(BME Design Program,2學分),主要面向生物醫學工程專業大三本科生,并歡迎校內兄弟院系有興趣的學生選修。促進實驗教學與前沿科研互動,要求本科生基于生物醫學工程科研平臺的需求凝練設計選題,綜合運用交叉學科的知識和能力,設計實現滿足需求的新型生物醫學儀器或系統,領略學科前沿并激發創新思維。實驗教學的基本思路如圖1所示。

圖1 生物醫學工程綜合設計實驗教學的基本思路

春季學期開學前,課程負責教師主動與生物醫學工程系各科研方向的教授代表溝通,邀請其提供有明確前沿科研和醫學健康需求的設計方向。成立課程指導教師組,由相關科研方向的教授代表、研究生代表以及課程負責教師、教學實驗室教師組成。春季學期開學后,本科生團隊(一般3人一組)結合興趣選擇設計方向,并主動向指導教師組成員請教,開展充分的、面對面的師生互動交流,輔以文獻及實地調研,凝練出具體的設計選題。這一過程使學生能夠“沉浸式”體驗生物醫學工程專業的前沿科研,有利于開闊視野。

借鑒“項目制”思路,學生團隊需在選題階段結束后作立項報告、匯報設計方案及解決思路、申請經費支持(原則上每組不超過2000元)。為提升挑戰、激勵創新思維,要求設計方案應檢測新的參數指標,或采用新的實驗技術,或采用新的核心器件。指導教師組成員,特別是課程負責教師評估學生設計選題的需求與意義及設計方案的可行性與創新性,盡可能確保本科生團隊在1個學期內取得明確的階段性成果。

選題和立項報告階段,課程負責教師等針對生物醫學儀器的低功耗設計、數字接口設計、系統設計、典型案例、安全標準等共性技術問題進行專題講解,擴展學生視野和知識儲備。

2.2 設計實驗過程——嚴格規范,促進學科交叉

在立項報告提出設計方案的基礎上,學生團隊綜合運用生理學與機械、電子、計算機等知識與能力,完成軟硬件設計、系統聯調、實驗驗證與性能評估等環節。要求學生設計實現完整的、可獨立工作的系統樣機,需包括生物醫學傳感、電子電路與采集、數據處理與信息挖掘、機械結構與控制等模塊,以體現“學科交叉”的特色。

從實驗規程、師生交流、支持平臺等方面,完善實驗教學的“過程化”管理(見圖2),確保學生接受嚴格規范的工程設計訓練。

圖2 生物醫學工程綜合設計實驗教學的“過程化”管理示意

(1) 實驗規程方面。編寫了指示書,明確了設計實驗流程與各環節的詳細要求。要求學生認真記錄關鍵問題、解決思路、測試數據及階段性成果等,每周提交書面的進展報告,以便教師合理掌控實驗教學進度、開展針對性的輔導,準確評估每位學生的具體貢獻。

(2) 師生交流方面。要求學生團隊每周主動與指導教師組成員面對面探討,并做書面記錄。期中舉辦設計實驗進度交流會,每個團隊匯報進展與關鍵問題,師生共同探討解決方案。

(3) 支撐平臺方面。教學實驗室及相應方向的科研實驗室均面向學生團隊開放。針對生物醫學儀器設計對硬件模塊的共性需求,在學校實驗室創新基金重點項目支持下,研制了人體生理參數檢測儀器所需的模擬放大、濾波、采集、傳輸等通用模塊,保障了實驗教學順利開展。

2.3 設計成果評估——多種形式,注重學生反饋

期末以成果展示會等形式完成設計實驗成果評估,包括現場演示和PPT答辯,學生團隊匯報具體設計方案、關鍵問題解決與創新、進一步優化設計方向或計劃等,指導教師組給出個性化的評價和建議。為全面訓練學生的學術表達能力(包括學術文章寫作、口頭報告與海報張貼報告等能力),要求學生提交“設計成果文件包”,包括：

(1) 設計成果展示答辯PPT;

(2) 設計成果演示的短視頻(5 min左右);

(3) 設計成果展示海報,按學術會議海報的格式;

(4) 最終設計報告,按學術文章的格式,包括中英文摘要、關鍵詞,以及設計目的、方法、結果、討論與結論等。

注重收集學生反饋與建議,要求學生結合具體實例,提交設計實驗期末評估報告,作為學習成效評估的關鍵載體,也為繼續深化實驗教學改革提供重要參考,主要內容包括：

(1) 學生在設計實驗中學到的新知識、新技能,如何解決實際工程問題;

(2) 與指導教師組交流討論的關鍵問題及收獲;

(3) 設計實驗中遇到的主要困難及解決,學生的收獲與提升;

(4) “醫工融合,學科交叉”在設計成果中的體現;

(5) 對設計成果創新性、實用性的自我評價;

(6) 對實驗教學挑戰性的自我評價;

(7) 團隊成員分工合作情況;

(8) 對實驗教學的具體意見與建議。

實驗課程成績由學生選題、設計過程、設計成果、總結報告、學生評估報告5個方面組成,占比分別為15%、40%、25%、10%、10%,既參照選題與成果,更注重每位學生設計實驗全過程的具體貢獻及收獲。成績評定時充分考慮團隊成員角色、工作量和貢獻的差異性,同一團隊內不同學生的成績可有相應的區分度。

2.4 第二課堂拓展——“課”“賽”結合,累進支持激勵

由于設計實驗選題與前沿科研密切結合,在完成實驗教學基礎上,激勵、引導學生利用課余及課程結束后的更多時間,開展更深入、更挑戰的設計探究,為大四及研究生階段的科研工作打下更好的基礎。主動為學生匹配經費、場地、儀器設備、教師指導等累進支持,鼓勵學生自主申報“大學生研究訓練計劃”(SRT)等累進項目。主動推進“課”“賽”結合,推薦優秀學生基于設計實驗成果,參加“全國大學生生物醫學工程創新設計競賽”“挑戰杯”等科創賽事,推薦優秀成果申報學校“學生實驗室建設貢獻獎”等獎勵,進一步激勵學生專業志趣和創新思維。

3 成效與總結

通過推行實驗教學改革,從需求導向、貼近前沿科研的設計實驗選題,嚴格規范、促進學科交叉的設計實驗過程,多種形式、注重學生反饋的實驗成果評估,“課”“賽”結合、累進支持激勵的第二課堂拓展等方面,切實提升了生物醫學工程綜合設計實驗教學的“挑戰性”(見圖3)。學生的設計選題源自生物醫學工程前沿科研及醫學健康的具體需求,設計方案集成了電子、計算機、機械等工程技術,充分體現了生物醫學工程“學科交叉”的特色。指導教師組對選課學生給予了全過程、全方位、個性化的指導,保障了實驗教學質量。

圖3 生物醫學工程綜合設計實驗教學“挑戰性”的體現

近5年來,學生在生物醫學工程綜合設計實驗課上累計實現生物醫學儀器系統(樣機)近40項次。例如本科生團隊基于神經工程領域前沿科研的需求,采用24位高精度A/D和腦電時頻分析等技術,實現了便攜、可穿戴的動物顱內腦電檢測系統樣機,系統功耗約30 mW,面積3.2 cm×2.0 cm,初步完成了大鼠硬膜下腦電信號實時檢測(見圖4)。

圖4 學生代表性設計成果——便攜、可穿戴的動物顱內腦電檢測系統樣機

又如本科生團隊基于醫學組織工程科研平臺的需求,研制了可實現神經膠質細胞非接觸式電刺激的系統樣機,將40 kHz超聲作用于鈦酸鋇納米壓電顆粒(混有離體的神經膠質細胞),實現了刺激功率20～60 W、刺激時間5～30 s定量可調的神經膠質細胞非接觸式電刺激,初步取得了定性的刺激效果(見圖5)。再如本科生團隊基于我校生物醫學影像研究中心的科研需求,設計實現了磁共振兼容的頭部運動檢測及在線校正系統樣機,單片機通過攝像頭獲取受試者頭部運動的視頻圖像,如運動幅度超出閾值,則向磁共振成像系統發送脈寬50 ms的門控電平,使其重新采集之前5 s的成像數據,實現運動偽影校正,系統具備鐵磁屏蔽外殼,可在磁共振掃描間使用等(見圖6)。學生通過設計實驗領略了前沿科研、增進了學術志趣,設計成果也為生物醫學工程系科研平臺提供了重要的技術支撐,實現了“科研轉化教學,教學促進科研”的良性互動。

期末評估報告顯示,超過70%的學生認為生物醫學工程綜合設計實驗具有較高的挑戰性,自身綜合設計能力得到了明顯提升。學生對“過程化”的成績評定方式及最終所獲成績也比較認可,近5年未收到學生成績申訴或復議的申請。

通過“課”“賽”結合的嘗試,進一步激發了學生的創新思維。近年來,選課學生基于設計實驗成果,獲我校學生實驗室建設貢獻二等獎3項、三等獎3項;2018年近1/3的學生組隊參加了第4屆全國大學生生物醫學工程創新設計競賽,獲一等獎、二等獎、三等獎各1項。作為我校生物醫學工程本科生教學培養特色之一,“挑戰性”實驗教學改革思路及成效曾在2017年生物醫學工程本科教學審核評估、2018年生物醫學工程學位授權點合格評估等場合匯報,階段性成果曾獲2016年我校教育教學成果二等獎,研制的人體生理參數檢測通用模塊也獲得2018年我校實驗技術成果二等獎。

圖6 學生代表性設計成果——磁共振兼容的頭部運動檢測及在線校正系統樣機

4 結語

作為培養生物醫學工程專業學生設計能力與綜合素質的關鍵環節,生物醫學工程綜合設計實驗教學改革還需進一步深化。首先,立足我校本科“大類培養”的實際,著重引導來自化生類、電子信息類的生物醫學工程本科生“交叉組隊”,開闊思路,凝練更創新、更交叉的設計選題,將綜合設計實驗建設成培養學生“交叉學科”思維能力的核心環節。其次,應進一步加強“課”“賽”互動,加大對學生創新思維、創業精神的激勵與支持力度,更好地發揮實驗教學的“價值塑造”功能。同時應針對學生學習成效及能力、素質提升開展中長線評估,將“挑戰性”生物醫學工程綜合設計實驗教學改革作為突破口,提升整個生物醫學工程本科教學體系的“挑戰度”,培養更具“核心競爭力”的生物醫學工程領軍人才。