新工科理念下“ 生物醫學工程專業”PBL 模式教學改革研究

杜妍辰，林俊文

上海理工大學 醫療器械與食品學院（上海，200093)

0 引言

生物醫學工程是工程學、醫學與生命科學共同組成的交叉學科，具有醫學與工程學高度融合的特點。其核心理念是將工程技術運用到生命醫療領域，用生命工程設備診斷并治療病患以解決健康領域的重要問題。生物醫學工程學是目前國內外發展極為迅速的交叉邊緣學科。在《國家教育事業發展“十一五”規劃綱要》中指出，要進一步推進高水平大學和重點學科建設， 重視發展前沿新興學科和交叉學科［1］。中央文件在 2018 年 8 月 24 日對“新醫科”的發展內涵給出了解釋，文件中提出了從治療為主到兼具預防治療、康養的生命健康全周期醫學的新理念，確定開設精準醫學、轉化醫學、智能醫學等新專業，在人工智能、大數據為代表的新一輪科技革命撲面而來的新背景下，對原有的專業提出了醫工理文融通的新要求［1］。

我國由上世紀七十年代初次開設生物醫學工程專業以來已為該領域培養了大量優秀人才，培養計劃也從原先解決臨床工程人才缺口轉向針對生物醫學工程高端研發人才以及臨床工程高級技術人員方向。但當前階段我國正處于醫療衛生系統轉型時期，如人工智能、大數據、信息技術等一系列蓬勃發展的新型工程技術使生物工程領域進入了全新的發展領域。

這一系列的變化也給高校的教學帶來新的挑戰，生物醫學工程學由其本身的特性廣泛涉及了數學、生物醫學、物理學、材料學、化學、機械、通信等領域，由各類領域學科的深入研究成果為例如生物影像學、生物信息學、生物力學、生物醫學材料和生物醫學儀器等等細分領域帶來更多研究條件［2］。但即使如此，作為生物醫學工程學科快速發展的現狀卻不容樂觀，學科高端人才無法滿足行業需要、科研創新能力不足以跟上發展現狀以及高校培養體系的滯后都制約了生物醫學工程產業更新迭代的速度。因此, 秉持著將舊學科進行升級轉型和不同學科領域交叉融合的“ 新工科”理念，對傳統單一、灌輸式的高校人才培養模式進行改革，由PBL 模式出發使用以解決問題為導向的教學方法，實打實得讓培養對象使用各學科最新研究成果解決問題顯得極為迫切。

1 基于PBL 教學模式的學科教學改革

以問題為導向的教學方法（Problem-based learning）強調以問題為核心，以解答問題為驅動力，通過協作學習掌握前沿科研成果，運用至自身領域協同處理各分支問題的手段，激勵培養對象自主探究學習方法，提高解決實際問題的能力以此培養如今日益重要的創新思維能力［3］。在此PBL 教學模式下，學生由聽教者轉為自主探究者，而教師則由傳道受業解惑的角色轉換為引導和督促的角色。PBL 模式以問題為導向的教學方式更傾向于“新工科”課程注重實踐的教學目標，此種自主探尋解決方法的方式，能更好地強化學生專業應用能力并培養出如今緊缺的創新性思維。

基于PBL 教學方法的三個核心基本點：問題設計、自主探究協作學習和教學評價三個方面來闡述生物醫學工程學科中如何應用PBL 教學模式。

1.1 問題設計

PBL 作為以問題為導向的教學方式，合理并具有導向性的問題是教學活動的基石，其問題設計的結構直接決定了PBL 教學過程能否成功。在生物醫學工程學科中選擇設計問題時，應考慮以下幾個方面：（1）所設計問題應涵蓋本課教學目標和核心概念并且其導向于課程所需的知識。以機械外骨骼為例，為使學生自主學習機械外骨骼所需人體結構和機械自由度等知識，應針對設計合理性要求提出問題。（2）所設計問題優先選擇基于真實情況的案例，如康復輪椅平臺設計、手術止血鉗改進等，由此可以使學生在現有設備中尋找經驗、發揮創新思維。并且有別于傳統教學重理論輕實踐的教學方法，由真實情況出發的案例可使學生依托校方設備進行實踐操作，強化學生實干能力的培養。（3）所設計問題應擺脫陳舊教材幾十年不變的已解決問題，應結合前沿科研成果提出具有可創新發揮空間的問題，以培養學生創新思維能力，加強“ 新工科” 理念建設。

1.2 自主探究協作學習

當問題選擇完畢后，應安排學生以小組形式協同解決問題，首先應引導小組成員以合理的方式認識問題，加以交流討論相互形成基本共識。基于對問題的初步認識，各小組應形成初步假設，預先判斷解決問題需要掌握如機械、電子、生物或計算機等方面的知識。在課堂的交流討論里學生的認識和判斷都是基于老師引導的初步認知，而更全面的認識必然需要學生查閱更多的資料，自主探究的意義便是在此。初次接觸科研領域的本科學生對資料查閱方式的認識多數還只停留在圖書館或各類搜索引擎上，這些途徑雖能查到相當一部分資料卻多數年代過于久遠。所以給予學生自主探究能力的關鍵在于知識獲取途徑上，將知網、谷歌學術、EI 檢索等查閱文獻的方法教授給學生，讓學生能接觸到各學術領域最新的科研成果，由各學科頂尖實驗室得到的各類前沿科研結論給予學生更廣闊的視野，這會給學生的自主學習能力帶來莫大幫助。在各成員自主學習并對問題有了更深刻認知后，再由各自組內協調明確各自負責方向，在此期間鼓勵學生資源共享和信息互通，促使各組成員協作完成問題解答。在解決問題的過程中，各成員要實時評估自己和他人的信息質量，共同篩選并整合所有信息以期更完善地研究問題本質。在學習的過程中，除了了解本學科內的知識和概念，在交叉學科中更重要的是以自主學習的方式掌握其他學科的核心內容，由團隊協作的方式各成員發揮所長分析問題，并找到解決問題的方案。在工程類專業的課堂中找到解決方案還不夠，更重要的是用實踐操作取驗證方案的可行性，而學生實踐操作的條件需要教師及校方單位及時保證。如此，各小組成員在一系列的解決過程中足以加深對新學習知識的理解、更清晰認識知識框架、掌握自主學習和信息獲取的方法并且鍛煉了實踐操作能力。最后，小組成員應利用報告和PPT 等形式展現成果，這既能讓教師充分了解學生對問題的解答程度又能向別的組分享成果和經驗。

1.3 教學評價

PBL 教學模式除了對最后成果展示進行評價外，更注重對學習和解決問題過程的評價。評價內容應包括：信息收集、資料篩選和使用、團隊整合情況、學習態度和負責部分的結果這五個方面。首先應包含老師對團隊各成員資料查找的完善程度給出評價；其次應對資料中對解答問題較為重要的知識點使用情況做出評價；最后應對最終成果的完善程度程度評價。在各類評價過后還需對一系列的不足之處給與分析歸納和總結，在充分肯定學生已有成果的基礎上給予客觀的評價，這一系列流程是學生能找到自己身不足得到改正方向的關鍵。所以，教師的歸納總結對學生把握知識的系統性幫助很大，正確的引導也能引發學生更高層次的創新思維能力。

2 結語

在“新工科”理念推行下的培養單位應更注重對工程學科傳統教學方式的革新，轉變單一灌輸式的教學理念。在PBL 教學模式導向下的生物醫學工程課程教學改革是通過生物工程領域實際問題為核心，引導學生更加注重自主學習和團隊協作的方式以及工科學生必不可少的實踐操作能力，在生物醫學工程專業應更積極主動地把握前沿科研成果融會貫通至當前學科以解決實際問題，以此圍繞解決問題的方式獲得并鞏固所需的綜合性知識技能，構架并完善自身的能力以及知識體系，達到提升培養對象解決實際問題的能力。