1. 引言
为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2019年~2021年，教育部全面实施了“六卓越一拔尖”计划2.0，引领推动新工科、新医科、新农科、新文科建设，强调学科的实用性、交叉性与综合性[1]。其中生物医药及高性能医疗器械的发展作为“医工”结合的重要领域之一被重点提出，作为“三步走”战略目标的第一个10年目标[2] [3]。生物医学工程是结合医学、工程学和生物学的一门新兴学科，是从工程学角度，对人体结构及生命现象进行研究，为人类疾病的预防、诊断、治疗、康复提供新的技术手段。作为一门交叉学科，其主要发展模式是借助工程技术的手段来将物理、化学和生物学中的相关原理和方法应用到临床医学领域，以此来提升临床医疗器械的准确度和安全性，满足实际临床诊治的需求。虽然我国生物医学工程研究生生源数量逐年递增，但国内仍有近70%的医疗器械市场被发达国家的公司瓜分。国内现有的医疗器械产业虽然数量多，但存在规模小、专业化程度低、协作性差等缺点[4]。因此，通过“医工”结合，研发具有中国自主知识产权的高性能医疗器械重点产品，势必成为《中国制造2025》的迫切任务[5]。
然而现阶段大多数高等院校的生物医学工程专业课主要存在教学方面及研究生培养方面的困境。具体表现为：第一，教学侧重点多集中于学校或学院擅长的某一学科，实质性融合不到位，各高校虽然都开展了医学类、工程学类及理学类相关课程，但这些课程之间缺乏联系，学科方向和科研价值观也有所不同，没有真正形成“一对多”和“多对多”的学科交叉模式；第二，学科涉及的基础课程较杂，理论知识繁多，教师在教学过程中多注重对专业知识的讲解，而忽略了与实践的结合。学生在这样的教学氛围中，为了得到学分机械地进行学习，思维创新能力得不到提升，对学科交叉融合的研究很难产生兴趣；第三，生物医学工程研究生的培养需要强化学生的实践能力，以及掌握了解一些目前“医工”结合实践取得的突破性成果，为学生后续的创新融合研究课题打下坚实的基础。然而目前生物医学工程专业的实验大多为工科、理科或医学类的基础实验，缺乏交叉融合的综合实验，学生通过这些实验并不能将所学知识结构进行交叉复合，也不能激发学生的自主创新意识和主观能动性，更不要说突破学科专业之间的壁垒；第四，评价方式单一，笔试考试仍是主要考核方式，这使得学生不重视对综合实践能力的培养，难以满足国家对工科研究生的需求。
本文针对以上问题，以“医工”融合，多学科联动为亮点，结合云南大学生物医学工程专业的特点和教学需求，以培养“双创型”研究生为目标，改革传统的教学内容和教学方法，对课程教材内容、课堂呈现形式、解决临床问题的实践技能、课程评价体系进行探索，为培养适合新时代“新医科，新工科”融合的高质量创新型人才奠定坚实的基础。
2. 改革方法
目前我国拥有生物医学工程硕士点的高校约有70所，然而各高校的生物医学工程建设团队分别由不同学科，不同专业的师资构成，专业课程体系、人才培养计划等都存在一定的差异。长此以往，在培养该专业的人才中存在各学科结合不紧密，交叉性、创新性和实践能力相对薄弱等问题，使得培养出的高层次人才与社会需求差距较大。以生物医学工程导论一课为例，该课程仅作为本科课程，针对研究生没有专门的教学内容，个别开设研究生课程的高校在教学上大多沿袭着以理论灌输为主的教学方式，课程设置和教学内容不能与时俱进，导致研究生刚入学时由于基础不一致，很难融入到新的学科领域[6]。因此，如何能在有限的教学课程中，让研究生能更快融入新的学习环境，了解和掌握生物医学工程基础知识，培养研究生动手实践和多学科交叉融合的创新能力，培养生物医学工程专业的复合型人才，做到“医为工用，工为医服务”[7]是教学改革的主要方向。本文将从课程内容、教学方法、教学模式和课程评价四个方面进行课程改革探索。优化课程体系，强化实践能力，提升学科交叉深度，为我国产业发展和国际竞争培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。
2.1. 优化课程体系，明确课程定位
生物医学工程专业是以医学、物理学、生物学等最基本的理论为基础，理、工、医相结合的交叉性学科，是多种工程学科向医学、生物学渗透的产物。该学科运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为人类疾病的预防、诊断、治疗、康复等提供新的技术手段[8]。由于生物医学工程涉及方向较广，不同学校方向有所差别，没有形成较为全面的课程体系。
比如复旦大学课程侧重于医学影像方向，北京航天航空大学偏向于人体力学方向，华中科技大学以电子技术为主，浙江大学重点突出医用精密仪器，而四川大学则偏向于材料学。以云南大学生物医学工程为例，云南大学生物医学工程专业作为信息学院通信工程下的子专业，所招研究生大多属于电子信息、计算机及通信背景，熟悉电路、编程、信号处理等知识，但对生物医学知识知之甚少。在这样的背景下，研究生大多不能突破学科的限制，课题组的限制，甚至有的学生不能意识到学科所学知识在临床中的应用。因此，优化生物医学工程研究生课程体系，明确课程定位，对培养知识体系宽厚、兼具多学科知识拓展创新的研究生很有必要。
具体措施为课程需全面覆盖生物医学工程涉及的各个学科的概述，着重介绍云南大学信息工程的优势，并加入实践部分，举例证明各学科在实践中的应用。优化的课程体系如图1所示，以生物医学工程导论课程为核心，形成跨领域、跨学科的课程组织和教学内容，具体包括：
1) 生物医学工程导论。介绍生物医学工程学科发展历程，所涵盖的学科内容及工程分支，国内外生物医学工程学科研究的重大课题及其实际应用情况。同时着重讲解人体结构、循环系统、电生理技术等，简要介绍生物力学、材料学在医学工程中的应用、生物传感器技术的发展[9]；生物医学工程中的信号检测及处理；医学影像技术；大型生物医学仪器设备；肿瘤治疗相关技术等。医学类基础知识已在导论中进行了介绍，后期将不再专门开课进行学习。
2) 公共必修课。依据国家有关研究生教学课程规定，开设新时代中国社会主义理论与实践、习近平新时代中国特色社会主义思想专题研究、英语读写、英语听说等课程，同时结合云南大学研究生培养要求，开设论文写作指导，使研究生理解什么是科研，为什么要做科研，掌握中英文的写作要求、规范，熟悉自己研究领域对应的顶刊、重要的会议，掌握文献检索的方法，培养学生的科研创新意识、严谨的工作态度、良好的学术道德，锻炼学生的思维组织能力，训练学生的语言运用能力，为学生撰写不同类别的论文和专利打下良好的基础。
3) 电子技术与通信类课程。为突出云南大学信息学院优势，响应国家“十四五”规划，建设医疗领域数字化和智慧医疗[10]，开设现代通信原理、随机过程、模式识别等课程。将电子技术、通信的研究内容与医疗服务、公共卫生、医疗保障、药品供应等领域融合发展，加速推进医疗信息化进程、医疗信息互联互通、提高基层医疗机构信息化水平，应用5G等新兴技术，加强对互联网医院、远程医疗等多方面的建设。
4) 信号及图像处理类课程。由于生物医学信号具有信号弱、噪声强、频率范围较低、随机性强等特点，因此在处理时与常规信号有所不同。针对生物医学信号的特点开设了生物医学信号处理、微弱信号检测、生物医学图像处理等课程，来研究如何从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号及其图像中所携带的信息，并对它们进行进一步的分析、解释和分类。
5) 人工智能类课程。随着计算能力的发展和海量数据的产生与积累，以云南大学信息学院计算机专业为基础，开设人工智能、神经网络与应用等课程。将人工智能应用于辅助疾病诊断、辅助新药研发、辅助基因数据等方面，不断优化人工智能的临床应用[11]。
6) 医疗器械类课程。为使学生能将所学知识进行融合，开设现在医疗设备等课程。让学生掌握现有成像设备(如：X射线成像设备、计算机断层成像(CT)设备、核磁共振成像(MRI)设备、超声成像(US)设备及核医学成像设备)的工作原理、基本结构、成像特点和性能参数，为他们将来从事医疗相关科研、医学设备管理与维护等工作奠定良好的基础。
7) 综合实践类课程。利用学校“云南省高校高原医学电子信息智能检测处理重点实验室”与“云南省昆明医科大学第二附属医院”及“云南省昆明医科大学第三附属医院”的合作进行临床实践。实际对医疗设备在临床的应用、优点及缺点进行考察，思考这些设备所涉及的学科知识，最好能结合自己的方向对其进行改进。
Figure 1. Curriculum system of biomedical engineering in Yunnan University
图1. 云南大学生物医学工程课程体系
2.2. 改革理论教学方法，调动学生主动性
生物医学工程作为综合性和交叉性的专业，本身就存在理论性强、所涉及的范围较广、理解较为抽象的问题。如果老师还是采取填鸭式的理论授课，对学生来说不仅不会起到很好的引导教育作用，反而会打击学生的积极性和主动性。为此云南大学根据该课程的特点与昆明医科大学第三附属医院合作，制定了基于“医工”融合的理论与实践相结合的授课模式。该模式分为两个阶段，第一阶段为通过案例教学和启发式教学进行课堂上的理论学习；第二阶段为学以致用，基于理论基础到合作医院对应科室进行实习，了解所学知识的实际应用。
第一阶段的案例教学是在讲述理论知识的同时穿插相关案例，将枯燥繁琐的专业知识具象化，生动形象的展现给学生。以医学影像技术中的超声成像为例，超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。超声射入体内，由表面到深部，经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，产生不同的反射与衰减，这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。在介绍超声成像时可以将“基于超声图像对乳腺良恶性病变的研究”形成教学案例，一方面可以帮助学生理解良恶性肿瘤的病理学特征，并能基于超声图像对明显的良恶性肿瘤进行诊断，另一方面可以让学生更好的融入计算机辅助诊断的研究。案例讲解可以激发学生的积极性，同时让学生更直观的看到人体生理及病理的变化与工程技术之间的联系。相对案例式教学的形象生动，启发式教学则更多关注调动学生的主动性，变“被动式教学”为“主动式学习”，引导学生自行思考，发散思维。鼓励学生针对课程中的问题，发表自己的意见与看法，通过讨论活跃课堂气氛，达到良好的教学目的。老师可根据每次要讲授的理论知识设计具体的问题，引导学生自主查阅相关资料，在课堂上进行分享，调动学生主观能动性。此外还可以充分发挥多媒体技术的优点，利用文本、图像、音频、视频等刺激学生的听觉和视觉，将抽象的知识具体化，复杂的内容简明化，帮助学生在课堂上快速掌握重点，加深印象。
在进行了扎实的理论学习后，便可进入第二阶段的实践环节加深记忆。比如针对B超设备，在课堂上已经学习了基本原理，掌握了成像过程，甚至已经以乳腺肿瘤为案例对良恶性病变进行了分析观察，但是在真正采集病人数据的时候，仍然存在病人的摆放位置，超声探头的照射角度，超声设备上各种参数的调试等问题，因此需要到医院的超声科进行实践，只有深入临床才能将所学知识应用于临床，开展更符合实际应用的相关研究。
2.3. 完善实践教学模式，提升学科交叉深度
随着科学技术的发展，智慧医疗成为研究热点。如图2所示，医疗信息化的发展离不开通信、计算机、人工智能等工科专业的结合，“医工”融合创新势必成为未来医疗行业发展的趋势，然而目前培养出的研究生大多对生物医学工程这一专业不了解，无法实现多学科交叉融合的创造性研究。因此培养能紧跟时代发展，具备多学科基础知识以及良好实践创新能力的高水平“医工”融合人才迫在眉睫。
目前各高校的生物医学工程所设计的实验多为基础实验，比如：多级放大器、差分放大器、带通滤波器等，搭建这些电路时学生往往只会按照实验要求学习电路的主要结构和性能指标，对每种电路的应用也仅局限于“跑马灯”、收音机、洗衣机等常见的领域，而对生物电信号的采集处理过程以及整体的性能影响没有形象具体的认识。为此，在原有实验的基础上，我们增加了两个实验，一个是具有生物医学工程特点的综合性实验，另一个是以学生为主的自主设计型实验。综合性实验可以通过设计心电图机作为放大电路的典型应用，让学生查阅资料动手设计前置放大电路、差动电路、高通滤波器、低通滤波器及后置放大电路，将这些电路的原理、功能实现及在心电图机中的应用融合起来，使学生能熟练掌握一些简单的医疗设备的电路设计，而不单单局限于基础实验中的单个电路结构。
Figure 2. Integration of smart healthcare and other technologies
图2. 智慧医疗与其他技术的融合
自主设计型实验是在学期末，学生根据课堂所学，结合自身专业所学知识自行设计实验目的，寻找实验意义，列出试验方案，进行实验测试。研究生可使用MATLAB、Python、FPGA、Multisim等软件进行前期电路仿真及后期分析处理。比如：信号与系统为背景的研究生就可以选择对心电信号或脑电信号进行研究分析。临床上在对心电信号进行检测时极易受到各种噪声的干扰，这些干扰会使原本微弱的信号产生突变，在心电图上形成一些毛刺。学生可以首先通过Multisim对心电信号进行仿真，然后再通过滤波算法对噪声和信号进行分离，提取出心电信号的特征来判断其是否异常。以图像处理为背景的研究生则可根据B超、CT、核磁共振等影像学检测中各图像的特点来提高图像分辨率。比如针对B超图像，基波成像虽然能清晰显示组织轮廓，但由于自身衰减会产生一些非线性现象，而谐波成像虽然能避免非线性的产生，但组织轮廓显示不清，为了得到更好的图像分辨率，将基谐波图像进行融合。研究生可以通过CREANUIS对超声基谐波图像进行仿真，然后利用图像融合的方法来增强图像分辨率，辅助医生对疾病进行诊断。自主设计实验不仅能调动学生学习的积极性和主动性，而且还能提升学科的交叉深度，并为培养研究生的多学科交叉融合的创新能力打下实践基础。
2.4. 建立综合评价体系，实现系统性考核
传统的“期末考试 + 平时成绩”的考核方式不适用于多学科交叉的生物医学工程导论课程，一般来说书面方式的考试或考察，学生都能在教材或者讲义中找到，只需背下来即可，这样的方法使学生学习只是为了应付考试，不能真正反映学生掌握知识的实践和创新能力。为了更客观的评价课程的改革成效及学生的学习效果，需要建立一套新的评价体系。如图3所示，将生物医学工程所学课程分为3种类型，第一种理论课程，比如：公共必修课，这类课程的主要考核方式为平常的作业，随堂的提问，课堂出席情况，关于某一知识点的课堂演讲讨论。第二种理论与实践相结合课程，比如：信号处理这门课，除了基础的理论知识学习外，还需完成一些处理心电信号、肌电信号的小实验，同时结合实习达到综合应用的效果。这类课程的主要考核方式为基础知识，综合实验，实习3个部分。其中基础知识成绩占50%，主要考核方式为平常的作业，随堂的提问，课堂出席情况，理论考试等。综合实验成绩占40%，主要考核方式为实验过程中的学习情况，实验操作，与同学之间的配合以及实验完成后的实验汇报。医院实习过程占10%，考核方式包括对所学知识在临床应用的结合情况，医院大型医疗设备的了解程度和操作情况，能否与同学间合作完成临床数据的采集，以及后期的实习报告撰写情况。第三种实践课程，主要分为两块，基础、综合实验的学习和自主设计实验。其中基础和综合实验的学习成绩占40%，主要考核方式为对实验的掌握情况，实验的操作过程，与同学之间的配合以及实验完成后的实验汇报及实验报告。自主设计实验作为课程结束后的独立创新实验成绩占60%，将用以学生为主体的实验作为最重要的考核形式。主要评价内容包括团队合作、试验方案的设计、对实验项目的演讲、实验作品的呈现效果及最后的总结报告。自主设计实验需要学生根据课程的内容结合自己的专业背景，自主设计课题的内容以及整个实验开展的过程，包含前期资料的查阅﹑实验方案的设计、方案可行性的论证，以及后期实际的操作、临床或仿真数据的采集、实验结果的获得、甚至最后的汇报、实验报告的撰写等。用该方式作为考核主要是想考察学生通过对生物医学工程一整套课程体系的学习是否具备多学科交叉融合解决实际问题的能力。相比于传统的考核方式，这样的形式能更全面的对学生在学习过程中知识技能、情感态度、学习方法、积极性和参与状况等方面做出综合的评价。此外，这样的方式还能激发学生独立思考问题并自主解决问题的能力，训练学生查阅文献查阅和提取信息﹑表达自己想法的能力。通过自主设计综合性实验还能锻炼学生们的逻辑思维能力，对后期他们实现自主命题的创新性研究开启了一扇窗。
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Figure 3. Comprehensive evaluation and assessment content
图3. 综合评价考核内容
3. 总结
随着智慧医疗的不断发展，“医工”融合的再深化、再拓展、再突破，将给传统学科带来颠覆性影响。在大数据、人工智能等新科技革命带来的挑战中，生物医学工程确立了“医工融合”创新型人才的培养目标，其研究生课程的教学对于引导学生打破学科专业束缚，激发学生研究热情，培养学生交叉创新融合具有重要作用。
本研究通过对传统的教学内容和教学方法进行改革探索，针对教学体系不完善、教学方法较为传统、实验没有针对性、评价方式简单等问题，从生物医学工程课程体系、教学方法、教学模式以及课程评价体系四个方面做出调整，从根本上提高教学质量。在改革过程中，首先以生物医学工程导论课程为核心，形成跨领域、跨学科的课程组织和教学内容。遵循理论与实际相结合的教学理念，通过案例教学和启发式教学提高学生的学习热情，再采用传统实验与综合性实验相结合的方式引导研究生了解多学科交叉融合，加上医院实习环节，将理论基础与实践相结合，了解目前临床存在的问题。然后设计具有生物医学工程特点的综合性实验，并引导学生结合自身所学知识，独立思考，完成一次完整的实验设置。最后结合生物医学工程多样化的课程结构对传统书面考核的评价方法进行革新，将课程分为3种类型，针对每种类型建立评价体系，更全面系统地对研究生进行评价。凝练未来技术特色、创新人才培养模式、革新教学组织形式，为培养适合新时代“新医科，新工科”融合的高质量创新型人才奠定坚实的基础。
基金项目
云南大学研究生课程教材建设质量提升计划-2021年研究生核心课程(CZ22622202)。
NOTES
*通讯作者。