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中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)42-0001-03
生物醫學工程是一門工程應用型專業,醫院是該專業的服務對象,醫療器械生產企業是該專業服務醫學診斷的途徑。作為以人才培養為目標的高校,培養生物醫學工程專業人才,必然需要依托與企業、醫院之間的緊密合作。當然高校是生物醫學工程專業人才培養的主要力量,也是責任方、組織方。高校在專業課程設置、教學過程的組織執行與監督以及學生質量的評價與監控等方面都應是生物醫學工程專業人才培養的主場,這在很多文獻中都有非常詳細的討論[1-7],本文主要分析與討論生物醫學工程學科內涵中所賦予責任的企業與醫院在生物醫學工程人才培養過程中的作用。
一、企業和醫院在生物醫學工程專業人才培養過程中起到非常重要的作用
1.參與生物醫學工程專業建設,為專業建設提供導向。專業建設是人才培養的最重要工作[8,9]。生物醫學工程專業建設只有得到企業或醫院的認同與參與,才能確保在人才培養過程中始終圍繞社會對該專業人才目標進行[10]。通過企業與醫院的信息反饋,為生物醫學工程專業建設提供依據與導向,避免課程體系、教學內容與社會的實際需求存在較大差距,學生畢業后無法適應專業崗位要求等現象。
生物醫學工程是一門多學科高度交叉、高度融合的學科專業,其在各個學校的辦學方向不盡相同,所牽涉到的企業也不一樣,因此在生物醫學工程專業建設中要緊緊圍繞其辦學方向,選擇好合作辦學的企業和醫院。
企業與醫院參與生物醫學工程專業建設的形式多樣。首先成立由高校、企業與醫院相關專家共同組成的專業教學指導委員會,該委員會的作用與職能是確定以企業和醫院相關崗位對人才需求為導向,以能力、知識為依據的專業人才培養方案。并定期召開委員會會議,高校及時了解企業的發展動向,醫院的現實需求,為及時修正專業課程體系、教學內容、教學方式提供有力的依據。
2.參與生物醫學工程專業教學活動,為專業教學提供支持。生物醫學工程,作為一門工科專業,與企業生產實際、醫學診斷與治療技術發展相聯系是至關重要的。企業和醫院可以更新生物醫學工程專業教學內容和教學方式,使得課程和教材內容與發展前沿同步更新。用企業經驗和醫院需求支持專業課程的充實與改革,培養學生先進的專業思維和創新意識。
與企業醫院共建課程是校企、校醫在教學上合作的形式之一。高校可以聘請企業、醫院的技術專家到校為本科生開設專業課程,在教學內容上與生產實際,與醫學問題直接發生聯系。特別是對于工程性很強的課程,可以與企業或醫院共建課程。另外,邀請相關高級技術人員到學校來講學,為本科生講授國內外相關技術的最新發展資訊,可以進一步拓展學生的專業知識。
3.提供生物醫學工程實習場所,為提高學生專業實踐能力提供條件。工程實踐能力是生物醫學工程專業本科生創新能力的重要內容之一。實習是學生工程實踐能力提高的必經之路[11-13]。實習場所的選擇、實習時間與形式上的保障、實習內容的組織都會影響實習的效果,也會影響學生工程實踐能力的培養與提高。然后生物醫學工程專業學生的實習,除了選擇生產企業去實習外,還應到醫院的相關科室實習。
生物醫學工程專業應安排兩次實習。一是在進入專業課程學習之前,安排一個專業認識實習。在這次實習中,既到生產企業參觀產品生產線,了解企業的經營狀況等,也到醫院相關的科室了解醫生對工程上的需求,參觀醫院里的設備,了解其原理、應用對象等。這次實習的主要目的就是要讓學生了解在接下來的專業課程的學習的主要內容和服務對象,激發學生對專業課程的學習興趣。二是在畢業之前安排生產實習。這次實習可以由學生自己的專業發展規劃自由選擇到生產企業去實習還是到醫院去實習,切實提高學生的專業工程實踐能力。
4.參與專業教師隊伍建設,為提高專業教師教學能力提供幫助。教師是教學過程的主導者,是專業教學計劃與活動的執行者,教師隊伍質量的高低往往直接影響到本科教學質量的優劣[14-16]。對于生物醫學工程專業的教師,其教學能力所涉及的面很寬泛,要求也更高。特別是青年教師教學經驗不足,雖然在理論知識方面比較扎實,但在工程實踐能力方面較弱,項目經驗缺乏導致其教學能力的不足。企業和醫院在專業教師隊伍建設中可以發揮非常重要的作用。一是向高校提供兼職教師,專業工程實踐相關的課程可以與企業或醫院共建,聘請相關校外專家擔任課程的任課老師,作為高校專業教師隊伍的有效補充。二是通過科研合作、企業掛職鍛煉等形式為生物醫學工程專業教師提供工程實踐能力鍛煉的機會,逐步提高教師的教學能力,特別是在工程實踐方面的教學能力。
5.提供資金與設備支持,增進學生的專業學習興趣。企業相較高校,資金比較寬裕,擁有專業領域設備的生產線與研發環境。醫院擁有充足的醫學臨床檢查設備,這些設備一般都比較貴,如磁共振成像、CT成像等,高校一般都沒有如此雄厚的資金來購買這些設備。而這些企業和醫院所擁有的這些設備在生物醫學工程專業教學與實踐中非常重要。企業和醫院能夠支持生物醫學工程專業教學,對于切實提高學生專業工程實踐能力有著非常重要的意義。另外,有些企業為了提高知名度、回報社會等,常常通過捐助基金、設立獎學金等形式對高校生物醫學工程專業建設與發展給予資金支持。
二、充分發揮高校、醫療器械生產企業、醫院的優勢,進一步完善生物醫學工程專業工程實踐教學體系
高校擁有大量的科研能力很強的師資隊伍,具備承擔國家、自治區重大科研項目的能力,在專業理論、科學試驗和工程實踐方面具備豐富的經驗。是培養學生工程實踐能力的主要力量,也是責任方。因此,高校應通過課程實驗、課程設計等活動初步訓練學生的工程實踐能力,通過組織學生參加教師科研課題、大學生創新活動和科協等來提升強化工程實踐能力。
醫療器械生產企業的優勢是直接面向生產,擁有大量的工程技術人員,掌握著大量工程技術問題及其解決方案,可以為學生提供良好工程實踐場所和技術指導等條件。企業可以通過指導實習、畢業論文、講學以及參與制定培養方案等方式參與到學生的工程實踐能力的培養活動中。
醫院是生物醫學工程學科的服務對象,其優勢是掌握大量的醫學診斷和治療的醫學問題,并擁有大量的醫學設備和經驗非常豐富的醫生,可以為學生的工程實踐能力的培養提供問題來源和實踐對象??梢酝ㄟ^提供認識實習的場地、到高校講學、指導畢業設計等形式融合到學生工程實踐能力培養體系。
三、充分考慮高校、醫療器械生產企業和醫院的文化差異和價值取向,構建長期有效的人才培養合作機制
高校與企業、醫院之間的利益并不完全相同,為了找到校企醫合作的利益共同點,三方應該從社會進步和企業發展戰略的高度認識校企合作的長期效益。在校企醫具有共同一致的合作理念和互惠互利的合作宗旨的前提下,共同對合作項目進行系統管理,在思路上要站得高、看得遠,從學校和企業、醫院發展的共同愿望出發,將各方關心的熱點問題提升到戰略的層面上溝通并統籌;在具體合作項目的操作上則要重心低,在具體的作業層面直接接觸和開展工作,學校與企業、醫院直接融合;在融合中開展多種形式的項目合作,形成良性循環的合作機制;建立全方位的校企醫合作體系,實現校企醫各方的資源共享與整合。
如圖1所示,建立以科學研究為紐帶、以人才輸出為手段的高校、企業、醫院之間的長期合作機制,為生物醫學工程學生的工程培養提供良好的條件??茖W研究是高校的三項職能之一,是提高人才培養質量的重要支撐;是企業提高產品質量,提升企業核心競爭力的重要手段;也是醫院提高醫療服務水平的關鍵手段。因此,在高校與相關企業和醫院之間建立良好的科學研究合作關系,符合三者的價值取向。高校提升自己的科研能力和解決醫療器械關鍵核心技術問題的能力,以與企業、醫院保持良好的合作關系,可以為學生工程實踐能力的培養提供良好的條件。
同時,對于企業和醫院來說,提升競爭力或服務水平關鍵在于人才,高校與企業、醫院聯合起來可以培養高素質的技術人才,企業、醫療可以優先選擇這些人才。同時,因為人才對相關企業或醫院在就業之前就有一定的了解,在大學期間所學習的知識和能力在工作中可以用得上,相比其他人來說更快地進入工作狀態,他們更愿意選擇合作企業或醫院,企業和醫院也愿意接受。
在我們的教育實踐中,已經成功建立了高校、企業與醫院在人才培養方面合作的長效機制。6年來的實踐表明,我校充分調動醫療器械生產企業和醫院參與到生物醫學工程教學活動的人才培養模式是成功的。這既得到了畢業生的歡迎,也受到企業和醫院的青睞。我們將繼續推進三者緊密合作,旨在為我國醫療器械行業培養切實可用的高端技術人才。
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Mechanism and Practice of Enterprises and Hospitals Integration in Biomedical Engineering Professional Personnel Training
CHEN Hong-bo
(School of Life and Environmental Science,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004,China )
關鍵詞:電子技術;生物醫學工程;問題驅動
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.130
1 引言
生物醫學工程是綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法而發展起來的新興學科,其主要研究方向是運用工程技術手段,研究和解決生物學和醫學中的有關技術問題保障人類健康為疾病的預防、診斷、治療和康復服務[1]。多學科的交叉使得生物醫學工程不同于那些經典的學科,也有別于生物醫學和純粹的工程學。我校生物醫學工程專業是工程技術為主,醫學知識相結合的專業,以培養能在醫療儀器、醫學信息處理等領域從事研發、教學、管理等工作的人才為目標。電子技術在生物醫學工程研究和醫療儀器開發中有著重要作用,任何一臺現代醫學儀器或設備中都需要電子技術完成信息檢測與處理、系統控制等核心功能[2]。
“電子技術”包括模擬電子技術和數字電子技術兩門主要課程,課程的技術性和實踐性較強。通過理論知識的學習要求學生掌握電子技術的基本概念,基本電路和基本技能,同時相關的實驗培養學生的工程素質、動手能力、創新能力以及自主設計的基本能力[3]。目前,國內很多高校生物醫學工程專業開設的電子技術理論和實驗課程都普遍存在著一些問題:
(1)理論知識和實驗內容與生物醫學工程專業的關聯性不突出;
(2)偏重于理論教學為主,實驗為輔,學生被動的接受知識,學習興趣不高;
(3)實驗內容固定,驗證性實驗過多,缺乏學生自主創新的設計性實驗。因此,探索切實可行的適合于生物醫學工程專業的電子技術課程的教學模式與教學方法已成為提高電子技術課程教學質量的必然要求。
2 問題驅動法
問題驅動式教學方法近年來得到了很多教學人員的關注,在眾多的課程中得到了應用[4-5]。百度百科中定義:問題驅動教學法即基于問題的教學方法(Problem-Based Learning,PBL),區別于傳統的LBL(Lecture-Based learning,LBL)[6],PBL教學模式是一種以學生為主體、以專業領域內的各種問題為學習起點,以問題為核心規劃學習內容,讓學生圍繞問題尋求解決方案的學習方法。
問題驅動教學法要求學生與教師轉變在傳統LBL教學中的固有地位,學生由被動的知識接受者轉變為主動的信息加工者和知識構建者,教師從知識的灌輸者轉變成為學生主動加工信息、構建知識的引導者。問題驅動教學法大概分為四個步驟:(1)提出問題;(2)分析問題;(3)解決問題;(4)結果評價[7]。教師在教學前期,要明確教學目標,設計執行方案,提出問題。在教學過程中,教師安排學生活動,引導學生自主分析,相互討論和交流。然后在分析的基礎上,讓學生們提出解決問題的方法,進行實踐。最后,對過程和結果進行評價??梢钥闯觯瑔栴}驅動法能夠提高學生學習的主動性以及在教學過程中的參與程度,激起學生的求知欲。但是并不意味著教師的參與程度減少了,這種教學方法對教師的要求更高,教師必須具備較強的課堂掌控能力和引導能力。
《電子技術》課程作為是工科專業的基礎必修課,具有理論性和實踐性并重的特點。其課程內容、基本概念、技術術語、電路種類多,學生學習起來比較困難。為了提高電子技術課程的教學質量,很多學校都開展了電子技術課程的教學改革,其中問題驅動法就是選擇的新教學模式之一。但是,由于各種原因,如教學目標的定位、問題驅動法的理解、具體實施過程中的執行力等,基于問題驅動法的教學改革并不是一帆風順的。作為生物醫學工程專業的基礎必修課,《電子技術》又有其特殊性,其課程的教學目標側重于讓學生掌握面向生物醫學及醫學儀器的電子技術,如果理論知識和實驗內容與生物醫學工程專業的關聯性不突出,學生對于課程內容在專業上的應用不甚了解,就會影響到對后續專業課程的學習,甚至影響到將來從事生物醫學工程專業相關工作的能力。因此,有必要研究具有生物醫學工程專業特色的電子技術課程的問題驅動法。
3 問題驅動法的實施
進行問題驅動的教學模式,需要教師有效掌控和恰當引導。下面,主要從教師的角度來闡釋需要注意的問題,對問題驅動法的四個步驟進行分析。
(1)提出問題;在課程開始之前,教師要制定問題,需要其具有全局的概念,考慮各方面因素,包括:教學大綱、培養方案、授課教材等。在問題的選擇上應該考慮以下幾個方面[8]:
1)問題是否和某個單元的教學內容相關;
2)問題是否對學生具有吸引力;
3)問題實施的時間和硬件條件是否能夠保證;
4)問題是否聯系實際,是否與生物醫學工程專業的應用相關;
5)問題之間是否具有連續性,是否具有系統性;
為了突出生物醫學工程專業特點,問題設計必須貼近專業應用。問題之間最好具有關聯性,由小的模塊小的問題,最終組合而成大的模塊大的系統,解決與專業相關的問題。
舉例說明:在模擬電子技術中,所選用的教材為高等教育出版社出版,童詩白、華成英主編的《模擬電子技術基礎第四版》[9]。根據教材中的內容,結合生醫專業應用,可以圍繞心電信號檢測儀的各個模塊展開,設計以下問題:微弱生理信號放大、信號濾波、非矩形波整形為矩形波、直流電源設計。下表1中顯示設計問題與教材章節的知識點對應。從表中可以看出,除了第九章的內容沒有體現,其他章節的知識在問題中均有涉及。由于學時的限制,教材第九章的功率放大電路目前并不在本校生物醫學工程的模擬電子技術教學大綱中。
在布置問題的時候,加入情景帶入,首先向學生講解人體心電信號的特點,心電監測的臨床意義,再提出心電監測儀的采集、放大、濾波、整形、供電問題。其中在信號放大部分,涉及的知識點較多,要對前級放大和后級主放大進行分開設計和說明。隨著課程內容不斷深入,問題不斷得到解決之后,可以將各個模塊組合,并加入右腿驅動電路或50Hz陷波電路,實現簡易的心電信號檢測電路。最后的整體電路進行實際人體測試,用示波器觀察信號,這樣學生在學習模擬
電子技術知識的同時,鍛煉了實踐動手能力,還能與專業應用結合起來,了解電子技術知識在生醫專業中的用武之地,一舉三得。
(2)分析問題;在課程教學中,教師按照進度向學生一一展示問題,引導學生根據所學知識,對問題進行分析。在這個階段,教師需要做到以下幾點:
1)引導學生進行分組,任務分配;
2)引導學生對問題內容進行分析;
3)引導學生將問題與所學知識相關聯;
4)引導學生文獻查閱資料;
由于學生的基礎有限,在這個階段,可能會遇到以下情況:對問題的分析存在偏差,無法與知識點相結合、查閱獲取文獻的能力不足,教師要及時的提供幫助,在學生為主導的前提下,掌控整體過程。
(3)解決問題。在問題分析完成的前提下,學生提出解決問題的方案,并具體實施。教師需要考慮的是:
1)方案是否具有可行性;學生所提出的方法是否合理正確。對于存在問題的方案,是放手讓學生嘗試,還是進行適當的干預提示其改正,需要教師結合具體情況進行操作。
2)方案實施是否順利;方案的實施需要時間與精力的付出,《電子技術》中的問題解決往往需要實際的電路焊接和調試環節,課程的學時如何安排,硬件實驗環境如何保證是教師需要考慮和協調的。此外,對于初次進行電路制作的學生,教師運用經驗為學生提供元器件選擇和購買、電路焊接及調試訓練等實踐方面的幫助,也是必不可少的。
解決問題的整個過程由學生完成,教師不可代辦,但是在適當的時候提供幫助,能夠提高完成效率,保證進度。
(4)結果評價。對于整個過程中學生的表現,需要比較客觀的評價。常用的方法將自我評價、小組互評、教師評價三個方面相結合。
自我評價是學生回顧和反思過程中的得失,對自我形成清楚客觀的認識。小組互評是組間成員根據參與度、貢獻度、工作表現、溝通能力等對組員同學進行分析點評。
雖然在問題驅動的教學模式中,教師的身份發生了轉變,但是并不意味教師的地位和重要性降低了。教師要密切關注學生的狀態和表現,最終對其進行評價。為了激勵學生,幫助學生正確認識自我,樹立學習后續課程的興趣和信心,教師在對學生進行評價的時候要注意以下幾點:
1)評價公正,也不忘因人而異;對待學生的評價要做到客觀中肯,但是也需要考慮學生的差異性。成績優異的學生與基礎較差的學生在小組中的分工不同,貢獻度有區別。為了激發學生的積極性,教師的評價不能采用單一標準,而是應該多元化,從合作精神、交流能力、文獻收集、電路制作、文字編寫等各個方面入手,照顧到各個層面的學生。
2)評價能力,也不忘評價態度;對待學生的評價不光要考慮其知識與技能,還要注重他們在情感、態度方面的表現。課程內容的學習只是一個方面,關注學生知識技能之外的情意發展,有助于其更長遠的進步和成長。
3)評價結果,也不忘評價過程;教師的評價不應該過分關注最終解決問題的結果是否正確,而是要側重于學生在分析問題、解決問題的過程中所表現出來的能力、態度和情感。學生在過程中的提升和收獲,才是教育的主要目的。
4)評價個人,也不忘評價團隊;教師的評價除了針對學生個人,還要涉及到團隊。強調團隊的分工合作,有利于培養學生交流溝通,與人協作的能力。
4 結論
問題驅動法能夠提高學生學習的主動性,激起學生的求知欲,其教學模式十分適合《電子技術》此類工程性和實踐性較強的課程,在許多高校教學改革項目中得到應用。生物醫學工程專業的電子技術課程要與學科特點相結合起來,因此問題驅動法的實施既有與其他課程的共性,也有其自身特點。教師在問題的設計環節,要結合生物醫學工程專業的電子技術應用,讓學生在學習電子技術知識和技能的同時,對專業發展及就業方向有一定的認識,同時也為后續的專業基礎課打下基礎。
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生物醫學工程學(Biomedical Engineering,BME)是綜合物理學、生物學、醫學和工程技術科學的理論和方法,多層次研究人體結構、功能和各種生命現象的理、工、醫密切結合的邊緣學科,是多種工程學科向生物醫學滲透的產物。21世紀是生命科學與醫學的世紀,隨著知識時代的來臨,生物醫學工程技術得到了日新月異的發展,正以前所未有的迅猛態勢滲透于社會的方方面面。如何培養“寬知識、厚基礎、強能力、高素質”的醫工結合人才是生物醫學工程學教育迫切需要解決的重要課題,但是傳統的實驗授課方式與培養創新型高素質醫工結合人才的目標嚴重沖突,只有改進實驗教學方法,才能達到實驗教學效果的最優化,促使學生智力和多種能力不斷發展,滿足時代的要求。
2.實驗教學現狀分析
目前,在國內開設生物醫學工程專業的高校仍然主要以傳統授課式講解(Lecture-Based Learning,LBL)的實驗教學模式為主,實驗教學中存在如下問題:(1)實驗教學由教師做主角,實驗設備、實驗材料、實驗設計,甚至于實驗記錄都是老師早就準備好的,實驗結果也是教師了然于胸的。學生缺少自主性,抹殺實驗課的學生主體地位[1]。(2)傳統實驗教學內容偏重驗證型實驗,綜合型、設計型、創新型實驗較少。實驗項目的設置常常是按照教學大綱的要求機械設定,忽略實驗項目之間的有機結合性和連貫性,存在實驗項目之間相對孤立、缺乏內在聯系的缺陷。(3)傳統實驗教學沒有考慮學生的學習興趣,學生通常沒有積極參與解決問題的意識。(4)原有實驗教學大綱中設置的演示性、驗證性實驗比較多,不僅造成課程擁擠,而且使基礎學科與實踐脫節,學生對知識的運用能力差,缺乏橫向思維。
因此,在生物醫學工程實驗教學中引入國際上先進的PBL(Problem-Based Learning)教學模式,結合傳統LBL學習策略,探索PBL+LBL教學法,是一個達到師生雙贏的教學設計[2],必將在促進高等教育實驗教學改革、實驗室管理改革與發展、培養具有實踐能力的復合型醫工結合人才等方面具備重要意義。
3.實驗教學改革的研究方法
溫州醫科大學作為浙江省省屬高校里最早開設生物醫學工程專業的學校,越來越重視生物醫學工程專業實驗課程的改革。我們在著手分析各門實驗課程特點的基礎上,尋找PBL與實驗課程的結合點,輔以LBL實驗教學模式,并在日常實驗教學中進行實踐,在這一框架下重新組織實驗教學內容并進行實驗教學模式改革。
3.1實驗教學模型的構建
本課題研究組根據我校生物醫學工程實驗教學的師資力量和現有實驗室資源,按照專業教育人才培養目標,引入PBL教學模式,結合傳統LBL教學方法,分教學內容、教學目標、教學活動、教學環境、教學評價5個方面提出基于PBL+LBL生物醫學工程實驗教學模式的理論模型。
3.2實驗課程設計及應用研究
為了使PBL+LBL教學模式在生物醫學工程實驗課程中實施的效果可以更直觀,筆者以生物醫學工程專業實驗課程當中重要的一門專業基礎實驗課程《醫學電子儀器實驗》其中一個實驗項目“心電信號的測量”為例,根據提出的基于PBL+LBL生物醫學工程實驗教學模式理論模型進行應用研究。
《醫學電子儀器實驗》教學內容設計:①實驗的系統知識:學生進行PBL+LBL實驗教學模式后,可以習得生理學、信號與系統、數字信號處理、電子技術基礎、醫學傳感器等一系列內容,增加知識覆蓋面。②實驗的問題設計:在實驗室現有設備基礎上,如何進行心電信號測量、血壓信號測量和血氧飽和度測量?
《醫學電子儀器實驗》教學目標設計:①實驗前需要掌握的知識:導聯組合方式、人體心電信號提取、過壓保護電路設計、電極和導連線串入的高壓信號處理、導聯切換電路、前置放大電路、多級放大電路、模數轉換電路,等等。②實驗的能力培養:可以充分調動學生的學習熱情和求知欲,培養學生的創新和自主學習能力,讓學生掌握更多電路設計知識和綜合檢測等技術。③實驗后的習慣培養:培養學生解決問題的能力、習得系統化的文化知識并培養良好的學習習慣,為終身學習奠定基礎。
《醫學電子儀器實驗》教學活動設計:①實驗前資料搜集:實驗前,實驗教師通過LBL教學方法講解實驗的基本原理和要求后,學生首先通過查閱有關參考書和利用圖書館資料,結合實驗課程網絡資源的資料,了解心電信號的特點,明確測量心電信號的臨床意義,獨立設計詳細的實驗操作方案。其次教師要求學生查閱實驗有關的文獻資料,讓學生了解心電信號的采集過程,比較不同參考資料的實驗方法,在本實驗室現有條件下選擇適合的儀器,設計心電信號采集電路。②實驗中的小組討論:學生分組討論是PBL+LBL教學法的關鍵。筆者讓學習成績較好的與較差的學生混合編組,每組5~8人,使大家相互帶動,共同提高。通過小組討論和實驗指導教師引導使學生認識實驗中必須解決的關鍵問題。在以上問題的基礎上,各小組對實驗如何操作進行討論,形成實驗的初步方案。然后教師對各小組實驗操作方案點評,確定最終的實驗操作方案。③實驗的操作與總結:各小組學生將依據討論制訂的最終方案進行實驗。在實驗操作結束后,由教師組織全班學生對各小組實驗結果進行比較、討論,對實驗中未解決的問題和新發現的問題進行探討、交流,將《醫學電子儀器》的理論知識與實際臨床問題聯系起來,進一步深化學生對理論知識的掌握。
3.3實驗教學考核評價機制改革
實驗最后成績包含如下幾個部分:資料搜集、小組討論情況、參與實驗方案制訂、實驗操作、實驗結果的分析處理。本課題組將以上實驗成績有關的幾部分效果評價權重分配為(過程評價:資料搜集(5%)、小組討論情況(10%)、參與實驗方案制訂(15%)、實驗操作(20%);結果評價:實驗結果的分析處理(50%)),實施考核實驗過程評價與實驗結果評價并重的評價方式。這樣的設計有利于對教學效果和教學目標的實現情況進行隨時評估,學生根據評估結果可以隨時反思自己仍存在的問題。
3.4實驗教學考核方法評估
筆者選擇生物醫學工程專業2012級學生開展實驗研究,共4個班級120名學生,在2013~2014學年第二學期和2014~2015學年第一學期進行實驗課程教學中應用PBL+LBL實驗教學模型,對實驗前后得到的實驗成績數據進行統計,并用SPSS 10.0軟件進行分析和T-student檢驗,P
筆者通過設計問卷調查及組織訪談的形式,在實驗教學活動結束后,采用不記名的方法,從如下幾個方面調查學生對PBL+LBL實驗教學模式的效果評估。共發出調查問卷120份,回收率為100%。
在PBL+LBL實驗教學模式給學生帶來的收獲方面的問卷調查中,問卷中有96.5%的同學表示解決實踐問題的能力得到了提高,只有2.5%持不確定的態度,1%的同學認為自己并沒有什么收獲;在PBL+LBL實驗教學模式對增強自學能力、拓寬知識面及增加信息量有多大影響的問卷中,95%的同學表示各方面能力得到了一定的提高,收獲頗豐;在PBL+LBL實驗教學模式對學生以后學習和工作的幫助方面,表明大約91%的學生認為該課程對今后學習和工作非常有幫助、有幫助和有一定幫助;大約87%的同學對應用PBL+LBL實驗教學模型感到非常滿意、滿意和基本滿意,表明實驗教學模式的設計獲得了學生的普遍認可;大約84%的同學對實驗教學的評價方式持非常滿意、滿意和基本滿意的態度,表明PBL+LBL實驗教學模型評估方式獲得了學生的認可。
生物醫學工程學科是運用現代自然科學和工程技術原理與方法,從工程學的角度研究生物體(特別是人體)的結構、功能及其相互關系,揭示生命現象、探索生命本質,研究和開發用于防病治病、人體功能輔助及衛生保健的人工材料、制品、裝置、系統和工程技術的一門綜合性學科[1],是理工類學科與生物醫學學科深度交叉、高度融合的邊緣性學科,所涵蓋的領域十分廣泛,具有“覆蓋廣、交叉深、發展快、變化多”等其他學科不具有的特點。根據研究側重點,生物醫學工程學科可分為信息技術型、材料技術型、生物技術型、生物醫學研究型、醫療器械產業型、臨床生物醫學工程、軍事生物醫學工程等7類[2]。當前討論和研究的熱點領域主要有:生物醫學材料、生物力學、醫療信息技術、生物芯片與傳感技術、組織工程及再生醫學、介入醫學工程、醫療器械等7個方面[3]。
二、醫科院校生物醫學工程學科專業教育現狀分析
高等醫科院校生物醫學工程學科和臨床醫學結合緊密,醫學大背景很深厚,具備豐富的醫學類學科教學資源和優越的臨床設備實踐條件等優勢,但同時因學科體系不完善、教學師資力量比較薄弱、專業實驗室建設投資大等影響因素,一定程度上制約了生物醫學工程學科專業的高效快速發展。
1.理工學科體系不完善。生物醫學工程專業學科涵蓋面非常廣,廣到什么程度呢?可以用四個字形容———“包羅萬象”,如果用“學科頻譜”來描述學科涵蓋面寬度,生物醫學工程無疑是88個一級學科中“頻譜寬度”最寬的學科。目前大多數開設生物工程學的高等醫科院校,物理、數學、化學等基礎學科相比理工科院校比較薄弱,而且缺乏材料、自動化等重要工程學科的有力支撐,這些支撐學科的缺少會導致相應課程設置不完善以及綜合性實踐訓練平臺缺乏,學生無法系統地學習工程類課程,得不到系統扎實的工程技術訓練,影響人才培養目標的整體實現。
2.復合型師資比較缺乏。要實現培養醫工結合與交叉的復合型高級工程技術人才目標,首先需建設一支醫工結合與交叉的復合型師資隊伍方陣。在高等醫科院校,生物醫學工程專業師資隊伍中具有理工科教育背景和醫學教育背景的教師比較多,而既懂醫學又懂工程技術,能將工程技術與醫學需求緊密結合起來的復合型、交叉型、融合型師資比較缺乏,教師隊伍知識結構普遍不夠合理,與各相關學科交叉融合能力弱,這些現狀一定程度上影響了課程體系構建以及教學質量和人才培養質量。
3.創新能力培養不扎實。生物醫學工程專業85%以上的基礎課和專業(基礎)課程都要開展實踐教學,必須建設相應的實踐教學平臺,這些實驗室建設要求高、儀器設備多、投入大,部分院校在生物醫學工程專業課程實驗條件建設經費投入不足,單獨開設的實驗課程比較少,實踐教學體系不夠完善;課程標準中演示性、驗證性等基礎性實驗設置比較多,而綜合性、設計性實驗設置比較少[4];缺乏“大學生電子設計創新基地”等綜合性實訓實驗硬件軟件平臺和組織管理經驗;學生規模小,缺少其他理工科學科支撐,組隊參加全國大學生電子設計競賽、全國大學生挑戰杯設計競賽等活動較為困難。
4.學生專業思想不牢固。生物醫學工程學作為一門新興的邊緣學科,覆蓋面廣,涉及領域跨度大,專業知識體系復雜,專業課程內容在各學科之間交叉頻繁,本科學生對本專業缺乏深入的了解、足夠的信心和學習熱情;相對材料、自動化、機械、通信以及臨床、醫學影像等專業,生物醫學工程專業學生所學知識普遍存在“寬而不精”,“廣而不細”等問題,就業時相對處于劣勢;部分學生由于學習任務重、壓力大,導致學習積極性、主動性不高,專業思想不夠牢固,甚至影響到專業整體的學習風氣。
三、對策初探
高等醫科院校要盯準醫工結合的復合型高級工程技術人才培養目標,突出學科交叉綜合培養、工程技術意識培養、創新能力素質培養,深化教學改革,加大教學投入,改善教學環境,加強隊伍建設,充分發揮醫學院校資源優勢,積極探索具有醫科院校特色的生物醫學工程專業教育培養模式,構建科學合理的課程體系和實踐教學體系,不斷提升生物醫學工程人才培養質量。
1.堅持走“先研究生后本科生”的教育培養模式?!案采w廣、交叉深、發展快、變化多”等特點決定了生物醫學工程學科專業的開設和建設,對教學基本建設、課程體系構建、師資隊伍力量、實踐教學平臺等方面要求比較高,必須具備一定水平的軟硬件條件。醫科院校在開設建設之初,往往存在培養方向不明確、課程體系不科學、平臺條件不完善、師資力量不足等困難和問題,因此,對于計劃開設生物醫學工程專業的高等醫科院校來說,要堅持走“先研究生培養后本科生培養”的教育培養模式,通過5-10年時間的研究生培養和學科建設,加強教學基本建設,積累教學經驗,規范教學管理,建設一支高素質師資隊伍和一批高水平的實驗教學平臺,構建完善的課程培養體系和實踐教學體系,為本科生培養創造良好的學習條件和學習環境。
[關鍵詞]生物醫學儀器分析;課程內容體系結構;實踐性教學
國內外的儀器分析課程是建立在物理和化學基礎上的儀器分析方法,主要針對化學、材料、藥學、環境、食品等專業的學生設置。而新興的生物醫學工程學科,其研究領域包括生物醫學、生物力學和力生物學、生物材料、組織工程等?;谏飿悠返奶匦?,對生物醫學儀器的分析要求已深入到基因、蛋白、細胞等水平。傳統的儀器分析課程遠遠不能滿足學生進行生物醫學科研的要求。[1]在高校中已設置的儀器分析課程中的教學內容已經跟上生物醫學研究的發展。但隨著生命科學和醫學的迅猛發展,人們對生物醫學儀器的應用能力的要求也越來越高,迫切需要具有針對性、實用性和先進性的生物醫學儀器分析課程。[2][3]我們針對生物醫學工程專業的研究生開設了生物醫學儀器分析這門課程。我們在對課程內容體系結構及實踐性教學環節等方面不斷進行探討和改進,為本課程進一步特色化、系統化、前沿化的建設奠定了一定的基礎。
一、課程內容體系建設
傳統的儀器分析課程主要涵蓋色譜法、電化學分析法、光學分析法、質譜法等四大類儀器分析方法。生物醫學儀器分析課程內容建設區別于以往普通儀器分析課程的內容設置,重點突出“生物醫學”的特點,以滿足解決生物醫學科學與工程領域的科學問題的要求。課程內容設置既要服務于解決科學問題,避免課程設置和實踐應用脫節,又必須在掌握生物醫學領域經典的儀器和方法的同時,緊跟前沿領域的高端儀器和方法。因此本課程內容體系結構包括以下三個部分,如圖1所示,幫助學生通過儀器手段獲取不同層面生物樣本的定性、定量、形態及分布等信息從而解決生物醫學科學與工程領域的科學問題。
(一)第一部分:基因或蛋白層面的檢測儀器
該部分重點介紹基于基因或蛋白的生物樣品的半定量或定量的檢測儀器。基因水平的檢測儀器包括:經典儀器———聚合酶鏈式反應、RNA電泳和核酸印跡分析,前沿儀器——實時熒光定量PCR儀。蛋白水平的檢測儀器包括:經典儀器———熒光酶標儀、蛋白質印跡分析、酶聯免疫吸附測定分析,前沿技術——二維電泳。
(二)第二部分:組織或細胞層面的觀察或檢測儀器
該部分重點介紹基于組織或細胞的生物樣品的觀察或檢測儀器。組織或細胞層面的觀察儀器包括:經典儀器———倒置顯微鏡、相差顯微鏡、微分干涉顯微鏡、熒光顯微鏡,前沿儀器———激光共聚焦掃描顯微鏡。細胞層面的檢測儀器:前沿儀器———流式細胞儀。
(三)第三部分:有機大分子或活性物質層面的分析或分離儀器
該部分重點介紹基于有機大分子或活性物質的生物樣品的分析或分離儀器。蛋白質、核酸、氨基酸、多糖類等生物大分子的分離或分析儀器包括:經典儀器———高效液相色譜法、氣相色譜法,前沿儀器———超臨界流體色譜、毛細管色譜、高效薄層色譜等技術。這三部分的學習能讓學生掌握前沿生物醫學儀器分析手段,對生物樣品進行定量、定性分析,觀察樣品形態、分布,對樣品進行分離等,訓練學生解決科學問題的能力,使學生掌握必備的理論知識、科研思維和實踐技能,提高科研能力。
二、實踐性教學的建設
實踐性教學是理論教學的擴展和延深,對于增加學生對理論知識的理解和感性體會,培養學生的實踐能力和創新精神,具有十分重要的作用。[4]它可以彌補單純理論教學的不足,提高將所學知識轉化為實際應用的能力,與理論教學環節相得益彰。而現有的儀器分析課程所設立的實驗項目大多為驗證性實驗,實驗方法較為固定,實驗內容與學生專業和研究方向脫節,不能及時更新。因此,本課程提出了設計性、創新性和挑戰性三個層次的實踐環節。
(一)設計性實驗
設計性實驗是指給學生基于經典實驗的實驗項目,但不提供成熟的實驗步驟,由學生自主設計實驗計劃。設計性實驗不是簡單重復的驗證性實驗,不能機械地套用做過的實驗來解決問題,而是讓學生必須獨立思考,設計實驗方案,使其有發揮創造力的余地。要求學生在查閱文獻的基礎上,設計實驗方案,包括所用方法、原理、儀器和具體實驗步驟,經指導教師審閱后進行上機操作,完成整個實驗過程,記錄實驗結果,處理實驗數據,分析實驗結果,驗證實驗方案設計的可行性,最后寫出規范的實驗報告。舉例:采用高效液相色譜法測定柑橘種子中的檸檬苦素的含量,樣品來自教師的教育部產學研結合項目,但樣品的濃度未知。由學生來設計實驗方案,確定高效液相色譜參數,對樣品進行定量測試。
(二)創新性實驗
創新性實驗是指不限定實驗題目,給學生提供一個開放的實踐平臺,由學生自主提出感興趣的實驗題目,實驗選題要求具有創新性、綜合性。學生通過文獻查閱,選擇合理的儀器分析方法,設計具體的實驗方案,共同討論方案的可行性,在設計好具體的實驗方案后,上機操作,獲取實驗結果。注重利用本學院的前沿科學研究項目來引領學生的創新性實驗。教師可以根據自己負責或參與的科研項目,提供樣品或科學問題給學生,鼓勵學生研究自己導師的項目中的科學問題或是由項目引申出來的科學問題,緊跟學科前沿,并體現生物醫學研究應用的特色。通過引導學生自己設計創新性實驗,可以使學生更好地發現問題、提出問題和解決問題。舉例:宇航員在失重情況下會產生骨質疏松,那么在失重條件下成骨細胞會發生什么變化?這是由教師的自然科學基金項目引申出來的科學問題。學生可采用多種生物醫學儀器,如流式細胞儀、實時熒光定量PCR儀及激光共聚焦顯微鏡來研究成骨細胞的細胞周期、特異性基因及細胞形態等多方面的變化,綜合運用所掌握的儀器全面地探索細胞發生的變化,深入研究科學問題。
(三)挑戰性實驗
挑戰性實驗是指學生挑戰生物醫學研究前沿領域或是教師的前沿科研項目中還沒有解決的科學問題,通過生物醫學儀器手段探索這類沒有答案的、高難度的科學問題。挑戰性實驗給予學生沒有約束的思維空間,充分激發學生的潛能,為學生提供自由思索、探究的平臺,對于學生的超越性、創新性研究具有極大的推動作用,非常有利于培養學生勇于探索、敢于創新的科學精神。舉例:細胞結構的三維重建是一個前沿熱點問題,如何利用激光來重建細胞的三維結構更是沒有現成的方法可供參考。學生在理解激光共聚焦顯微鏡工作原理的基礎上,設計詳細的實驗方案來觀察細胞的亞顯微結構,并進行細胞三維重建。通過多層次的實踐教學,提高了學生學習的參與程度和主動性,取得了良好的教學效果。學生表示不僅僅掌握了實驗技能,更重要的是建立了獨立從事科研活動所必需的科研方法、科研思維和科研精神,對于以后課題的科研工作充滿了信心,并滿懷期望。本課程與國內許多高校類似課程相比,針對性強,具有鮮明的生物醫學特色,注意引入學科前沿的科學問題,與教師的科研項目有機結合,強調對學生創新實踐能力的培養,提升學生的學術研究水平,對儀器分析在生物醫學工程專業方面的教學具有很大的意義。
[注釋]
[1]王芳群,衛星,李天博.生物醫學工程專業“醫學儀器”課程教學方法分析[J].中國電力教育,2010(184):133-134.
[2]趙于前,湯井田,李凌云.從交叉學科角度談生物醫學工程教育改革[J].醫療衛生裝備,2004(6):239-240.
[3]王志遠,陳武凡,何明娥.生物醫學工程專業研究生培養的實踐與探索[J].中國高等醫學教育,2006(4):42-43.
關鍵詞:生物醫學;測試技術;傳感器
中圖分類號:O6-33;G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)49-0131-02
一、引言
面向生物醫學工程專業開設《測試技術與傳感器》是一門以研究自動檢測系統中的信息提取、信息轉換和信息處理的理論和技術為主要內容,集光、機、電于一體,綜合物理、化學、生物、材料、電子、電氣、計算機、機械等學科技術的實踐性非常強的專業基礎課。杭州電子科技大學生儀學院目前開設的《測試技術與傳感器》課程的課程目的為系統論述測試系統及其基本特性;介紹測試系統中傳感器的結構、基本原理和典型應用,以及傳感器的發展趨勢、選用原則等,它是實現測試與自動控制的重要環節,儀器專業的重要專業基礎課,也是自控原理、智能儀器課程設計、虛擬儀器課程設計的基礎。
二、存在問題
目前該課程的教學狀況及存在的問題:(1)測試技術與傳感器技術屬于多學科交叉滲透課程,涉及電學、磁學、光學、化學等學科,對先修課要求較高,現有的教學內容,以教師課堂講授為主,側重于原理的介紹及公式的推導,學生看不見,摸不著,缺乏感性認識,容易出現枯燥、難以學好的感覺,加上很大一部分學生的學習主動性差,學習態度上不太重視,沒有投入必要的精力和時間,直接影響教學效果。(2)現行傳感器教材比較繁多,有的以傳感器原理為主線,有的以過程參數測量為主線,但是很多教材都沒有涉及新型傳感器的理論知識及其應用,不利于學生拓寬知識面,不符合寬口徑人才培養模式。(3)目前傳感器課程的實驗環節以驗證性實驗為主,主要使學生掌握常用傳感器的使用和標定方法,以及相應傳感器的測量轉換電路設計。(4)課程考核方式一般是以考試為主,輔以作業、實驗、考勤評價,這種考核方法很難激發學生的學習積極性和主動性,不能真實反映學生的學習能力、對知識的掌握程度及其專業應用能力。
傳感課程教學方法研究大多是自動化、精密儀器專業中對該課程的教學方法研究。結合本專業優勢,本文提出通過使用啟發式教學、結合臨床實際教學、結合多媒體等手段豐富教學方法,提高生物醫學傳感教學效果。這些方法對提高生物醫學專業的傳感教學提供了重要改進措施,對提高教學質量具有重要意義。改革和完善《測試技術與傳感器》課程的教學模式,通過研究型教學,訓練學生的高級思維能力和解決實際問題的操作能力,培養學生主動學習、獨立學習與終身學習的能力,使學生具備一流大學本科生的素養,提高核心競爭力。
三、改革目標
1.本文擬從課堂教學模式、課程教材多樣性模式、實驗課教學模式等方面研究并探索出具有杭州電子科技大學生物醫學特色的“測試技術與傳感器”研究型教學模式,培養學生的高級思維能力、解決實際問題的操作能力、交流溝通能力,在大學學習結束后,離開校園和教師,具有繼續自主學習的能力。
2.在以基本傳感測試單元為框架的知識體系的基礎上,收集整理基于生理學與工程應用或醫學臨床現象結合的傳感學科交叉內容,為編寫生物醫學工程等工科專業適用的生物傳感教材、論文等提供教學資料并制定教材理論體系框架。
四、具體措施
(一)課堂教學模式探索
1.教師課堂講授重點為最核心的知識點,對具有遷移價值的學科基本原理進行闡述。講授內容少而精,對重點、難點講深講透,引導學生多角度、深層次地理解基本原理,而對事實性知識點,則少講或不講;講授內容寬而新,以學科的發展為大背景,了解課程基本原理在大學科中的定位,以及與學科最新發展的聯系。
教學內容較多,面面俱到的教學難以完成教學任務,教學效果并不佳。根據傳感檢測特點和生物醫學工程等相關專業的培養需要,設計該課程的課程體系以各傳感器基本功能為主,尤其是電感、電容、電壓、應變片、磁電式傳感等章節作為教學重點和難點,其中的各個章節的應用與心電、腦電、肌電內容相關聯,引入生物醫學工程重要的研究領域――腦機交互,作為重點講解;而光敏、氣敏、熱敏等章節內容相對簡單,容易理解,不做重點講解。因此,可據此分配授課時間,突出教學重點。
2.教師根據核心知識點,提出知識點總結分析歸納問題、實際應用相關問題等,由學生課程小組分別選擇問題,課后參閱書本、資料,提出解決方案,并由課程小組代表發言,課堂展示并交流。
此外,在各個傳感系統中識記結構部分內容瑣碎難記,而生物醫學工程專業對這部分內容的要求并不高,不要求掌握詳細結構,在理解傳感結構及工作原理的基礎上,日后工作或科研中用到這部分內容時能夠通過查閱參考書獲得信息即可,課堂講解突出章節綱要,對其中涉及的工程應用現象補充材料介紹。
3.課堂教學中,教師講述研究課題開題報告基本格式及其具體實例,由學生自我提出學科感興趣的實際問題,參閱相關資料和解決方法,模擬寫作研究課題開題報告。為更好地服務于生物醫學工程專業的學科交叉特點,在生物醫學傳感的教學過程中注意整理、添加與工程應用和醫療儀器的內容。比如,在講解壓電傳感基礎上增加相關的醫療應用講解,如人工瓣膜、血壓監測計等器件的工作原理內容;在講解電感基礎上,增加當前無創呼吸電感檢測的原理等介紹,這些內容對激發學生興趣、啟發學生的創新思維具有重要作用。然而,這部分內容還比較零散,沒有形成良好的體系,此外,目前還沒有專門適用于生物醫學工程等工科專業的生物傳感生理學教材。在講解醫療方向的應用時,要注意資料的收集、整理和系統化,不僅可以很好地服務于生物醫學工程等專業的培養要求,還將對編寫工科專業專用的生物醫學傳感教材提供課程資料和理論框架。
4.課程教材模式探索。課程教材采用開放性體系,教師圍繞教學目標研讀現行的先進教材的基礎之上,為學生推薦至少2本以上國內外先進教材,包括英文原版教材,對應于不同核心知識點,引導學生學會知識點的尋找、分析、歸納、比較,并利用各種國內外文獻網絡進行最新相關進展的補充和學習。引導學生盡可能或完全避免學一門課程只讀一本書的現象。
在課堂教學中,除了使用多媒體和板書進行理論教學之外,還有意識地利用網絡公開課等引導學生的自主學習。在我校圖書館的視頻資源中有國內外著名大學的視頻公開課,利用這些強大的網絡資源可以彌補課時少、課程任務重的矛盾。比如,在該課程教學中,原理介紹部分占課時較少,在對重點器件結構和系統課堂講解的前提下,其中一些具體的設計內容布置給學生自學。除了緩解課時不足的矛盾,網絡課程資源還可補充教學內容,加深學生對知識的理解。
教師發展學習平臺中的相關傳感課程講述,由經驗豐富的名師授課,通過網絡觀看可加深對理論學習的印象,還可激發學生的學習興趣。不僅豐富了學生的學習資源,更重要的是,在這種教學過程中,向學生示范了資料收集和獲取信息的方法,提高了學生自主學習的能力。
(二)實驗課教學模式探索
1.基礎性實驗:圍繞測試技術與傳感器的核心知識點,掌握傳感器的基本原理及信號檢測,這類實驗主要屬于驗證性實驗。
2.綜合性實驗:模擬生產或生活實際中的某一具體項目開展,學生可根據被測對象的不同選擇各自合適的傳感器,實驗室配備電壓表、電流表、指示燈、蜂鳴器、計數器等設備,用于學生自行完成線路的連接,也可根據學生的具體情況拓展知識點,綜合性實驗可在做的過程中讓學生將學到的理論知識貫穿起來,整個項目采用3~4人為一小組的團隊形式,以學生為主體,教師可適時地進行引導,循序漸進地實施項目,完成知識、技能和相關能力的學習。
3.提高性實驗:對于提高階段,我們將嘗試結合虛擬儀器實驗平臺,虛擬儀器技術是儀器智能化發展的一個重要方向。我們增設實驗內容要求學生采用軟件LABVIEW或VB、VC等作為開發工具,設計直觀友好的用戶交互界面。如有可能還可根據檢測分析的結果產生相應的輸出控制信號。
4.除了實驗教學,在與醫療儀器相關的腦機交互研究方面還可成立大學生科研活動小組,開展多種課外科技活動。其中申請者是該科研活動小組的指導教師之一。結合該課程的教學改革,擬吸收對生物醫學方向感興趣的同學加入,主要以觀摩實驗和學習實驗方法為主,在活動參與中激發學生專業興趣、促進專業學習。
五、總結
本文針對面向生物醫學工程專業開設的《測試技術與傳感器》課程當前存在的問題,結合生物醫學專業學科交叉特色,提出了相應的改革目標和措施,使學生能自主使用各種通用傳感和專用醫療儀器平臺,靈活選擇信號分析方法,加強對儀器平臺分析的能力和對結果的理性認識,發揮該課程的實踐性優勢。通過施行開放式的《測試技術與傳感器》課程教學模式改革,注重實驗知識的延伸,完善考核制度等改革措施,最大程度地增強學生的自主性與參與性,培養社會需要的創新型、應用型、復合型、外向型的“醫工結合”型儲備人才。
參考文獻:
[1]杭州電子科技大學教務處.生物醫學工程專業及醫學信息工程專業培養計劃[Z].杭州電子科技大學本科專業培養計劃,2011.
自主學習是學生在大學階段需要掌握的一個重要學習能力,對他們在將來的學習和工作都具有重要意義。這也是大學教師教育的真正意義所在,即“授予魚不如授予漁”。而我們學校設立的生物醫學工程專業是以生物醫學電子為主要方向,強化學生的動手能力、設計能力和創新意識,培養具備生命科學、電子、信息、計算機技術的基礎知識,能在生物工程、生物醫學工程、醫學儀器、醫用電子設備、醫療信息技術及電子、儀器、信息領域等從事研究、設計、制造、應用和管理的復合型高級工程技術人才。因此,本專業所設立的專業課具有知識面廣、交叉性強的特點,尤其需要學生能夠具有很強的自主學習能力,將老師在課堂上傳授的各種知識相互貫通,并理解。在生物化學課程講授中,根據專業的特點,我們制定了如下方法來指導學生學會自主學習。首先,幫助學生制定學習計劃。要求學生自己制定或在老師的幫助下制定一份合理的學習計劃,需要詳細列出學習內容和時間安排,該安排應該與教師上課內容一致,且學習計劃應具有針對性。在給生物醫學工程專業學生授課時,有一部分學生對生物化學非常感興趣,也表示出希望在研究階段從事生物專業的學習。而生物化學作為生物專業的必修課,也是生物方向考研的必考專業課之一。這樣,我們專業所教授的生物化學知識是無法滿足學生學習需要的。這就要求這部分學生需要制定更為全面的學習計劃,除涵蓋本專業的學習要求外,還應將生物專業的知識要求加入。而對于希望從事醫學電子方向的學生來說,只需完成本專業學習計劃即可。其次,將授課教師的聯系方式和辦公室地址公布,方便學生隨時聯系老師。最后,給出精品課程及網絡課程的網上資源地址、主要參考書目及主要文獻資料和主要實踐資料,使學生能夠更好地自主學習。在完成這些工作后,也要定時聯系學生,對學生自主學習情況進行評價,讓學生寫自主學習自我總結評價,來評價他們的學習結果,使學生的學習能力得到提升。
二、在生物化學教學中引入創新實踐型教學
生物醫學工程專業是由其復雜的、龐大的知識體系交叉形成的學科,在教學中如何將各個課程融會貫通也是其教學的一個難點。而生物化學作為生物和醫學共同的基礎課,其授課的效果對后續課程的教授具有重要的意義。而創新實踐型教學對該門學科的授課質量具有重要作用。這是因為生物化學就是建立在前人不斷實驗,并將實驗結果分析總結形成理論的學科。所以,實驗教學對教好、學好這門課具有至關重要的作用。同時,想要提高學生的綜合素質和創新能力,就需要在基礎教學的基礎上進行實踐的鍛煉和積累。我們針對實踐型教學做了如下的工作。首先,設置了課內實驗和專題實驗。課內實驗是在授課同時進行開設的,可對課堂學習的知識進行鞏固和加深了解。而專題實驗,我們一般開設在高年級,此時學生已經學習了大多的專業課程,而專題實驗可將生物化學和這些專業知識融會貫通,進而增加對生化進一步認識,也鍛煉學生動手能力和獨立思考能力。其次,讓學生加入到課題研究中。如大學生創新項目,鼓勵學生積極申報,并鍛煉學生通過查找資料提出與生物化學有關的題目,并在老師的指導下寫項目書、項目計劃、實驗方案,進行實驗,最終寫結題報告,發表文章。在這過程中,提高學生能力,對學生的綜合素質和創新能力進行了培養。將創新實踐型教學與生物化學傳統教學相結合,通過實踐教學將學生從傳統的課堂教學中拉了出來,走入實驗室,運用所學知識來解決問題,讓學生對學習的理論知識有了進一步認識,提高學習積極性。
三、結論
關鍵詞:生物醫學工程;卓越工程師;實踐教學
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)06-0005-02
一、引言
“卓越工程師培養計劃”是高校工程教育改革的一項重大舉措,其目的重在培養一批創新能力強、適應經濟、社會發展需要的工程技術人才,為我國建設創新型國家和人力資源強國、提升國家核心競爭力提供堅實的人才支撐和智力保證。多年來南方醫科大學生物醫學工程學院以《教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見》(教高〔2011〕1號)為指導,通過改革建設符合卓越工程師培養計劃要求的生物醫學工程專業培養模式和體系,突出我校理醫工結合的鮮明專業特色,進一步探索在醫科院校開辦工科專業的規律與特點。堅持以培養學生實踐能力、創新能力為核心,通過建設生物醫學工程廣東省級示范教學實驗中心、大力開展綜合設計性實驗等途徑,我校生物醫學工程實踐教育改革取得了一定的成效。在多年的教學改革實踐中,探索以培養創新能力為核心的立體式、多層次實驗教學平臺,深化教學體系改革,逐步研究和探索出了一些行之有效的新理念和模式,使學生在綜合素質增強的同時,工程理念和素養得到全面提高,為保證卓越工程師培養計劃的貫徹落實奠定基礎[1-3]。
二、傳統實踐教學中存在的主要問題
1.實踐教學內容和方法。傳統實踐教學內容的設置存在與人才培養目標結合不夠,驗證性實驗內容比重偏大,缺乏系統性工程實踐訓練內容,導致學生不能利用所學理論知識解決工程實際問題。在實驗教學中,教師普遍采用灌輸式教學方法,即實驗前實驗講義,講義包括實驗內容、操作方法與步驟、每一步預期結果、實驗報告格式等,學生機械性按照講義完成操作,缺乏主動思考,扼制了學生的創造能力。
2.實踐條件建設方式。實驗室、實踐基地包括學生實踐的場地、設備和工程環境,對學生的實踐教學質量起著舉足輕重的作用。目前,我國高校教學實驗室一般是根據理論課程的教學內容而設置的,其功能是輔助理論教學,其特點是課程專用、功能單一、實驗室規模小、利用率低,不利于學生實驗技能、綜合能力、創新能力以及工程素養培養;實踐教學基地一般是建在與學校有業務往來校外企業,但是大多數企業在安排學生實習實踐方面積極性并不高,多流于形式,甚至有企業將來實習基地實習的學生作為廉價勞動力使用,并未達到系統工程訓練的目標。
3.師資隊伍知識結構。目前高等院校特別是研究教學型高校的教師大多具備良好教育背景、名牌大學畢業并具備博士學位,具有良好的科學研究經歷,參與過高水平科研項目并發表過高水平科研論文,但大多數缺乏工程實踐經歷,因此高校教師中具有企業經歷的“雙師型”的教師數量不足,知識結構不合理。實驗教師缺乏工程實踐環節的專門訓練,因此難以勝任相關的實踐指導工作。
三、基于卓越工程師培養計劃的實踐改革措施
1.加強實驗室和實習基地建設。根據“卓越計劃”培養目標,進一步加強實驗室和實習基地建設。擴大實驗室開放力度,加大專業實驗室投入,提高實驗室綜合利用率;引進企業的資源和設備,與企業合作共建實驗室;利用省級實驗教學示范中心平臺,為卓越工程師的培養搭建具有工程環境的實踐教學平臺。具體措施包括以下幾個方面:
(1)教學實驗室建設。①近年來生物醫學工程學院在省級實驗教學示范中心建設項目經費的支持下,大大改善了實驗教學條件,并取得了豐碩的建設成果。為此我院將在此基礎上進一步加強實驗中心建設,充分發揮其示范帶動作用,推進廣東省高校生物醫學工程專業實驗教學邁上新臺階。②充分利用社會資源進一步加強實驗室建設。我院先后和北京微信斯達科技發展有限公司聯合建立了“醫學信息檢測聯合實驗室”,和無錫祥生醫學影像有限公司建立了“醫學影像聯合實驗室”,這些公司無償提供實驗設備,這些實驗室投入使用,大大增強了我院實驗室實力。為此我院將充分調動全院教師的積極性,充分利用我們學校和學院的社會影響力,爭取更多的社會力量投入到教學實驗室的建設中。③通過自主研制實驗設備以及聯合研制實驗設備,大大降低實驗設備成本,提高了實驗室設備數量并且鍛煉了教師隊伍。④通過整合學院內部教學資源,組建綜合實驗室及大學生創新實驗室,這些實驗室不僅能進行認識、驗證型和綜合型實驗,而且能完成設計型和創新型實驗,實現實驗設備資源的交叉綜合利用,充分提高實驗室裝備的使用效率。
(2)教學科研共用實驗室建設:我院科研力量雄厚,科研實驗條件優越,建有數字化診斷治療設備教育部工程研究中心、醫學圖像廣東省重點實驗室、廣州市大型醫療設備質量檢測工程中心。面向卓越工程師培養的創新實驗基地建設,需要大量的科研項目來支撐,因此在這些重點實驗室和工程中心的建設中既兼顧科研的需求,又充分考慮實驗教學的需要,建成科研和學生實驗教學共用模式。達到科研促進實驗教學的目的,并且把這種模式拓展到校外實踐基地的建設中。
(3)實習基地建設。篩選具備帶教師資力量和實習條件、管理規范,并在醫療器械行業內具有一定影響力的公司確定為卓越工程師培養基地,我院先后和飛利浦(PHILIPS)、西門子(SIEMENS)、杉山醫療器械有限公司、深圳新開元信息技術有限公司、雅培中國診斷部簽訂了卓越工程師聯合培養協議,確定為我院的校外實習基地。充分利用附屬醫院和教學醫院的資源,建立穩定的校內外實習基地;為學生的課程實踐、實習、課程設計、學科競賽、科研實踐等創造良好的工程實踐環境,培養學生的工程素質和實踐能力[4]。
2.加強實踐教學內容整合。
(1)教學內容改革。整合傳統實驗內容,將單一性、驗證性實驗整合為綜合性、設計型實驗,結合企業項目補充工程訓練內容,強化課程設計,將各種國家級、省級設計大賽內容納入綜合分析能力培養的實驗項目。在畢業設計前必須完成一門綜合實踐必修課,綜合實踐題目由學校老師和企業老師聯合設置,學生可以根據自己的興趣及特長選擇,形成具有產學特色的實踐教學培養模式。
(2)推進實踐教學方法和考核方式改革。為適應卓越工程師培養的需要,必須改革傳統的實踐教學方法和考核方式。在教學方法改革中,大力推動基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的學習等多種研究性學習方法,調動學生的學習興趣和學習熱情。老師只給出實驗項目的技術指標要求。要求學生完成原理方案設計、理論計算與分析;經與帶教老師討論通過后完成硬件實驗樣機搭建、樣機性能指標測試等環節,形成完整的工程化的訓練過程。
在考核改革中,改變傳統的實驗結果加實驗報告評價方式,采取考察實踐全過程、實作作品展示、現場答辯、實踐總結分析等方式,重在考核學生的知識應用能力和創造性思維[5]。
3.加強雙師型教師隊伍建設。參與“卓越計劃”實踐教學的教師應具有在企業、醫院工作或培訓的經歷,熟悉工程實踐環境和過程。沒有相關經歷的新任教師必須到企業或者附屬醫院相關科室頂崗工作一年,提高工程實踐能力;專業教師利用科研合作機會去合作企業與企業工程師共同指導學生,了解工程環境和生產過程,積累工程經驗;聘請醫院工程科室、企業中技術水平高、實踐工作經驗豐富、綜合素質好的高級技術人員作為兼職教師,開設實踐性強的課程。推動附屬醫院設備科、信息科成立教研室,充分利用附屬醫院工程科室的人員力量,直接參與專業實踐課教學。
加強產業技術高級研究人才隊伍建設,大力引進海內外高層次創新創業人才,探索實施選聘優秀科技企業家、高級工程師擔任“兼職教授”,推行產學研聯合培養研究生的“雙導師制”[6-7]。
四、結束語
針對卓越工程師培養計劃,構建立體化、多層次的實踐教學平臺,在實踐教學中以學生為主體,充分調動學生的主動性和探索興趣,注重學生實驗思想、實驗方法和實驗技能的培養,提高學生的動手能力;實踐教學與科技創新實踐結合,注重學生創新能力和創新精神的培養,提高學生的綜合素質;實踐教學過程中注重學生團隊合作意識以及學術交流能力的培養;在實踐教學過程中注重學生工程意識、環境意識和社會責任感的培養,培養出更多合格的生物醫學工程卓越工程師。
參考文獻:
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[4]李俊,薄翠梅,王鑫國,張廣明.卓越工程師培養創新實驗平臺建設[J].電氣電子教學學報,2012,(3).
[5]趙存有,劉春生,侯清泉.面向就業的機械專業畢業設計改革研究[J].教學研究,2013,(2).
關鍵詞 圖像處理;圖像分析;實踐教學;教學改革
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:B
文章編號:1671-489X(2014)02-0090-02
Practical Teaching Reform of Medical Images Processing and Analysis//Tang Min, Zhang Shibing, Shen Xiaoyan
Abstract Medical images processing and analysis is one of the major foundational courses for biomedical engineering. According to the characteristics of this course, several practical teaching reform measures of medical images processing and analysis are carried out, including experiments and course design and the second classes. The author’s rich practical experiences demonstrate that these teaching reform measures can foster the students’ abilities, inspire their interests and therefore improve the teaching effect greatly.
Key words image processing; image analysis; practical teaching; teaching reform
1 引言
生物醫學工程是一個由理、工、醫交叉融合的新興學科,是多門工程學科向生物醫學領域滲透的產物,包括生物信息學、醫學圖像處理、生物力學及生物材料、醫療器械等多個分支。其中,醫學圖像處理與分析是利用數學原理和方法,在計算機上針對不同醫學影像設備(如CT、MRI、B超、PET、SPECT、顯微鏡等)產生的圖像,按照實際需要進行處理、加工和分析。隨著醫學成像技術的發展與進步,圖像處理技術在醫學研究與臨床診斷中的應用越來越廣泛,因此,醫學圖像處理與分析這門課程的地位和作用也日益重要。
該課程是以數字圖像處理為基礎,介紹圖像處理中的基本概念、理論和算法,特別針對醫學圖像處理研究中的基本問題以及解決這些問題的原理和實現方法,使學生能夠編程將圖像處理算法應用于醫學圖像的處理和分析,是生物醫學工程及相關專業的核心主干課程之一。
醫學圖像處理與分析這一課程起點高、難度大、理論和實踐緊密結合,課程建設難度較大。雖然目前已有不少院校開展本課程的教學工作,但實際教學情況并不十分理想,主要表現在教材缺乏和實踐環節較少。在中國期刊網上,以題名包含“醫學圖像處理”或“生物圖像處理”以及題名中包含“教學”為檢索條件,只獲得文獻18篇,其中涉及該課程實踐教學的只有6篇,主要集中于虛擬實驗室和實驗教學系統的研發[1-6]上,可見在國內關于該課程的教學研究尚不多見。
筆者結合教學實踐經驗,在理論教學改革的基礎上[7],提出一些實踐教學環節的改革措施,以全面培養學生的學習技能,激發學習興趣,改善教學效果。
2 實驗與課程設計的開展
以“科研為教學服務,教學促進科研”為宗旨,采用MATLAB編程語言為實驗教學平臺,以醫學圖像處理知識為主,同時綜合醫學成像系統、醫學電子學等相關課程的知識,編寫《醫學圖像處理與分析課程的實驗與課程設計指導書》,設置驗證型、綜合型和設計型三大類實驗(參見表1)。其中,實驗1~9為驗證型實驗,學生通過調用MATLAB中已有的圖像處理程序來完成實驗,加深對理論教學重點和難點的理解;實驗10~14是綜合型實驗,學生針對醫學圖像的具體特點,綜合運用多種算法達到圖像處理的目的;實驗15~24是設計型實驗,給定實驗目的和要求,學生自行設計實驗方案并編程實現,培養他們查閱資料、分析問題和解決問題的能力[6-8]。
3 第二課堂的實施
為培養學生的科研實踐能力,教師有意識地在課堂中簡要介紹自己科研項目的基本情況,鼓勵和引導學生參加自己的科研項目研究。這不僅增強了他們對該課程的學習興趣和重視度,而且使他們親身經歷并體驗了醫學圖像處理和分析知識怎樣應用于科研和臨床。
由于南通大學附屬醫院擁有門類齊全的現代化醫療儀器設備,因此鼓勵學生利用假期在醫院實習,特別是到影像科和檢驗科實習,學習和掌握各種儀器的功能和圖像處理的場合,從而有助于他們將理論知識與實際問題相結合,提高實際工作的能力。
在教學過程中,適當融入一些就業方向的指導,介紹醫學圖像處理在醫院和醫療器械公司的應用狀況,同時簡要介紹課程中沒有涉及但與工作密切相關的最新最熱門的醫學圖像處理知識,供學生課后自學和深入研究。這樣一方面增強了學生的自信,獲得了更好的教學效果;另一方面也拓寬了學生的視野,引導他們尋找自己發展的方向和目標。
4 結論
本文結合筆者多年來的教學經驗,針對醫學圖像處理與分析課程的實踐教學環節提出一些改革措施,秉承“加強基礎、重視應用、培養能力”的宗旨,以“內容的基礎性、方法的先進性、學科的交叉性”為原則,編寫《醫學圖像處理與分析課程的實驗與課程設計指導書》,積極開展第二課堂,實現教學、實驗、科研三管齊下,課內、課外、理論、實踐同時并舉的教學格局,有效提升學生的綜合知識水平和實驗技能,為后續課程學習、畢業設計開展及科學研究奠定堅實基礎。
參考文獻
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