医工交叉类专业课程建设的探索与实践

孙安强， 康红艳， 蒲 放， 李德玉， 邓小燕， 樊瑜波

(北京航空航天大学 生物与医学工程学院，北京 100083)

一、问题的提出

随着中国社会经济快速发展，人类健康需求增加，人口老龄化加剧，医疗健康模式也正在发生巨大变化。2016年10月，中共中央、国务院印发《“健康中国2030”规划纲要》，把健康纳入国民教育体系[1]。2017年10月，党的十九大报告明确提出“实施健康中国战略”[2]。2020年初，新冠肺炎疫情暴发。同年2月14日，习近平在中央全面深化改革委员会第十二次 会议上发表重要讲话，指出“把生物安全纳入国家安全体系”[3]。这都为工程科学更加全面地介入医学领域、更加深入地开展医工交叉研究，解决国家在医疗健康领域的重大问题提出了更高的要求。同时，探索新兴健康领域的工程科学问题，也是工程科学自身发展的内在需求和驱动。

在上述背景下，近年来中国许多一流大学纷纷将医工交叉型人才培养作为创新型人才培养的重点方向[4-5]。希望为“健康中国”战略培养储备更多优秀专业人才。但是，由于医工交叉涉及领域很广，且发展迅速，在很多研究方向上缺乏成熟的医工交叉类课程，难以满足当前快速增长的高层次医工交叉型人才培养的需求。尤其是在教育部大力推进“新工科”建设和“金课”建设、进一步提高本科生人才培养质量的背景下，探索适合中国当前和未来发展阶段人才培养需求的医工交叉类优质专业课程建设的实践十分必要[6]。

笔者以北京航空航天大学(以下简称“北航”)生物医学工程专业本科生专业课程《血流动力学》《生物力学》《循环系统医学与工程》等的建设经验为例，介绍在“新工科”建设背景下，医工交叉类专业课程建设的探索与实践。

二、课程基本情况介绍

《血流动力学》《生物力学》《循环系统医学与工程》三门课程均是面向北航生物医学工程专业三年级本科生开设的专业核心课程。这些课程中的心血管生物力学部分主要介绍人体血液循环系统流动的力学规律、心血管疾病的力学机理、心血管疾病检测治疗相关的生物力学问题以及血流动力学常用研究方法等。重点培养学生利用血流动力学原理分析、凝练、解决相关医学问题的医工交叉型思维方式和科研能力，为今后从事该领域的科学研究或工程实践打下坚实基础。这些课程与当前医学、工程学术前沿以及医疗器械产业发展密切相关，为典型的心血管医学与力学工程结合的医工交叉类专业课程。

三、医工交叉类课程建设中的问题与挑战

(一)如何培养学生医工交叉型思维方式

医学诊疗中十分看重经验积累，工科研究更加追求明确理论基础上的定量化和精准化。在医学与工程交叉的生物医学工程领域，工程最优解并不一定是医学最优解。而解决医工交叉领域的问题则必须具备在“医”“工”两种思维方式间自由切换的医工交叉型思维方式。这种思维方式在传统的医学、工学课程教学中很少训练，在生物医学工程专业课程中也经常训练不足。医工交叉型思维方式的缺乏容易造成学生毕业后从事医工交叉性质的工作时适应较慢，创新能力不足，需要较长时间去摸索与构建这种思维方式。这一问题在生物医学工程专业人才培养中亟待解决。

(二)如何学习借鉴国外同类优质课程

国外许多一流高校经过多年积累，已建成许多较为成熟的医工交叉类课程，值得广泛学习和借鉴[7-9]。但是,国外高校成熟的医工交叉类课程都是根据各自学校的学科优势、人才培养定位的，以及根据各自国家社会发展阶段和健康相关产业的人才需求特点而设置和建设的，换到其他学校往往不适用，直接转移到中国的大学课堂则更加容易“水土不服”。因此，在学习和借鉴国外成熟的医工交叉类课程时必须对国外课程内容进行合理改造和重构,以满足中国不同学校的人才培养需求。

(三)如何在医工交叉类课程中开展“课程思政”

习近平在谈高校思政建设时指出：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”[10]如何改变思想政治教育与专业课程教育沟通较少的现状，将立德树人贯彻到高校教学全过程、全方位、全员之中，推动思政课程与“课程思政”协同前行、相得益彰，构筑育人大格局，是新时代中国高校面临的重要任务之一[11-12]。生物医学工程专业与“健康中国”战略、国家生物安全息息相关，蕴含着非常丰富的思政题材，医工交叉类专业课堂应该成为开展“课程思政”的重要阵地。因此，如何在医工交叉类课程中有效开展课程思政成为课程建设的重要内容之一。

四、教学改革创新与实践

(一) 医工交叉型思维方式训练

以真正的临床问题为中心，打破原有的临床背景和工程内容章节分明的讲授顺序，如图1所示，按照“临床背景—数理问题—工程问题—工程解决方案—临床问题解决方案”的讲授路线开展研究型教学。在反复“医”“工”切换中训练医工交叉型思维方式，让学生体会“工程最优解并不一定是医学最优解”。课程教学中选定的典型医学问题及相关知识点(示例)如表1所示。

图1 以临床问题为中心的医工交叉型思维方式

表1 典型医学问题及相关知识点(示例)

(二)对国外优质课程进行吸收与重构

以北航《血流动力学》课程为例，该课程学习和借鉴了英国帝国理工大学和美国佐治亚理工大学等开设的同类课程。但是国外课程内容设置与各校的科研方向、各国的医工产业发展优势和人才需求密切相关，无法照搬。笔者所在教学团队按照“金课”标准，并结合当前中国医工产业现状，以及循环系统典型疾病诊断与治疗领域医工交叉型复合型人才紧缺的现状，提高对应内容比重。同时，围绕动脉粥样硬化、脑中风等重大疾病设计高难度医工交叉类课程设计题目，引导学生关注临床医学问题，提高分析、解决复杂医工问题的能力。具体的重构内容包括：

第一，在课程计划中增加流体力学知识讲解部分，重点介绍与血液循环系统有关的流体力学概念和理论，特别是与课程后续内容相关的流体力学知识，为后续课程内容的学习筑牢力学基础。

第二，针对后续其他专业课程中学生可能选择的航空航天医学工程、康复工程等特色优势方向，在课程内容中增加航空航天和康复领域的血流动力学问题等相关的教学内容。使之与北京航空航天大学人才培养特色以及生物医学工程专业人才培养目标结合更紧密。

第三，在课程设计和课程研讨性实践部分，充分与笔者所在教学团队的科研项目与成果、现有实验平台和实验条件相结合，将笔者所在教学团队多年来在生物力学领域的研究成果转移到课堂讲授和课程设计中，增强教学内容的前沿性，以及课程设计的综合性与挑战度。

(三)“课程思政”建设

充分挖掘中国传统医学对心血管系统的探索实践，并结合“健康中国”等国家重大战略规划，以及新冠肺炎疫情等重大事件，介绍党和国家对人民健康事业的高度重视。应更加关注《血流动力学》等课程在中国高端医疗器械行业中的应用背景，引导学生正确看待当前中国在高端医疗器械与医疗技术方面存在的短板，树立为提高中国医疗器械自主研发水平、解决国家在医疗健康领域的重大战略问题而努力学习的远大目标。做到结合专业，润物无声。以《血流动力学》课程讲授中总结的“课程思政”部分知识点为例，如表2所示。

表2 《血流动力学》“课程思政”知识点(示例)

五、改革成效

笔者所在教学团队通过不断创新教学内容和教学方式，促进了学生对医工交叉类课程内容的掌握，提高了学生综合运用“医”“工”知识分析和解决医工交叉综合性、复杂性问题的能力。课程设计中学生自主查阅资料、分析凝练科学问题，并提出可行性研究方案，以2019—2020秋季学期的部分题目为例，如表3所示。多名学生以课堂讨论和课程设计为起点，在课程结束后继续开展科研探索项目，在国际知名的专业学术期刊上以第一作者身份发表论文[13]、申请医疗器械创新专利、获得北航科技竞赛奖项等。

表3 学生自主提出的课程设计题目(示例)

《血流动力学》课程的建设成果还推广到北航生物与医学工程学院多门其他专业课程教学中，如《植介入体设计与评价》《高级生物力学》等，取得了良好的教学效果。

此外，《血流动力学》课程还受到医科院校临床医学专业及医院临床科室教学团队的关注，笔者所在教学团队成员受邀为中国部分医科大学临床本科生以及临床医院的医生授课，实现了课程建设成果向中国一流医科院校的推广辐射。

六、结语

在开展的五轮次《血流动力学》课程教学过程中，笔者所在教学团队结合《生物力学》《循环系统医学与工程》等课程实践，不断修正和调整课程设置，归纳总结出医工交叉类课程建设的经验，可为其他同类课程的建设提供参考。

第一，医工交叉类课程建设中，重点和难点是如何将两方面知识有机“融合”，培养学生医工交叉型思维方式。笔者所在教学团队在实践中开展的以典型临床问题为中心、按照“临床背景—数理问题—工程问题—工程解决方案—临床问题解决方案”的讲授路线开展研究型教学，取得了良好的教学效果。

第二，在学习借鉴国外优秀课程时，要充分考虑中外课程体系和培养方案的差别，以及中国相关领域产业现状与人才需求特点。同时，要充分考虑中国高校授课团队和平台的研究实力和科研专长，更好地利用科研成果与条件来支持教学。这对研究型大学医工交叉类专业类课程建设尤其重要。

第三，要充分考虑中国高校的人才培养目标和定位，牢记为党育人、为国育才使命，扎实做好“课程思政”。可以充分挖掘与课程相关的中国传统文化和科学发展史中的相关内容，并与国内生物医学工程相关的经济社会发展现状相结合，增加学生对专业的认同感，增强学生民族自豪感和历史使命感。