新工科背景下基于学习罗盘的医工融合人才培养策略研究

李晓欧 张欣 司博宇 樊丞成 查雨彤

2017 年教育部发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，新时代背景下工科人才培养的研究开启了新篇章[1]。林健等对新工科建设的概念和内涵等方面的重要问题进行了系统阐述[2]，全新视角的“新工科”概念兴起。随后以人才培养为核心的新工科教育理念在多个教学领域进行实践[3]。新工科建设对人才培养提出了新的要求，重点强调跨领域发展、协同合作、保持学习态度等素养[4]。为了尽快适应当前医疗卫生事业发展，实现大健康战略的需求，需要建立多种要素融合的教育模式，深度探索医工结合背景下教育目标的实现路径[5]。经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）“未来教育和技能2030”项目发布了学习罗盘的概念。其核心是挖掘学生的主体精神，强调学生需要学会在不熟悉的环境中自主导航，而不是被动地接受外部的指示[6-8]。学习罗盘的推广有利于实现学生从新工科教育中完成蜕变，让学生成为有目标、有反思的医工思维主体。文章正是从这个角度出发，研究基于学习罗盘的医工融合人才培养策略。

1 师生协作共同体的构建

围绕知识、技能和态度三方面，学生的学习目标是由学习的具体行动领域转化而来的，而学习过程是一种计划、行动、反思和归纳循环激励效应的体现，最终实现创思路、破难题、担责任。在创思路方面，培养学生医疗器械方面的创新设计能力，保持一种开放学习的态度；在破难题方面，培养学生对医学应用需求的捕捉能力和医工融合的领悟能力；在担责任方面，培养学生对外部环境的控制力和自我调节力，尤其是老一代医械人专心致志潜心实践的传统和精神的继承。

而这些需要师生共同合作，不断递进完成。在具体的师生协作教学过程中，把以教师为中心的“一对多讲授课程”模式打造成以学生为中心的“多对多交流进阶”的模式。以教师与小组沟通，组内和组间讨论的形式及时反馈问题，鼓励学生结合国家大健康战略的发展，主动结合课程内容寻找医疗器械方面的新思路和新问题。师生协作共同体构建的载体方式有很多，例如，通过线上线下混合式的学习，教师在线发布器械知识点材料，让学生提前熟悉课程内容，准备个人观点和问题，教师给予点评和解答，实现“以学定教”，丰富教学内容的差异性和层次性。通过专题式的探究性讨论学习，教师基于自身工程实践研究，提炼出教学案例，引申出关联问题让学生去思考，引导学生运用所学知识去解决这些问题。例如，在教学过程中，针对医疗器械中信号去噪等问题设计了相应的专题讨论环节，学生普遍反映良好。当学生看到信号的信噪比有了很大的提升，体会到了学以致用的感觉。还可以通过拓展训练的学习，将最新的器械设计理念传授给学生，让专业课的内容丰富而充实，同时在课堂上改变以考核为引导的方式，代之以兴趣为引导，培养其创新能力[9]。

医疗器械是医疗服务体系、公共卫生体系建设中最为重要的基础装备，也是目前世界范围内发展最迅猛的产业之一，世界各主要国家均将它列入高技术领域重点发展。我国的医疗器械产业发展时间不长，但随着人民生活水平的提高，各类医疗器械需求都将迎来快速增长。“健康中国2030”规划纲要中提出要大力发展高性能医疗器械，加快医疗器械标准与国际对接。国务院发布的“中国制造2025”战略目标中将高性能医疗器械作为十大重点发展领域之一[10-11]。医疗器械产业的迅猛发展，势必将需要大量对口人才。而医疗器械领域的教学内容涉及面广，需要做师生协作共同体的构建，将以课堂教学为主转向以探究教学为主；以知识的传授为主转向实践训练为主；以理论考核为主转向解决问题为主。实现学生掌握医疗器械的基础知识，知道如何应用这些机电设计理论，会动手验证完成所学内容，实现生物医学系统设计，完成医疗器械创意实践的链路式培养。师生协作的核心就是要以“教”为主向以“学”为主、以“练”为主转变，在优化智能器械教学设计的过程中，不断增强学生多元、协同思维训练，在贴近真实的数字化医疗实践中完成从基础理论到综合提高的过渡。

2 核心素养的养成

2.1 建立数据素养

在智慧医疗的新形势下，应该培养学生的数据素养，即具有对数据的获取能力，掌握多模态的数据源及其采集方式；具有对数据处理分析能力，掌握采集数据的分析和处理方法；具有对数据交流评价能力，通过数据分析结果进行论文撰写和学术报告交流，具备数据审核和批判质疑的能力[12-13]。

一年级新生，以概率论与数理统计、计算机语言与算法、文献检索方法等为前导课程，把基础医学信息处理知识和文件检索能力作为重点来抓；学生到了二、三年级，把医学信息大数据处理能力提升作为重点来抓，运用数据挖掘技术对现实临床中的数据进行挖掘分析，强调其动手编写代码；而大四学生侧重于实践性的教学，增强他们的医疗器械创新思维，培养对理论知识融合到实践的能力。

2.2 建立医学素养

课程中积极融入医学人文类的教育，让工科学生感受到器械报国、积极向上的进取精神，引导学生形成良好的“医械人”职业道德精神。同时，利用网络平台新载体为医学人文教育助力发展。例如，笔者创建了“青春医械”微信公众号，定期推送与专业发展、课程思政有关的教育内容，开展网上互动、在线讨论等。润物细无声地使学生获取工程德育正能量，营造良好、积极向上的医学院校德育大环境。

针对临床应用对象、环境等特殊性，将临床的具体需求贯穿于智能医疗器械应用和开发设计培养的整个过程之中，也是建立医学素养的途径。例如，根据人体生理信号特点设计表面肌电图仪，教会学生该系统包括采集部分和接收部分。采集部分涉及获取表面肌电信号的表面电极、信号处理电路、A/D 转换、三轴加速度传感器、主控电路等部分。接收部分包括主控电路、USB 转串口电路、接收主机。上位机部分由MATLAB 和C#进行混合编程，由于易受干扰，需要对表面肌电信号进行降噪预处理。同时，由于医疗设备的特殊性，需要进行医用接地阻抗测试、医用泄漏电流测试、医用电介强度测试等。这些知识的涵盖，正是体现了医学应用需求导向下的培养。

2.3 建立合作素养

由于医疗器械的特殊性，强调知识的跨学科连接性，技能的认知实践连接性。

从对公共卫生事件的防控角度来看，无论在医疗、救治还是在预判、研判方面，多学科、多技术领域的交叉融合都发挥了很重要的作用。例如，人工智能、大数据、云计算等技术在监测分析、病毒溯源、防控救治等方面提供有力支持；新技术下的智能化呼吸机、监护仪、制氧机等医疗产品在危重患者抢救和抑制病毒扩散中发挥了重大作用。新工科与新医科的交叉复合存在更广阔的前景，对推动多学科交叉融合，发展信息医学等有重要的意义。

所以要加强调学生自主学习习惯、学习能力的培养，加强基于项目的、研究式的学习。在培养模式上，学校不断强化医学教育的医工交叉特色，构建医学和电子信息学科交叉的跨学科课程群、跨学科的实践平台和学生交叉学科探索项目。

3 迭代式教学模式的设计

将迭代式方法引入到教学中，教学内容被分解到每一次迭代中，以渐进的方式在不断巩固专业知识和基本能力的过程中，再根据评价的结果适时加入新的知识和方法。这些也体现了融合课程的迁移学习，让学生学会学习、健康向上、责任担当[14]。

以《信号与系统》课程“连续时间傅里叶变换”1节90 min 授课为例，为了让学生掌握傅里叶变换定义，典型信号的傅里叶变换和频谱特征，以及傅里叶变换的医学应用。设计了如下6 个环节，具体如下：（1）复习知识、教师主讲：回顾上一节课“连续周期性信号傅里叶级数”的内容。通过“天问一号”火星探测器、心电、脑电等涉及的信号分析概念，引出傅里叶变换的历史背景。从周期信号导出非周期信号的傅里叶变换，过程中体现知识的连贯性与系统性，以及它们的应用。提出课程问题：离散的频谱如何演变为连续的频谱？周期信号频谱与非周期信号频谱的关系？傅里叶变换的收敛问题？同时请学生互动回答。（2）实施分组、自主学习：学生分组求解双边指数信号、单位冲激响应信号、矩形脉冲信号3 种连续时间傅里叶变换，教师巡视、解答、点评。（3）主动陈述、协作学习：学生小组讨论，学生代表讲解，讲解矩形脉冲和单位冲激响应信号的连续时间傅里叶变换结果。（4）综合结果、得出方案：学生互评，在线网上提交小组材料。（5）动手实践、实验验证：首先利用数字信号处理实验箱进行三角波、正弦波等典型信号傅里叶变换分析；然后利用NI 实验平台进行脉搏波频谱分析，同时可请工程师在线指导分析结果；最后在计算机上进行脑电信号高阶频谱分析。（6）效果评价、总结归纳：对学生的实验结果进行分析和评价，总结傅里叶变换的意义和几种可能形式，以及它们的对应关系，布置思考题和下一节课预习内容。

4 小结

配合“新工科”教育理念的改革，基于学习罗盘的医工融合人才培养策略，探索融合知识获得、能力进阶、职业核心素养培养为一体的教学方案。实现师生协作，数据、医学、合作素养建立，迭代教学等模式层层递进，激发学生学习兴趣和潜能。尤其是构建医用导向型思维工程教育训练体系，使学生在贴近真实的数字化医疗实践中完成从基础理论到应用实践的过渡，实现理论与医学应用的有机结合，培养新一代医疗器械工程师。