吴 丹,宁钢民,齐 炜,周 泓
(浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院,浙江 杭州 310027)
生物医学工程是多种工程学科和生物医学交叉的学科,为生命科学提供了工程原理、方法和手段,并为人类疾病的预防、诊断和治疗提供了有力保障[1]。“生物医学工程导论”是世界一流大学普遍开设的关于生命科学与工程技术的典型交叉性课程[2],学生通过课程学习了解工程技术与人类生命活动的关联、生物医学工程所涉及的基本科学与技术以及生物医学工程的核心知识和最新进展。更重要的是,学生从课程学习中得到启发,增强从多学科交叉的角度分析与解决问题的创新精神以及创业意识,这也是时代发展和社会进步对教育提出的新要求[3]。
近四十年来,国内外生物医学工程领域中的基础和应用研究得到迅速发展,在国民经济中的地位日趋重要,对人类健康和医疗健康装备产业产生了巨大的影响[4]。经济全球化趋势和医疗模式与医疗体制的变革,为生物医学工程领域实现跨越式发展和技术创新提供了新的历史机遇,引发了全球范围对于先进数字医疗仪器和生物医学信息技术研究与开发的热潮[5]。加快生物医学工程领域的教育改革,培养该领域的创新型工程与学术人才,主动承担起应对挑战、造福人类、塑造未来的时代责任,成为在激烈的国际竞争中赢得主动的重要战略选择[6]。
浙江大学生物医学工程学科于1977年在国内第一个设立生物医学工程专业,学术声誉位居全国前列,经过40余年的持续建设和不断发展,形成了生物传感与医学信息技术、生物医学成像与分子影像、数字技术与智能医疗仪器、神经组织工程与脑机交互等学科方向[7]。依托生物医学工程与仪器科学学院的优势师资力量与教学资源,学院已连续多年面向全校本科生开设“生物医学工程——智慧医疗的前世今生”通识课(科技创新类),选课主体为大一、大二本科生。以往的教学规划理论教学(专题报告)作为主体,辅以专题短报告和课程论文。此教学方法虽然一定程度上有利于系统化、连续性知识点的传授,但是在一定程度上阻碍了学生自主学习能力的提高。多年的教学工作下来,笔者发现课程实施过程中遇到了若干主要问题。
由于生物医学工程是一门交叉学科,其中涉及医学、生物工程、计算机、机械、材料等多门学科,因此对刚刚步入大学校门的新生来说知识涉及范围广,不易形成知识体系[8]。与此同时,课程内容辐射传感器、影像、医院信息系统等多门课程,对教师的综合素质要求较高,对教学内容深度与广度的把握需要恰到好处。所以理论授课有必要邀请相关领域的专家对知识体系进行系统化的梳理,并站在一定高度指出国际前沿发展趋势和行业需要,强调交叉学科的融合创新,并提出相关科学问题供学生深入讨论。
选修生物医学工程通识教育的学生专业背景差异较大,来自生物医学工程、计算机、机械、电气、医学、药学、经济学、公共管理等全校各个专业。不同的专业背景导致学生对理论内容的学习程度不一、对专题报告和课程论文把握的方向不一。对本专业的学生,需引导其寻找兴趣点,深入某一具体方向展开学习;而对外专业的学生,则需引导其结合自身的专业背景,寻找与生物医学工程领域的结合点。因此,指导教师需要在学生自主选题开展专题内容调研的基础上,有的放矢地进行引导。
生物医学工程通识教育以理论为主,内容多且课时紧,其中部分内容需要学生能在课下进行预习以及准备相关背景的知识;此外,由于“生物医学工程导论”是概论性课程,授课中会遇到很多专业术语,对一些没有专业背景的前沿技术学生来说比较难以理解,导致学生在课堂上积极性不高、学习兴趣不浓。因此,有必要在传统教学方法的基础上进行改进,如专题讨论、实物展示、视频教学、案例介绍等,引导学生在融合多学科背景的基础上寻找生物医学领域的问题,并通过工程信息技术解决问题,从而培养学生的创新意识。
为了更好地培养学生对生物医学工程交叉领域的兴趣、创新和创业意识,特别是培养通过查阅相关资料结合理论知识提出新颖可行问题、在实践过程中分析解决问题的能力,亟须对“生物医学工程导论”通识课程的理论授课形式、专题调研、课程论文的开展方式进行全面的改革研究[9],整体课程设计架构如图1所示。目标是将创新创业意识有机引入课程教学中,增强课程的趣味性、前沿性,并针对不同专业背景的通识课学生以个性化引导的形式,锻炼学生的医、工、信交叉融合思维,为生物医学工程学科培养一流的交叉复合型人才。此次通识课程改革归纳的主要内容如表1所示。具体改革方案如下。
表1 此次通识课程改革的主要内容
图1 生物医学工程通识教育的改革架构
1.课堂讨论:由于每次专题讲座的内容较多,过程中可能有不少学生的疑问需要解决。方案提出预留每节课的最后30分钟作为讨论时间,以学生提问教师解答,或者针对学生普遍感兴趣的问题分小组讨论的形式加深学生对课堂内容的理解,激发学生学习的主动性。
2.实物展示:课程中涉及多种医疗仪器的发明、发展及临床应用,通过简单的讲解或图片展示学生很难形成直观印象,如果能让简单的医疗器械实物走入课堂,一方面能够让学生亲眼看到、亲手摸到实物,从而使学生对该仪器有更深刻的印象;另一方面也在一定程度上,让学生直观感受它的智能化功能和涉及的关键技术。例如,穿戴式柔性传感器、脑电控制小车、带进课堂的学生项目作品等。
3.视频教学:在相关教学过程中引入视频材料,更好地调动学生学习的积极性,包括引入国际、国内精心制作的与教学内容相关的视频、学生项目中录制的视频、教授团队的介绍视频等。
4.案例讲解:在教学过程中穿插与专题知识相关的创新创业典型案例,包括“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”大学生课外学术技术作品大赛、学生创业的优秀案例等,激发学生的创新性发散思维,使其学有所用。
课程改革要求学生在平时学习过程中选择3个专题讲座的相关内容撰写专题短报告。为明确专题报告的选题,针对课堂讨论中的热点、专题讲座教师预留的3~5个话题以及学生自由选择的话题,在选题过程中积极主动引导。另外要求学生在课程结束后撰写课程论文,并对这一过程进行更为细致的引导。针对生物医学工程本专业学生,引导其就某一感兴趣的领域,进行深入调研,或者采用仿真、实验等开展一定深度的研究;对外专业学生,引导其结合自身的专业背景进行调研。例如,经济管理类学生可以就医疗仪器的市场前景进行调研、医学类学生可阐述现代信息技术对临床实践产生的影响及未来的需要等。
在理论创新层面,课程改革在原有课程体系的基础上,增强了各类理论授课内容之间的联系,对课程内容进行模块化梳理,沿着生物医学信号获取→处理→集成的链条,串联各个知识点,让学生对生物医学工程的各个研究方向形成一个整体的概念。
在实践创新层面,注重融入互动、体验元素,激发学生的创新创业意识。通过课堂讨论、对热点问题的深入剖析,及时为学生答疑解惑;通过实物体验式教学,让学生直观体会其中的关键技术和创新元素;通过对学生创新创业经典案例的介绍,引导学生将课堂所学知识与专业背景相结合,理解技术发展对医疗产业的推动作用。
在整体设计层面,课程改革以教授团队为创新思维掌舵,主讲教师和助教为探究实践护航,充分发挥生物医学工程优势特色学科资源,邀请各领域的学术带头人,站在一定学术高度为学生梳理知识体系和指引学科前沿方向。在专题报告和课程论文的实践过程中,主讲教授和助教将对学生选题的可行性、实践强度把关,引导学生结合专业背景,开展不同深度、不同广度的调研与分析。
改革后的“生物医学工程——智慧医疗的前世今生”通识课程通过专题讨论、实物展示、案例介绍等方法,将创新创业意识有机引入课程教学中;改革专题调研和课程论文形式,将自主命题与教师指导相结合,针对学生不同专业背景进行个性化引导。针对课程理论教学涉及面广、知识量大,对学生和教师要求高的特点,邀请相关领域专家进一步梳理知识体系,寻求学生更容易接受的授课模式;针对学生专业背景多样的问题,分专业内和专业外学生进行个性化的选题指导;针对以往授课过程中学生积极性不高、自主学习意识较弱的问题,通过专题讨论、实物展示、视频教学、案例介绍等形式,引导学生的创新创业意识。针对本专业学生,培养学生对专业领域更深刻的理解,以为学科培养一流的专业人才为改革目标;针对外专业学生,激发学生对生物医学工程学科的兴趣,以培养学生的医、工、信交叉融合思维为改革目标。
改革课程试行后每学年均有70~80名大一、大二的本科生选择修习,相继提交200余份专题调研报告以及70余份课程大论文,教学实践过程相关信息如表2所示。改革后的课程明显提高了学生在课堂上的活跃度,师生互动积极,有效提升了课程的趣味性、科普性和学生的主观能动性,让低年级学生以可观、可感的方式理解如何将理念知识转化为医疗设备、系统的过程,并充分展示生物医学工程特色,引发学生对交叉领域的兴趣。改革课程试行后的实践,一方面提升了本专业学生对特定领域的科研兴趣,如有对专项课题感兴趣的学生在课程结束后选择进入相应的实验室参加浙江大学科研训练计划(SRTP)项目,并获取了一定的科研成果。另一方面,改革课程也激发了非本专业学生的发散思维,如医学专业的学生不仅对磁共振、传感器以及脑机接口等专题产生兴趣,而且能主动向专题教师询问在临床遇到的问题的解决方法,扩大了专业影响力。
表2 教学实践过程相关信息表
随着新工科人才战略的提出,培养新时代本科生从医、工、信多学科交叉角度发现、分析并解决问题的创新创业精神,是新工科人才战略提出的主要培养目标,也是教育部下达的人才发展的重要内容[10]。改革课程的目标是将创新创业意识有机引入课程教学中,增强课程的趣味性、前沿性,并针对不同专业背景的通识课学生以个性化引导的形式,锻炼学生的医、工、信交叉融合思维,为生物医学工程学科培养一流的交叉复合型人才。在理论层面,课程改革通过增强各类理论授课内容之间的联系,让学生对生物医学工程的各个研究方向形成一个整体的概念。在实践层面,课程改革为不同专业背景的学生提供了相应的指导,针对生物医学工程本专业学生,引导其就某一感兴趣的领域,进行深入调研,甚至采用仿真、实验等开展一定深度的研究;对外专业学生,引导其结合自身的专业背景进行调研,例如,经济管理类学生可以就医疗仪器的市场前景进行调研、医学类学生可阐述现在信息技术对临床实践产生的影响及未来的需要等。
改革后的课程明显提高了学生在课堂上的活跃度,师生互动积极,有效提升了课程的趣味性、科普性和学生的主观能动性,让低年级学生以可观、可感的方式理解如何将理念知识转化为医疗设备、系统的过程,并充分展示生物医学工程特色,引发学生对交叉领域的兴趣。一方面提升了本专业学生对特定领域的科研兴趣,如有对专项课题感兴趣的学生在课程结束后选择进入相应的实验室参加浙江大学科研训练计划(SRTP)项目,并获取了一定的科研成果。另一方面,该课程也激发了非本专业学生的发散思维,如医学专业的学生不仅对磁共振、传感器以及脑机接口等专题产生兴趣,而且能主动向专题教师询问在临床遇到的问题的解决方法,扩大了专业影响力。在改革课程的学习过程中,学生将了解工程技术与人类生命活动的关联、生物医学工程所涉及的基本科学与技术以及生物医学工程的核心知识和最新进展。更重要的是,学生从课程学习中得到启发,增强从多学科交叉的角度分析与解决问题的创新精神以及创业意识,响应了时代发展和社会进步对教育提出的新要求。
以创新创业意识为引导的生物医学工程通识教育改革方案,通过专题讨论、实物展示、案例介绍等方法,将创新创业意识有机引入课程教学中;通过革新的专题调研和课程论文形式,将自主命题与教师指导相结合,针对学生不同专业背景进行个性化引导。改革后的课程显著提升了课堂活跃度,激起了本专业学生对科研的兴趣并引导学生积极进入实验室参与科研创新项目,也激发了外专业学生对生物医学工程学科的兴趣,是一次融合专业教育和创新创业教育的教学,对于全国其他高校的生物医学工程学科具有一定的推广与借鉴意义。