融通交叉学科基础知识 立足前沿开拓源头创新

黄璐 瞿祥猛 霍新明 周建华

摘  要：生物医学检测基础是生物医学工程学科的核心专业课程。针对该课程目前存在的知识面涵盖广而讲授内容不成系统，授课内容与前沿医疗技术脱节、源头创新培养力度不足等问题，该文运用“理-工-医”结合的思想，提出该课程的教学改革创新。首先，根据学科培养目标和医疗器械行业的发展现状，明确该课程在学科培养中的定位；然后，精选课程内容和探索新的教学方法，按照“仪器原理-检测方法-仪器结构-医学应用”的逻辑进行系统讲授；另外，对于某一种具体的检测技术，在从原理到应用的讲授基础上，结合该领域最新相关前沿发展状况进行拓展介绍；最后，面向医院临床设备的需求，将临床需求简化成理科知识和工程问题，实现医疗器械的源头创新。

关键词：生物医学工程学科；生物医学检测基础；课程教学改革；交叉学科；源头创新

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）32-0133-04

Abstract： Biomedical Diagnosis Fundamentals is a core course in the major of biomedical engineering. To address the current problems of the course， such as the wide coverage of knowledge but fragmented lecture content， the disconnection between the course content and the cutting-edge medical technology， and the insufficient training of original innovation， we innovatively propose a course reform based on the concept of "science-engineering-medicine". Firstly， the position of the course in the major is clarified according to the cultivation goal and the advances in medical device industry; then， the course content is elaborately selected and new methods are explored， enabling the teaching based on the clue of "instrument principle-testing， method-instrument， structure-biomedical application"; additionally， for a particular technology， elucidating its principles， sensing/biodetection techniques and clinical applications， and expanding it with the latest cutting-edge technology in the field; finally， based on the needs of clinical equipment， new principles or models based on basic scientific knowledge are proposed， and the needs of clinics are transferred into engineering problems that are solved， realizing the innovation of medical devices from the source.

Keywords： biomedical engineering; Biomedical Diagnosis Fundamentals; curriculum teaching reform; cross-disciplinary; origin innovation

基金項目：国家级新工科研究与实践项目“多学科背景下的生物医学工程专业‘医工融合’人才培养模式探索与实践”（教高厅函【2018】17号）；2023年度中山大学本科教学质量工程类项目“《生物医学检测基础》课程教学改革探讨”（76190-12220011）

第一作者简介：黄璐（1992-），女，汉族，福建莆田人，博士，助理教授。研究方向为生物医学检测及微流控技术。

*通信作者：周建华（1981-），男，汉族，广东湛江人，博士，教授。研究方向为生物医学检测与传感、微流控、先进诊疗技术。

生物医学工程学科是一门具有复杂交叉知识体系的新型工科学科，其将生命科学、工程技术与医学相结合，旨在应用前沿工程方法和技术，研究和解决生物学与医学中存在的科学技术问题，从而为临床诊疗提供新型技术和手段[1-2]。在生物医学工程学科的培养体系中，生物医学检测基础课程是为本科生开设的一门应用基础课程和学科核心课程；其主要以生命体为研究对象，对各种生命活动所涉及到的物理结构、化学本质、生理特征等进行原理分析和传感检测，进而解决医学领域中的信号提取、检测和处理，以及医疗仪器的设计等问题。

对于生物医学工程学科的本科生而言，掌握完整、系统的生物医学检测基础知识是开展后续知识学习、开发医学检测设备的基础，同时也是学生创新思维培养的前提。尽管生物医学工程学科近年来得到快速发展，但由于本学科知识涵盖面广、知识比较零散，且成立本科教育的时间不够长[3]，因此领域内对于生物医学检测基础课程缺乏足够的教学经验，难以将相关知识成体系地串联起来。而且，近年来医疗健康行业快速发展，生物医学检测领域的新技术、新方法层出不穷，传统课程内容容易与前沿技术和发展相脱节。此外，国内当前课程教学内容和模式多以追踪国外学习形式为主，而对学生的实质性源头创新能力培养力度不够，在一定程度上限制了学生毕业后进行医疗器械创新设计与研发的能力[4]。因此，生物医学工程学科目前的生物医学检测基础课程亟需发展出适合国内本学科人才培养的教学新模式。

鉴于此，笔者根据工科类交叉学科本科生的特点，以中山大学生物医学工程学科为例，结合实际情况，探索出较适合生物医学工程学科生物医学检测基础课程的新型教学模式，总结了该课程的教学理念、教学定位、教学内容和教学方法等。本课程旨在培养具有“理-工-医”结合背景的、掌握多学科交叉技能的应用型人才，从而在教学内容安排方面，系统全面、重点突出地讲授生物医学检测技术的基础原理、工程技术、实际临床应用和科学前沿知识，以帮助学生建立牢固、系统的基础知识体系，并通过启发式教学方式引导学生关注临床实际、追踪科研热点，以临床需求为导向，激发学生自我学习热情，培养学生的系统性思维方式，提升医疗器械的源头创新能力。

一  生物医学检测基础课程的教学改革思路与具体实施方案

（一）  明确生物醫学检测基础课程在生物医学工程学科培养体系中的定位

目前，中山大学生物医学工程学科的课程体系主要按照“从简单单元到复杂体系，从基础通识到专业深入”的逻辑顺序展开（图1）。本专业课程首先从原子-分子水平的有机化学课程入手，研究体外有机分子体系的主要组成成分及其主要反应机理，让学生形成对有机分子体系的基础认识；进而拓展到分子水平的生物化学课程，深入研究体内的主要生物分子及其生物化学反应体系；继而从分子水平过渡到细胞水平的细胞生物学课程，引导学生认识生物体内细胞的结构、种类和功能等；然后从细胞水平上升到器官水平，学习与生物医学密切相关的人体结构学课程，进而深化对人体结构、各结构功能及各器官间关系的认识；最后，系统化地学习医学生理学课程，让学生深刻地对比、了解正常和病理状态下的人体系统。

在中山大学生物医学工程学科的课程体系中，生物医学检测基础是生物医学工程学科教学体系中与终端的医学应用密切相关的课程，是从分子水平到细胞水平，再从细胞水平认知到人体水平认知的关键过渡环节，即主要用于器官水平的医学诊断。本课程教学的关键是引导学生更好地构建生物医学检测技术和原理的知识框架，掌握生命活动研究的原理性和技术性方法，将其思维与视野从基础的分子与细胞水平向更具体、更复杂的人体器官与系统水平深化。因此，本课程囊括了针对生物体的各生命活动信息，包括生理功能、性质、状态和成分等，进行定性和定量检测分析的生物学原理，以及以此为基础开发出的系统医学检测技术等内容。这些内容按照“从细胞到器官、再到人体，从实际需求到检测原理、再到技术开发”的逻辑逐步培养学生的思维能力，从而构建较为系统的生物医学检测基础知识框架。

（二）  精选课程内容和探索新的教学方法

中山大学的生物医学检测基础课程涵盖了现代生命科学和临床医学领域的基本实验工具和检测技术，包括常用检测设备和医疗仪器的基本原理、技术方法、仪器结构及组成、算法设计，以及研究进展状况和临床应用需求等，具有理论知识体量大、理解记忆内容多、知识体系较复杂等特点。在本课程的教学中，笔者创新地设计生物医学检测基础的课程内容和课程授课顺序。首先，根据生物医学检测技术所用激发源（即“光源”）的类型，按照光、电、力等激发源进行大分类。在光激发源部分，以“光源”波长由低到高为主线，依次安排电子显微技术、X射线和正电子成像、光学检测和显微技术及红外成像和核磁共振成像等课程内容；同时，在光学检测和显微技术部分加入临床检验的内容。然后，在光学的内容后进行电化学检测和成像的内容介绍。接着介绍力学部分的声学检测和超声成像。最后，在课程末尾安排综合实例讲解和分析，加强学生理论内容与实际应用的结合，并形成牢固的知识体系。

另外，针对每一项检测技术和仪器，笔者按照检测仪器“光源”基础原理、仪器结构、检测信号的思路进行讲解，遵循“从原理到技术、再到应用”的逻辑。从仪器设备的“光源”性质出发阐释基本的物理作用原理，再据此深入了解设备基本组成、结构设计、算法分析等，最后着眼于医学信号检测的实际应用，逻辑清晰，深入浅出（图2）。在上述形式的教学安排下，学生能够深入了解到每种检测技术的基础原理、技术方案、应用效果；做到基础知识和应用实践两头抓，既不偏废，又能突出重点，更加符合生物医学工程的“理-工-医”相互交叉的特点。

（三）  有机融合仪器基础原理与检测技术，并结合最新前沿技术进行拓展

生物医学工程学科具有知识面广、交叉性强的特点，尤其需要学生具备强大的自主学习与独立思考的能力[5]。本课程在具体的教学实践中，已建立了适合生物医学工程学科的案例式教学方法，即在课程教学中结合医疗器械行业现状，从临床医学与生物技术的应用实例中提出问题，让学生积极思考并自主探索解决方案，进而在此基础上总结和阐明相关知识内容的基本原理、重点和难点问题，并引导学生关注相关领域最新科研进展和技术成果，全方位把握生物医学检测技术在本学科专业研究体系中的重要地位。下面以超声成像技术为例，做具体介绍。

在进行课程教学时，首先讲授超声成像的基本原理，引导学生思考超声波长、介质传输、声阻抗和多普勒效应等基本概念；然后提出如何应用超声实现深层组织成像，让学生带着问题自主学习超声成像的工程技术实现；接着引导学生调研超声成像技术在临床医学中的实际应用案例，通过调研相关案例从而引出超声造影剂的概念及其在增强超声成像中的原理和具体应用，启发本学科学生将理论学习与工程实际、临床问题相结合，学以致用；最后，教师通过抛出“超声介导药物控释”这一本领域的前沿研究热点，引导学生思考超声成像与药物携带超声造影剂进行联合使用的可行性及其独特优势，从而培养学生追踪前沿热点，坚持开拓创新的科学素养。

（四）  针对临床需求展示如何从基础原理出发实现医疗器械的源头创新

生物医学检测技术面向临床实际应用需求而展开设计。由于行业发展迅速，新需求不断涌现，新设备层出不穷，学生仅掌握传统课程设计中已有的基础内容将难以适应瞬息万变的医疗器械行业发展。因此，本课程教学应以培养拥有行业先进专业知识和技能的生物医学工程行业人才为最终目的，使学生在掌握生物医学检测基本原理的基础上，更能够结合临床需求、技术路径、市场发展等情况理解医疗设备的系统设计和发展演变，并最终能够应用所学知识来开发和设计出可以应用于实际需求的科研检测仪器系统和医疗分析装置。

生物医学检测基础课程的教学面向科学前沿、面向临床需求，讲授过程应突出“基础原理、技术实现、临床应用、科学前沿”的顺序逻辑，启发学生从基础原理出发实现源头创新。以血常规分析仪的开发为例（图3），学生首先需要明确血常规分析仪的临床需求和检测目标，紧接着思考其背后的简化物理模型；在此基础之上，根据以往所学原理知识，通过分组讨论以求探寻出能够实现血细胞检测的技术方案；最终，综合考虑研发企业和检测医院的实际情况和标准要求，对比分析不同技术方法的特性和优缺点，选择合适的检测技术，搭建出不同场景下的最适用血常规分析仪器。在整个教学和研讨过程中，教师启发学生从实际临床需求出发，重点追溯到实现检测需求的底层原理和物理模型，以培养学生立足于基础原理实现医疗仪器源头创新的思维模式。

二  课程教学改革的初步成效

在新的教学方案中，通过明确课程在学科培养中的定位，并采用“仪器原理-检测方法-仪器结构-医学应用”的逻辑教学体系和案例式新型教学方法，学生对生物医学工程学科课程体系的认识更加深入和系统，对专业学习的兴趣和自主学习的热情也明显提高。对比发现，采用新教学方案后，学生的课堂自主性明显提高，表现为课堂提问学生数量的增加，分组汇报展示后的Q&A环节中学生的参与度显著提高等。此外，学生的课后学习积极性和自主性也得到了提升，反映在课间和课后提问的学生人数明显增加，学生普遍养成了主动联系老师咨询问题、自主解决在科研训练中所遇问题的习惯。另外，在课内学习之余，学生能够主动要求额外学习，追踪科学前沿，将所学知识和技能投入到实验室科研活动中。

对知识牢固、深入、系统的理解与掌握是学生能够进行创新的基础。本课程教学方案重点突出、完整且系统地介绍了现代生命科学和医学研究领域广泛应用的生物医学检测技术和设备。通过对比本专业以往使用传统教学方案的班级和使用本论文所提出的新方案的班级的考核试卷，明显发现在主观题部分，使用新教学方案的学生更能够从问题的本质出发，从原理着手，提出解决方案；而且能够联系相关知识点使方案内容更加丰富。由此可见，本论文所提出的新教学方案有助于培养学生在面对实际问题时，更习惯于从基础知识原理出发，一步步通过逻辑分析得出观点与结论；同时也有利于促进学生对于基础原理相对牢固和深入的掌握，以及对相关知识的灵活应用。

在新的教学方案中，除重点讲授生物医学检测技术相关的仪器原理、检测方法、仪器结构和医学应用外，还注重引导学生关注相关领域最新科研进展和技术成果，使学生及时了解传统检测技术衍生出来的新观点、新理论、新技术和新方法，以及相关科学前沿及技术进展。通过基础知识和最新前沿知识的结合，使学生分析具体应用案例时，能更好地做出科学且合理的判断，并最终在教师引导下选定最合适的技術路径和方法。该教学模式不仅加深了学生对课程基础知识的理解和掌握，同时培养了学生一定的科学评判能力和鉴赏力。

在新的教学方案中，教师要求学生在掌握生物医学检测基本原理的基础上，要能够结合临床需求、技术路径、市场发展等情况理解医疗设备的系统设计和技术演变，并最终能够应用相关知识从源头上创新，设计和搭建出生物医学检测所需科研仪器系统与装置。该教学方式不仅提高了学生的知识运用能力，还锻炼了学生的创新性科学思维。截至目前，中山大学生物医学工程学院已有百余项生物医学检测相关的校级、省级、国家级大学生创新项目立项或顺利结题。此外，近年学院在全国大学生生物医学工程创新设计竞赛、“挑战杯”中也有多项生物医学检测相关的本科生科研项目获得全国一、二、三等奖的优异成绩，这从另一个角度证明了课程改革和创新的成效。

三  结束语

本文在生物医学工程学科生物医学检测基础课程的教学实践过程中，运用“理-工-医”结合的思想，从课程定位、课程内容、课程安排，以及学生知识掌握情况和创新思维能力培养等方面出发，对现有生物医学检测基础课程的教学模式进行大胆改革，有针对性地设计出一套较完整的生物医学检测基础教学思路和讲授模式。实践证明，这一模式符合工程交叉学科的综合性思维模式，能够加深学生对专业课程的认识，激发学生对专业学习的热情，引导学生建立较为完整的知识系统，并可以大大提高课堂教学质量和授课效率；此外，该方案能够让本科生更多地接触科学前沿，引导学生自主介入科研课题研究，有助于对本科生知识应用能力、科学鉴赏能力、科研创新能力的培养。这一新型教学模式使学生在有限的时间内更好地掌握生物医学检测技术的基本理论、知识技能，并培养了学生解决问题的能力和创新思维能力，为将来开展生物医学工程领域科学研究和项目研发工作打下坚实基础。

参考文献：

[1] 周建华，周张凯，李雪萌，等.以“理-工-医”交叉融合实现源头创新——生物医学工程交叉学科研究生培养实践探索[J].化学教育（中英文），2019，40（16）：75-80.

[2] 陈明惠，章浩伟.生物医学检测技术课程改革创新探索[J].科技创新报，2017，14（8）：224-226.

[3] 刘杰，张超，罗洁.新工科背景下生物医学工程“多学科融合”人才培养体系的建设[J].高教学刊，2021，7（34）：141-144.

[4] 吴凡，李曼丽.跨学科本科课程整合方法与机制——以美国三所研究型大学生物医学工程专业为例[J].高等工程教育研究，2022（6）：158-164.

[5] 徐杰，王振宇，彭渊，等.基于学生互评的PBL课堂设计及实践——以“生物医学工程前沿”课程为例[J].科教导刊，2022（23）：93-96.