新工科背景下智能医学工程专业课程建设改革与实践探究

潘桃桃，尚志会，董利，谢小芳

（遵义医科大学，贵州 遵义 563000）

0 引言

“新工科”对应的是各类新兴产业，以及对传统产业的改造升级，更加注重学科的实用性、融合性与综合性[1-2]。随着大数据时代的到来，国务院发布了多部规划与指南[3]，如《中国制造2025》、《健康中国2030规划纲要》，工信部、国家卫健委、国家发改委等十多个部门联合印发了《“十四五”医疗装备产业发展规划》，这些规划与指南均强调“十四五”时期是全面推进落实健康中国建设、深入实施制造强国战略的关键时期，也是推进医疗行业高质量发展的攻坚时期。这意味着我国的医疗行业将面临巨大的挑战，但与此同时也蕴含了重大的机遇。一方面，医疗产业发展迎来了新的机遇，新兴科技技术的变革不断深化，如人工智能、新一代信息融合技术等。另一方面，在“大健康”“大卫生”等产业快速发展的同时，医学服务模式也逐渐从传统的疾病医学服务向“疾病+健康”的新型医学服务模式转变，即由医院诊疗向入院前家庭健康管理、入院时资源共享、出院后康复治疗的连续性服务方向延伸拓展。在一系列环节中，多学科的知识的综合应用除了需要传统医学知识作为支撑之外，也要求专业人员需掌握相关的人工智能技术，因此未来医疗体系对综合性人才的需求会越来越大。智能医学工程专业旨在培养更善于利用大数据、云计算、机器学习等技术解决传统医疗领域问题，并以人工智能技术辅助诊疗的专业人才，能够在一定程度上促进医疗行业的发展。

1 智能医学工程专业概况

1.1 智能医学专业发展概况

智能医学工程是高度交叉融合医科、工科、理科的新兴学科，按照“医理工融合，医教研协同发展”的思想建设本专业，融合了先进的人工智能及相关领域的工程应用技术，深入探索生命和疾病现象与本质并寻找其中的规律[4]。智能医学工程是以患者为中心，深入分析临床需求，研究新型医疗方法和临床应用的交叉学科，是未来工程医学的重要发展方向。

1.2 智能医学工程专业就业前景

由于我国现阶段医疗资源较短缺且分布不均，加上我国老龄化日益加重的现状，因此急需对现有的医疗行业进行智能化变革，智能医学工程专业刚好契合这一目标。相关数据显示，全球智慧医疗支出在2016-2018年间快速增长，复合增长率约为60%，全球智慧医疗服务业产值在2019 年达到4 000 亿美元左右，在未来仍将以较高的复合增长率增长。在国内，众多的科技企业，诸如华为、阿里、腾讯、百度等也在逐年增加大健康产业的投入，打造自己的生态链[5]。可以预见，在国家大力支持下，“十四五”期间乃至以后的很长一段时间里，智慧医疗、“大健康”、“大卫生”等将形成一个庞大的产业链，由此将会产生大量的就业岗位和人才缺口，智能医学工程专业在未来的发展中大有可为。

1.3 智能医学工程专业在国内的建设现状

智能医学工程专业作为新兴专业，从2017年才正式开设，南开大学、天津大学成为首批开设该专业的本科院校，2018年又有7所高校获批智能医学工程专业，之后每年都有新的高校获批该专业，智能医学工程专业进入高速发展期[6]。2020年遵义医科大学智能医学工程专业获教育部批准开设，从2021 年开始招生，是学校重点建设专业之一。

2 智能医学工程专业面临的难题

目前国内智慧医疗相关市场需求量大，国内外发展潜力大，人才非常紧缺，但是想要短时间内培养出符合社会需求的复合型人才还面临着诸多困难。主要是因为智能医学工程专业是一门“医理工”等知识高度融合的交叉学科，对学生的要求较高，该专业的专业性强，需要学生有很强的学习能力与动手能力，有很多课程以往只在硕士研究生阶段开设，但是现在需要提前学习，导致部分学生在学习过程中无法深入了解整个行业现状，不能将所学知识与产业发展相结合，缺乏良好的科研素质和动手能力[7]。这些问题在一定程度上是由于培养过程中出现的偏差导致的，具体原因分析如下。

2.1 课程体系不完善，理论知识较深，部分课程之间缺乏联系

因为智能医学工程专业是新兴专业，所以不同的高校在课程设置上有差异，需要在不断探索中逐步完善课程体系。在课程体系中大多数院校将人工智能、机器学习、深度学习作为了核心专业课，然而这部分课程理论知识较多且需要很多数学知识作为铺垫，对于刚刚进入大学的学生来说学习起来较为吃力，部分学生由于抓不住重点，逐渐丧失学习信心。同时，在该专业的课程体系中包含了较多医学类的基础课程，如人体结构、生物化学、病理学、外科学等课程，具体课程系统如图1所示。在走访调查中发现，学生对于这部分医学类课程理解存在误区，往往认为这部分课程既难又与本专业无关，这一现象充分体现了学生对本专业的定位存在误区。

图1 智能医学工程课程体系

2.2 师资队伍中拥有跨学科教学能力的教师少

智能医学工程专业授课教师一般为医学类或者计算机科学类教育背景的教师，很少有复合型教师，这就导致了在教学过程中就被动地将课程体系进行了割裂，不同教育背景的教师对非本专业的知识了解不多，使得学生在学习过程中也很难将医学和云计算、大数据、机器学习等人工智能课程融会贯通，因此不能体现智能医学工程中的“医理工”高度融合的理念。

2.3 行业定位模糊

人工智能技术发展十分迅猛，各种新应用、新场景出现了井喷式增长。高校在进行学生培养过程中，忽略了医疗行业发展给本专业带来的影响，不能紧跟医疗行业发展趋势，学生也无法系统性、全面性地了解整个医疗行业，对自身在医疗行业中的定位较模糊。

2.4 体系建设欠缺

智能医学工程作为新兴专业，各高校的培养方案中都重点体现了医学和电气、信息以及人工智能专业知识的交叉融合，将自身培养重点放在了交叉融合部分。具体怎么交叉融合，目前国内尚不能做到统一，且缺少相关仪器设备，导致智能医学工程学生与传统电气类、电子信息类、计算机科学类等专业学生使用相同的仪器设备和课程教材，偏离了本专业的培养初衷，使得课程体系建设思路不明确。

3 智能医学工程专业课程体系建设改革目标

智能医学工程专业是满足国家大健康发展规划的新兴交叉学科，该专业以解决临床医学中的工程应用为出发点，结合大数据、机器学习等专业知识，大力促进智慧医疗、智能养老等产业蓬勃发展。在人才培养环节中，需要建立一套符合智能医学工程专业培养目标的课程体系，通过课程教学、动手实践、生产实习和毕业设计等环节，培养出具有专业性、体系性的复合型高水平人才。因此在课程体系建设中提出以下几个改革目标。

3.1 课程体系改革方案

针对目前智能医学工程专业课程理论知识偏多，知识点偏难的现状，遵义医科大学对部分课程进行了调整，进一步降低了入门难度，同时大幅增加了动手实践部分内容，在原有的实验课程基础上增加了部分虚拟仿真实验，大大增强了学生学习兴趣。具体改革方案如下：

1）搭建机器学习实验教学平台

整合机器学习、深度学习、自然语言处理、图像识别、医学图像识别等实验，从最基础OpenCV机器视觉算法、模型训练到部署至终端设备都进行了全栈式的封装，大大降低了算法学习与应用开发的难度。同时平台中还内置了很多个性化的应用案例，可以加深学生在机器学习领域中的实际应用，并且可以进一步延伸到医学领域的应用，如医学影像识别、智能导诊、问诊等。图2为平台整体应用框架。

图2 机器学习实验教学平台整体框架

2）引入虚拟仿真实验辅助教学

虚拟仿真实验教学可以提供直观、形象的实验场景，使教学手段更加科学化。由于虚拟训练系统不存在任何操作风险，所以在进行实际操作之前，学生可以在虚拟环境中反复训练，直到掌握操作技能为止。因此虚拟现实技术被列为高等教育信息化发展的重要内容之一。在智能医学工程专业的培养方案中有部分医学相关的课程，但是本专业学生和医学类专业学生学习方式不太一样，本专业学生注重理论知识的学习，去掉了大部分实操，因此学生反馈这部分知识较难且不能深刻理解。借助于遵义医科大学的虚拟仿真平台，可以让学生进行虚拟仿真实验，强化理论知识。同时，在实验过程中可以深入思考仿真实验的不足之处，然后借助学院建设的虚拟仿真实训中心，对实验进行完善，真正把虚拟仿真技术运用到医学领域中去，而这也是目前临床上比较流行的一种模拟实验方法。

3）开设医学增材制造（3D 打印）课程，助力医学行业发展

增材制造技术近年来发展迅猛，在诸多行业中都有应用。在医疗行业中也有较多成功应用案例，如术前规划、口腔修复、手术导板、假肢、内植入物以及器官组织打印等，部分大型医院已经将3D 打印技术列为重点发展技术。因此，在智能医学工程专业中有必要开设这门的课程，建设相关实验室，将医学理论、3D 建模结合在一起使得相关知识能够落地实施。

4）打造智能医学工程专业特色课程

智能医学工程专业中包含了很多电子类、信息类课程，如在图1课程体系中的数据库原理、移动应用开发、智能仪器设计、模拟电子电路等课程。这些课程和传统的电子类、信息类专业使用的教材几乎一样，教学过程中使用的仪器设备也没有差别。为了突出本专业的特点，应对课程进行改版，强调不同学科在医学中的实际应用，引导学生主动去思考电子技术、信息技术、人工智能等在现代医学中可以发挥的作用。

3.2 师资队伍建设目标

优秀的师资和教学团队是教学质量的基本保证，由于本专业多学科交叉融合型专业，因此需要不同专业的教师相互协作，每位教师应根据自己擅长的领域对教案、教材等进行撰写和更新，紧跟医疗行业发展前沿，确保所学知识的时效性和准确性。同时，教学团队应对本专业的培养方案针对性地查缺补漏，根据学生提供的反馈意见适时地修改培养方案。

3.3 学生能力培养目标

本专业着力于培养具有“医理工”高度融合思维，能够运用前沿工程技术解决医学问题能力的复合型人才。着重培训学生的四个能力，即逻辑思维能力、工程实践能力、科研创新能力和团队合作能力的培养。采取四位一体的方式加强人才培养，如图3所示。

图3 “四位一体”人才培养模式

在培养过程中除了常规的课堂教学培养外，还可以建立本科生导师制，让学生尽早加入科研团队，对学生进行科研训练，使其熟悉科研流程，在参与项目的过程中锻炼创新能力和实践能力。同时，还可以通过参加各种技能竞赛，以赛促学，让学生在竞赛中锻炼团队协作能力。

4 结束语

智能医学工程专业是新兴专业，将医学知识和电子类、信息类、人工智能等专业知识进行了深度融合，为未来的医疗模式和医疗手段指明了方向。对于本专业的人才培养尚处于初始阶段，缺乏可供借鉴的教学经验，许多方面还不够完善，需要我们在教学中不断地改进。通过对遵义医科大学智能医学工程专业课程体系进行改革，学生对课程的满意程度有了明显的提升，整体学习氛围更浓，学习更加主动，同时对本专业的定位趋于清晰。