医学类院校新工科建设的“课赛习设”全链条环扣式创新模式探究——以川北医学院生物医学工程专业为例

武 博, 祝元仲 ,王小娟,梅玉倩

(1.川北医学院教务处,四川南充,637100;2.川北医学院医学影像学院,四川南充,637100;3.川北医学院创新创业学院,四川南充,637100)

医学教育是高等教育的重要组成部分,是实现“教育强国”和“健康中国”目标的基本需求。生物医学工程学科“医·工”结合的专业特色打破了原有医学研究的局限性,是国家创新能力在人类健康与重大疾病领域的重要体现,是现代科学技术深度交叉融合创新的重要载体。生物医学工程在生物力学、组织工程、生物材料、生物医学影像和生物电子学等领域取得了重要进展。数据显示,2016—2020年我国获授权发明专利数量位于世界第二,2019年以来我国生物医学工程领域的年发文量已居世界首位,我国学者的发文篇数在ESI TOP1%高被引论文中占比亦列榜首。[1]迄今为止,我国已有30多所大学设立了生物医学工程一级学科博士点和8个生物医学工程国家重点学科。[2]生物医学工程学科充满活力,体现了现代科学技术从交互交叉走向有机结合的显著特征。[2]生物医学工程学科在医学类、理工科和综合类院校内呈现出不同的专业特色,医学类院校具备较强的医学资源优势,在技术应用领域潜力巨大。生物医学工程本科阶段的教学质量和水平至关重要,为后期研究生科学研究实践奠定理论基础。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》强调要以学生为主体培育时代新人、创新人才培养模式,而我国本科生物医学工程专业的教学模式改革已迫在眉睫。[3]基于此,本文以川北医学院(以下简称我校)生物医学工程专业为例,探究“课赛习设”全链条环扣式创新模式,为医学类院校其他专业教学改革提供借鉴。

一、生物医学工程专业现状

(一)专业分布和学科水平

1976年,以冯元桢教授在武汉、北京开设生物力学讲习班为标志,我国的生物医学工程专业建设开始起步。1977年原浙江大学科仪系设立国内第一个生物医学工程专业。截至2023年,全国开设生物医学工程专业的高等院校共133所,其中医学类院校47所(占比35.34%)。生物医学工程专业在中国大学一流专业排名(研究型)中,被评为中国高水平专业(B++)以上的高校数量为42所,其中医学类院校12所(占比28.57%)。在这12所医学类院校中,被评为世界高水平、中国顶尖专业(A+)和中国一流专业(A)水平的高校分别是南方医科大学和首都医科大学,世界知名高水平、中国顶尖专业(A++)暂时空缺。[4]教育部学位与研究生教育发展中心发布的第四轮生物医学工程学科评估结果显示,参与评估的全国49所大学中仅有6所医学类院校(占比12.24%),但均未达到A类水平。

(二)专业范围广、交叉强,但医工结合普遍不紧密

生物医学工程学科是一个医、理、工高度交叉的学科。生物医学工程运用现代自然科学的原理和工程技术的方法,从工程学的角度解决医学难题,在疾病的预防、诊断、治疗和康复各个阶段发挥作用。现代医学的飞速发展离不开生物医学工程的强力支撑,现代化医院中的X光、B超、CT、核磁等影像设备以及各种医学检验设备、监护设备、手术仪器、康复设备等均为生物医学工程发展的产物。理工类和综合类院校通常具有较好的工程技术背景,但医疗资源相对难以获取。而医学类院校工程技术水平通常不够高,人才培养通常偏应用型技能培养。由此可见,如何实现“医”与“工”的有效交叉融合是生物医学工程专业发展的关键问题。

(三)医学类院校的生物医学工程专业课程设置

南方医科大学让学生在大学一年级末根据成绩和个人兴趣选择专业,主要将专业划分为医学影像工程、医学物理师、智能医学仪器和生物医学材料四个主干分支。首都医科大学将假肢矫形工程专业独立设置,生物医学工程本科专业的培养目标侧重医学科学、电子技术、计算机技术和信息科学等有关的基础理论知识,主干课程有电子技术、计算机与信息技术、基础医学、临床医学。综合类院校如北京航空航天大学的专业基础课体现重基础和医、机、电、力充分结合的教学理念,分为生物化学和医学、机电工程、生物医学工程基础、生物力学四大类。复旦大学的生物医学工程专业必修课程偏电子类,选修课程覆盖范围较广,要求学生单独选修医学类课程。总体上,生物医学工程专业根据学校的师资特色构建专业课程培养体系,形成“前期趋同后期分化”的培养模式发展趋势。医学类院校的工程类课程覆盖面相对局限[5],可通过平衡师资方向逐步扩大培养范围并进行专业分流设置。

二、“课赛习设”全链条环扣式培养模式创新

(一)课:通识教育能力矩阵和专业知识串联的“新工科”课程设计

当前,我国大学的通识教育以“绩点中心的学习模式”为主,在追求广度的基础上通识教育向碎片化、概论化转变。大多数高校的通识类教育主要涵盖体育、政治、数学、英文等传统大类课程,对学生的创新性思维开发及能力拓展具有很大的限制。结合新工科核心通识能力实现矩阵的布局,我校将“思维+”“精神+”和“技能+”设计融入匹配性较高的课程教学大纲,培养学生的整合思维、批判性思维和创新思维。例如,生物医学工程导论课程注重“思维+”的训练,并在电路原理这类以实践增强知识内化的课程中加大“技能+”设计的比重。并且,在培养方案中加入工程创新与创业课程和知识产权课程,增强学生对自主知识产权的尊重和保护意识。通识教育能力矩阵和专业知识串联的“新工科”课程设计,尤其注重课程设置对提高学生知识和技能获取的有效性,避免无效学习问题。

(二)赛:创新类学科竞赛——学以致用

为进一步推动我国生物医学工程学科的发展和专业建设步伐,培养高水平的优秀专业人才,在教育部高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会的倡导下,生物医学工程学会在全国高校范围内举办“全国大学生生物医学工程创新设计竞赛”。首先,将命题类题目融入相关课程教学,并将历年自命题获奖题目领域中涉及的专业知识和前沿研究纳入校赛的题库,使学生能够跟紧行业技术前沿与热点,将专业技能转化为解决问题的能力。其次,为在校赛中获奖的项目分配优秀指导教师,针对项目进行专业性打磨,实现技术实质性提升后参加省赛。经过省赛的选拔,选取获奖作品进行二轮打磨参加国赛。最后,在校赛和省赛中进行项目孵化,选择潜力较大的项目为其制定为期一年的发展计划,分配专业导师进行定期辅导。学校积极举办以“互联网+大学生创新创业”、挑战杯等为代表的双创类比赛,并在政策上制定了创新学分的认定标准,激励学生将专业知识进行学术或应用创新。同时,教务处明确规定,在赛事等级较高的比赛中获奖的学生有机会凭借奖项取得毕业资格。

(三)习:沉浸式体验实习

大多数临床沉浸式体验实习模式将学习临床实操、解决问题作为主要目标,尤其在本科阶段,这对未来方向不确定的学生在后续升学或就业中起到一定的引导作用。[6]一项关于生物医学工程专业的临床实习调研显示,在实习中参与临床项目的学生较参与临床课程的学生受益更多,投入的时间也更长(135 ± 34 h vs. 34 ± 5h)。[7]我校生物医学工程专业学生在大学四年级一般需要经历为期4—6月的实习阶段。实习地主要分布在以学校实践基地为主的各个附属医院和相关的医疗设备或技术公司,供学生自主选择。我校参考国际前沿理念,采用校内导师与医院/企业导师的双导师制,由学生、学术指导教师、临床/企业指导教师共同商定课题内容,要求在实习前一个月针对项目进行具体规划,由学术小组成员共同确定其可行性。学生在项目设计基础上,有步骤地开展实习调研、实验、研究等工作,定期进行线上会议讨论进度,以便随时对课题设计的方向进行调整与改进。

(四)设:创新能力导向的毕业设计

部分学生在撰写毕业论文的过程中存在选题无目的、结构无逻辑、内容无思考、写作无章法、答辩无经验等现象,这些现象反映了学生综合能力的不足。因此,我校结合相关政策,建立、执行严格的考核与淘汰机制,对不合格的毕业生采取二次答辩、延期毕业等限制措施。为了达到毕业论文的质量标准,我校构建了一套严格的、科学的、详尽的评价体系。

第一,通过预选题培养创新思维。学生在进入实习的阶段要对毕业课题进行预选题,各位学术指导教师按照学生人数制定毕业设计题目供学生选择,亦可由学生提出选题方向,指导教师评估其学术性与可行性。在实习期间,学生要对该选题领域进行文献调研,了解国内外研究现状,撰写文献综述。并且,实习期间学生可以根据自身兴趣或实习体验随时调整毕业设计的选题方向。实习结束学生需要按时提交文献综述,并在此基础上设计毕业课题,挖掘创新点,在开题阶段学术小组重点考查毕设课题的创新设计和学科交叉性,引导学生运用创新思维。

第二,在科研训练中进行创新实践。科研训练有很多种表现形式,如竞赛类科研训练、参与类科研训练和融入类科研训练等。学生在前三个学年可自主选择参加学科类竞赛和参与科研项目,且在各个课程阶段也接触了较为全面的科研能力相关知识。毕业论文是本科教育过程中一个强有力的综合性训练与考查环节,学生能够充分整合前期获取的相对分散性的知识与技能。尤其是对于没有参与过竞赛与科研的学生而言,毕业论文训练是不可或缺的一部分。在本阶段,通过近距离、互动式的交流,教师能够把握学生的课题进度及难点,给予及时指导。同时,学生能够有保障性地提出创新性想法并付诸实践,在导师的引导下,有针对性地解决问题。

三、双创教育融入反思

(一)科研伴随式创新思维培养

很多高校实施了“本科生导师制”, 形成以学生为主体的培养模式,提高学生综合素质和创新能力。但根据调查,有近 30% 的数据显示导师制流于形式,有近 5% 的样本显示没有必要实施导师制。[8]我校在执行“学业导师”制度的过程中发现,学生的初始积极性很高,但随着课题的进展会逐步缩减,最终退出科研小组,能够坚持下来的学生比例大约是50%。导师将一个课题进行方向细分,每2—3名学生形成一个课题小组,进行文献解读和技术实操,并定期汇报文献和进度。导师在每一次的互动中要求学生总结文献研究内容的优缺点,培养其科研思考能力。尤其针对生物医学工程专业,导师要以解决问题为导向,通过开放式问题的形式开发学生的创新思维。导师与学生主体要达成良好的“导学关系”,学生如果只是被动式地接受导师安排的任务,会慢慢失去积极性与主动性,因此,在此过程中要调动学生的积极性,引导学生正确分析和解决问题。

(二)以学科竞赛为引导的创新教学方法

以学科竞赛中的题目来强化知识互融的应用,打破学科间的知识壁垒,在实际项目中提高学生的创新能力。学科竞赛以学生自学、自主设计为主,激发学生的主动性,持续促进学生的学科综合能力发展。发展以学科竞赛为引导的创新教学方法,有利于学生对交叉学科知识的运用,引导学生形成融合性的创新思维和实际运用能力。山东大学孙康宁教授响应新工科的要求,提出了将知识、能力、实践、创新一体化培养的教学方式,并设立了通过项目考核获取竞赛参与资格的制度,充分肯定了项目竞赛对本科生创新能力的促进作用。[9]本科阶段学生对学科竞赛往往充满较高的热情,尤其是在国家政策的引导下,以“互联网+”“挑战杯”等为代表的比赛备受大学生的青睐,但这其中仍存在多方面的问题,如学生对于比赛难度缺乏准确性把握和主动性探索。大多数学生以参赛为目的,缺乏自驱力和获取有效信息的能力,对指导教师的依赖性较强。因此,发展以学科竞赛为引导的创新教学方法,在教学中将创新类比赛、学科竞赛的优秀作品有机整合在课堂设计中并进行分享,对提高学生参赛的热情度、认真度和作品质量有重要作用。

(三)交叉复合类人才培养体系

生物医学工程专业涉及面广,本科时期的知识结构体系相对较浅,且社会提供的针对本科生生物医学工程专业的就业岗位数量少、匹配性差。面对当下较为严峻的就业形势,需要明确培养目标,加强学科间融合,发挥医工融合在双创实践中的优势。生物医学工程专业“医·工”结合特色专业教学改革的根本是将“以生物医学科学为支撑的医学模式”向“以医文、医工、医理、医X 交叉学科为支撑的医学模式”转变,人才培养的目标和实施路径是在传统的生物医学工程专业的基础上的继承与创新。调整专业设置,集中发展优势学科,将创新创业教育与专业知识有机结合,应该更加注重医学学科与工程学科内容的相互渗透和交叉。打破学科间的知识壁垒,防止学科间边缘过于细化、僵化。在形成课程结构之前要全面衡量、重新配置,课程体系的构建不仅需要满足现代教育的需求,还需要对未来学科发展做出预测,适应教育的新发展。

(四)多领域导师交叉指导

我校参照北京大学生物医学工程系的“小核心+大外部”的人才培养组织模式,创建集教育、培训、研发于一体的实践平台,医工结合创新型教学队伍是医工结合跨学科人才培养的保证。[10]学校应重视新兴专业的发展与建设,通过政策支持、鼓励机制等方式,引进新型技术专业人才,将前沿技术推上讲台,推动学科间的交叉融合,实现跨学科间的师资团队建设。基于现有的合作医院与企业,目前学生毕业论文的题目基本由校内指导教师与临床指导教师/企业指导教师共同确定,能够将“数据—理论—技术”进行高效传递与融合,推动教育工作质量以及效率的提升。但生物医学工程领域各个方向专业性较强,彼此了解需要较长的时间,交叉融合性不足。应努力加强对研究课题的前沿性、应用性方面的评估,通过不断地创新突破推动学科的发展。

以创新为引领是新工科发展的核心要素,我国工业化和信息化的发展推动着工科教育模式的创新,以适应世界变化的快速发展。医学院校中的生物医学工程专业更应把握好学科分布优势,成为医学与工学交叉的强力纽带,主动寻找医学问题,在解决医学问题的过程中突破技术创新,利用计算机、数学、物理等学科交叉技术辅助医疗。在培养环节中,建立高校、医院和企业的“三方联动”机制,将课程、学科竞赛、毕业实习和毕业设计的内容进行“串联协同”设计,实现基础知识、实践技能、应用创新的交互式、递进式融合。