彭 誠 陳放怡

(南方科技大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系， 深圳 518055)

生物醫(yī)學(xué)工程BME(Biomedical Engineering)是運用工程學(xué)的原理和方法解決生物醫(yī)學(xué)問題，提高人類健康水平的綜合性學(xué)科[1]。多學(xué)科融合是BME最大的特點，它在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域融合數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料、信息與計算機科學(xué)，運用工程學(xué)的原理與方法獲取和產(chǎn)生新知識，解決醫(yī)學(xué)實踐中的問題[1]。

BME學(xué)科從1950年代開始萌芽，最初只是工程學(xué)與醫(yī)學(xué)間窄窄的橋梁，逐漸壯大發(fā)展為將各門各類知識有機融合在一起，其涵蓋范圍之廣超乎想象，從納米醫(yī)學(xué)到空間醫(yī)學(xué)，從分子和細胞工程到手術(shù)機器人，從神經(jīng)肌肉系統(tǒng)到人工心臟、人工肺等各種人造器官。BME領(lǐng)域的研究內(nèi)容和發(fā)展在進十幾年內(nèi)更是顯著增長[2-3]。與此同時，BME發(fā)展的重心和熱點也不斷改變。這些特點在給BME領(lǐng)域帶來蓬勃生機的同時，也為學(xué)生培養(yǎng)尤其是本科生培養(yǎng)的課程體系建設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。

如何在有限的學(xué)時內(nèi)，從BME覆蓋的多個學(xué)科知識體系內(nèi)選取最重要的部分傳授給學(xué)生，并實現(xiàn)不同學(xué)科的知識體系和實驗技能的良好融合，一直以來都是BME學(xué)生培養(yǎng)面臨的難題。

1 生物醫(yī)學(xué)工程需要融合的課程體系

時至今日，BME學(xué)科是否具有一套學(xué)科代表性的核心課程體系(core curriculum system)依然是學(xué)術(shù)界和教育界討論的話題。在2019年5月在美國凱斯西儲大學(xué)舉辦BME教育高峰論壇上，經(jīng)大會報告，并由多個高校和企業(yè)代表討論認為，雖然目前沒有組織或部門明確規(guī)定BME學(xué)科的核心課程，但是在各高校實際的培養(yǎng)實踐中，確實存在一些具有共性的核心課程；另一方面，由于歷史起源、規(guī)模大小、是否有小類細分 (tracks) 等等各種原因，不同高校和院所的BME培養(yǎng)方案之間的差別很大[4]。在BME學(xué)科出現(xiàn)之初，很多大學(xué)早期的BME本科培養(yǎng)方案是基于傳統(tǒng)的電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息處理技術(shù)，加上部分生物和醫(yī)學(xué)的課程而形成的[5-6]，如美國的杜克大學(xué)[3]，國內(nèi)的清華大學(xué)和上海交通大學(xué)[6]等。隨著BME的研究領(lǐng)域發(fā)展得越來越廣，為了與之適應(yīng)，各高校的BME學(xué)科出現(xiàn)調(diào)整，設(shè)置數(shù)個培養(yǎng)方向(最典型的是生物醫(yī)學(xué)儀器、生物醫(yī)學(xué)影像和生物材料)，學(xué)生可以根據(jù)興趣和研究方向在這些方向中進行選擇[4]，如美國的波士頓大學(xué)[7]，國內(nèi)的清華大學(xué)[8]、華南理工大學(xué)[9]等。也有的學(xué)校意識到BME多學(xué)科交叉對于學(xué)生培養(yǎng)的必要性，進行了多個不同學(xué)科融合形成BME特色培養(yǎng)方案的改革。例如美國哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，他們在三年級的專業(yè)必修課中，把幾個不同傳統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容融合到一門課，比如把相關(guān)的力學(xué)、電子儀器和光學(xué)融合到了“Biomedical Engineering I”這門綜合課程中，體現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程多學(xué)科交叉的特色，有利于逐步形成生物醫(yī)學(xué)工程特有的專業(yè)基礎(chǔ)課程。當(dāng)然，這個方式近幾年才剛開始實施，還沒有被很多學(xué)校采納，需要進一步成熟。

在我國，在BME專業(yè)本科教育的教學(xué)質(zhì)量國家標準中，強調(diào)“學(xué)科融合是生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)的特質(zhì)，是評價專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的根本性標志”，“體現(xiàn)學(xué)科融合的核心課程體系是實現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標的關(guān)鍵”[1]；但標準對核心課程的名稱、學(xué)分、學(xué)時、教學(xué)要求以及課程順序等不做統(tǒng)一規(guī)定，而是由各高校自主確定，要求“應(yīng)根據(jù)本專業(yè)類學(xué)科交叉融合的特點，著重解決課程中相關(guān)學(xué)科間的知識融合問題”。這也側(cè)面體現(xiàn)了BME核心課程和培養(yǎng)方案設(shè)計的復(fù)雜性。

BME研究生的培養(yǎng)與本科生培養(yǎng)面臨同樣的問題，BME的交叉性[10-11]在學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，既是機遇也是挑戰(zhàn)。

相對于課程與教學(xué)，BME在科研中由于有實際需求，在幾十年的努力和磨合中，自然地形成了多學(xué)科知識體系的融合應(yīng)用，以及實驗設(shè)備、實驗條件、人員配備上的多學(xué)科融合。每一個BME科研實驗室，都是一個多學(xué)科融合的范例。在培養(yǎng)方案、課程設(shè)置和教學(xué)方法上，多多借鑒科學(xué)研究中的實踐經(jīng)驗是十分必要的。

因此，探索多學(xué)科融合的課程設(shè)置，逐步形成BME特有的課程體系，是目前新工科BME教育研究的重要課題。

2 建立融合式課程體系的實踐

南方科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系成立于2016年，研究方向包括力學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)、跨尺度/多模式生物醫(yī)學(xué)影像、可穿戴設(shè)備和無線健康監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)微機電系統(tǒng)、原位再生工程、大數(shù)據(jù)和健康信息學(xué)的計算醫(yī)學(xué)。在美國哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的幫助下，我系基于本身專業(yè)發(fā)展特色，在課程體系和課程內(nèi)容的融合上做了一些嘗試，重點在于專業(yè)核心課程體系的建設(shè)；結(jié)合BME專業(yè)人才培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求，進行了融合式課程總體設(shè)計。本科生四年的培養(yǎng)方案中理工類課程的必修環(huán)節(jié)大致分為：理工類通修通識，專業(yè)基礎(chǔ)課，專業(yè)核心課和實踐項目，詳見表1。各環(huán)節(jié)層層遞進，最終學(xué)生完成生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計課程，達到本科生學(xué)生培養(yǎng)目標(圖1)。其中，通修通識課程由學(xué)校統(tǒng)一安排責(zé)任院系授課，推薦學(xué)生在大一學(xué)年完成；專業(yè)基礎(chǔ)課由不同院系授課，推薦學(xué)生在大一、大二學(xué)年完成；專業(yè)核心課與實踐項目由生物醫(yī)學(xué)工程系授課，專業(yè)核心課推薦學(xué)生在大三學(xué)年完成；在實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生最早在大一下學(xué)期就可以選修“科技創(chuàng)新項目”，參與項目研究實踐，“專業(yè)實習(xí)”在大三暑假完成；綜合設(shè)計課程“生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計”在大四學(xué)年完成。學(xué)生圍繞這四大類必修課程，根據(jù)個人興趣選修其他通修或?qū)I(yè)課程，以達到培養(yǎng)方案要求。

圖1 各環(huán)節(jié)課程遞進關(guān)系

從表1可以看到，六門專業(yè)核心課，實際上是延續(xù)兩個學(xué)期的三門大課。核心課程中“定量生理學(xué)”和“生物醫(yī)學(xué)工程”是理論課，每周三學(xué)時，“生物醫(yī)學(xué)工程實驗”是實驗課，平均每周六學(xué)時。在課程建設(shè)中，力圖使兩大理論課突顯BME專業(yè)特色，盡可能多覆蓋當(dāng)前BME領(lǐng)域涉及的知識，又能實現(xiàn)課程知識結(jié)構(gòu)的融合，而不是簡單的拼合；對于實驗課，其內(nèi)容與兩大理論課中的重要主題契合，通過綜合性的實驗設(shè)計，充分融入多門知識和實驗技能，實現(xiàn)理論與實踐、知識與技能的融合。

表1 培養(yǎng)方案中理工類必修課程

2.1 多學(xué)科知識融合的理論課程設(shè)計

BME專業(yè)的知識內(nèi)容最初來源于很多個傳統(tǒng)學(xué)科，并結(jié)合生物學(xué)和醫(yī)學(xué)知識，甚至早期BME課程大多數(shù)也都是由發(fā)源系承擔(dān)(如電子系、機械系、材料系等)，這樣導(dǎo)致不同學(xué)校的BME專業(yè)由于其發(fā)源系的不同，在培養(yǎng)方案上往往差別很大，相應(yīng)地在知識體系構(gòu)架上也大有不同[3]。

另外，針對BME專業(yè)課程，目前國內(nèi)外都少有成熟的教材，尤其是BME專業(yè)基礎(chǔ)課程的教材；我國BME類專業(yè)設(shè)置四十余年，尚沒有規(guī)劃教材；因此，教育部高等學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程類教學(xué)指導(dǎo)委員會啟動了“十三五”BME類規(guī)劃教材建設(shè)項目，在2017年7月確定了規(guī)劃教材目錄，規(guī)劃教材18種[12]；目前這套教材尚在建設(shè)中。國際上近年來出版的生物醫(yī)學(xué)工程類教材通常都是針對BME專業(yè)中某一特定的領(lǐng)域，主題相對深入但范圍較窄[3]。

我們根據(jù)自身專業(yè)發(fā)展特色，并參考工程教育專業(yè)認證相關(guān)標準，設(shè)定了融合式課程的課程目標。在專業(yè)核心理論課環(huán)節(jié)，設(shè)計“定量生理學(xué)”(Quantitative physiology) 和“生物醫(yī)學(xué)工程”(Biomedical Engineering) 課程，各為兩學(xué)期、每學(xué)期三學(xué)分。

“定量生理學(xué)”是以物理學(xué)原理和數(shù)學(xué)方法學(xué)為基礎(chǔ)，從工程的技術(shù)角度討論人體的生理過程。定位于以工程技術(shù)方法來分析解決生理系統(tǒng)問題，課程融合了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生理學(xué)以及各類工程學(xué)知識[13]。

“生物醫(yī)學(xué)工程”課程則希望講授BME學(xué)科內(nèi)最基礎(chǔ)、最重要、最通用的專業(yè)類內(nèi)容，以及經(jīng)典案例和最近進展。課程中融合了生物力學(xué)、生物材料、組織工程、醫(yī)學(xué)影像、生物醫(yī)學(xué)儀器等模塊；每個模塊各有側(cè)重點，但在每個模塊中試圖融合不同學(xué)科，模塊間也盡量通過應(yīng)用案例或知識關(guān)聯(lián)進行融合。

“定量生理學(xué)”側(cè)重于從生命體出發(fā)，利用數(shù)學(xué)、物理和工程的方法進行分析和描述，是各類基礎(chǔ)學(xué)科與生物、醫(yī)學(xué)的融合；例如對生物電信號的產(chǎn)生和傳播進行生理基礎(chǔ)研究和數(shù)學(xué)語言描述及測量。

“生物醫(yī)學(xué)工程”則側(cè)重于問題導(dǎo)向，引入不同學(xué)科中的方法和技術(shù)來分析和解決問題，各類工程學(xué)科交互融合并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)問題中；教師在授課中，針對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，可以從不同角度對問題進行解析，并提出相應(yīng)研究方向和潛在的解決方案，例如針對骨移植需求，就涉及到生物材料、生物力學(xué)、組織工程、醫(yī)學(xué)影像等多個領(lǐng)域。

在課程教材和資料方面，教師和授課小組首先確定課程知識體系構(gòu)架，并以此為基礎(chǔ)組織授課材料，匯集來自不同學(xué)科的教科書、科研論文、網(wǎng)絡(luò)資料等，融合成獨特的課程資料。在這個過程中，教師在基本知識框架下，結(jié)合我系專業(yè)發(fā)展特色，組織知識構(gòu)架和教學(xué)材料；這種形式使得課程內(nèi)容更加貼近科研實踐，具有真正的實踐融合應(yīng)用背景，而不是流于紙上談兵；學(xué)生也有機會在上課的同時，直接在科研實驗室進行實踐。另外，BME領(lǐng)域發(fā)展速度很快，在過去的五十年內(nèi)，幾乎每十年就會有新的研究爆發(fā)點產(chǎn)生，教師可以動態(tài)調(diào)整知識體系構(gòu)架，增加新的知識節(jié)點、知識路徑等，幫助學(xué)生及時了解領(lǐng)域動態(tài)。

2.2 理論課與實驗課基于“主題”的融合

實驗技能是BME學(xué)生培養(yǎng)的重要部分。除了與專業(yè)相關(guān)的實驗操作技能外，還進行統(tǒng)計分析、假設(shè)檢驗、實驗設(shè)計等的訓(xùn)練，這也是BME學(xué)生實驗素養(yǎng)的主要方面[3]。理論與實驗內(nèi)容結(jié)合得越好，學(xué)生對于知識點和實驗技能的掌握就越好。

同樣由于學(xué)科高度交叉的特點，BME專業(yè)本科生實驗課內(nèi)容也不同于其他專業(yè)，不同學(xué)校的BME實驗課程內(nèi)容大不相同。目前仍有多數(shù)學(xué)校BME實驗課取自于其他院系課程[3]。

我們基于兩大核心理論課“定量生理學(xué)”和“生物醫(yī)學(xué)工程”的內(nèi)容，開設(shè)兩個學(xué)期的系列課程“生物醫(yī)學(xué)工程實驗”(一)和(二)。實驗內(nèi)容的設(shè)計對應(yīng)于上述兩課中介紹的關(guān)鍵概念。

在實驗課結(jié)構(gòu)上，采取“主題”實驗的形式：即本課程的每個實驗其實是一個實驗?zāi)K，覆蓋BME領(lǐng)域的一個主題，而不是僅僅針對某幾個知識點，每個實驗通常需要3-5次實驗課來完成。

在實驗內(nèi)容上，注重多元化與綜合性：每個實驗包含若干個實驗步驟，每一個實驗步驟都相當(dāng)于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较乱淮瓮暾膶嶒?；這些實驗步驟不會被簡單的分為物理實驗、化學(xué)實驗或者電子實驗等，而是綜合雜糅在一起，實驗步驟間環(huán)環(huán)相扣，串聯(lián)起多個知識點和實驗技能。實驗內(nèi)容既包含基本實驗操作(如細胞培養(yǎng)、電路測試)，也包含實驗設(shè)計、實驗的差異分析、統(tǒng)計檢驗的訓(xùn)練等。

實驗后期引導(dǎo)學(xué)生對實驗倫理、實驗方法學(xué)等進行討論。實驗設(shè)計時，也會盡可能融合前序?qū)嶒炛惺褂眠^的不同主題下的實驗訓(xùn)練，例如，在微流控實驗中，利用圖像處理方法分析測試流體在微流控芯片的微粒流動等。

以課程中的神經(jīng)電生理實驗為例，實驗分為以下幾個部分：①電生理檢測電路的搭建和測試；②數(shù)據(jù)采集和可視化；③實驗動物動作電位檢測；④神經(jīng)藥物作用下的動作電位檢測；⑤動作電位傳播速度測試；⑥數(shù)據(jù)預(yù)處理(去噪、歸一化等)、特征提取(基于主成分分析方法)和聚類分析；⑦假設(shè)檢驗和誤差分析；⑧實驗動物倫理討論。在這個實驗中，神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)電生理模型、神經(jīng)藥物作用機理等，是實驗的理論基礎(chǔ)，也是實驗的研究內(nèi)容；而采取的實驗工具則包括簡單的動物解剖、生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、軟件、數(shù)據(jù)分析、實驗設(shè)計等，是各類學(xué)科和方法的交叉融合；其中的統(tǒng)計分析、誤差分析和倫理討論的部分，則是訓(xùn)練了學(xué)生的工程學(xué)科必備技能。

2.3 其他方面的融合

在課程之外，依托科學(xué)研究的融合，為學(xué)生營造多元的學(xué)科融合環(huán)境。如前所述，BME的研究內(nèi)容本身需要多學(xué)科的交叉融合運用，這使得在科研實驗室中，已經(jīng)進行了良好的學(xué)科融合實踐，形成了良好的多學(xué)科融合環(huán)境，例如實驗室的研究人員具有不同的學(xué)科教育背景、實驗室科研條件滿足多種學(xué)科實驗需求、等等。不同實驗室的研究領(lǐng)域雖然不盡相同，但常常也與其他實驗室有一小部分交集。

(1)通過“科技創(chuàng)新項目”課程，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地參與到實驗室工作中；學(xué)生最早在大一第二學(xué)期就可以選修該課程，可以盡早參與科研實踐；帶著在實踐中遇到的問題和需求，在專業(yè)課程中可以更加有的放矢，得到更好的學(xué)習(xí)效果。

(2)每周組織全系范圍的學(xué)生自由交流活動 (happy hour)，設(shè)置寬泛的主題或不設(shè)置主題，提供簡單餐食，為大家提供輕松自由的交流環(huán)境。

3 結(jié)語

在我們的實踐中，重點關(guān)注專業(yè)核心課程；通過兩大核心理論課和綜合性實驗課，嘗試最大程度地在有限學(xué)時內(nèi)，把生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的知識體系交織融合；進而通過主題實驗的形式，把實驗設(shè)計成小的研究主題，把不同知識點和實驗技能融合在一起。同時，充分利用科研實驗室的良好學(xué)科融合環(huán)境，為學(xué)生提供條件參與融合實踐與交流。通過近兩年的實踐，師生對從課程到實踐到環(huán)境的融合性反饋良好。這種融合式課程體系切合學(xué)生培養(yǎng)目標，符合學(xué)生期待，同時也適合BME專業(yè)發(fā)展特點。多個學(xué)生反饋，他們在大四學(xué)年進入科研實驗室參與研究，或者進行團隊合作的綜合性設(shè)計項目的時候，大三學(xué)年這些課程中與科研非常貼近、融合性的知識結(jié)構(gòu)和實驗設(shè)計，使得他們可以更快地完成適應(yīng)過程、融入實驗環(huán)境，在團隊合作中找到擅長的工作、或在團隊中起到良好的橋梁作用。

通過實踐，我們也發(fā)現(xiàn)一些需要改進的地方。多學(xué)科知識融合體系的建設(shè)，還需要持續(xù)改進和打磨；通過教學(xué)管理的持續(xù)改進體系，不斷得到學(xué)生和教師的反饋，對教學(xué)內(nèi)容和方式等進行修正；在第二年對課程內(nèi)容進行微調(diào)后，核心課程的學(xué)生評教平均等分由第一年的87.3%上升到96.5%。另外，由于課程內(nèi)容要求授課教師在多個學(xué)科都具有廣博深入的認識，有時需要幾個教師合上一門課程，這在一定程度上與課程流暢度、風(fēng)格穩(wěn)定性、以及學(xué)校的課程管理有矛盾之處，還需要對可能內(nèi)容做一進步的梳理和整合。