［摘 要］ 醫(yī)工交叉融合醫(yī)學(xué)、工程與信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的前沿知識(shí)和技術(shù)，解決臨床醫(yī)學(xué)中遇到的難題，是推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展和創(chuàng)新的強(qiáng)大動(dòng)力，也是符合當(dāng)今時(shí)代發(fā)展特征的趨勢。高等院校作為科技創(chuàng)新的源動(dòng)力，在醫(yī)工交叉時(shí)代背景下，發(fā)揮著重要的作用。為了順應(yīng)這一背景，對工科人才的培養(yǎng)提出了新的要求。相應(yīng)地，專業(yè)課程的培養(yǎng)方案和授課模式亟須改進(jìn)。針對醫(yī)工交叉融合背景下的教學(xué)改革進(jìn)行了初步分析，探討了專業(yè)課培養(yǎng)方案的改進(jìn)措施，并以具體課程為實(shí)例，分析了教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施。

［關(guān)鍵詞］ 醫(yī)工交叉；工科課程；實(shí)踐；探索

［基金項(xiàng)目］ 2022年度中國工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項(xiàng)目“醫(yī)工交叉融合培養(yǎng)高端醫(yī)療裝備與器械人才戰(zhàn)略研究”（2022-XZ-44）

［作者簡介］ 常 敏（1978—），女（回族），吉林松原人，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，主要從事光電檢測儀器和光電器件研究；馬 佩（1987—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，主要從事生物信號(hào)處理和生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究；陳 輝（1987—），女，江蘇南通人，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，主要從事表面增強(qiáng)拉曼光譜和生物傳感研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）21-0093-04 ［收稿日期］ 2023-04-28

引言

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，將高性能醫(yī)療器械作為我國制造業(yè)發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一［1］。2016年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》指出，健康是促進(jìn)人的全面發(fā)展的必然要求，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)條件［2］?！敖】抵袊币殉蔀閲覒?zhàn)略。高等院校作為科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的重要基地，在醫(yī)工交叉領(lǐng)域開展前沿性和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，可以在解決國家在醫(yī)療健康領(lǐng)域的重大問題方面發(fā)揮重要的作用。

目前，很多高校開展了醫(yī)工交叉領(lǐng)域的科研、產(chǎn)業(yè)化以及人才培養(yǎng)等工作，很多高校專門設(shè)立了醫(yī)工交叉研究院、醫(yī)工創(chuàng)新研究院、跨學(xué)科醫(yī)工交叉融合學(xué)院等二級(jí)學(xué)院或研究院，專門開展醫(yī)工交叉的工作。高校和醫(yī)院之間的合作以實(shí)際項(xiàng)目為切入點(diǎn)，建立合作的基礎(chǔ)，借助科研項(xiàng)目合作，進(jìn)一步探索人才培養(yǎng)、平臺(tái)或基地的建設(shè)，帶動(dòng)產(chǎn)學(xué)研教等全方位工作的開展。雙方合作項(xiàng)目的需求通常來源于醫(yī)生的臨床實(shí)踐。目前，很多合作取得了實(shí)質(zhì)性的成效，一方面，高校的技術(shù)力量真正解決了醫(yī)生臨床中遇到的問題；另一方面，臨床醫(yī)學(xué)遇到的科學(xué)問題和技術(shù)難題也給工程科學(xué)的發(fā)展提供了需求導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)力。在探索項(xiàng)目合作的基礎(chǔ)上，高校和醫(yī)院也開始了共同培養(yǎng)交叉型人才的工作，醫(yī)生走進(jìn)高校，參與醫(yī)工交叉項(xiàng)目的教師一起為本科生和研究生進(jìn)行專業(yè)課的授課，指導(dǎo)學(xué)生開展課題工作。

目前，醫(yī)工交叉融合很大程度上還是體現(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)或工程科學(xué)在科研項(xiàng)目層面上的相互融合。這種融合方式的成功，使得醫(yī)工交叉作為一門新學(xué)科而逐漸興起。從學(xué)科發(fā)展的客觀規(guī)律來看，教學(xué)和科研是密不可分的，科研反哺教學(xué)，教學(xué)也會(huì)促進(jìn)科研，二者相輔相成。近年來，學(xué)科交叉融合已成為推動(dòng)學(xué)科和專業(yè)發(fā)展（“雙一流”建設(shè)）、促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑［3-5］。筆者針對如何開展醫(yī)工交叉相關(guān)學(xué)科的教學(xué)工作，進(jìn)行了初步分析和探索。

一、醫(yī)工交叉的教學(xué)背景

醫(yī)工交叉是將醫(yī)學(xué)與工程科學(xué)等學(xué)科相融合，“協(xié)同開展科學(xué)研究與應(yīng)用的一門新興學(xué)科分支領(lǐng)域”［6-7］。醫(yī)工交叉學(xué)科的發(fā)展一直在很大程度上受限于專業(yè)背景。一方面，醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生具有豐富的醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐知識(shí)，但缺少工科知識(shí)體系，不能提出解決醫(yī)學(xué)問題的工科方案；另一方面，工科專業(yè)的學(xué)生雖然掌握了大量的工科知識(shí)，具備相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的條件，但缺少醫(yī)學(xué)知識(shí)，無法將工科的知識(shí)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

為了推動(dòng)醫(yī)工交叉的融合，真正產(chǎn)出具有創(chuàng)新力的醫(yī)工交叉成果，急需培養(yǎng)醫(yī)工交叉領(lǐng)域的人才。2020年的學(xué)科專業(yè)分類目錄專門設(shè)置了交叉學(xué)科并新增大量新興交叉學(xué)科［4-5］。目前我國醫(yī)工交叉學(xué)科的專業(yè)人才很少，高端人才更是屈指可數(shù)，因此迫切需要培養(yǎng)具有醫(yī)工交叉結(jié)合背景的跨學(xué)科人才。

近些年，不少高等院校開展了醫(yī)工交叉領(lǐng)域的工作，有的學(xué)校還成立了醫(yī)工交叉專業(yè)，這與新工科的時(shí)代背景相符。例如，北京航空航天大學(xué)是較早在學(xué)科層面開展醫(yī)工交叉融合的高校之一，為了實(shí)施醫(yī)工交叉發(fā)展戰(zhàn)略，該校與北京眾多頂級(jí)三甲醫(yī)院合作，打造醫(yī)工交叉試驗(yàn)班，培養(yǎng)具有扎實(shí)理工科基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)科學(xué)家以及具有堅(jiān)實(shí)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)的生物醫(yī)學(xué)工程卓越工程師。筆者所在的上海理工大學(xué)也在醫(yī)工交叉領(lǐng)域開展了許多有益的工作，專門招收醫(yī)工交叉的研究生，這些研究生的課題不僅圍繞醫(yī)工交叉領(lǐng)域的實(shí)際項(xiàng)目展開，在教學(xué)方面，還需要完成醫(yī)工交叉相關(guān)課程的學(xué)分。這些醫(yī)工交叉課程由工科教師和醫(yī)生共同講授，使學(xué)生在學(xué)科體系上，補(bǔ)充原有的專業(yè)知識(shí)的不足，為更好地開展醫(yī)工交叉的科研和技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。

二、醫(yī)工交叉學(xué)科及相關(guān)學(xué)科培養(yǎng)方案改進(jìn)

醫(yī)工交叉學(xué)科獨(dú)特的背景和內(nèi)涵，對原有的培養(yǎng)方案提出了新的要求。在培養(yǎng)目標(biāo)上，應(yīng)注重使培養(yǎng)的學(xué)生能夠借助工科/醫(yī)學(xué)的理論、知識(shí)和技術(shù)開展以臨床應(yīng)用為導(dǎo)向的醫(yī)工交叉研究，具備用工科的思維和所學(xué)的知識(shí)解決臨床應(yīng)用中的醫(yī)療器械和設(shè)備、醫(yī)學(xué)診療方法及其輔助手段等方面的關(guān)鍵技術(shù)難題的能力，促進(jìn)醫(yī)工交叉領(lǐng)域復(fù)合型高素質(zhì)工科人才的培養(yǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，需要建立“高校+醫(yī)院+產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”鏈條式的培養(yǎng)模式。在實(shí)際操作中，在培養(yǎng)計(jì)劃的制訂環(huán)節(jié)，需要一線醫(yī)生和產(chǎn)業(yè)界人士一起參與，共同探索相關(guān)課程的新體系、制訂新的培養(yǎng)方案和專業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。在教學(xué)內(nèi)容方面，應(yīng)在原有的培養(yǎng)方案中補(bǔ)充醫(yī)工交叉領(lǐng)域相關(guān)的理論和實(shí)踐知識(shí)。

新的培養(yǎng)模式對從事醫(yī)工交叉課題研究和教學(xué)的教師提出了新的要求，教師應(yīng)能理解臨床醫(yī)學(xué)提出的難題，并能運(yùn)用工科的思維和方法提出解決問題的方案并最終予以實(shí)現(xiàn)。在相關(guān)課程的授課過程中，應(yīng)注重解決問題的思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，采取啟發(fā)和項(xiàng)目導(dǎo)向的方式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。在課程的評價(jià)體系上，應(yīng)該更加重視對學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果的評價(jià)，實(shí)現(xiàn)從單一評價(jià)向多元綜合評價(jià)的轉(zhuǎn)變。在考核形式上，除了傳統(tǒng)的試卷考核方式，可以補(bǔ)充課程大作業(yè)作為考核成績的評定組成之一。大作業(yè)以分析實(shí)際中應(yīng)用的技術(shù)所解決的問題為導(dǎo)向，結(jié)合具體的應(yīng)用案例，運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析或設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)，這將有助于學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解和吸收，促進(jìn)學(xué)生提高實(shí)際解決問題的能力，真正實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育。

三、工科課程的醫(yī)工交叉融合實(shí)例探索

（一）圖像類課程的醫(yī)工交叉融合教學(xué)實(shí)踐

圖像類課程是工科專業(yè)課程體系的重要組成部分，這類課程將涉及圖像的采集、獲取、編碼、存儲(chǔ)和傳輸，圖像的生成、顯示和輸出等多項(xiàng)綜合的知識(shí)和技術(shù)，很多工科專業(yè)都把與圖像相關(guān)的課程作為專業(yè)必修課程，如數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)語言與圖像處理相結(jié)合的課程等。傳統(tǒng)的圖像類課程較少與醫(yī)學(xué)應(yīng)用相結(jié)合，而圖像在臨床醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，很多臨床應(yīng)用都依賴于圖像的獲取、處理和分析。醫(yī)工交叉相關(guān)學(xué)科的圖像類課程的講授可以將數(shù)字圖像處理相關(guān)的理論、方法及知識(shí)點(diǎn)與醫(yī)學(xué)圖像的獲取、處理和分析相結(jié)合，以醫(yī)學(xué)圖像為研究對象，加入大量的實(shí)例，使課程講授的理論和方法與臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生對理論有具體化、直觀化的認(rèn)識(shí)，更能提高學(xué)生從理論到實(shí)際應(yīng)用的能力，從而將所學(xué)的理論知識(shí)用于實(shí)際問題的解決。

以“數(shù)字圖像處理”課程為例，該課程研究的基本內(nèi)容包括：圖像的變換、圖像的增強(qiáng)和復(fù)原、圖像分割以及圖像的形態(tài)學(xué)處理等幾方面。以圖像分割為例，它是數(shù)字圖像處理的重要內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，是圖像識(shí)別和圖像理解的基本前提步驟。從圖像分割的內(nèi)容來看，是要將圖像分成若干具有相似性質(zhì)的區(qū)域的過程。也就是說，為了辨識(shí)和分析目標(biāo)，需要將有關(guān)區(qū)域分離提取出來，在此基礎(chǔ)上對目標(biāo)進(jìn)一步利用。這些特征可以是亮度、顏色、紋理、面積、形狀、位置、局部統(tǒng)計(jì)特征或頻譜特征等。而特征提取也是實(shí)際的醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用中的重要任務(wù)。對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分割，就是根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像的某種相似性特征將醫(yī)學(xué)圖像劃分為若干個(gè)互不相交的“連通”的區(qū)域的過程，相關(guān)特征在同一區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出一致性或相似性，而在不同區(qū)域間表現(xiàn)出明顯的不同，也就是說在區(qū)域邊界上的像素存在某種不連續(xù)性。醫(yī)學(xué)圖像分割處理的對象常常是各種細(xì)胞、組織、器官的圖像，可以利用圖像分割的理論和方法，根據(jù)區(qū)域間的相似或不同，把圖像分割成若干區(qū)域，從中找到目標(biāo)區(qū)域。例如，對常用的醫(yī)學(xué)組織切片細(xì)胞進(jìn)行分割、提取和計(jì)數(shù)時(shí)，按照理論上學(xué)習(xí)的圖像分割方法，往往很難實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的精確分割。這是因?yàn)閷?shí)際獲取的醫(yī)學(xué)圖像內(nèi)所含的細(xì)胞往往差別很大，不僅大小不一致、形態(tài)有所不同，而且紋理變化也經(jīng)常十分復(fù)雜。這就需要綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理所學(xué)的圖像處理的知識(shí)，某些應(yīng)用場景，還需要提出改進(jìn)，甚至是創(chuàng)新的方法才有可能取得預(yù)期的分割效果。以具體的醫(yī)學(xué)圖像的分割為對象，運(yùn)用圖像分割所學(xué)的理論和方法，將會(huì)直接提高學(xué)生的實(shí)際解決問題的能力；同時(shí)，也能加深學(xué)生對所學(xué)的理論知識(shí)的理解，真正達(dá)到素質(zhì)教育提升能力的目的。此外，在實(shí)踐課的環(huán)節(jié)，將會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程語言作為工具，實(shí)現(xiàn)所學(xué)理論知識(shí)在實(shí)踐中的運(yùn)用，這也會(huì)大大提高學(xué)生的編程實(shí)踐能力。

（二）儀器類課程的醫(yī)工交叉融合教學(xué)實(shí)踐

儀器類課程涉及的專業(yè)較多，涉及面也較廣，如傳感器技術(shù)、光電檢測技術(shù)、智能儀器設(shè)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電子電路、單片機(jī)原理、誤差理論等。伴隨著醫(yī)工交叉領(lǐng)域不斷增加的需求和取得的進(jìn)展，儀器類技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值越來越重要，這也給儀器類相關(guān)課程的授課提出了新的要求，如何將工科領(lǐng)域的儀器類課程相關(guān)的知識(shí)和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用結(jié)合起來，是醫(yī)工交叉領(lǐng)域面臨的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)的儀器類課程的授課過程中，很少會(huì)和醫(yī)學(xué)儀器建立聯(lián)系。為了加強(qiáng)醫(yī)工交叉領(lǐng)域的工科技術(shù)力量，需要在授課的過程中與醫(yī)學(xué)儀器相結(jié)合。

以“智能儀器設(shè)計(jì)”課程為例，該課程結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新進(jìn)展，介紹智能儀器設(shè)計(jì)基本原理及方法，使學(xué)生掌握智能儀器的設(shè)計(jì)思路、方法和實(shí)現(xiàn)過程，包括智能儀器中信號(hào)的輸入/輸出、人機(jī)對話通道、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、通信技術(shù)、抗干擾技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。目前，國內(nèi)臨床領(lǐng)域的高端醫(yī)療裝備長期依賴進(jìn)口，智能化的先進(jìn)科學(xué)儀器和高端創(chuàng)新醫(yī)療設(shè)備的自主研發(fā)是高等院校的重要任務(wù)。在“智能儀器設(shè)計(jì)”課中，以典型的醫(yī)療儀器為對象，分析其工作原理和設(shè)計(jì)過程，針對儀器的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合所學(xué)理論加以分析、理解和運(yùn)用，從而使學(xué)生能將所學(xué)的智能儀器設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和方法與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，為學(xué)生未來從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以廣泛應(yīng)用于眼科檢查和心臟血管術(shù)后檢查常用的OCT（Optical Coherence Tomography）設(shè)備為例，它是基于光學(xué)相干斷層掃描的工作原理，根據(jù)不同深度的生物組織對光波反射的能力的不同，通過測量光波反射回來時(shí)間間隔，獲取人體組織的結(jié)構(gòu)信息。OCT設(shè)備屬于典型的光電類儀器，包含了應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)理論以及光學(xué)儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、光電檢測技術(shù)、圖像處理技術(shù)、軟件算法等多方面的技術(shù)。以O(shè)CT設(shè)備中的某一組成部分或?qū)崿F(xiàn)技術(shù)為相應(yīng)課程的授課實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的醫(yī)療設(shè)備學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)和技術(shù)，能夠使學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論知識(shí)，加深對理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)學(xué)有所用。

結(jié)語

本文圍繞醫(yī)工交叉學(xué)科及相關(guān)學(xué)科培養(yǎng)方案的改進(jìn)進(jìn)行了初步探索，并選取了圖像類、儀器類和光學(xué)類課程為例，進(jìn)行了醫(yī)工交叉背景下，教學(xué)改進(jìn)的探索。醫(yī)工交叉為實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合、建設(shè)學(xué)科新增長點(diǎn)的醫(yī)學(xué)教育改革指明了方向，形成了新的增長點(diǎn)［5］。隨著醫(yī)工交叉融合的不斷發(fā)展，二者在教學(xué)中的融合也將不斷推進(jìn)，而在實(shí)際執(zhí)行過程中，仍有許多問題值得進(jìn)一步討論和探索。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on Teaching of Engineering Courses under the Background of Medicine and Engineering Combination

CHANG Mina，b， MA Peia，b， CHEN Huia，b

（a. Key Laboratory of Optical Technology and Instrument for Medicine， Ministry of Education， b. Optical-Electrical and Computer Engineering College， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Medicine and Engineering Combination is a powerful driving force for the development of modern medicine， which combined cutting-edge knowledge and technology of medicine， engineering and information technology to solve problems in clinical medicine. It is a powerful driving force for the development and innovation of modern medicine. As the source of scientific and technological innovation， colleges play an important role in the era of intersection of medicine and industry. In order to adapt to this background， there are new requirements for the cultivation of engineering courses. and the training program and delivery mode of professional courses should be improved accordingly. The teaching background of the intersection of medicine and engineering was analyzed and the improvement of professional course training programs under the background of medicine-engineering cross-integration was discussed， and the practice of teaching professional courses was analyzed.

Key words： medcine-engineering integration; engineering courses; practice; exploration