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生物医学工程专业综合训练平台的建设

来源:搜集整理   日期:2020-06-02   点击数:

[摘要]目的:探索生物医学工程专业实践综合训练平台的建设和教学模式,以便培养适应社会需求的医学工程学科人才。方法:基于实验室现有条件,构建涉及医学仪器操作、医学信号处理和医学程序模拟仿真的综合训练平台,提高学生的动手实践能力、协作意识和专业素质。结果:教学实践表明,学生对医学仪器、医学信号和医学程序的实际处理技能得到大大提高,就业和创新能力得以显著提升。结论:专业实践综合训练平台能够促进学生的全面发展,为其将来从事生物医学工程相关工作奠定坚实的基础。

[关键词]生物医学工程;专业实践;医学仪器;医学信号;教学

0引言

随着生物医学工程学科的迅速发展,医学仪器相关的应用型和研究型人才的需求日益增加,因此高等院校生物医学工程专业基本上都开设了特色的专业实践综合训练课程来提高学生的综合素质。专业实践综合训练课程的内容主要包括医学仪器的使用、医学信号的分析和处理以及医学程序的理解和掌握。在生物医学工程专业的教学中,学生在课堂上学习了医学仪器和医学信号处理的基本理论,但缺乏对医学仪器和医学信号的动手操作和处理能力。生物医学工程专业综合实践训练是本科阶段最重要的课程之一,目前已成为塑造生物医学工程专业**生的关键环节[1-2]。因此,专业实践综合训练平台的建设势在必行。基于社会需求和学生的知识储备,我院生物医学工程专业开设了专业实践综合训练课程,该课程为实践环节必修课,设置在大学四年级的第一学期,共计60学时。专业实践综合训练课程的目的在于培养学生的创新意识和团队协作意识,增强学生对医学仪器、医学信号和医学程序的直观理解和操作能力,为学生构建合理的知识平台。

1生物医学工程专业的专业实践综合训练课程教学现状

在生物医学工程专业的专业实践综合训练课程的教学中,国内外大学存在一定的差异。美国大学为了突出特定研究领域的专项训练,一般将专业实践综合训练结合到一些课程的课程设计中[3]。在国内大学的教学中,通常单独设置医学仪器综合训练的相关课程。西南医科大学医学信息和工程学院采用面向应用和研究的临床仪器、探索学生动手能力和学习兴趣的形成性评价考核方式,培养学生主动参与和自主学习的能力[1]。陆军军医大学(原第三军医大学)科研部生物医学分析测试中心结合当前研究的前沿和热点,采用经验教师授课-学生实验操作模式来培养学生的动手能力和创新思维[4]。空军军医大学军事生物医学工程学系(原第四军医大学生物医学工程学院)基于产业发展对生物医学工程专业人才的需求,提出了细分教学内容、引入示教仪器和设计综合性试验的教学方式,培养适应生物医学工程专业发展趋势的人才[5]。清华大学医学院生物医学工程系紧跟学科前沿和专业发展趋势,更新教学内容、建设立体化教学资源和创新性支撑平台,主攻基础性、创新性、趣味性和研究性,并通过临床医院实习,形成了特色的专业综合训练教学体系[3]。长治医学院生物医学工程系采用研究性教学和开放性实验室模式,培养学生的科研能力和团队精神,锻炼学生的综合素质[6]。上海理工大学医疗器械与食品学院针对学生独立动手能力和工程实践能力较弱的缺点,实行实践性教学,通过加强院企合作和实践基地建设来提高学生的医疗器械操作水平[7]。根据国内外专业实践综合训练课程的教学情况,如何培养学生的动手实践能力和自主学习能力,如何使专业实践内容面向临床和社会应用,如何在实践中培养学生的科研能力和创新思维成为该课程的关键所在[8-10]。针对专业实践综合训练课程的开展现状并结合我院生物医学工程专业的特色,建立了医学仪器实验室,通过教学平台来开展专业实践综合训练课程的教学工作。

2专业实践综合训练课程教学平台的建设和实践

教学平台是专业实践综合训练课程顺利开展的基础保障。为了有效地加强本专业学生的综合性实践能力,建设了3个创新性教学平台。在基于专业实践综合训练平台的教学过程中,发现学生存在动手能力较差的问题。如何提高学生实践与理论相结合的能力,深化学生对医学仪器、医学信号和医学程序的理解和认识是专业实践综合训练教学的重中之重。

2.1医学仪器操作平台的建设和教学探索

基于医学仪器实验室的现有条件,建立了医学仪器操作平台,以便使学生能够掌握临床医学仪器的基本原理,熟练地操作和使用常见的临床医学诊断和治疗类仪器,了解医学仪器的维修和维护。医学仪器操作平台包括MRI教学成像仪JXMRI-Ⅱ、医学归档和通信系统(picturearchivingandcommunicationsystems,PACS)、心功能血流参数无损检测仪TP-CBS-Ⅱ、彩色多普勒超声诊断仪SSI-3000、心电分析系统MedEx、脑电检测分析系统NT9200、高频电刀B-15、经颅多普勒TCD-2000、全数字超声实训仪PY-2000、微波热消融仪MTC-3C等。基于医学仪器操作平台的教学主要采取专项实训和小组合作的实践方式。为了使学生系统地认识各种医学仪器,教师应适当讲授医学仪器的基本工作原理,例如,MRI的成像原理、PACS的工作流程等,由此可使学生在后续操作中有的放矢。在医学仪器的实验中,采用专项实训的方式,针对专业特色设置了8个实训项目以供学生轮流进行专项实践。研究表明,小组合作学习方式通常有助于学生获得团队管理、交流和表达方面的社会和专业技能[11]。因此,为了锻炼学生的分组合作和协作能力,提高学生的积极性和创造性,每3人组成实验小组。分组合作的医学仪器实训场景。为了培养适应社会需求的研究型人才,在完成教学实训的同时,支持学生在该平台上进行科学研究,发表相关科技论文[12]。

2.2医学信号处理平台的建设和教学探索

医学信号处理平台主要由基础医学信号数据和编程工具构成,其中基础医学信号数据包括MIT心电数据库、MRI原始K空间信号、医学断层图像(CT、MRI图像)等;编程工具包括VC++、MATLAB等。通过医学信号处理平台的实践,可以大大地提高学生的编程能力,同时使学生能够更好地理解、分析和处理医学信号,这对于培养学生综合运用所学知识实践基础教学理论,锻炼学生的综合素质具有非常重要的意义[13]。医学信号处理平台的教学主要采取专题训练、循序渐进和课程设计的方式。在医学信号处理领域中,医学信号的计算机辅助诊断仍是研究的热点[14-16]。基于社会需求,开展了心电信号自动分析诊断系统的课程设计。首先,教师适当讲授医学信号的基本特征和处理算法;为了解决学生无从下手的难题,采用专题训练的方式,层层推进,辅助学生建立VC++工程,读取和浏览心电信号,设计简单的心电信号处理算法(例如高通滤波、低通滤波等);在专题训练的基础上,进行综合课程设计,要求学生从MIT数据库中读取心电信号,提取特征参数,同时对心电信号进行分析和诊断,并要求学生撰#课程设计说明书一份,详细介绍程序流程图和具体实现过程以及课程设计中所遇到的问题。通过医学信号处理平台的训练,学生能够系统地掌握医学信号处理和分析理论,并能够较大地提高编程能力和动手能力。

2.3医学程序模拟仿真平台的建设和教学探索

在一些医学程序中,学生无法获得实际的中间过程,从而不能彻底地掌握医学程序的进展和细节。例如,热消融已成为治疗肝肿瘤的绿色疗法,但热消融过程中的肿形态和真实消融效果无法直接获悉。因此,建设了医学程序模拟仿真平台,该平台主要由临床医学图像,三维可视化软件Amira和有限元仿真软件Comsol、Ansys构成。通过医学程序模拟仿真平台,学生能够掌握模拟仿真软件的使用,并可通过仿真获得每个医学程序的具体实施状态。在医学程序模拟仿真平台上,针对目前图像处理和热消融领域的研究热点开展教学,教学内容包括肝肿瘤和血管的三维模拟和量化、热消融温度场仿真以及热消融手术的效果评估等。通过适当讲授、讲义成册和专题实训,可培养面向实际临床应用的专业工程人才。

2.4以过程评价为中心的考核方式

在教学考核中,为了调动学生主动学习和积极动手的兴趣,采用过程评价考核方式。专题训练完成后,综合学生每个教学环节的具体表现来给定成绩。在医学仪器操作平台的考核中,基于学生对医学仪器的掌握情况和实际动手能力给定成绩;在医学信号处理平台中,基于每个专题的编程情况以及课程设计的综合分析情况给定成绩;在医学程序模拟仿真平台的考核中,根据学生对每个医学程序的掌握情况以及最终仿真结果的细节给定成绩。课程考核成绩最终基于学生出勤情况(20%)、课堂表现(40%)以及实验结果和分析报告(40%)等方面来综合评定。

2.5专业实践综合训练平台的教学效果评价

经过多年的教学积累和平台完善,专业实践综合训练平台获得了良好的教学效果。学生通过专业实践综合训练平台的教学和实践,普遍认识到操作技能和创新意识的重要性,从而由被动学习逐渐变为主动学习。近3a的生物医学工程专业本科生教学成绩。从该表可以看出,随着学生学习兴趣的提高,学生平均成绩的优秀比率逐年上升。通过专业实践综合训练课程的专项实践,学生的专业素质得到显著改善。首先,学生可在该平台上进行星火基金的研究以锻炼自己解决实际问题的能力;其次在就业方面,学院的本科生越来越受到用人单位的欢迎,近年来不少学生**后进入三甲医院医学工程科从事医学仪器操作和医学过程仿真(心脏的三维建模等)工作,得到用人单位的高度认可;另外在继续教育方面,有些学生直接考取研究生,从事图像处理和热消融手术计划方面的研究,研究生导师普遍反映,学生能迅速地进入课题研究。总之,专业实践综合训练平台为学生奠定了良好的实践基础。

3结语

通过专业实践综合训练平台的建设和专业实践综合训练课程的专项实践,不仅使学生熟悉了临床医学仪器、医学信号处理算法和临床医学程序的基本原理和操作方法,还使学生掌握了生物医学工程专业必需的编程工具和模拟仿真工具。在专业实践综合训练课程的教学过程中,学生对贴近日常生活应用的医学仪器和医学程序较为感兴趣,如血压计、生理参数采集仪等,因此使课程教学与学生的实际情况相结合能够进一步调动学生实践操作的积极性和能动性。在后续教学中,需加强设计性试验以提高学生的自主设计能力,由此进一步改善实践教学的效果。专业实践综合训练的教学探索是一项长期任务,教学内容和考核方式仍需不断改进,以便更好地培养出适应社会发展的复合型人才。

作者:高宏建 白燕萍 王笑茹 吴水才 单位:北京工业大学生命科学与生物工程学院

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