新工科理念下“生物医学工程专业”PBL模式教学改革研究

新工科理念下“生物医学工程专业” PBL模式教学改革研究

李田 韩仁瑞 张云

皖南医学院 安徽省芜湖 241002

【摘要】：生物医学工程是工程与生物医学相结合而形成的一门独立学科。BME是一门新兴的医学学科,它对医疗设备制造水平的提高、医疗诊断能力的增强、医疗服务质量的提高都起到了重要作用。未来的竞争优势在于人才,实践教学是 BME学科人才培养的重要抓手。在竞争形势日趋复杂、医疗设备制造业转型升级趋势日益明显的情况下,如何以产业需求为导向,创新实践教学方法,培养更适合学科发展和行业发展需要的复合型人才,已成为亟需解决的重要课题。

【关键词】：新工科理念；生物医学工程；PBL模式；教学改革

生物医学工程是当前发展比较快的一门交叉学科，结合了工程学、生命科学、医学等多方面的内容，高度融合了各个学科的特点，进行了深入的分析。其核心的理念就在于将工程技术的相关手段融入到生命医疗的领域中，从而利用更新的技术和设备等完成患者的诊断和治疗工作，提升人们的健康生活质量。生物医学工程学在国内外的发展速度是非常快的，在《国家教育事业发展“十一五”规划纲要》也是需要重点发展和积极建设的新型学科与综合性学科。中央文件也对于新医科的定义进行了深度的结实，这是以治疗为主、预防和康养都紧密结合在一起的新型医学理念，还精确的开展了精准医学、转化医学、智能医学等新的专业，在人工大数据的有效指导之下完成了新一轮的技术革命，原有的专业也需要医学、工学、理学、文学都互相通融。

自上世纪七十年代首次开设生物医学工程专业以来,我国已经为该领域培养了大量的优秀人才,培养方案也从最初的解决临床工程人才缺口转变为面向生物医学工程高端研发人才和临床工程技术人才。但是,目前我国正处于医疗卫生体制转型期,人工智能、大数据、信息技术等一系列新兴工程技术的蓬勃发展,将生物工程带入一个全新的发展领域。这些变化也对大学的教学提出了新的挑战,生物医学工程学因其自身的特点而被广泛地应用于数学、生物医学、物理学、材料学、化学、机械科学、通讯等领域,并被各种学科的深入研究成果所取代,如生物成像、生物信息学、生物力学、生物医学材料和生物医学仪器等领域。但是,即便如此,作为生物医学工程学科迅速发展的现状也不能令人乐观,学科高端人才不能满足行业需求,科研创新能力跟不上发展现状,高校培养体系滞后,都制约了生物医学工程产业不断升级的步伐。为此,本着把旧学科进行更新改造与不同学科领域进行交叉融合的"新工科"理念,对传统单一的、灌输式的高校人才培养模式进行改革,采用面向问题的 PBL教学模式,切实解决教学中存在的问题,使培养对象利用各个学科的最新研究成果来解决问题,显得尤为迫切。

1PBL教学模式

1.1PBL教学模式与传统教学模式

传统的教学方法是以教师讲授为主，学生记忆为主，在课堂提问和课后作业的有效约束之下对于所学知识进行了有效的巩固和提升。在此过程中，教师起到了核心的作用，而PBL是以实际问题为导向，进行综合性的问题分析和新知识获取的一种方法和理念等，与传统模式相比，以实际的问题为重要的导向进行分析工作，也就从各个方面提升了学生的综合素质和工作的能力，以小组的形式进行积极有效的工作开展，利用多方面的学习资源等进行分析，也就提升了学生批判性思维和创新创造的能力。

1.2PBL教学步骤

PBL教学模式分为了七个核心步骤：第一，需要对于不明确和新型的概念进行定义介绍和分析，达成前期的共识。第二，在定义问题的过程中需要解释好问题现象出现的原因。第三，分析当前现象的组成，利用头脑风暴等核心的方式进行更为充分的解释和工作的假设。第四，在讨论中进行可能性的分析和充分的解释说明。第五，形成优化之后的学习目标。第六，在下课之前进行深入的目标分析与研究的工作。第七，在第二次课程中进行全面的报告和综合性的分析，对于现象做好合理的解释等，使得信息重新回到了问题中。

1.3PBL在医学教育中的优势

PBL教学模式强调了自主学习的方式，以学生为中心、问题为导向，结合小组讨论的基本方式进行合作学习的相关工作，也就在医学院校的课堂学习中有着明显的优势与有效的提升。在教学中对于患者的现象进行充分的分析，也就帮助学生找到问题所在，也通过资料分析和病例的探讨工作提出优化的工作解决方案，获得信息的知识。这种PBL教学模式的理念创造了医者的职业情景和相应的环境，突破了基础和临床的分界线，也就提升了学生的实践能力，也是提升学生自主学习能力的重要途径。

2PBL教室建设构建

2.1文献调研

在PBL教学模式实施的过程中，需要按照教学安排和工作计划一步一步进行相应的工作，如果只是在传统的教学方法中加入了教师指导和讨论的工作环节，学生学习的积极性和主动性依然不高，也无法深入开展相应的工作。当前的新媒体技术发展十分迅速，这就为计算机、网络技术与PBL教学模式的深入融合提供了更大的工作空间。学生可以在计算机技术和无线网络等新媒体平台的技术支持下，最大限度的完成自主学习和有效交流的工作，也就更好的以学生为主体进行教学模式的应用。

虽然近年来关于PBL教学模式的文献数量逐渐增多，但是关于教学模式的探讨、课程的设计和评价等依然缺乏有效的支持。以中国知网为例，进行“PBL”和“教室建设”关键词的搜索，文献内容仅有321篇，其中进行筛选之后的教室建设为5-6篇，数量少。但是在PBL教学模式逐步受到重视和发展的过程中，未来将会进行更好的标准化建设。

2.2PBL教室建设构建

通过对于PBL教学模式的教学需求分析，PBL教室建设的过程中需要针对于医学院校教学模式的特点进行分析，搭建计算机和互联网之下的新型媒体建设技术平台。以新媒体技术作为有力的支撑进行全方位的分析，小组之间的讨论与合作是非常密切的，也加入了远程交流的音视频设备，实现了PBL教学模式的硬件建设。

PBL教室主要由中央智能控制系统、教师端系统、学生端系统、录播系统以及各种展示和交互设备构成,各个系统通过网络连接到局域网络之内。学生端和教师端都由中央智能控制系统到大屏幕中现实，每个终端都可以进行中控分发资料的相应工作，也通过接收广播等进行资源服务器的获取工作。PBL教室可以获得了互联网的相应资源，还可以获得较大数量的本地资源，实现了全程的教学资源的有效维护工作。

2.3PBL教室建设应用

在教学过程中通过软件和硬件平台环境的建设与提升，在虚拟的情境之下就可以进行医学PBL教室的建设工作，满足了当前通过虚拟技术进行医学教学中罕见、疑难病例的学习与介绍，满足了教学案例真实性和复杂性的特点。在实际的教学过程中，以丰富的医学基础学科资料和临床中不同的学科教学的资源进行分析，满足了医学课程的完整性和多样性的工作特点，也就在地域界限的网络学习中发挥更好地作用。在多元化学习方式的影响之下，提升了学习的主要工作能力，也在实际的合作中提升了学习的效果。学校建设了PBL教室共计7间，每间教室面积50～80m2,可容纳20～40名学生同时学习,可以使得护理学、中药学、生物工程医学等多个学科的学生进行使用，还开设了成人护理学等特色内容。

3基于PBL教学模式的学科教学改革

PBL教学模式以问题为导向，通过协作学习的方式掌握了前沿的科技成果，正确的处理了各个问题的分支，也进行了对象自主学习方法的提升，培养了其实际解决问题的能力和创新性思维。

以 PBL教学法的三个核心基本点为基础,分别从问题设计、自主探究合作学习、教学评价三个方面阐述了 PBL教学法在生物医学工程学科中的应用。

3.1问题设计

PBL教学模式作为一种以问题为导向的教学模式,它的合理性和导向性是教学活动的基石,它的问题结构直接决定了 PBL教学过程能否顺利进行。当在生物医学工程学科中选择设计问题时,应该考虑以下几个方面:(1)设计问题应该包括该课程的教学目标和核心概念,以及引导该课程的必要知识。例如,在对机械外骨骼的研究中,为了使学生能够自主学习所需的人体结构和机械自由度等知识,就需要对其设计的合理性提出质疑。(2)设计问题优先考虑以实际情况为基础的案例,例如,康复轮椅平台的设计,手术止血钳的改进等等,这样,学生就可以在现有设备上寻求经验,发挥创造性思维。并不同于传统的重学论轻实践性教学,以实际情况为依据的案例可以使学生依靠校内设备进行实践性操作,强化学生实践性能力的培养。(3)设计问题应该摆脱几十年来一直沿用的陈旧教材,应该结合前沿科研成果,提出具有创造性发挥空间的问题,以培养学生的创新思维能力,强化"新工科"理念建设。

3.2自主探究的协同学习

在选择了问题之后,应该安排学生进行小组合作解决问题,首先要引导学生以合理的方式去认识问题,进行交流讨论,形成基本共识。根据对问题的初步了解,各小组应形成初步的假设,即解决问题的先决条件必须是机械、电子、生物或计算机等方面的知识。对课堂教学中的交际讨论进行理解和判断,是基于对教师指导的初步认识,而更全面的理解必然要求学生查阅更多的信息,这就是自主探究。刚进入科学研究领域的大学生对文献检索方式的理解大多还停留在图书馆或各种搜索引擎中,这种方式虽然可以查到相当部分的资料,但大多时间过于久远。因此,给予学生自主探究能力的关键在于知识获取途径,将知网、谷歌学术检索、 EI检索等查阅文献的方法传授给学生,使学生能够接触各学科最新的科研成果,通过各学科顶级实验室获得的各类前沿科研结论,使学生有更广阔的视野,这将极大地促进学生的自主学习能力。当会员自主性学习并对问题有更深的认识后,再由他们各自的小组明确各自的责任方向,在这一过程中,鼓励学生之间进行资源共享和信息交流,促使小组成员合作完成问题的解决。成员在解决问题的过程中,要实时评价自身和他人的信息质量,共同筛选和整合信息,以求对问题的本质进行更完善的研究。除了了解本学科的知识和概念外,在交叉学科中以自主学习的方式掌握其他学科的核心内容更为重要,通过团队合作的方式各成员发挥所长,对问题进行分析,找出解决方案。目前,工程学专业的课堂教学中解决问题的方法并不多见,主要是运用实践性操作方法来检验方案的可行性,而学生实践性操作的条件则需要教师和校方及时加以保证。因此,在一系列的解决方案中,小组

成员充分地加深了对新知识的理解,更清楚地了解了知识框架,掌握了自主学习和信息获取的方法,并锻炼了实际操作的能力。最终,专家小组成员应将结果以报告和 PPT等形式呈现,这将使教师充分了解。

3.3加强平台建设,搭建实践教学的优质平台

通过实际操作、维护、拆解仪器设备,熟悉掌握设备运行原理和基本操作技能,深入理解理论知识,提高学生动手操作能力,打破传统的理论教学模式,以轻便实用的旧观念,打通专业理论学习与工程实践能力提升的融合渠道,是实践教学的关键。实践室可以通过改造既有实践性平台,也可以建设新平台,购置和引进新的教学设备,接收不能满足临床或生产的需要,但结构完整、功能齐全的实践性设备是实践性设备,扩大了教学平台的使用范围,制定了教学平台管理办法,创造了满足教学需要、功能完备、设施完善、管理高效的高质量实践性教学平台,为实践性教学提供了强有力的硬件支持。

3.4优化课程设置,改进实践教学方法

这一发现表明,在新的科技和产业革命浪潮中,单凭专业知识已不足以应对错综复杂的科技形势,需要"专"与"通"的平衡,注重多维人才发展。拓展知识面,构建多领域、多学科的知识结构,将跨界融合的工作能力提升，也培养出具有多学科综合素质的人才。因此，在实践教学过程中,要优化实训课程设置,结合临床医学、管理学、经济学等相关学科,结合生产、经营管理、产品销售等方面的知识需求,开设临床医学、管理学、经济等方面的知识需求课。在教学中采用创新实践教学方法,制定系统科学的教学计划,开展科研训练,抛弃传统的走马观花式实践教学模式。实践课教师要紧跟学科和技术前沿,及时更新教学内容和知识储备,充分发挥自己丰富的实践知识的优势,使得学生的科研意识和创造性思维得到有效的提升，让学生在实践中获得能力提升，真正掌握知识。

3.5建立质量保证体系,不断提高实习教学质量

建立健全教学质量保障体系是保证实践教学质量的重要手段。实践性教学质量保障系统包括质量标准系统和质量评估系统。建立适应标国际、国、业、校等不同层次工程专业认证的质量标准体系,制定 BME专业实践教学质量标准,把质量标准分解落实到实践教学的每一个环节,规范实践教学活动。品质评估是考核实习教学效果、反馈实习教学问题的一种方法。在实践教学评价中充分发挥质量评价系统的激励作用,实行全过程评价,丰富实践教学评价手段,重视实践结果评价,以评价结果推动实践教学优化升级。建立教学质量保障体系,落实服务与带教教师职责,规范实践教学流程,不断提高实践教学质量;

3.6教学评估

PBL教学模式除了评价最终成果的展示之外,还更加注重对学习过程和问题解决的评价。评估内容应包括:资料收集、筛选及使用、小组整合、学习态度、以及负责部份成果五个方面。第一,要包括教师对团队各成员资料查找的完善程度给予评价;第二,对资料中解答问题比较重要的知识点使用情况给予评价;第三,对最终结果进行完善度评价。评价之后还需要对一系列的不足进行总结和分析归纳,在充分肯定学生已经取得的成绩的基础上给予客观的评价,这一系列的过程是让学生找出自身不足得到纠正的关键。因此,教师的归纳总结对于学生系统地掌握知识有很大的帮助,正确的引导也可以激发学生更高层次的创造性思维。

结论

新工科理念下的培养单位应更加注重工程学科传统教学方式的创新,转变单一灌输式教学理念。以 PBL教学模式为指导的生物医学工程课程教学改革,以生物工程领域实际问题为核心,引导学生更加注重自主学习和团队合作的方式,以及对工科学生至关重要的实践操作能力,应该更加积极主动地把握前沿的科研成果,将其融入到当前学科建设中去,从而围绕解决实际问题,获得并巩固所需要的综合知识技能,切实提升自身的工作能力，也就在多方面完善自身的工作体系，从而完成培养工作目标。

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【作者简介】：李田 女 汉 安徽芜湖 工程硕士 讲师 主要研究方向： 医学信息工程

韩仁瑞（1984年8月），男，汉族，安徽六安，硕士研究生，副研究员，主要研究方向：科研管理

张云（1990年5月），男，汉族，安徽池州，硕士研究生，讲师，主要研究方向:生物医学工程