趙元弟， 朱 丹， 丁明躍， 劉亞豐， 張日欣

（華中科技大學武漢光電國家研究中心，生命科學與技術(shù)學院，生物醫(yī)學工程系，武漢430074）

0 引 言

生物醫(yī)學工程是運用工程學原理和方法來解決生物醫(yī)學問題、提高人類健康水平的一門綜合性學科［1］。它將物理、化學、數(shù)學、電子、計算機及信息技術(shù)等應用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，通過引入工程學方法推進現(xiàn)代生物科學和醫(yī)學的發(fā)展，同時也促進工程學科的發(fā)展。生物醫(yī)學的每一次突破，都源于工程技術(shù)的重大創(chuàng)新。隨著各種生物醫(yī)學研究新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，多種組學迅猛發(fā)展，腦科學蓬勃興起，變革性的醫(yī)療技術(shù)層出不窮，進而推動生物醫(yī)學工程的快速發(fā)展［2］。生物醫(yī)學工程已成為醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的重要引擎，催生出許多新的產(chǎn)業(yè)，從高端醫(yī)療裝備到先進醫(yī)學材料，在創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟效益同時，也產(chǎn)生了很好社會效應［3］。社會對生物醫(yī)學工程專業(yè)人才需求日益增長，同時對人才質(zhì)量要求也越來越高。

教育部生物醫(yī)學工程教學指導委員會提出生物醫(yī)學工程的人才培養(yǎng)目標，學生除應系統(tǒng)地掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識外，還應具有分析和解決復雜工程問題的綜合能力以及創(chuàng)新精神，將培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力提升到前所未有的高度。為應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017 年2 月教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，全力推進工程教育中國模式的探索和高等教育強國建設(shè)。在新工科教育背景下，打破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)分工和學科分類標準，鼓勵學科間交叉融合和相互滲透［4］。這對于本身就具有強交叉特性的生物醫(yī)學工程專業(yè)提出了更新、更高的要求。

科研訓練是本科教育中極其重要的實踐環(huán)節(jié)［5］，一直將其列為生物醫(yī)學工程專業(yè)集中性實踐課程，通過科研訓練課的實施，試圖使學生了解科學研究的過程和方法，培養(yǎng)和強化學生的科學意識和科研素養(yǎng)，使其掌握從事科學研究的基本技能，為其今后進一步讀研深造或進入產(chǎn)業(yè)界打下基礎(chǔ)。早期的科研訓練一般安排大三第一學期進行，時間為期2 周，為達到上述教學目的，自2006 年就開始對科研訓練進行不斷的探索與實踐。新工科教育對人才培養(yǎng)提出了更高的要求，需要學生具有扎實的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)實踐技能，更寬廣的知識面、更高綜合素質(zhì)，更強的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，因此科研訓練課程的改革亟待進一步升級，教學模式亟待創(chuàng)新、教學內(nèi)容亟待優(yōu)化。本文將從科研訓練課程設(shè)置出發(fā)，分析其所存在的問題，并就科研訓練課程體系探索實踐及初步成效進行闡述。

1 原有科研訓練課程設(shè)置及存在主要問題

全球生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年增長率遠遠高于同期全球經(jīng)濟增長速度，社會對生物醫(yī)學工程專業(yè)高端創(chuàng)新人才需求巨大［6］，要求也越來越高。因此，對高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求［7］。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，學生獲取知識的途徑呈多元化［8］，掌握知識的速度和容量也遠超以往，原有的生物醫(yī)學工程專業(yè)科研訓練課程體系已不再適應新工科的要求，也無法適應信息化所帶來的巨大沖擊。

1.1 學生知識結(jié)構(gòu)與社會需求存在落差

當前生物醫(yī)學工程發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出分子影像技術(shù)、納米生物技術(shù)等一大批新技術(shù)與新方法，如沿用傳統(tǒng)課程體系，很難將最新的科技成果融入教學，專業(yè)知識前沿性不夠，使得學生發(fā)展空間受限，畢業(yè)后無法勝任生物醫(yī)學工程產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)工作。

1.2 教學形式單調(diào)

現(xiàn)階段實踐教學往往是教師在教室講解課件，學生視聽，而實踐環(huán)節(jié)由實驗課老師演示與示范，學生分組根據(jù)實驗教材亦步亦趨，按圖索驥獲取相應實驗數(shù)據(jù)。這種單一的教學模式無法實現(xiàn)學生對知識的主動獲取，不利于激發(fā)學生主動學習興趣的培養(yǎng)，難以培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的人才。

1.3 骨干教師參與度不夠

專業(yè)骨干教師大都處于科研第一線，緊跟當今科技的發(fā)展，但科研訓練課程教學往往由1 個老師常年承擔，采用固有教學模式，使得其他老師無法深度參與。由于生物醫(yī)學工程是一個多學科、強交叉的學科，包括生物醫(yī)學電子學、生物醫(yī)學光子學、生物醫(yī)學信息工程、生物醫(yī)學材料、生物醫(yī)學傳感器和醫(yī)學納米技術(shù)等多個專業(yè)方向。學生在科研訓練中只會接觸到1 名任課教師，無法從本專業(yè)眾多不同研究方向的教師處獲得收益和指導，因此科研訓練缺乏多樣性和適應性，使得培養(yǎng)的人才知識面較狹隘，缺乏創(chuàng)新思路。另外，各類實踐教學之間又人為劃分自成體系，相互之間缺乏聯(lián)系與融合，不利培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神，并容易造成更多教育資源的浪費。

2 課程體系改革與實踐

創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要轉(zhuǎn)變教學理念，積極實施教學改革，突破原有教學方式［9］。自2006 年以來，就開始針對科研訓練課程的改革嘗試，積極組織本專業(yè)教師進行教學研討，分析早期科研訓練課程中存在的問題。近幾年，借新工科教育的改革東風，順勢而為，進一步對科研訓練課程體系及教學模式進行深化改革，倡導“以學生為中心、以興趣為主線、強化自主學習、做到學以致用”的教學指導思想，采用學研結(jié)合的教學模式［10］，以期在教學中讓學生學習正確的創(chuàng)新思想、方法和實現(xiàn)步驟，提高分析和解決問題的能力，滿足新時期高等教育背景下對生物醫(yī)學工程人才創(chuàng)新研究基本素質(zhì)和基本技能的要求。

2.1 梳理與重構(gòu)課程體系

因課程學時有限，為使學生在各個環(huán)節(jié)上都得到系統(tǒng)的鍛煉，將授課內(nèi)容濃縮為科研選題、文獻查閱、項目申請、項目實施、數(shù)據(jù)處理及繪圖、科研成果總結(jié)和成果宣講等多個不同模塊（見圖1）。

（1）科研選題。學生通過前面2 年多的學習，已修完所有專業(yè)基礎(chǔ)課，此階段正進行專業(yè)核心課程學習，學生已對本專業(yè)各方向有了初步了解，對自己的興趣方向也有一定判斷。此模塊工作是如何進一步挖掘他們的興趣點，使他們了解本專業(yè)各課題組教師研究方向及成果，并將自己的興趣與教師研究方向結(jié)合。

圖1 生物醫(yī)學工程專業(yè)科研訓練培養(yǎng)體系

（2）文獻查閱。對于科研工作的新兵，強調(diào)從中文文獻開始入手，先熟悉相關(guān)的專業(yè)詞匯，此模塊工作主要介紹如何利用中國知網(wǎng)、超星圖書館和維普數(shù)據(jù)庫等查閱中文文獻（期刊／圖書／學位論文），如何利用科學引文索引（Science Citation Index）搜索英文文獻，如何在國家知識產(chǎn)權(quán)局等網(wǎng)站查詢專利，同時介紹一些基本知識如他引、影響因子和H指數(shù)等。

（3）項目申請。主要介紹如何基于查閱的文獻凝練出科學問題，撰寫一份合格的項目申請書。以我校大學生創(chuàng)新訓練項目申報書為模板，介紹立項依據(jù)、研究內(nèi)容、創(chuàng)新點、擬解決關(guān)鍵問題等的撰寫策略，以及預算編制等相關(guān)注意事項。

（4）項目實施。結(jié)合選題，將教學計劃中的其他實踐環(huán)節(jié)納入課程項目實施內(nèi)容，如課程設(shè)計、各級各類比賽項目等。其中課程設(shè)計為生物醫(yī)學工程專業(yè)學生必修的實踐環(huán)節(jié)，因此可以作為兜底實踐訓練內(nèi)容，讓科研訓練有血有肉、落到實處；在此基礎(chǔ)上鼓勵同學積極參加各級各類比賽，比賽的內(nèi)容納入科研訓練，若取得名次，還可記入相應學分，從而對學生產(chǎn)生極大的興趣和吸引力，激發(fā)其內(nèi)生動力。

（5）數(shù)據(jù)處理及繪圖。生物醫(yī)學工程包括眾多方向，此部分主要介紹一些共性的典型數(shù)據(jù)處理方式，如利用軟件Origin 繪圖及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用軟件CorelDraw、Photoshop、3DsMax、Flash 等繪制化學結(jié)構(gòu)式、流程圖和示意圖等。

（6）科研成果總結(jié)。介紹撰寫學術(shù)論文的一些基本常識，如背景、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果討論與總結(jié)的基本寫法，論文作者的排序規(guī)則、通訊作者的含義等，同時也介紹專利撰寫和申請的一些注意事項，如申請日、專利保護范圍的界定等。

（7）成果宣講。主要介紹如何使用PPT 做科研報告，包括報告的前期準備，PPT的模板、結(jié)構(gòu)、配色和視覺效果，報告現(xiàn)場注意事項等，最后通過一個實戰(zhàn)PPT的講解來介紹新人常犯的錯誤。

2.2 鼓勵骨干教師深度參與

科研不僅是探索未知世界的活動形式，更是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基本手段［11］，特別是在人才培養(yǎng)過程中，將教學與科研融合可以更有效地培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新意識［12］。生物醫(yī)學工程專業(yè)教師的科研主要集中在生物醫(yī)學光子學、納米醫(yī)藥技術(shù)與生物材料、生物醫(yī)學信息技術(shù)和生物醫(yī)學儀器4 個研究方向［13］，如何吸引各方向具有豐富科研閱歷的教師參與科研訓練課程教學，使其成為教學團隊成員，把科研或工程成果轉(zhuǎn)化為教學資源，吸引學生結(jié)合教師科研工作開展科研訓練，成為提升科研訓練多樣性的關(guān)鍵。為此，從學生和教師兩方面著手推動。

學生在其科研選題時即開始強調(diào)，挖掘出自己興趣點后通過學院網(wǎng)站了解本專業(yè)教師科研方向，尋找契合度高的教師，主動聯(lián)系主動上門，老師往往樂意接受主動學習的學生。教師，一方面在教學計劃中打通科研訓練、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐課程，學生選題后各實踐課程都可持續(xù)在同一老師指導下進行，保證學生選題的研究深度，避免學生蜻蜓點水般在老師實驗室短期訓練；另一方面，積極向教師宣傳，強調(diào)利用科研訓練時機可考查學生科研潛力，可使學生深度了解自己研究方向，有助于學生今后保研考研留在自己實驗室，有利于提高實驗室優(yōu)質(zhì)生源的比例，廣撒網(wǎng)、多斂魚、擇優(yōu)而從之。通過上述兩方面的工作，促使學生和教師的雙贏，為提升科研訓練課程教學效果提供了堅實保證。

2.3 實施全過程定制化指導與管理

任課教師首先要對自己的角色進行轉(zhuǎn)變，從課程的主角逐步過渡為配角，讓學生成為教學過程中的主角，給學生更多自由選擇機會、更大思維空間、更寬活動范圍，更多層次交流機會，任課教師成為學生的引導者和服務者，更多提供咨詢和建議。具體做法是，任課教師介紹完科研主要環(huán)節(jié)后，便從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)轳雎犝呋蛴^察者，學生開始自己創(chuàng)新實踐過程，從聆聽者變?yōu)樽约嚎蒲械闹鲗д撸鶕?jù)自己的興趣、愛好自主選題，走進不同方向的實驗室，接觸真正的科研項目，在確定指導教師后學生通過自己的努力實現(xiàn)目標，充分發(fā)揮學生的潛能，這樣便有了主動學習的基礎(chǔ)。

興趣是人才成長最大內(nèi)生動力，從內(nèi)因出發(fā)將學生興趣、特長及需求作為重要因素來加以引導，就能更有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；科研不僅是人才培養(yǎng)的基本手段，也是激勵學生保持探究熱情的外部驅(qū)動力［14］。學生在整個科研訓練實踐過程中保持主動性：主動查資料、主動設(shè)計、主動向指導老師尋求幫助等，進而激發(fā)學生興趣，將學生從“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”。指導教師在教學中則將科研方法、思路融于其中，將學生選題涉及的基本原理與實際應用有機關(guān)聯(lián)起來，使學生自己通過調(diào)研結(jié)合實驗完成選題，讓學生在科研中培養(yǎng)自主學習能力、創(chuàng)新能力，在與指導教師、研究生以及其他本科生交流與合作中培養(yǎng)其團隊協(xié)作精神［15］。同時，課程采用開放式教學管理方式，每個學生選題確定后自主安排進程和方式，提出科研訓練計劃，原則上2 周內(nèi)完成項目申請書的撰寫任務，項目實施可根據(jù)選題目標在該學期期末前完成均可，這樣有利于學生充分利用課余時間進行科研訓練。指導教師會定期與學生檢查、答疑，指導和督促學生完成相應進度要求，體現(xiàn)1 人1 方案的定制化教學。

2.4 完善課程考核方式

為提高科研訓練教學質(zhì)量，對課程考核方式相應改革也勢在必行，將該課程考核內(nèi)容設(shè)置兩部分，第1部分是每位學生與其指導教師協(xié)商后，根據(jù)選題獨立撰寫一份大學生創(chuàng)新訓練項目申報書；第2 部分是訓練完成后，學生要制作一份PPT 進行展示匯報，指導教師對這些內(nèi)容進行考核評定。

2.5 鼓勵實踐

科研能力的培養(yǎng)如果只是“天橋的把式——光說不練”是不行。只有讓學生在結(jié)合實際的項目進行鍛煉，才能真正體會其中的感受，領(lǐng)會具體設(shè)計的細節(jié)，最終才能夠真正有所收獲，達到提升學生科研動手能力的目的［16］。因此，在該課程的改革實踐中，積極鼓勵學生在走進老師科研實驗室的同時，積極支持他們以申請和完成大創(chuàng)項目、參加各級各類競賽等多種形式進行實踐，把單純的課程報告變成了真刀真槍的實干。

3 結(jié) 語

科研訓練是生物醫(yī)學工程專業(yè)學生培養(yǎng)過程中極其重要的實踐教學環(huán)節(jié)，在新工科背景下更顯重要和需要加強。通過改革優(yōu)化課程培養(yǎng)體系，讓學生在科研訓練中領(lǐng)悟到創(chuàng)新的思維、科研的方法，結(jié)合大創(chuàng)項目、競賽項目等具體實施，能夠綜合運用所學知識，真正做到學以致用。據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過本課程改革實踐，學生參加各類創(chuàng)新活動的積極性高漲，學生作為項目負責人年均獲國家級大創(chuàng)項目30 余項、省級校級大創(chuàng)項目40 余項、院級大創(chuàng)項目70 余項，參與一線科技創(chuàng)新訓練比例達到95%，同時學生還在iGEM 國際遺傳工程機器設(shè)計大賽、BIOMOD 國際生物分子設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生系列科技學術(shù)競賽、全國大學生生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設(shè)計競賽和全國大學生生物醫(yī)學電子創(chuàng)新設(shè)計競賽等各類學科競賽中獲得多項佳績，為生物醫(yī)學工程學科建設(shè)奠定了堅實的人才基礎(chǔ)。