生物醫(yī)學工程專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設(shè)與實踐

發(fā)布時間：2021-05-28所屬分類：醫(yī)學論文瀏覽：1265次

摘 要： 摘要生物醫(yī)學工程專業(yè)是理、工、醫(yī)高度交叉的專業(yè)，在進行虛擬仿真實驗項目建設(shè)時必須考慮其專業(yè)特點。該文分析了生物醫(yī)學工程專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設(shè)的現(xiàn)狀，提出了多學科融合、科研導(dǎo)向、線上線下、虛實結(jié)合的一些項目建設(shè)思路，并介紹了本校生物醫(yī)學工

　　摘要生物醫(yī)學工程專業(yè)是理、工、醫(yī)高度交叉的專業(yè)，在進行虛擬仿真實驗項目建設(shè)時必須考慮其專業(yè)特點。該文分析了生物醫(yī)學工程專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設(shè)的現(xiàn)狀，提出了多學科融合、科研導(dǎo)向、線上線下、虛實結(jié)合的一些項目建設(shè)思路，并介紹了本校生物醫(yī)學工程綜合性虛擬仿真實驗項目建設(shè)的實踐經(jīng)驗。

　　關(guān)鍵詞生物醫(yī)學工程專業(yè);虛擬仿真實驗項目;多學科融合;科研導(dǎo)向

　　實驗教學是培養(yǎng)學生科學探索、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和社會責任感的重要載體[1]。虛擬仿真實驗教學是將現(xiàn)代信息技術(shù)運用于實驗教學的產(chǎn)物，是實體實驗教學的重要補充[2]，這種教學模式可以較好地彌補實體實驗的一些局限性，比如實驗資源有限、實驗成本高、受時間和空間所限、存在安全風險等[3]。相對于歐美國家而言，我國的教育信息化起步較晚，但是在教育行政部門的積極引導(dǎo)和推動下，隨著國家示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的開展和深化，我國虛擬仿真實驗建設(shè)獲得了長足的發(fā)展,參與項目開發(fā)的企業(yè)和高校越來越多，目前的發(fā)展趨勢是規(guī)模化、多樣化、產(chǎn)學研一體化[4]。盡管虛擬仿真實驗在拓展實驗教學內(nèi)容深度和廣度、改善實驗教學效果等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但是在虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)中，也面臨著一些亟待解決和深入探索的問題，比如項目內(nèi)容原創(chuàng)性不夠、項目質(zhì)量良莠不齊、技術(shù)標準和規(guī)范不統(tǒng)一、開放共享程度不足等[5,6]。

　　由于校情、學情、地區(qū)差異很大，為了使虛擬仿真實驗?zāi)芨玫胤⻊?wù)于本科教學和人才培養(yǎng)，因此，在確定虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容時要有針對性，要結(jié)合本校本專業(yè)的實際情況來開展。生物醫(yī)學工程是理、工、醫(yī)高度融合的學科,它綜合運用各種工程技術(shù)手段去解決醫(yī)學中的有關(guān)問題，為人民健康服務(wù)。由于生物醫(yī)學工程學科交叉程度高，在開展實驗教學時對師資、場地、資金、設(shè)備、環(huán)境等要素的要求較高，虛擬仿真實驗教學可以緩解實體教學中遇到的絕大部分困擾，有助于提升學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力。

　　相關(guān)期刊推薦：《科教文匯》(旬刊)，雜志是集學術(shù)性、綜合性、前瞻性、權(quán)威性為一體的理論期刊，本刊注重教研教改成果的宣傳、案例的分析、經(jīng)驗的介紹及學術(shù)的交流。為了共同探討與研究中國科教文化事業(yè)成長的土壤，有效地整合國內(nèi)科教資源，更有力地推動中國科技、教育、文化等方面的改革。

　　現(xiàn)有的生物醫(yī)學工程虛擬仿真實驗項目，大多是建設(shè)或沿用比如醫(yī)學類、生物學、醫(yī)學成像、醫(yī)學電子等各相關(guān)學科的實驗項目[7-9]，學科內(nèi)容較單一。因此，建設(shè)一批能夠體現(xiàn)醫(yī)工結(jié)合、凸顯專業(yè)特色的原創(chuàng)性、綜合性虛擬仿真實驗項目，是生物醫(yī)學工程專業(yè)實驗教學的迫切需求。

　　1生物醫(yī)學工程虛擬仿真實驗項目建設(shè)思路

　　1.1多學科融合，突出專業(yè)核心能力培養(yǎng)

　　開設(shè)生物醫(yī)學工程專業(yè)的高校有100多所，根據(jù)各自的歷史積淀和學科積累，形成了自己優(yōu)勢的學科方向，比如康復(fù)工程學、人工器官、醫(yī)療儀器與設(shè)備、生物醫(yī)學圖像處理、醫(yī)學成像原理、醫(yī)學傳感器等，重點培養(yǎng)學生綜合運用各種自然科學原理、工程技術(shù)與方法以解決醫(yī)學工程問題的能力。由于生物醫(yī)學工程具有多學科交叉融合的天然特質(zhì)，在建設(shè)虛擬仿真實驗項目時必須考慮其學科融合屬性，甄選有利于培養(yǎng)專業(yè)核心能力的實驗項目。

　　以桂林電子科技大學(以下簡稱我校)生物醫(yī)學工程為例，專業(yè)的理論和實踐課程體系是按照多學科設(shè)置的，專業(yè)課包括電子信息類基礎(chǔ)課程、軟件相關(guān)課程、生化醫(yī)學類課程和醫(yī)學儀器設(shè)備類課程，但由于師資學科背景等因素的限制，在實際教學中各學科的課程教學基本上各自為政，尚未形成有效的、深度的融合。然而醫(yī)學電子類產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)，不僅要求學生掌握生物醫(yī)學工程的相關(guān)基礎(chǔ)知識，還要求學生掌握電子信息相關(guān)技術(shù)，且能將二者有機統(tǒng)一。以新冠病毒的檢測為例，想要研發(fā)相應(yīng)的病毒檢測儀，就需要了解新冠肺炎病毒的特點、致病機制以及核酸檢測原理、抗原抗體免疫反應(yīng)等生化和醫(yī)學知識，將核酸檢測中堿基的配對或抗原—抗體之間相互作用所產(chǎn)生的光/電信號進行采集、處理、傳輸、顯示等，則需要借助于電子信息類的知識。部分學生能在學術(shù)競賽、參與教師科研、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等活動中得到訓練和發(fā)展，但惠及的學生畢竟是少數(shù)。要培養(yǎng)全體學生解決復(fù)雜醫(yī)學儀器工程問題的能力，多學科融合的虛擬仿真實驗項目是理想的載體。

　　1.2科研導(dǎo)向，提升實驗項目的挑戰(zhàn)性和高階性

　　“問渠哪得清如許，為有源頭活水來。”科學研究是教學內(nèi)容與時俱進的原動力，是課程教學新鮮血液的重要來源。科教融合是培養(yǎng)學生學術(shù)創(chuàng)新思維和科研能力的重要途徑。教師將自己的科研成果引入理論與實踐教學，豐富了教學資源，對于學生來說，可以接觸到最新的前沿知識，了解專業(yè)發(fā)展動態(tài)，激發(fā)學習興趣，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。對于教師來說，科教融合過程中與學生的思維碰撞，也有助于研究靈感的迸發(fā)。

　　教師面向科學前沿開展研究，研究項目工作天然具有挑戰(zhàn)性和高階性的屬性。然而研究工作往往涉及一系列復(fù)雜的實驗步驟，需要使用到諸多昂貴的試劑耗材和精密儀器設(shè)備等，實驗成本高、周期長等成為本科生參與教師科研工作的阻力。因此，及時將教師的科研成果轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實驗教學資源，使所有學生都能得到科學研究的訓練，無疑是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。虛擬仿真實驗教學項目與科研前沿相融合、與教師科研項目相融合，內(nèi)容建設(shè)不僅立足于專業(yè)基礎(chǔ)、具有原創(chuàng)性，也有前瞻性和引領(lǐng)性，體現(xiàn)了學科潮流熱點[10,11]。

　　1.3線上線下、虛實結(jié)合，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力

　　根據(jù)教育部“能實不虛，虛實結(jié)合”的虛擬仿真項目建設(shè)理念，將科研項目內(nèi)容開發(fā)成研究性、探索性的虛擬仿真實驗教學項目，從而提高學生做實驗的積極性和主動性。學生可在遠程網(wǎng)絡(luò)空間平臺完成原理學習、實驗預(yù)習、虛擬實驗和課后測試等環(huán)節(jié)。同時要具備實體實驗空間及條件，讓學生能結(jié)合線下實操，鞏固對相關(guān)知識的掌握，使學生在實踐過程中進行自我訓練，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，從而提升實驗教學效果。

　　2生物醫(yī)學工程虛擬仿真實驗項目建設(shè)實踐

　　我校生物醫(yī)學工程專業(yè)經(jīng)過十年的發(fā)展，形成了鮮明的醫(yī)學電子儀器、醫(yī)學成像技術(shù)、人體生理信息無創(chuàng)檢測的專業(yè)特色，入選廣西優(yōu)勢特色專業(yè)及國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點。專業(yè)建設(shè)平臺的突破為專業(yè)的快速發(fā)展提供了新的契機，但同時也對專業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提出了更高的要求。教育部明確要求國家級一流本科專業(yè)要在“專業(yè)改革、師資隊伍、教學資源、質(zhì)量保障體系等方面發(fā)揮示范輻射作用”[12]。虛擬仿真實驗是實踐教學資源的重要組成部分，本專業(yè)的虛擬仿真資源較為匱乏，目前僅有購自市場的醫(yī)學電子仿真開發(fā)系統(tǒng)、醫(yī)學成像工作站仿真教學系統(tǒng)(非虛擬類)，自主設(shè)計的虛擬仿真實驗仍處于空白狀態(tài)。原創(chuàng)性虛擬仿真實驗項目建設(shè)是生物醫(yī)學工程專業(yè)內(nèi)涵式發(fā)展的迫切需要。

　　本著基于扎根專業(yè)、服務(wù)人才培養(yǎng)的原則，我們在“傳感器原理與應(yīng)用”課程實驗中引入自主開發(fā)的虛擬仿真實驗項目——血清膽紅素熒光測量儀。“傳感器原理與應(yīng)用”是生物醫(yī)學工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，實驗學時少(8學時)，實驗內(nèi)容均為物理傳感器實驗，且實驗項目內(nèi)容往往比較單一，側(cè)重于單個知識點或儀器實驗技術(shù)的訓練。我校生物醫(yī)學專業(yè)以醫(yī)學電子為專業(yè)特色，醫(yī)療儀器中不僅需要物理傳感器，同時也需要各種生化傳感器來測量不同的生理參數(shù)，如血糖、血脂、尿酸、抗原、抗體等。由于本專業(yè)未開設(shè)化學類課程，學生缺乏與化學相關(guān)的理論和實驗操作技能，將虛擬仿真實驗項目作為課程實驗的重要補充，為學生補充生化傳感器知識和相關(guān)實驗技能，有利于提升學生的專業(yè)素養(yǎng)。

　　虛擬仿真實驗項目的內(nèi)容來自于教師的科研成果，通過“血清膽紅素熒光測量儀”虛擬仿真實驗項目的建設(shè)及實施，探索增進生物、化學、醫(yī)學與電子信息等學科融合的有效方式，促進科研成果向教學資源的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜醫(yī)學儀器工程問題的能力，增進創(chuàng)新意識，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，凸顯醫(yī)學電子儀器和人體生理參數(shù)生化傳感器的專業(yè)特色。通過實驗，讓學生掌握從敏感材料設(shè)計材料制備薄膜制備器件轉(zhuǎn)換的生物傳感器構(gòu)建策略。血液中的膽紅素主要源自于衰老紅細胞的分解，血清膽紅素的含量是肝功能的重要指標，同時也與心血管類疾病有關(guān)。本實驗利用仿生原理，模擬膽紅素在血液中的輸運，首先，制備人血清白蛋白(HSA)保護的熒光金納米簇。其次，利用HSA的兩親性，采用LB膜技術(shù)構(gòu)建HSA-AuNCs熒光膜傳感器，當膽紅素與金納米簇結(jié)合成非熒光性復(fù)合物時，使AuNCs的熒光猝滅，熒光的猝滅程度與血清膽紅素的濃度成正比。最后，設(shè)計便攜式膽紅素熒光測量系統(tǒng)，實現(xiàn)血清膽紅素的定量測定。在熒光測量系統(tǒng)中，LED光源發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡耦合后照射至LB膜基片表面，薄膜中的納米簇受激發(fā)射的熒光經(jīng)過濾光片濾光后進入光頻傳感器，在此，將熒光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出，由STM32控制器對頻率信號進行采集、分析，并將檢測結(jié)果通過OLED顯示。

　　實驗采用Unity3D技術(shù)進行開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)分為五層來完成具體虛擬實驗教學環(huán)境的構(gòu)建，即數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層、應(yīng)用層。整個實驗項目采用模塊化設(shè)計，包含金納米簇熒光探針制備、LB熒光膜制備、LB膜傳感器對膽紅素的熒光響應(yīng)及便攜式熒光測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)四個模塊。實驗內(nèi)容涉及生物、化學、材料、醫(yī)學、計算機、電子技術(shù)等學科知識，是多學科高度交叉融合和科研雙導(dǎo)向的綜合性實驗項目。在實驗中，學生能學習各相關(guān)學科的專業(yè)理論知識，掌握相關(guān)實驗生化操作技術(shù)，熟悉熒光光譜儀、紫外可見分光光度計、LB膜分析儀等大型精密儀器的組成、原理及使用方法。項目平臺提供學習資源，學生在線上完成實驗預(yù)習、實驗操作及過程考核，通過實驗學生能受到生化類傳感器的設(shè)計、構(gòu)建及系統(tǒng)集成的整個科研流程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)。項目建成以來，經(jīng)過兩輪使用，在實驗教學中取得了良好效果。

　　3結(jié)語

　　在生物醫(yī)學工程專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設(shè)實踐中，根據(jù)專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標，挖掘教師科研項目成果作為虛擬仿真實驗建設(shè)素材，促進科學成果與教學資源的相互轉(zhuǎn)化。并以臨床醫(yī)學檢測問題為導(dǎo)向,通過多學科融合的綜合性實驗項目，讓學生受到生化傳感器設(shè)計、構(gòu)建、檢測及儀器集成的科研思維全流程訓練，在側(cè)重于培養(yǎng)學生解決復(fù)雜醫(yī)學儀器工程問題能力的同時，也凸顯了專業(yè)特色。——論文作者：肖文香梁永波李華朱健銘

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