發(fā)布時(shí)間：2021-05-28所屬分類：醫(yī)學(xué)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是理、工、醫(yī)高度交叉的專業(yè)，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)必須考慮其專業(yè)特點(diǎn)。該文分析了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)狀，提出了多學(xué)科融合、科研導(dǎo)向、線上線下、虛實(shí)結(jié)合的一些項(xiàng)目建設(shè)思路，并介紹了本校生物醫(yī)學(xué)工
摘要生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是理、工、醫(yī)高度交叉的專業(yè)，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)必須考慮其專業(yè)特點(diǎn)。該文分析了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)狀，提出了多學(xué)科融合、科研導(dǎo)向、線上線下、虛實(shí)結(jié)合的一些項(xiàng)目建設(shè)思路，并介紹了本校生物醫(yī)學(xué)工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;多學(xué)科融合;科研導(dǎo)向
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和社會(huì)責(zé)任感的重要載體[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將現(xiàn)代信息技術(shù)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的產(chǎn)物，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充[2]，這種教學(xué)模式可以較好地彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的一些局限性，比如實(shí)驗(yàn)資源有限、實(shí)驗(yàn)成本高、受時(shí)間和空間所限、存在安全風(fēng)險(xiǎn)等[3]。相對(duì)于歐美國(guó)家而言，我國(guó)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(dòng)下，隨著國(guó)家示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作的開展和深化，我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展,參與項(xiàng)目開發(fā)的企業(yè)和高校越來(lái)越多，目前的發(fā)展趨勢(shì)是規(guī)模化、多樣化、產(chǎn)學(xué)研一體化[4]。盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容深度和廣度、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)中，也面臨著一些亟待解決和深入探索的問(wèn)題，比如項(xiàng)目?jī)?nèi)容原創(chuàng)性不夠、項(xiàng)目質(zhì)量良莠不齊、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不統(tǒng)一、開放共享程度不足等[5,6]。
由于校情、學(xué)情、地區(qū)差異很大，為了使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫胤⻊?wù)于本科教學(xué)和人才培養(yǎng)，因此，在確定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容時(shí)要有針對(duì)性，要結(jié)合本校本專業(yè)的實(shí)際情況來(lái)開展。生物醫(yī)學(xué)工程是理、工、醫(yī)高度融合的學(xué)科,它綜合運(yùn)用各種工程技術(shù)手段去解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問(wèn)題，為人民健康服務(wù)。由于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科交叉程度高，在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)對(duì)師資、場(chǎng)地、資金、設(shè)備、環(huán)境等要素的要求較高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以緩解實(shí)體教學(xué)中遇到的絕大部分困擾，有助于提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
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現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大多是建設(shè)或沿用比如醫(yī)學(xué)類、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、醫(yī)學(xué)電子等各相關(guān)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7-9]，學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的迫切需求。
1生物醫(yī)學(xué)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)思路
1.1多學(xué)科融合，突出專業(yè)核心能力培養(yǎng)
開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的高校有100多所，根據(jù)各自的歷史積淀和學(xué)科積累，形成了自己優(yōu)勢(shì)的學(xué)科方向，比如康復(fù)工程學(xué)、人工器官、醫(yī)療儀器與設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)成像原理、醫(yī)學(xué)傳感器等，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各種自然科學(xué)原理、工程技術(shù)與方法以解決醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力。由于生物醫(yī)學(xué)工程具有多學(xué)科交叉融合的天然特質(zhì)，在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)必須考慮其學(xué)科融合屬性，甄選有利于培養(yǎng)專業(yè)核心能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
以桂林電子科技大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱我校)生物醫(yī)學(xué)工程為例，專業(yè)的理論和實(shí)踐課程體系是按照多學(xué)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(xué)類課程和醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備類課程，但由于師資學(xué)科背景等因素的限制，在實(shí)際教學(xué)中各學(xué)科的課程教學(xué)基本上各自為政，尚未形成有效的、深度的融合。然而醫(yī)學(xué)電子類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)，不僅要求學(xué)生掌握生物醫(yī)學(xué)工程的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，還要求學(xué)生掌握電子信息相關(guān)技術(shù)，且能將二者有機(jī)統(tǒng)一。以新冠病毒的檢測(cè)為例，想要研發(fā)相應(yīng)的病毒檢測(cè)儀，就需要了解新冠肺炎病毒的特點(diǎn)、致病機(jī)制以及核酸檢測(cè)原理、抗原抗體免疫反應(yīng)等生化和醫(yī)學(xué)知識(shí)，將核酸檢測(cè)中堿基的配對(duì)或抗原—抗體之間相互作用所產(chǎn)生的光/電信號(hào)進(jìn)行采集、處理、傳輸、顯示等，則需要借助于電子信息類的知識(shí)。部分學(xué)生能在學(xué)術(shù)競(jìng)賽、參與教師科研、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等活動(dòng)中得到訓(xùn)練和發(fā)展，但惠及的學(xué)生畢竟是少數(shù)。要培養(yǎng)全體學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)儀器工程問(wèn)題的能力，多學(xué)科融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是理想的載體。
1.2科研導(dǎo)向，提升實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的挑戰(zhàn)性和高階性
“問(wèn)渠哪得清如許，為有源頭活水來(lái)。”科學(xué)研究是教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的原動(dòng)力，是課程教學(xué)新鮮血液的重要來(lái)源�？平倘诤鲜桥囵B(yǎng)學(xué)生學(xué)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(shí)踐教學(xué)，豐富了教學(xué)資源，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以接觸到最新的前沿知識(shí)，了解專業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，科教融合過(guò)程中與學(xué)生的思維碰撞，也有助于研究靈感的迸發(fā)。
教師面向科學(xué)前沿開展研究，研究項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)等成為本科生參與教師科研工作的阻力。因此，及時(shí)將教師的科研成果轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，使所有學(xué)生都能得到科學(xué)研究的訓(xùn)練，無(wú)疑是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與科研前沿相融合、與教師科研項(xiàng)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(xué)科潮流熱點(diǎn)[10,11]。
1.3線上線下、虛實(shí)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力
根據(jù)教育部“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)理念，將科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容開發(fā)成研究性、探索性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，從而提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。學(xué)生可在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)空間平臺(tái)完成原理學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)和課后測(cè)試等環(huán)節(jié)。同時(shí)要具備實(shí)體實(shí)驗(yàn)空間及條件，讓學(xué)生能結(jié)合線下實(shí)操，鞏固對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握，使學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)行自我訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
2生物醫(yī)學(xué)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐
我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，形成了鮮明的醫(yī)學(xué)電子儀器、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、人體生理信息無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的專業(yè)特色，入選廣西優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)及國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。專業(yè)建設(shè)平臺(tái)的突破為專業(yè)的快速發(fā)展提供了新的契機(jī)，但同時(shí)也對(duì)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(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)要在“專業(yè)改革、師資隊(duì)伍、教學(xué)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(shí)驗(yàn)是實(shí)踐教學(xué)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(gòu)自市場(chǎng)的醫(yī)學(xué)電子仿真開發(fā)系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)成像工作站仿真教學(xué)系統(tǒng)(非虛擬類)，自主設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)仍處于空白狀態(tài)。原創(chuàng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是生物醫(yī)學(xué)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?cè)?ldquo;傳感器原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)中引入自主開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——血清膽紅素?zé)晒鉁y(cè)量?jī)x。“傳感器原理與應(yīng)用”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少(8學(xué)時(shí))，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均為物理傳感器實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容往往比較單一，側(cè)重于單個(gè)知識(shí)點(diǎn)或儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)的訓(xùn)練。我校生物醫(yī)學(xué)專業(yè)以醫(yī)學(xué)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(shí)也需要各種生化傳感器來(lái)測(cè)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(xué)類課程，學(xué)生缺乏與化學(xué)相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)操作技能，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為課程實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，為學(xué)生補(bǔ)充生化傳感器知識(shí)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，有利于提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容來(lái)自于教師的科研成果，通過(guò)“血清膽紅素?zé)晒鉁y(cè)量?jī)x”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)及實(shí)施，探索增進(jìn)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)與電子信息等學(xué)科融合的有效方式，促進(jìn)科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)儀器工程問(wèn)題的能力，增進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，凸顯醫(yī)學(xué)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(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握從敏感材料設(shè)計(jì)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(xì)胞的分解，血清膽紅素的含量是肝功能的重要指標(biāo)，同時(shí)也與心血管類疾病有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)利用仿生原理，模擬膽紅素在血液中的輸運(yùn)，首先，制備人血清白蛋白(HSA)保護(hù)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(dāng)膽紅素與金納米簇結(jié)合成非熒光性復(fù)合物時(shí)，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(jì)便攜式膽紅素?zé)晒鉁y(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)血清膽紅素的定量測(cè)定。在熒光測(cè)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(guò)濾光片濾光后進(jìn)入光頻傳感器，在此，將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出，由STM32控制器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集、分析，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)OLED顯示。
實(shí)驗(yàn)采用Unity3D技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)分為五層來(lái)完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用模塊化設(shè)計(jì)，包含金納米簇?zé)晒馓结樦苽�、LB熒光膜制備、LB膜傳感器對(duì)膽紅素的熒光響應(yīng)及便攜式熒光測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)四個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及生物、化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，是多學(xué)科高度交叉融合和科研雙導(dǎo)向的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能學(xué)習(xí)各相關(guān)學(xué)科的專業(yè)理論知識(shí)，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)生化操作技術(shù)，熟悉熒光光譜儀、紫外可見分光光度計(jì)、LB膜分析儀等大型精密儀器的組成、原理及使用方法。項(xiàng)目平臺(tái)提供學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在線上完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作及過(guò)程考核，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生能受到生化類傳感器的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及系統(tǒng)集成的整個(gè)科研流程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)。項(xiàng)目建成以來(lái)，經(jīng)過(guò)兩輪使用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好效果。
3結(jié)語(yǔ)
在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐中，根據(jù)專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)，挖掘教師科研項(xiàng)目成果作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)素材，促進(jìn)科學(xué)成果與教學(xué)資源的相互轉(zhuǎn)化。并以臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)問(wèn)題為導(dǎo)向,通過(guò)多學(xué)科融合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生受到生化傳感器設(shè)計(jì)、構(gòu)建、檢測(cè)及儀器集成的科研思維全流程訓(xùn)練，在側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)儀器工程問(wèn)題能力的同時(shí)，也凸顯了專業(yè)特色。——論文作者：肖文香梁永波李華朱健銘
