生物医学工程专业虚拟仿真实验项目建设与实践

发布时间：2021-05-28所属分类：医学论文浏览：1次

摘 要： 摘要生物医学工程专业是理、工、医高度交叉的专业，在进行虚拟仿真实验项目建设时必须考虑其专业特点。该文分析了生物医学工程专业虚拟仿真实验项目建设的现状，提出了多学科融合、科研导向、线上线下、虚实结合的一些项目建设思路，并介绍了本校生物医学工

　　摘要生物医学工程专业是理、工、医高度交叉的专业，在进行虚拟仿真实验项目建设时必须考虑其专业特点。该文分析了生物医学工程专业虚拟仿真实验项目建设的现状，提出了多学科融合、科研导向、线上线下、虚实结合的一些项目建设思路，并介绍了本校生物医学工程综合性虚拟仿真实验项目建设的实践经验。

　　关键词生物医学工程专业;虚拟仿真实验项目;多学科融合;科研导向

　　实验教学是培养学生科学探索、创新创业能力和社会责任感的重要载体[1]。虚拟仿真实验教学是将现代信息技术运用于实验教学的产物，是实体实验教学的重要补充[2]，这种教学模式可以较好地弥补实体实验的一些局限性，比如实验资源有限、实验成本高、受时间和空间所限、存在安全风险等[3]。相对于欧美国家而言，我国的教育信息化起步较晚，但是在教育行政部门的积极引导和推动下，随着国家示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的开展和深化，我国虚拟仿真实验建设获得了长足的发展,参与项目开发的企业和高校越来越多，目前的发展趋势是规模化、多样化、产学研一体化[4]。尽管虚拟仿真实验在拓展实验教学内容深度和广度、改善实验教学效果等方面发挥着越来越重要的作用，但是在虚拟仿真实验教学项目的建设中，也面临着一些亟待解决和深入探索的问题，比如项目内容原创性不够、项目质量良莠不齐、技术标准和规范不统一、开放共享程度不足等[5,6]。

　　由于校情、学情、地区差异很大，为了使虚拟仿真实验能更好地服务于本科教学和人才培养，因此，在确定虚拟仿真实验建设内容时要有针对性，要结合本校本专业的实际情况来开展。生物医学工程是理、工、医高度融合的学科,它综合运用各种工程技术手段去解决医学中的有关问题，为人民健康服务。由于生物医学工程学科交叉程度高，在开展实验教学时对师资、场地、资金、设备、环境等要素的要求较高，虚拟仿真实验教学可以缓解实体教学中遇到的绝大部分困扰，有助于提升学生的动手实践能力和创新能力。

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　　现有的生物医学工程虚拟仿真实验项目，大多是建设或沿用比如医学类、生物学、医学成像、医学电子等各相关学科的实验项目[7-9]，学科内容较单一。因此，建设一批能够体现医工结合、凸显专业特色的原创性、综合性虚拟仿真实验项目，是生物医学工程专业实验教学的迫切需求。

　　1生物医学工程虚拟仿真实验项目建设思路

　　1.1多学科融合，突出专业核心能力培养

　　开设生物医学工程专业的高校有100多所，根据各自的历史积淀和学科积累，形成了自己优势的学科方向，比如康复工程学、人工器官、医疗仪器与设备、生物医学图像处理、医学成像原理、医学传感器等，重点培养学生综合运用各种自然科学原理、工程技术与方法以解决医学工程问题的能力。由于生物医学工程具有多学科交叉融合的天然特质，在建设虚拟仿真实验项目时必须考虑其学科融合属性，甄选有利于培养专业核心能力的实验项目。

　　以桂林电子科技大学(以下简称我校)生物医学工程为例，专业的理论和实践课程体系是按照多学科设置的，专业课包括电子信息类基础课程、软件相关课程、生化医学类课程和医学仪器设备类课程，但由于师资学科背景等因素的限制，在实际教学中各学科的课程教学基本上各自为政，尚未形成有效的、深度的融合。然而医学电子类产品的设计、研发，不仅要求学生掌握生物医学工程的相关基础知识，还要求学生掌握电子信息相关技术，且能将二者有机统一。以新冠病毒的检测为例，想要研发相应的病毒检测仪，就需要了解新冠肺炎病毒的特点、致病机制以及核酸检测原理、抗原抗体免疫反应等生化和医学知识，将核酸检测中碱基的配对或抗原—抗体之间相互作用所产生的光/电信号进行采集、处理、传输、显示等，则需要借助于电子信息类的知识。部分学生能在学术竞赛、参与教师科研、大学生创新创业项目等活动中得到训练和发展，但惠及的学生毕竟是少数。要培养全体学生解决复杂医学仪器工程问题的能力，多学科融合的虚拟仿真实验项目是理想的载体。

　　1.2科研导向，提升实验项目的挑战性和高阶性

　　“问渠哪得清如许，为有源头活水来。”科学研究是教学内容与时俱进的原动力，是课程教学新鲜血液的重要来源。科教融合是培养学生学术创新思维和科研能力的重要途径。教师将自己的科研成果引入理论与实践教学，丰富了教学资源，对于学生来说，可以接触到最新的前沿知识，了解专业发展动态，激发学习兴趣，有利于培养学生的创新思维和创新能力。对于教师来说，科教融合过程中与学生的思维碰撞，也有助于研究灵感的迸发。

　　教师面向科学前沿开展研究，研究项目工作天然具有挑战性和高阶性的属性。然而研究工作往往涉及一系列复杂的实验步骤，需要使用到诸多昂贵的试剂耗材和精密仪器设备等，实验成本高、周期长等成为本科生参与教师科研工作的阻力。因此，及时将教师的科研成果转化成虚拟仿真实验教学资源，使所有学生都能得到科学研究的训练，无疑是提高人才培养质量的有效途径。虚拟仿真实验教学项目与科研前沿相融合、与教师科研项目相融合，内容建设不仅立足于专业基础、具有原创性，也有前瞻性和引领性，体现了学科潮流热点[10,11]。

　　1.3线上线下、虚实结合，培养学生的实践创新能力

　　根据教育部“能实不虚，虚实结合”的虚拟仿真项目建设理念，将科研项目内容开发成研究性、探索性的虚拟仿真实验教学项目，从而提高学生做实验的积极性和主动性。学生可在远程网络空间平台完成原理学习、实验预习、虚拟实验和课后测试等环节。同时要具备实体实验空间及条件，让学生能结合线下实操，巩固对相关知识的掌握，使学生在实践过程中进行自我训练，培养创新能力，从而提升实验教学效果。

　　2生物医学工程虚拟仿真实验项目建设实践

　　我校生物医学工程专业经过十年的发展，形成了鲜明的医学电子仪器、医学成像技术、人体生理信息无创检测的专业特色，入选广西优势特色专业及国家级一流本科专业建设点。专业建设平台的突破为专业的快速发展提供了新的契机，但同时也对专业的高质量发展提出了更高的要求。教育部明确要求国家级一流本科专业要在“专业改革、师资队伍、教学资源、质量保障体系等方面发挥示范辐射作用”[12]。虚拟仿真实验是实践教学资源的重要组成部分，本专业的虚拟仿真资源较为匮乏，目前仅有购自市场的医学电子仿真开发系统、医学成像工作站仿真教学系统(非虚拟类)，自主设计的虚拟仿真实验仍处于空白状态。原创性虚拟仿真实验项目建设是生物医学工程专业内涵式发展的迫切需要。

　　本着基于扎根专业、服务人才培养的原则，我们在“传感器原理与应用”课程实验中引入自主开发的虚拟仿真实验项目——血清胆红素荧光测量仪。“传感器原理与应用”是生物医学工程专业重要的专业基础课，实验学时少(8学时)，实验内容均为物理传感器实验，且实验项目内容往往比较单一，侧重于单个知识点或仪器实验技术的训练。我校生物医学专业以医学电子为专业特色，医疗仪器中不仅需要物理传感器，同时也需要各种生化传感器来测量不同的生理参数，如血糖、血脂、尿酸、抗原、抗体等。由于本专业未开设化学类课程，学生缺乏与化学相关的理论和实验操作技能，将虚拟仿真实验项目作为课程实验的重要补充，为学生补充生化传感器知识和相关实验技能，有利于提升学生的专业素养。

　　虚拟仿真实验项目的内容来自于教师的科研成果，通过“血清胆红素荧光测量仪”虚拟仿真实验项目的建设及实施，探索增进生物、化学、医学与电子信息等学科融合的有效方式，促进科研成果向教学资源的转化，培养学生解决复杂医学仪器工程问题的能力，增进创新意识，提升创新创业能力，凸显医学电子仪器和人体生理参数生化传感器的专业特色。通过实验，让学生掌握从敏感材料设计材料制备薄膜制备器件转换的生物传感器构建策略。血液中的胆红素主要源自于衰老红细胞的分解，血清胆红素的含量是肝功能的重要指标，同时也与心血管类疾病有关。本实验利用仿生原理，模拟胆红素在血液中的输运，首先，制备人血清白蛋白(HSA)保护的荧光金纳米簇。其次，利用HSA的两亲性，采用LB膜技术构建HSA-AuNCs荧光膜传感器，当胆红素与金纳米簇结合成非荧光性复合物时，使AuNCs的荧光猝灭，荧光的猝灭程度与血清胆红素的浓度成正比。最后，设计便携式胆红素荧光测量系统，实现血清胆红素的定量测定。在荧光测量系统中，LED光源发出的光经凸透镜耦合后照射至LB膜基片表面，薄膜中的纳米簇受激发射的荧光经过滤光片滤光后进入光频传感器，在此，将荧光信号转换成电信号，再转换成频率信号输出，由STM32控制器对频率信号进行采集、分析，并将检测结果通过OLED显示。

　　实验采用Unity3D技术进行开发，系统架构分为五层来完成具体虚拟实验教学环境的构建，即数据层、支撑层、通用服务层、仿真层、应用层。整个实验项目采用模块化设计，包含金纳米簇荧光探针制备、LB荧光膜制备、LB膜传感器对胆红素的荧光响应及便携式荧光测量系统的设计与实现四个模块。实验内容涉及生物、化学、材料、医学、计算机、电子技术等学科知识，是多学科高度交叉融合和科研双导向的综合性实验项目。在实验中，学生能学习各相关学科的专业理论知识，掌握相关实验生化操作技术，熟悉荧光光谱仪、紫外可见分光光度计、LB膜分析仪等大型精密仪器的组成、原理及使用方法。项目平台提供学习资源，学生在线上完成实验预习、实验操作及过程考核，通过实验学生能受到生化类传感器的设计、构建及系统集成的整个科研流程，培养学生的创新思维和科学素养。项目建成以来，经过两轮使用，在实验教学中取得了良好效果。

　　3结语

　　在生物医学工程专业虚拟仿真实验项目建设实践中，根据专业定位和人才培养目标，挖掘教师科研项目成果作为虚拟仿真实验建设素材，促进科学成果与教学资源的相互转化。并以临床医学检测问题为导向,通过多学科融合的综合性实验项目，让学生受到生化传感器设计、构建、检测及仪器集成的科研思维全流程训练，在侧重于培养学生解决复杂医学仪器工程问题能力的同时，也凸显了专业特色。——论文作者：肖文香梁永波李华朱健铭