生物医学工程本科教育中科教融合育人新模式探索——以电子科技大学“脑智明珠”计划为例.pdf

19-2023 年 6 月第 26 期Jun.2023No.26教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM生物医学工程本科教育中科教融合育人新模式探索以电子科技大学“脑智明珠”计划为例罗 程，权 凌，李文远（电子科技大学 生命科学与技术学院，四川 成都 611731）摘 要 生物医学工程专业具有典型的医工交叉融合性、知识综合性及技术前沿性。将高水平科研成果融入课堂，既是创新发展生物医学工程学科的需要，也是实现新时代创新人才培养的有效途径。充分发挥高水平科研团队的科教协同育人作用，可以深化生物医学工程专业育人体系改革，有力保障新工科和新医科教育的实施。针对生物医学工程专业提出的科研育人模式，将有望夯实高校新医科和新工科教育的基础，提高拔尖创新人才的培养质量。关键词 科研融合；生物医学工程专业；新医科；新工科；“脑智明珠”计划基金项目 2021年度四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“科教融合、项目引领 创新人才培养模式：脑智明珠 科研育人计划研究与实践”（JG2021-189）；2021年度四川省高校思想政治工作精品项目科研育人项目“课程奠基，项目引领 脑智明珠计划科研育人模式探索与实践”；2020年度教育部新工科研究与实践项目“基于脑科学的生物医学工程通专融合课程与教材体系建设”（E-SSWYY20202509）；2020年度电子科技大学“科研育人 新工程教育计划脑智明珠计划”（2020KY004）作者简介 罗 程（1976），男，四川乐至人，工学博士，电子科技大学生命科学与技术学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事脑疾病的脑网络和生物医学工程教学改革研究；权 凌（1988），女，甘肃兰州人，工学硕士，电子科技大学生命科学与技术学院讲师，主要从事高校思想政治教育与人才培养研究；李文远（1972），男，河北唐山人，工学硕士，电子科技大学生命科学与技术学院副研究员，主要从事高等教学管理与人才培养研究。中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1674-9324（2023）26-0019-04 收稿日期 2022-12-28第四次工业革命以来，新一轮的科技革命和产业变革正在重构全球的创新体系和经济结构，这为全球产业的蓬勃发展提供了机遇，也对高校人才培养提出了更高的要求。教育部于2017年正式推出了高等工程教育改革的新工科计划，多所高校努力探索适应全球科技革命和产业变革的高等工科教育的中国模式，2018年，进一步推出了“卓越医生教育培养计划2.0”新医科计划。医学应从“生物医学科学为主要支撑的医学模式”向“医文、医工、医理、医X交叉学科为支撑的医学模式”转变1。生物医学工程专业运用工程学原理与方法获取新知识、探索新技术，以解决医学实践中的问题，是工程技术和医学交叉融合的新兴领域2。在新工科建设中，如何有效整合科研与教学，在教学过程中深度植入科研第一线的思路与成果，使二者协同服务创新人才培养，是高校必须面对和解决的一个重要理论和实践问题3。一、新医科、新工科建设中科研育人的需求与特点（一）瞄准国家重大战略需求创新是引领发展的第一动力。国家重大战略需求的提出为科技创新指引了方向，围绕其展开的科研育人模式改革，既符合科技革命和产业变革的需求，也是新工科教育中创新的需要。2021年，我国发布了 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要，确定了脑科学等科技前沿领域为事关国家安全和发展全局的基础核心领域4。2021年，我国正式启动“中国脑计划”，即科技创新2030“脑科学与类脑研究”项目，其以阐释人类认知的神经基础为主体和核心，推动脑重大疾病的研究及通过计算和系统模拟推进人工智能的研究，因此该计划具有典型的医工结合特征。推动这样一个全球性且面向国家重大战略需求的基础性工作，需要持20-教育教学论坛2023 年 6 月续不断地为研究团队注入新生力量，这就对高校人才培养体系提出了更高的要求。（二）强化多学科交叉融合目前，在国家重大科技需求中，人工智能、空天科技、深地深海等方向都是属于多学科交叉的前沿科技领域。多学科交叉融合的新兴工科专业建设已受到了各个高校的重视5。生物医学工程是典型的工医多学科交叉融合的产物，不同学科因聚合而迸发出巨大的创新活力，兼通脑科学与类脑智能技术研究的复合型人才培养成为学科发展的重中之重。因此，面向脑科学与类脑智能研究的生物医学工程科研育人体系，要以课程内容设计和人才培养架构两方面为抓手，着力强化新工科建设中多学科交叉融合的重要性。（三）激发学生兴趣，夯实科学精神探索未知是科学研究的魅力所在，也是科研人员为之奋斗的动力源泉之一。新工科建设框架下的科研育人模式变革，需要在激发学生兴趣的基础上，着力培养其科学精神，激发学生的潜能，实现创新创造6。首先，最前沿的科学探索和新兴产业的需求是激发学生兴趣的原动力。科研团队承担的系列高水平科研项目，既紧贴前沿，又具备科学的研究路线，能够通过明确的研究方案和学习目标持续激发学生的学习兴趣并引导学生探索未知。其次，对现有的高水平科研项目进行有效分割，形成层级递进且兼具挑战性和趣味性的进阶式项目群，更符合教育规律，能够循序渐进地培养学生攻坚克难的拼搏精神。最后，为学生提供真正融入团队进行科研攻关的机会，培养学生真诚协作的团队精神及勇于质疑、理性争鸣的批判精神，鼓励学生探索未知领域。（四）加强教学培养方案改革目前，研究生培养依然是高校科研育人的主阵地。针对本科生的科研育人主要聚焦于第二课堂，结合国家、学校的政策导向和学生的学习兴趣开展。第一课堂和第二课堂之间没有形成完整的人才培养链，与新时代高校科研育人的客观要求存在差距。因此，新医科、新工科建设模式下的科研育人教育体系构建，应该在探索和实践已有教学模式的基础上，打破传统科研育人注重在第二课堂开展科研训练的模式，深入落实第一课堂。需要将高水平科研团队作为科研育人的主体，面向国家重大需求，结合高水平的科研项目，设计开发基于项目的课程，重构本科课程体系与培养方案，将构建科研项目需要转为核心课程设置需要，最新科研成果转换为核心课程内容的新型科研育人培养方案。二、科研育人“脑智明珠”计划新工程教育实践（一）面向国家需求，突出高水平、成体系、多学科融合“脑智明珠”计划所依托的生物医学工程专业，包含高度综合的交叉学科。该计划一方面强调工科应顺应生物医学领域的发展，服务于面向人民生命健康的国家要求；另一方面要利用生物医学工程的研究成果解决医科领域的一些新问题，促进新医科的发展。在新医科和新工科建设背景下建立的“脑智明珠”计划，深度融合了信息科学、神经精神病学、脑科学、心理学等多个医、工、理学科，既是对生物医学工程专业交叉融合的再升华，也是高等教育创新改革的新尝试。更进一步，计划在学生选拔过程中，继续贯穿学科“融合发展创新”的思路，对全校所有的医、工、理专业的本科学生开放，目前入选的学生涵盖学校临床医学、信息与通信工程、计算机科学与工程、生命科学等10余个专业，于交叉交融中持续碰撞学术火花。（二）坚持科学引导，强化逐级挑战通关式发展第一，紧扣脑科学科技创新与类脑技术发展的国家层次的科研项目，设计开发课程，融入本科培养方案。通过明确定位学习目标的高水平性，激发学生的兴趣和求知欲。借鉴新工科建设在其他学科课程体系建设中的经验，本计划优选了脑科学与类脑智能研究相关的重要支撑课程，包括“认知神经科学概论”“脑智认知的解剖基础”“脑智认知的生理基础”“脑智信息分析”“脑智系统开发”等核心理论课程，以及“心理实验实训”“脑影像分析实训”“脑电分析实训”“脑神经建模实训”“脑电检测/脑机接口技术实训”等需要实际动手操作培训的核心实验课程6。所有的课程分5个学期，以全校公选课的形式落地第一课堂，既能使学生接受有针对性的科研实训，又能以选修课学分的形式植入学生现有的专业培养方案。第二，利用具有挑战性的科研实训项目激发21-第 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期学生持续学习的兴趣，结合逐级挑战式的课程，实现项目应用导向的培养过程。以具备吸引力的实训项目引领重要的核心课程，紧密结合“理论基础+技能训练”，培养学生的科研能力，使其接受科研素养熏陶，提高综合能力。以“激发潜能，个性发展”为目标，从科研团队承担的脑科学与类脑智能相关科研攻关项目中，筛选出能够吸引学生、具有挑战性和一定显示度的实训项目。在贯穿整个大学的课程进度安排上，采取项目难度层级递进的模式：初阶以脑智相关基础及实验为核心，激发学生的学习兴趣；中阶以脑智信号处理及系统设计为核心，磨炼学生的实践技能；高阶则围绕脑智机制、类脑系统等板块开展主动探索研究，确保项目具备难度和兴趣平衡的实际操作性。第三，改变教学模式，整合核心课程和实训项目，形成学生主动推进的“三级”攻关式发展。“脑智明珠”计划的三个阶段，难度和知识融合要求都较前一个阶段逐渐提高。第一个阶段，“脑智基础”的教学目标是了解大脑智力相关的基本理论和方法，在第24学期通过开设3门课程和3个实训课程进行。这些课程与专业要求的课程平行学习，使学生在已有的专业基础上，掌握脑科学研究的基本实验范式，熟悉脑科学实验的基本技能，实现引导学生了解脑科学、培养学习兴趣的目的。第二个阶段，“脑智方法”在第5、6学期进行，开设2门专业课程和2个实训课程，教学目标是让学生进行脑科学研究方法训练。有机融合基础理论与工程实践，让学生基本具备从事脑科学研究的能力。第三个阶段，“脑智研究”在第7、8学期进行，通过学生自主选择，进入某一预设的课题，跟随导师完成一个具体的科学任务，进而完成毕业设计，实现真正进入脑智研究阶段的目标。在三个阶段循序深入的过程中，通过启发和实训，培养学术多维度、多元化的创新思维和发散思维，帮助学生在项目牵引下完成锚定兴趣、发现问题、提出问题、解决问题、逐级进阶的攻关过程。（三）深耕育人沃土，建设优势聚集的科研育人新环境科研育人实效性的永续发展，除了学生的参与热情和创新激情外，还与学校的大力支持、院系的全力保障及科研团队的全情投入密不可分。学校将构筑系统的科研育人新工程教育平台作为核心内容纳入新工科教育模式，为科研育人工作提供了经费、学分认定、场地保障、教师激励等多方面的政策和制度支持，充分保障计划的实施。首先，建设院系育人梯队，项目依托学院成立了以学院党委书记牵头，科研育人团队成员为主，学生工作队伍为辅的科研育人工作专班，为每个班级配备一名教学班主任和一名学生管理班主任，各有侧重、相互协同地开展工作，合力保障项目行稳致远；其次，落实各项制度，通过制定 科研育人“脑智明珠”计划班主任的主要工作职责 科研育人“脑智明珠”计划班主任考核办法 科研育人“脑智明珠”计划参与考核机制 科研育人“脑智明珠”计划荣誉评价体系 等管理制度，从制度层面保障项目落地有声；最后，验收阶段性成果，院系定期组织师生座谈会，制作学生课程反馈卡片，及时更新教学内容与模式，制作科研育人教师记录簿，记录学生的阶段性成果反馈，定期核验项目成果。校院联动层面，定期举行教学研讨会，发现问题、解决问题、启发思路，做到研教相长、教学相长。严格开展课程督导，所有纳入第一课堂的课程都按照学校新型教学改革课程质量督查要求，严格执行学校院系团队三级督导，切实帮助团队提高教学实操能力，提升学生的学习体验。以上各层面的多维保障措施、科学考核考评机制及具有吸引力的激励措施，为学生提供了研学沃土，持续激发学生的学习内驱力。三、基于“脑智明珠”计划的科研育人创新实践成效（一）人才培养落地见效以一线科研团队为依托，实现了高水平科研团队、高水平科研平台、高水平科研课题整装落地第一课堂，形成了跨专业知识交叉融合的核心课程群；设置具备吸引力的科研项目群，磨炼学生集智攻关、守正创新的科学精神。本计划于2020年秋季学期开始实施，已经招募两期，全校工、理、医专业300余人报名，反响热烈。通过筛选60名不同学科专业的本科生先后进入培养计划，在对管理、教学、项目三维度的满意度调查中，95%的学生评价为非常满意。（二）学生创新能力切实提高采用项目引领，基于项目创新创造，强化逐级挑战。帮助学生致力于一个多阶段实施的科研项罗 程，等 生物医学工程本科教育中科教融合育人新模式探索22-教育教学论坛2023 年 6 月目，逐级深入，成功激发学生学习医工交叉学科知识的内驱力，同时在实践过程中获得工程经验和科研训练。改变了学生在传统的“灌输式”课堂讲授模式下的被动学习方式，激发了学生自主思考学科实际内涵的能动性。入选一年后，有超过70%的学生获得了国家、省市、学校各级科创类项目立项或奖项，近20%的学生申请了发明专利或发表了学术论文。四川科技报、电子科技大学官网等媒体报道了育人阶段性成果。（三）科研教学共生共荣在科教融合育人大平台氛围的触动下，凝练挑战性、研究型教学培养新模式，启发科研团队同步推进科研创新和教学改革，做到教学相长，切实将生物医学工程领域丰富的科研资源转化为育人资源，创新构架，建立科教融合的育人机制，实现优秀科研人员转化为优秀育人师资、科研平台转化为教学育人服务平台、高水平科研创新体系转化为科教融合的人才培养体系。结语“脑智明珠”计划是科研育人新工程教育改革在生物医学工程学科中的试点，强调一线科研引领，服务于国家重大战略需求，面向学生差异化发展，依托科研团队成体系推动，开发高水平的基于项目的系列本科核心课程并落地第一课堂，努力构建高水平科研支撑拔尖创新人才的培养机制。参考文献1 顾丹丹,钮晓音,郭晓奎,等.“新医科”内涵建设及实施路径的思考 J.中国高等医学教育,2018(8):17-182 教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准 M.北京:高等教育出版社,2018:495-502.3 周光礼,马海泉.科教融合：高等教育理念的变革与创新 J.中国高教研究,2012(8):15-23.4中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 EB/OL.(2021-03-13)2022-11-15.https:/ 刘剑平,尹向东.“新工科”跨界融合研究：必要性、困境及发展路径 J.黑龙江高教研究,2020,38(2):88-93.6李平,刘莹.新工科建设“成电方案”的商科类通识 教 育 课 程 体 系 J.电 子 科 技 大 学 学 报(社 科版),2021,23(6):89-95.Exploration of the Talent Training Model by Integrating Scientific Research with Education in Biomedical Engineering:Based on the Analysis of“Pearls of the Crown of Brain Science”in UESTC LUO Cheng,QUAN Ling,LI Wen-yuan(School of Life Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,Sichuan 611731,China)Abstract:Biomedical engineering(BME)was characterized by unique strengths in interdisciplinary nature,comprehensive scope of knowledge,and status of being on the cutting edge of technology.Integrating high-level scientific research into university classrooms is considered as the necessity for the progress of BME,and as an effective way to cultivate innovative talents in the new era.Combining the scientific research with education plays a role to deepening the construction of emerging engineering education in BME,and it is also a strong guarantee for the implementation of the New medicine and emerging engineering education plan.The model was performed to consolidate the foundation of emerging engineering education in BME,and to improve the quality of training top-notch innovative talents in universities.Keywords:integration of research and education;biomedical engineering;new medicine education;emerging engineering education;project with pearls of the crown of brain science