生物医学信息技术范例
前言：一篇好的文章需要精心雕琢，小编精选了8篇生物医学信息技术范例，供您参考，期待您的阅读。
目前，生物医学图像信息技术主要包括生物医学图像传输、图像管理、图像分析、图像处理几方面。这些技术同以前的图像技术、医学影像技术都有一定的联系，其在涵盖以往图像技术、医学影像技术的同时，也具有自身的特点，与传统的图像和医学影像技术相比，生物医学图像信息技术更加强调在医学图像信息收集、处理等过程中应用计算机信息技术。
1.1图像成像
从本质上来看，生物医学图像成像技术（下文简称“图像成像技术”）与医学影像技术的区别并不大，仅仅是人们更习惯将其表达为医学影像。生物医学图像成像技术的研究内容为：利用染色方法和光学原理，清晰地表达出机体内的相关信息，并将其转变为可视图像。图像成像技术研究的图像对象有：人体的标本摄影图像、观察手绘图像、断层图像（如ECT、CT、B超、红外线、X光）、脏器内窥镜图像、激光共聚焦显微镜图像、活细胞显微镜图像、荧光显微镜图像、组织细胞学光学显微镜图像、基因芯片、核酸、电泳等显色信息图像、纳米原子力显微镜图像、超微结构的电子显微镜图像等等。
图像成像技术主要包括2个部分：现代数字成像和传统摄影成像。通常可采用扫描仪、内窥镜数码相机、采集卡、数字摄像机等进行数字图像采集；显微图像采集则可应用光学显微镜成像设备及超微结构电子显微镜成像设备；特殊光源采集可应用超声成像仪器、核磁共振成像仪器及X光成像设备。目前，各种医学图像技术的发展都十分迅速，特别是MRI、CT、X线、超声图像等技术。在医学图像成像技术方面，如何提高成像分辨力、成像速度、拓展成像功能，尤其是在生理功能及人体化学成分检测方面，已经引起了相关领域的重视。
1.2图像处理
生物医学图像处理技术，是指应用计算机软硬件对医学图像进行数字化处理后，进行数字图像采集、存储、显示、传输、加工等操作的技术。图像处理是对获取的医学图像进行识别、分析、解释、分割、分类、显示、三维重建等处理，以提取或增强特征信息。目前，医学领域所应用的图像处理技术种类较多，统计学知识、成像技术知识、解剖学知识、临床知识等的图像处理均得到了较快的发展。另外，人工神经网络、模糊处理等技术也引起了图像处理研究领域的广泛重视。
1.3图像分析及图像传输
生物医学图像分析技术，是指测量和标定医学图像中的感兴趣目标，以获取感兴趣目标的客观信息，建立相应的数据描述。通过计算测定的图像数据，可揭示机体功能及形态，推断损伤或疾病的性质及其与其他组织的关系，进而为临床诊断、治疗提供可靠依据。生物医学图像传输技术，是指应用网络技术，在互联网上开展医学图像信息的查询与检索。通过网上传输图像，在异地间进行图像信息交流，可实现远程诊断。同时，在院内通过PACS（数字医学系统—医学影像存档与通信系统），也能在医院内部实现医学图像的网络传递。
2总结
21世纪是信息爆炸的世纪,特别是生物医学信息技术发展非常迅猛,许多最新的科研成果都是最先发表在互联网上。在这样的一个背景下,如何更好地提高医学生实习带教的质量是每个医学教学工作者都要面临的问题。随着现代生物医学信息技术的迅猛发展,传统的教学模式面临巨大的挑战。将生物医学信息学贯穿于眼科实习带教整个过程,将大大提高教学质量。
1传统、单一教学模式的局限性
在我国,传统的教学模式是老师讲、学生听,老师教、学生学。两者之间是主动与被动的关系,教师是传道、授业、解惑的始动者,而学生则始终处于被动者的地位[1]。而老师为了尽量“少犯错误”,总是只讲述教科书上的东西。不论是小学、中学还是大学,莫不如此。这样很可能导致这样的一个局面:培养出来的学生存在高分低能的现象,即考卷题目答得不错,现实生活中却不能应用自己的知识技能。特别是在医学生的教育问题上,许多传统教育模式培养出来的学生进入临床实习阶段后暴露出以下问题:理论知识无法联系实际,缺乏临床思维能力,缺乏信息拓展能力。而医学是一门充满探索性和变化性的科学,今天为大家普遍接受的观点可能明天就会被发现是错误的。具体到人,同样的病在不同的患者身上表现不同,同一个患者在疾病的不同阶段会有不同的表现。怎样在实践中认识疾病和治疗疾病是一个很大的难题。如何让目前的医学生以后成为名副其实的白衣天使,就需要改变以往的教学方法,大力利用生物医学信息学来提高教学质量。
2生物医学信息学在医学生实习带教中的应用
生物医学信息学是研究生物医学信息、数据和知识存储、检索并有效利用,以便在卫生管理、临床控制和知识分析过程中做出决策和解决问题的科学。以往,生物信息学和医学信息学一直是两个不同的学科,应用于各自不同的领域,随着人类基因组计划的实施,医学研究不可避免的向生物领域靠拢,这时就出现了整合的生物医学信息学。作为一门广泛的交叉学科,生物医学信息学提供新的生物医学知识的开发和共享框架[2]。生物医学信息的来源众多,科学文献、学术会议、个人交流和国际互联网等等。其中科学文献包含了图书、期刊、检索工具、专利文献、技术标准、学位论文和技术档案[3]。21世纪的生物医学信息已不单单局限于书本,在强大信息科学、计算机科学的背景下孕育而生的各类功能齐全的数据库系统和互联网交互已成为目前获取生物医学信息的主流方式。传统的生物医学信息学侧重于文献信息管理、分析研究。而现代生物医学信息学更强调计算机技术与IT应用到医药卫生领域。在具备一定知识背景的前提下,如果医学生所在实习的场所有个人计算机,并且可以互联网搜索的话,那么数字化信息会是最容易获得和最方便使用的信息来源。目前国内信息的来源以国际互联网,电子书籍和电子音像资料最多。生物医学信息学在医学中的应用很广,在医学带教中更是起到重要的作用。
就师方而言,传统的教学以书写板书为主,这样既耗时又呆板,信息的传递受到限制,而目前在带教中则更多使用的是多媒体教学和各种影音工具,这种模式不仅在较短的时间内传递更多的信息,而且方式生动易懂,能够最大限度地调动学生的积极性,使学生更好地获取知识。就学方而言,传统的国内教学更注重的是知识的单向传授,学生的被动接受,这样教学的结果往往是理论知识琅琅上口,实践能力惨不忍睹。而今随着信息学的推广和普及,学生的学习由被动转为主动,互联网浩瀚的知识吸引着学生不断探索,而知识的不断更新使临床带教过程更为活跃,无论对教师还是学生,书本将不再是获得信息的唯一手段。现今在临床带教过程中时常出现的学生通过最新的知识进展将老师问倒的情况,这种现象是令人喜悦的,而这种良性循环将更有利于医学带教的进步。笔者通过多年亲身带教经历,并做了问卷调查,反馈比较了传统板书带教和渗透医学信息学带教,初步统计结果显示医学信息学带教学生给出好评的频数更高,可见医学信息学带教方式更受学生欢迎;同时通过最后实际病例分析考核学生,结果同样显示医学信息学带教方式的学生给出答案更齐全,思维更开阔。目前国外常用的医学专业搜索引擎包括:HealthGate、MedicalWorldSearch等,常用的医学专业数据库包括MEDLINE、SIENCEDIRECT等。而国内相关的信息来源也开始健全和发展。医学生既可以直接进入以上数据库的网址查询,也可以选定主题后通过Google、Achoo、搜狐、雅虎等搜索引擎进行搜索。网上的资源十分丰富,既有经典的理论,又有最新的研究发现。而且,学生还可以将自己的问题通过电子邮件或者BBS发送给全世界的学者求助。
3教师指导医学生进行生物医学信息学学习和应用
【关键词】基因组学；医学；数据库；大数据
基因组学在21世纪获得了快速的发展，主要是依赖于基因测序技术的发展和信息技术的加持。由于生物技术和信息技术的互相渗透和协同，在计算机科学的算法、算力及软件的支持下，基因组学技术的成本正在以超过摩尔定律的速度下降。过去完成一个全基因组测序分析需要几天，现在只需几个小时就可完成。由于成本及速度的极大改善，基因组大数据正在以PB（1PB=1024TB）到EB（1EB=1024PB）的数量级累进，而目前全球每年产生的基因组学数据已接近EB级别。
一、医学基因组学大数据现状
基因组学是一门研究基因组的科学，其作为生命科学及其他学科的基础已经成为发展最快、最活跃的一个领域，也是21世纪生命科学发展的前沿和方向［1］。基因组学通过基因测序和分析研究基因的结构与功能，解释更多基因与生物体之间的关系，其与转录组学、蛋白组学、代谢组学共同构成了系统生物学中组学研究的基础［2］。基因组学及其相关产业能迎来快速发展的时期是始于人类基因组计划（humangenomeproject，HGP），由美国率先发起，英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与的一项规模宏大、跨多学科、跨多国家的科学探索工程［3］。HGP于1990年启动，历时13年于2003年4月25日完成，其中2001年“人类基因组序列草图”的发表被认为是HGP成功的里程碑。自从HGP完成以来，对科学发展和社会各界都产生了非常深远的影响，极大的推动了生物医学的研究，也为更多科学问题的探索提供了新路径［4］。医学基因组学大数据正是在这种背景下产生和发展，是指生物医学中的组学数据，包括基因型、表型数据等，通过生物信息分析，能为健康和疾病提供决策依据的数据［5-6］。这些数据具有大数据的特点，体量大、汇总杂、分析难，其加工处理对科技人员的素质要求也非常高，需要具备基因组学、分子生物学、生物化学、药理学、分子遗传学、生物信息学、统计学、线性代数、数据挖掘、分布式计算、软件工程、数据库、网络工程、信息安全、数据加密等复合知识和能力。因此，这远非个体所能完成，而是需要通过团体的力量去完成的系统工程［7］。医学基因组学的大数据是需要用特殊的软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是用新处理模式才能实现具有更强的决策力和洞察力的数据信息源，是具有海量、高增长性和多样化的信息资产。基因组数据量越大，越能细分人群特征，越能聚类发现未知问题。这对于复杂疾病的病因探索、疾病预防和健康管理具有重要价值。医学基因组学大数据非常复杂，人类基因组是由30亿对碱基构成，随着不同地域、人种、时空等因素不断发生变化，首先要从中找出碱基对的异同，然后根据异同还要对应到表型的一致性改变来进行关联分析。显然，仅依靠人类的头脑来计算是无法实现的，而计算机助力了这些应用，也决定了这项工作的效率、成本、准确度［8］。同时，大数据资源也可以用于交换，未来像商品一样流通。农耕时代土地是资源，工业革命时代矿产是资源，互联网时代信息是资源，人工智能时代大数据就是资源。通过大数据分析可以指导医疗健康活动，如发现特别的基因位点，用于药物的研究等。大数据分析需要高素质的复合性人才，还要算法、算力和软件的辅助，需要政府、医疗机构和科技公司团队的协作和共同努力。如无创产前基因检测［9］、耳聋基因检测［10］、病原微生物基因检测［11］，大规模人群筛查检测项目形成了重要的公共卫生大数据的原始积累。
二、国内外基因组学大数据及数据库研究中心
随着新的生物学技术方法的出现和基因测序成本的降低，生物医学数据和信息进入了快速增长的阶段，更多生命科学的研究已经开始向临床医学转化方向发展。在国际上，各国已经陆续开展了很多大规模的基因组测序计划。基因测序目标不仅是人类还包括许多动物、植物和微生物，如千人基因组计划［12-13］、水稻参考基因组项目［14］、地球生物基因组计划［15］。随着基因组测序计划的启动加速了复杂和多样化的组学数据的积累，而处理这些庞大且具有科研价值的数据，需要安全存储、开放共享、集中管理和应用转化的平台。
（一）美国国立生物技术信息中心
美国国立生物技术信息中心（NationalCenterforBiotechnologyInformation，NCBI），创建于1988年。当时由于计算机信息化处理生物医学数据的需求越来越大，为了提供一个可以存储、分析和管理的平台，促进生物医学的进一步研究和发展，美国创立了NCBI。目前该平台包含众多数据库和数据检索分析工具，其中GenBank核酸序列数据库汇集并注释了所有公开的核酸序列，并与欧洲核酸序列数据库和日本的DNA数据库中心达成国际核酸序列数据库共享数据的合作［16］。
（二）欧洲生物信息研究所
欧洲生物信息研究所（EuropeanMolecularBiologyLaboratory-EuropeanBioinformaticsInstitute，EMBL-EBI）成立于1994年，是一个可以向全世界科学家提供免费生物信息资源的研究机构。该机构建立了覆盖多组学的大型生物信息公共数据库，包括跨基因组学、转录组学、蛋白质组学、化学信息学等，其中欧洲核酸序列数据库（EuropeanNucleotideArchive，ENA）广为世界各国的生物医学科学家所熟知［17］。
（三）日本DNA数据库中心
日本DNA数据库中心（DNADataBankofJapan，DDBJ），创立于1984年。DDBJ开发了用于搜索碱基和氨基酸序列的SQmateh工具，并搭建了操作更加简易的SOAP（simpleobjectaccessprotoco1）服务器，并且与NCBI的GenBank和EMBL-EBI已经建立了紧密的合作关系，实现了数据共享和实时更新。此外，该中心还运营功能基因组学、代谢组学以及人类遗传和表型等数据库［18］。
（四）中国国家基因库生命大数据平台
中国国家基因库生命大数据平台（ChinaNationalGeneBankDataBase，CNGBdb），是深圳国家基因库的核心功能，是“三库两平台”中生物信息数据库的对外服务平台。CNGBdb的主要功能是存储人类健康及生物多样性相关的数字化遗传资源；同时平台也搭建了生物数据库及数据分析平台，实现数据存储和分析，为生物医学科研及产业的转化应用提供大数据的基础支撑［19］。秉持共有、共为、共享的原则，CNGBdb面向全球科研工作者提供生物大数据共享和应用服务，并有计划的和美国的NCBI、欧洲的EMBL-EBI、日本的DDBJ展开合作，整合全球公开生命数据，实现数据资源共享，形成融合多研究领域、多数据类型、多分析维度的超大型科研数据系统，集归档存储、知识搜索、分析计算、管理授权于一体，推动中国生物遗传数据与生命科学数据的规范管理和应用。
三、医学基因组学大数据和数据库发展困难与挑战
在医学基因组学的数据库中，有根据其作用、功能、使用场景而进行分类，如全基因组测序、全外显子组测序等的数据库；也有根据疾病类别，如地中海贫血症、唐氏综合征等疾病而进行分类的数据库。数据库的建立是个复杂工程，有明确的开发目标、专业人才、专门的分析工具，需要进行论证、可行性分析等。数据的完整性和准确性、数据的规范化和结构化，合理的数据结构，优化算法的效果，数据之间的正确关联关系，都与数据库的质量息息相关［20］。
（一）更多基因与疾病之间的关系还在探索中
基因型和表型之间的关联度以及基因和更多疾病之间的关系还在不断探索中。如微生物检测方向宏基因组测序技术对一些耐药菌抗生素应用的指导尚有不足，一方面是检测方法的成本较高对耐药相关基因覆盖度有限，灵敏度不高；另一方面是公布的耐药基因型和表型之间的关联度有差异。相对单基因遗传性疾病的发展速度和研究成果，遗传疾病的应用还有一些发展较慢的研究方向，包括多基因遗传、表观基因遗传和线粒体遗传等。
（二）数据个体差异问题
无论如何，建立来源于不同族群和不同遗传背景的数据，都只能是尽最大能力满足精准的需要。而个体的数据差异具有唯一性，没有完全的重复。大数据或数据库是达到和个体的最大公约数，数据量越大准确性、权威性越高。所以，数据的质量和数量的大小决定了在精准医学领域的话语权。
（三）数据算法和算力有待提高
随着庞大而繁杂的医学基因组学数据快速增长，对数据处理的算法和算力提出了更高的要求。海量的数据快速增加并且需跨越不同维度的数据处理，传统的统计学数据处理算法已经不能够满足要求，需要结合人工智能等新算法寻求突破。在保障数据安全的情况下，需要不断研发针对医学基因数据处理的新技术，提升算力效率。
（四）高素质专业人才不足
数据分析和解读对专业人员的要求越来越高。随着新技术的发展和海量多维度的数据累积，未来需要更多跨多学科的人才支撑行业发展；信息技术、医学和生命科学结合更加紧密，高校需要加大对多学科复合型人才的培养力度，以应对更多医疗健康领域的复杂问题
（五）政策法规尚未完善
由于网络具有共享和开放的属性，医学基因组学大数据在使用和传输的过程中涉及到的数据安全和个人隐私问题不可忽视［21］。因为基因大数据对生物医学和其他健康领域的发展意义重大，所以数据的安全和隐私保护需要完善的机制、适应发展的政策法规和创新性安全保护的技术手段。
四、医学基因组学大数据和数据库发展趋势
（一）数据库向专业化发展
医学基因组学的大数据及数据库，正推动着精准医学的发展。随着数据的精细化分析能力提高和人工智能技术取得突破，数据库将向更专业、更智能、更普遍的方向发展，根据不同工作或专业建立数据库。如肺癌数据库、肝癌数据库等单个疾病的数据库，可以查到患者个体疾病的特征、疾病转归、以及个性化用药的选择等，服务于各专科临床医师［22］。
（二）成为医务工作者的工具
随着更多专业化的数据库产生、新技术的快速更新与应用将对生命结构和疾病发生出现新的解读，甚至影响疾病的诊疗流程。在疾病的预防、诊断、治疗以及个体化用药等各个方面都需要与时俱进。对医师的要求不仅需要掌握基本的医学知识，也需要熟练使用专业的医学基因组学的数据库。
（三）标准化和规范化
在大数据时代的背景下，医学基因组学大数据的发展和使用也将越来越规范化，相应的行业标准和体系共识也在不断完善中。国家对大数据监管也会越来越精细化，政策法规既要严格守住安全底线，也要为大数据和数据库的健康发展奠基铺路。
（四）坚持人文伦理的引导
科学技术的快速发展是需要人文伦理框架的引导和规范。伦理框架是为了更好的开展前沿技术的前提。医学基因组学大数据和数据库的发展都应建立在善待生命、尊重生命的基础上才有利于人类的进步与发展［23］。医学基因组学大数据和数据库技术需要全流程的安全、规范、有益使用，在合法合规的基础上，推动科学发现和技术发明就显得尤其重要［24-26］。
参考文献
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生物医学工程是利用工程技术研究生命科学现象,运用工程手段解决生物医学基础理论及临床应用问题的综合性专业[1]。其中“生物医学传感器与测量”课程的教学是专业教学体系的核心组成部分。近年来,随着微电子技术、新材料技术和电子信息技术的飞速发展,各种新型生物医学传感器不断涌现,原有的教学内容显得有些陈旧。笔者结合科研背景,提出“兴趣引导,自主学习,实践探索”的指导思想,尝试对本课程教学内容和教学方法进行改革。
1教学内容的改革
本课程原有教学内容主要是对各种传统物理类传感器原理和测量电路的讲授,基本上移植了自动化类专业的传感器教学内容。我们根据生物医学专业特点,对该课程的教学内容进行了调整,除了介绍应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式和光电式等经典的物理类传感器的基本原理和测量电路外,增加了这些传感器在医学上应用内容,如多普勒频移血流计、电容式心音传感器和光电式脉搏传感器等内容。此外,还补充了近年发展起来的一类新型的传感器———生物传感器内容。生物传感器融合了生物学、化学、物理学和信息学等相关学科,在国内外已经发展成为一个活跃的研究领域。所增加的生物传感器的主要内容有:生物传感器的基本概念和类型,生物分子识别元件及其生物反应基础及生物敏感材料的固定化。这三部分是生物传感器的基础。在此基础上,讲授了电化学生物传感器(包括酶电极、微生物电极、免疫电极、亲和电极、介体电极和生物组织电极等内容)、光学生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器、表面等离子体生物传感器、光纤生物传感器及分子印记生物传感器和基因芯片,这些内容都是生物传感器近年来最新研究成果[2]。新内容的补充可以拓展和丰富传感器的类型,特别是生物传感器利用生物反应巧妙的实现生命信息的探测和转换内容。
2教学方式的改革
2.1多媒体与传统板书结合
多媒体教学是现代主流的教学方式,可以提高教学效率[3]。但我们发现如果单纯依赖多媒体教学,学生认为只要拷贝教师的课件就可以掌握上课内容,所以往往不会做笔记,忽视了教师讲授的知识。针对本课程特点,我们采用多媒体教学和传统板书教学手段相结合的方式。例如对于传感器的结构、外形及应用采用多媒体的图片和动画展示,增加学生的印象,而对于传感器的基本原理及测量电路中的公式推导,采用传统板书的方式,提醒学生做笔记。
2.2理论讲授与教学道具相结合
在本课程的讲授中,我们非常重视培养和引导学生的学习兴趣。通过将传感器的内容讲授与生活中的应用联系起来,使学生发现原来所学习的传感器就在自己身边。比如在讲解压电式传感器时,向学生展示电子打火机和医院B超中的超声源等。在讲解电化学生物传感器时,向学生展示常用的测试血糖的试条就是一个电化学生物传感器。
2.3实验和课程设计相结合
在理论教学过程中,我们根据上课内容和教学进度,穿插安排实验教学,同时根据学生兴趣,自选题目进行生物医学传感器与测量的课程设计[4]。通过实验教学,让学生掌握传感器的测试性能、使用方法和测量电路等基本操作技能。另外,通过布置实验作业给学生几个测量参数,让其通过自己选择不同的传感器和测量电路来实现。比如对温度的测量,有的学生用热敏电阻,有的用双金属片,有的用红外光电探测器等方式来实现测量。学生不但学习了专业知识,而且还理解了针对同一个目标,可以有多种方式来实现的思想。除了实验教学外,我们还给出若干个设计题目或让学生自拟题目,让学生根据所学内容进行课程设计。学生通过查阅课外资料和文献,购买元器件搭建电路,可以发挥自己的能力进行课程设计。
【关键词】:生物医学工程;临床工程;应用型人才;培养模式
生物医学工程(biomedicalengineering,BME)是一门综合工程学、生物学和医学的新兴边缘交叉学科,是多种工程学科与生物医学相互渗透的产物,它为生命科学各学科提供工程学原理、方法和手段,为人类疾病的预防、诊断、治疗和保健康复等提供有力保障[1G2].该学科内容涵盖医疗仪器设备、生物信息学、生物力学、医用物理学以及生物医学材料等,在生命科学领域扮演着重要的角色[3].生物医学工程学科涵盖多种理工学科、生物学及医学分支.为了实现技术创新和理论突破,达到为医学服务的目的,需要将生物医学工程研究向产业化发展,而在此过程中所涉及的设计开发、生产管理、售前及售后服务等环节皆需兼具坚实理工学基础和丰富医学知识的应用型人才[4G5].随着科学技术的日新月异和人们生活水平及健康意识的不断提高,生物医学工程产业方兴未艾,与之相关的医疗仪器设备和医疗技术也迅猛发展,各类大型医疗器械正日益广泛地应用于医疗卫生机构中[6].大型医疗设备的操作、维修保养、管理及医疗企业产品的更新换代亟需大量的生物医学工程应用型人才.因此,如何结合生物医学工程学科的创新和发展,抓住时代机遇,在学科交叉点上实现科学突破,发现重大产业成果[7],培养满足社会需求的人才,是生物医学工程专业教育工作者必须思考和解决的重大问题.
1现状与思考
新疆维吾尔自治区是一个多民族聚居的地区,据2016年新疆统计年鉴中主要年份卫生机构数据显示,新疆各类医院计914家(不含基层医疗卫生机构)[8].随着国家和各省市对口援疆工作的有序开展,各地州、市、县以及生产建设兵团医院条件得到快速提升.除了医疗机构,我区医疗器械生产及供应企业、医学研究机构、生物医学教学研究机构、生物信息领域等对生物医学工程专业人才的需求也日益增大.新疆医科大学针对自治区人才市场的需求,面对21世纪高等教育发展的挑战与机遇,于2008年创办了生物医学工程专业,该专业依托医学工程技术学院,同年开始招收本科生.医学院校相比于综合性或理工院校而言,其开设生物医学工程专业的优势在于:医学师资力量雄厚,学生医学基础知识扎实;医疗仪器资源丰富,学生实践操作机会较多;学生熟悉医院环境,了解临床实际需求,与临床工作人员能够进行更顺畅的沟通交流.然而,在人才培养过程中亦存在一定缺陷:工程基础相对薄弱,实验实践教学环节有待改进,师资力量有待加强.文章结合新疆医科大学生物医学工程专业多年的教学实践经验,以社会需求为导向,以人才培养为根本,以突出应用型、实践型和创新型人才的培养为目标,围绕专业特色和学生的学习状况,借鉴国内外生物医学工程教育发展的先进经验,在课程体系、师资队伍建设、实验实践教学环节和校企(医院)合作等方面对生物医学工程专业应用型人才培养模式进行了深入探索和初步实践.
2培养模式探索与实践
2．1明确培养目标
根据教育部制定的«普通高等学校本科专业目录和专业介绍»中生物医学工程本科专业要求,秉承“厚基础、重实践、宽口径”的教育理念,以市场需求为导向,充分考虑新疆维吾尔自治区生物医学工程产业结构,立足于培养临床工程方向的应用型人才.临床工程方向是生物医学工程专业的一个亚专业,其目标是培养掌握现代工程技术理论、计算机技术和医学科学知识,具备一定的创新意识和初步的科学研究能力,能在生物医学工程领域、医疗设备及其他电子信息技术领域独立从事医疗器械的研发、安装操作、维修保养、教学和管理等的高级工程技术人才.
2．2优化课程体系
课程体系建设是人才培养的重要环节,是培养目标的具体体现.在课程建设上,以市场需求为导向,横向拓宽口径,纵向强化基础,双向组建该专业课程体系的基本构架,课程设置上形成公共课群、专业基础课程群、专业课程群和专业选修课程群.在教学实践中,本着“以学生为主体”的教学理念,坚持以“应用为目的,实用为主,够用为度”的指导思想,立足地方当前和未来发展需要,根据学生对知识结构的衔接,及时更新课程内容、调整授课次序,在培养核心课程基本技能的同时兼顾专业设计要求,注重医学知识与工程技术知识的相互融合.在现行的课程体系中,总学时数为2943,总学分为163．5,理论与实验学时比例为1︰0．51,相比以往(1︰0．32)有较大幅度的提升,突出了应用型本科课程设计要求和特点.前三学期主要以公共课程为主,培养学生的科学文化素养,共计14门课程,69学分,占总学分的42％;专业基础课程贯穿前三个学年,为学生今后的持续发展和后续课程奠定基础,共计13门课程,57．5学分,占总学分的35％;第六、第七学期加大专业课程的开设比例,拓宽专业面,突出专业特色,让学生系统掌握专业理论和相关技能,共计7门课程,24．5学分,占总学分的15％;专业选修课共计8门课程,12．5学分,占总学分的8％;第八学期着重进行专业实践,加强培养学生对相关专业课程的综合理解和运用能力.在实施通才教育与专才教育的同时,注重学生个性化发展和综合素质的提高,在课程设置中,为学生开设任意选修课程,要求学生四年累计修满8个学分的课程.
2．3强化实验实践教学
实践教学是应用型人才培养体系的重要组成部分,是锻炼学生独立分析和解决问题能力的主要途径,是学生理论联系实际的桥梁,从培养高素质应用型人才的需求出发,对实践环节进行了改革.
2．3．1改革课堂实验教学
为了逐步加强该专业学生实践创新能力的培养,学科不断优化和更新实践内容,科学设计实验大纲,主要针对计算机信息类和电子技术两大类课程实验教学进行了改革.依托大学计算机中心,培养学生在计算机、网络及数据库方面的编程能力,同时锻炼其利用计算机进行医学信号和图像处理的能力,通过减少验证性、演示性的实验内容,增加设计性、综合性和探索性的实验比例,以确保学生的创新能力和基础技能在实验环节中得到充分的锻炼.在物理实验中心原有设备的基础上,组建了医学电子实验室,通过相应电子类课程,以培养学生检测分析电路的能力.加强综合性实验教学,比如利用单片机完成简单的数字化仪器设计过程等,以自主探索的方式培养、锻炼学生理论联系实际的能力,提高其创新意识和团队协作意识,在传授知识的同时有效培养并提升其综合能力.
2．3．2活跃第二课堂
第二课堂可充分培养学生的专业兴趣、专业思维能力、动手实践能力和创新能力[9].学校根据专业培养目标,主要围绕以下几方面开展第二课堂:第一,采取“导师＋本科生”的联动培养方式,即每位导师指导3名本科生,定期了解学生的学习、生活及心理情况,强化指导教师与学生之间的沟通机制.第二,为学生创设动手训练的机会,向其开放大部分实验室,并针对诸如电子技术、程序设计和单片机等课程开设了课程设计,以加强学生实际操作能力,丰富其实践经验.第三,组织学生参加各类科技创新竞赛,诸如数学建模、统计建模、工业大赛和英语竞赛等,以培养其综合实践应用能力.第四,鼓励学生申报和参与学校的创新基金项目,以巩固和扩展课程教学内容,开发学生潜能,帮助优秀学生脱颖而出,以使其科研实践能力得到锻炼,综合素质和团队意识不断增强.第五,设立“教授讲座”课堂,要求专业教师队伍中副高以上的教师结合自身研究方向和科研专题向学生讲授最新科研成果,以开阔学生眼界,提高其科研素养.
2．3．3严抓毕业设计
为了保证毕业设计质量,严格选题申报和审查制度,实行双导师制,由学校和医院专家共同指导,要求选题上依托教师承担的科研项目,围绕学科研究方向和临床实际问题展开,并确保题目的独特性和新颖性,充分发挥学生的主观能动性,挖掘其潜在的创新和创造力,强化其理论知识及实践技能.在具体实施过程中由学生自主选题,指导教师进行全程指导和质量监控,针对疑难问题,首先指导学生科学地进行文献资料查阅,再以互相讨论的方式寻找出解决方案.学生的科研素质、协作创新精神在教师全程参与科学实践的过程中得到全面培养和提高.
2．3．4加强实习基地建设
实践基地是实践教学环节的重要载体,是实施实践教学的基本保证,是高校学生与专业技术岗位“零距离”接触,巩固理论基础、培养专业技能、提高实践学习和整体素质的平台[10].结合该校生物医学工程专业的学科定位和专业建设,探索了学校和企业(医院)共建校外实践教学基地.学校医学工程技术学院于2016年与迈瑞公司合作建设生物医学工程专业创新实验室,为学生打造良好的实践、实习平台.此外,依托该校各大附属医院和教学医院,在大一至大三期间,鼓励学生利用假期自由选择医院进行实习,大四阶段安排学生进入大学附属三级甲等医院或企业(如厦门智业)进行为期半年的实习实训,实行科室轮转制度,在医学工程科和放射科、CT室、核磁室等医技科室进行轮转,由医学工程科教师有的放矢地进行指导,让每位实习生置身各医技科室,系统深入地了解医疗设备的基本原理、结构功能等.通过加强校企(医院)合作,在专业与企业(医院)间建立合作共赢、合作发展的纽带,充分利用企业和医院的资源培养学生的专业工程实践能力,在增强办学活力的同时提高了学生进入社会的竞争实力,缩短学生就业时的适应期,从而实现其从学校教育到就业的“软着陆”.
2．4加强师资队伍建设
“双师型”师资队伍建设是落实人才培养模式的关键,是满足临床生物医学工程应用型人才培养的重要举措,是提高应用型本科教育教学质量的方略[11].为了进一步提高生物医学工程专业教师队伍的综合素质,建立一支理论知识坚实、实践经验丰富,既能行教学又能钻科研,既能紧跟学科前沿又富创新精神的“双师型”教师队伍,学校高度重视学术骨干的培养工作,对于青年教师和青年科研人员,制定了切实可行的青年教师导师培养制,由学院具有深厚教学科研实践经验的高资历教师带动青年教师的成长,从而锻炼和提升其独立从事教学和科研实践的能力.采用“内部提高,外部引入”的做法,培养与合理引进有机结合,提高专业师资队伍建设整体水平.“内部提高”是指鼓励在职教师通过“攻读学位,访问进修,外出交流”等方式,来优化专业教师队伍的学历层次、提高其职称结构和教学科研能力.“外部引入”,即借助国家对口支援及西部大开发的大环境,抓住机遇,广纳贤才,加大人才引进力度,通过吸纳重点院校的优秀博士生和研究生来充实生物医学工程专业的教学科研工作,招聘或引进国内外高校知名学者专家来该院做特聘教授或讲座教授,引领和指导学科建设,开展科研学术活动,更新教师的教学观念,以提高师资队伍在国内同类院校的竞争力.近年来,该校生物医学工程专业先后派遣了多位教师赴浙江大学、重庆医科大学、西安交通大学进修和攻读博士学位,同时引进多名留学博士充实该专业的科研教学工作,并有浙江大学生物医学工程专业的专家驻守该院,指导该专业的学科建设、教学科研,激发专业教师的科研热情,在很大程度上提高了该校生物医学工程专业教师队伍的整体综合素质.目前,生物医学工程专业有专职教师29名,师资队伍梯队构成,其中高级职称占比76％,中级职称占比17％,博士占比24％,硕士占比65．5％(含3名在读博士).专业教师人均承担省部级及以上课题0．55项,人均发表SCI及核心期刊论文1．13篇.7名生物医学工程专业教师于2016年获得硕士生导师资格,截止目前该专业已有10名硕士生导师.
3培养模式的效果
关键词:新工科;研究生教育;现状及改革
1概述
为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部积极推进“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”［1-2］。生物医学工程是一门由理、工、医相结合的边缘学科，涉及信息技术、电子技术、微光机电技术、网络技术、生物技术、临床医学等许多个学科领域，具有交叉性强、技术密集、发展迅速的特点［3-4］。所以生物医学工程专业研究生的培养较之其他学科有一定的挑战性，对导师和研究生的综合能力有更高的要求，尤其是在新工科背景下，如何培养适应我国现代社会发展要求的复合型高层次人才是我们面临的新问题。
2生物医学工程硕士研究生培养现状
湖南工业大学现有15个一级学科硕士学位授权点，包含65个二级学科硕士学位授权点，22个硕士研究生专业学位类别。其中生物医学工程是首批获得一级学科硕士学位授予点之一，也是湖南省重点学科之一，经过多年的教学和科研实践，生物医学工程专业在人才培养方面取得了不错的成绩，招生规模不断扩大，从2017年的6名到2021年41名;研究生学位论文质量水平高，多年评为省优秀论文;毕业生就业率达100%等。但随着生物医药战略性新兴产业的发展，原有的生物医学工程培养模式已难以实现人才培养目标，主要的问题如下:(1)生源质量有待进一步提高。目前一志愿报考率和上线率较低，生源主要来源于调剂，生源质量不高。(2)主要研究方向有待进一步凝练。原有的4个研究方向未结合本校和导师团队自身优势和特点制定，研究较广泛，不足以适应和促进社会发展、学科发展。(3)课程体系有待进一步优化，加强资源共享和授课评估。所开设的专业课程以生物和材料相关课程为主，选修课中虽然有药学和电子信息类相关的课程，但由于种种原因均未真正开设。所招收的学生本科专业背景也较单一，基本为化学专业和生物技术专业，难以适应经济社会发展的多样化需求。(4)目前本学科推行的“双导师制”尚未得到具体落实，同时企业导师缺乏明确的职责和任务，不能真正履行导师的职责，企业导师趋于形式化。
3培养模式的探讨与实践
3．1研究生招生
研究生招生作为研究生教育工作链条的起点，是提高研究生培养质量的前提［5-6］。近几年，生物医学工程报考率和一志愿上线率都比较低，生源严重不足，基本靠调剂，调剂生初试成绩大多刚过理科国家线，严重影响整个研究生培养的质量和水平。优秀人才培养的基础是吸引优质生源，其方法有很多，其中积极鼓励优秀应届毕业生报考本院是一个有效的做法。根据2012—2017年学校全日制硕士研究生生源数据统计结果，本校毕业学生是学校研究生生源的重要组成部分，在第二志愿生源中，本校应届本科毕业生占当年学校研究生实际录取总数的比例在10%左右［7］。研究生教育要保持长期稳定的优质生源，争取本校优秀本科生源第一志愿报考，可以通过开展校内考研动员会、考研指导咨询等活动，对于一志愿报考且录取的本校学生给予入学奖学金等措施来实现。另外，加大对研究生招生的宣传，学院全员参与，多渠道、多层次和全方位地做好研究生招生宣传工作。各导师发挥自身优势，结合学院支持，凭借学术地位和影响力对所在领域进行优势宣传。及时完善学院网页，把考生比较关注的招生专业情况、硕博士点建设进展、毕业生就业情况等尽可能详尽地公布在网站上;每个导师的个人基本情况、联系方式、科研情况、研究成果、研究方向等及时更新维护好信息供考生查看。同时，完善招生专业目录，扩大生源范围。生物医学工程是可授予理、工、医学三种学科中的一种，但我校一直以理科招生，限制了工科学生的报考和调剂，此外考试科目中自命题科目为生物化学，偏向生物，限制了化学专业学生的报考，在招生专业目录编制时可以在自命题科目上多设置可供选择的科目。
3．2研究生培养方案及课题体系的优化
新工科人才培养的核心目标是造就多样化、创新性、复合型卓越工程科技人才。根据研究生的需求和特点，结合博士点建设以及2018版研究生培养方案的修订，按照新工科培养目标，优化完善了培养方案。构建了以培养医学材料、医疗器械、医学人工智能相关领域的研究型应用型专业人才为目标，以先进生物材料、生物传感技术和生物医学人工智能为主要研究方向的工学研究生培养，以及以生物医学传感与检测、生物信息获取与器件、生物纳米功能材料、环境生物技术为主要研究方向的理学研究生培养，依据学生来源不同分开培养。课程是研究生教育高质量发展的核心环节之一，课程设置应充分体现其本质要求和研究生个体的适切性基础，满足研究生群体对知识特性和学术探究性的内在要求［8］。现有的研究生课程设置比较单一，课程内容知识点较陈旧且无教材，因此有必要根据研究方向和培养目标设置课程教学体系，优化完善教学内容，突出专业特色，拓宽教学知识。针对学科专业特点，组织教授导师们撰写适合本院研究生专业课教材，共同编制教学大纲和教案，不以单一的现有教材来设计课程教学内容，与时俱进地把新的技术、新理论引入课程中，把学科领域内的一些前沿知识和研究成果全面向学生展示，提高学生学习知识的针对性。删除一些已经过时的课程或者在本科阶段已经开设过的课程，增设人工智能类等新的课程。对来源不同的研究生分别培养，淡化由理工科背景不同产生的选课范围限制，学生可通过结合自身科研研究方向选择自己需要的课程。在课程体系中还可以相应地增设科技论文写作等课程，系统地学习中英文论文写作技巧，避免每个导师花较多的时间修改研究生的科研论文和毕业论文，进一步提高论文水平。
3．3教学方式
研究生的课堂教学应与本科生的教学模式区分开，“一言堂式”和“灌输式”的教学方式难以达到研究生课程教学的目的，提升其自主学习能力。针对不同的教学内容，可以采取互动式、开放式、启发式、研讨式或探索式的教学模式。如在课堂上提出的开放性问题，将学生分组，通过查阅文献、理论模拟、设计实验等方式来解决问题，这样有利于开发学生思维，锻炼其自主解决问题的能力。还可以结合慕课、互联网课程，将具体的知识点教学交给网课，锻炼学生的自主学习能力。另外，根据研究方向可以推出一些精品课程，从更深层次的原理和先进方法来组织课程内容。研究生培养管理过程要严抓课程教学开课前后均需对开课教师进行评审。对开课教师进行考核，教师开课前组织专家进行评审，只有评审通过才能开课。此外，每学期对课程质量进行认证，授课教师需提交试卷、成绩单、成绩分析、答案，若专家评审不合格则取消开课资格。
3．4培养计划制订
通过多元化培养制订硕士研究生的个性化培养计划，避免培养计划形式化，每个研究生都一样。侧重于理论创新的硕士研究生可申请湖南省创新基金项目，或结合导师的项目制订培养计划;侧重于工程实践的硕士研究生可通过校企联合培养方式深入企业实践制订培养计划，目前我院已有两名研究生在深圳市亚辉龙生物科技股份有限公司进行联合培养，效果显著，有望每年都向该企业输送研究生;还可以与其他高校联合培养的硕士研究生，加强技术间的交流，这部分研究生由校外导师制订培养计划，积极鼓励研究生与尼尔森•曼德拉非洲科技研究院、美国纽约州立大学、韩国庆熙大学、美国加州大学、阿克伦大学、澳大利亚昆士兰大学、英国斯旺西大学、坦桑尼亚曼德拉科技学院、厦门大学、东南大学等国内外知名院校进行联合培养，促进研究生教育质量的提高。
3．5导师培养
高素质的导师队伍是研究生培养模式顺利实施的首要条件，目前我国研究生培养普遍采用导师负责制，导师对研究生的培养以科研创新能力培养为主，以良好的人际沟通能力、合作能力和心理素质为辅。为保证研究生培养质量，需要做好以下工作:(1)制定导师招收研究生规定，以导师的时间、精力、科研课题、经费等方面综合考虑每个导师每年可以招收研究生的数目，最多不超过3个。(2)积极改革导师遴选制和导师考核制，考核不合格的导师或指导的研究生论文不合格，有学术不端行为的，停招研究生。(3)对导师指导方式进行合理调整。生物医学工程现有的研究生导师队伍结构中新进青年博士占比50%，研究生培养过程中有些采用双导师制，即第一导师为学院有多年经验的老师，第二导师为新进青年博士，这就容易出现第一导师不管，第二导师管不了的现象。研究生培养应尽可能以研究课题小组或导师团队的形式进行，避免因各种情况造成研究生“无导师”的状态。(4)积极利用校外兼职导师，为硕士研究生尤其是专业型硕士研究生的实践教学环节提供有力的师资保障，使研究生的学术研究与社会经济发展紧密结合，让学术研究成果更好地为社会经济发展服务。现有校外研究生导师40多名，要来自企业、机构和一些机关单位，但在实际研究生培养过程中发挥的作用较小。
结语
关键词:计算思维;留学生;教学改革;医学院校;教学经验
0引言
当今中国以“一带一路”建设为重点，教育对外开放是深化沿线国家共同发展的重要桥梁［1］。为此，首都医科大学积极面向沿线国家招收临床专业留学生。新医科发展要求学生不仅学好医学知识，时能将先进的计算科学技术和思维应用在医学领域［2］。在这种时代和国家战略下，医学留学生教育面临前所未有的挑战。首先，大部分生源国希望借由我国的教育资源快速推进其医学人才培养，使得留学生对非医学课程重视不足，如何激发学生对工科课程的学习积极性，是提高医工融合人才培养质量的关键。其次，我校留学生多来自泰国、印度、巴基斯坦等地，各地基础教育水平差异显著，如何在有限的课时内使学生充分理解和掌握计算思维，是教学中的难题。本文将PDCA(Plan-Do-Check-Act)循环法引入教学改革研究，探索科学的医工融合教学模式［3］。以培养具备信息技术实践和计算思维能力的复合型国际化人才为目标，为新医科教育体系改革提供参考价值。
1教学模式改革的计划阶段(P)
首先根据教学知识点，对学生的信息素养展开问卷调查。通过Korkmaz计算思维量表，从创造性思维、协作思维等五方面综合评价学生计算思维能力［4］。教师从任务分析、任务抽象与转化、评估与概括三方面评估学生计算思维应用能力［5］。调查结果表明学生缺乏医工融合概念且课程兴趣低迷，不能利用计算思维拆解和规划任务。因此制定相应的改进策略:(1)在理论教学中将基础医学知识与学科特色整合，以丰富的教学手段激发学习兴趣;(2)在实验教学中以临床实例为基础，引导学生自主提出、分析和解决问题，增强对知识点的理解。
2教学模式改革的实施阶段(D)
2.1将学科特色融入教学内容
生物医学工程专业以工程科学的原理与技术解决医学问题，具备较强的信息技术能力和医学科研经验［6］，在课程中能够生动阐述计算机及计算思维对现代医学发展与科研创新的作用。如介绍信息与编码时，引入医疗大数据、电子病历等前沿临床科研实例，从专业应用角度讲解如何将现实世界的信息转换成结构化数据;通过“互联网+医疗”在应对疫情方面的显著作用，讲授计算机网络的组成和工作机制等，如图1所示。在教学方法上，结合线下与线上学习。课堂以教师讲解为中心易于学生在有限的课时内系统地掌握课程内容和相关基础理论知识。线上教学可提供重点内容视频、拓展学习资源以及答疑和交流。
2.2将临床实例引入实验教学
实验教学中以临床实例为基础，遵循了解—分析—解决问题的思路设计案例，引导学生通过讨论、调研及合作等手段主动学习［7］。例如利用影像诊断肿块等级，要先了解临床背景知识，将问题拆分为肿块定位、分割和评估三步，这是计算思维的体现。在实操中需灵活运用学到的图像基本知识、基本技巧和工具。通过探索隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。
3教学模式改革效果的检查阶段(C)
教学考核是评估教学效果的一种手段。基于多元化考核方法，对同一教师2017(47人)、2019级(43人)教学班的过程性与操作性考核成绩进行量化对比，发现随着教学改革的推进，后者更好地接受了医工融合的计算思维培养，其各项评分均显著提升(双样本t检验，P＜0.001)，见表1。对2019级学生教学前、后CTS量表的评分分析发现，新培养模式下学生的计算思维能力在5个维度上均有不同程度的显著提升(配对样本t检验，P＜0.001)，见图2。
4教学模式改革的处理阶段(A)
该阶段总结改革过程，为新问题制定新方案。学期末经与2019级学生讨论和认真分析期末成绩的整体分布，上述教学方案达到了预期的教学目标，能够引发学生学习兴趣并明确医工融合的必要性，解决问题时能合理运用计算思维。但发现基础薄弱的学生在课上获取知识的进度较慢;语言障碍会导致学生不能很好地参与课堂活动。让学生带着问题听课是最高效的学习方法［8］，因此下个PDCA周期可尝试在线布置预习任务。对于英语较差的同学，采用帮扶式教学进行正面引导，提高其学习的兴趣和自信［9］。
5小结
关键词:医院信息系统;医院挂号系统;挑战性设计;综合实验
医学信息学是一门通过计算机及相关信息技术完成生物医学数据、信息及知识的存储、组织、传输、处理、检索和优化利用等一系列医学信息管理任务，辅助医学领域的科研实践，提高解决问题和制定决策的准确性、及时性和可靠性的学科［1］。医学信息学概论也是生物医学工程专业本科教学中一门重要的专业基础课程，课程主要内容包括医院信息系统、医学图像传输与处理系统和医学决策支持系统等临床应用系统的功能及应用，涵盖各种医学信息的采集、存储、传输、显示、处理及利用等基本知识和技术，内容多而杂［2－4］。另外，医学信息学概论本身也是一门融合了信息科学和医学科学的交叉实践类课程，可涉及综合应用所学的有关医学、数据库、软件工程、程序设计语言及网络技术等基础知识和基本技能。课程具有应用性强、内容多、信息技术更新快、实验设计难、但对学生今后工作帮助大等特点［5－6］。这门课程在世界上受越来越多的医科院校及工程类院校的青睐，国外很多大学专门设有医学信息学专业本科、硕士及博士学位，以多种形式(理论+实验/实践)加强和巩固该课程的学习［7－8］。截至2014年，我国开设医学信息学专业的院校已达到59所，众多高校(无论医学院校还是理工院校)都面向本科学生开设了医学信息学概论相关课程［9］。该课程经过近三十年的发展和建设，虽然取得了一些成绩［10］，但是该课程在教学中还普遍存在以下问题。1)优秀教材匮乏，教材建设的速度远远跟不上信息技术更新和发展的速度［11］。截至2017年，与医学信息学概论相关的著作与教材总共不到40种，绝大多数教材针对对象是医学本科生或信息管理类本科生，至今无一本专门针对理工类学生的著作或教材。2)医学信息种类繁多，既包括大量数字、文本类信息，也包含大量生理信号、医学图像及视频流等多维多模态信息。相关信息处理及利用的软硬件技术及网络技术近年来发展非常迅速，理论教学中很难做到全面而新颖。3)教学中很难做到理论与实践的有机结合［12－13］。对于生物医学工程专业的本科学生，本课程的先修或同修课程有C语言、软件工程、数据库技术和计算机网络等，但学生学习这些课程时一般只能单独了解和掌握基础理论知识，缺少系统性的实践与开发经验。如何将这些课程知识有机整合起来，是一个巨大的挑战［14］。从2003年开始，我们一直从事医学信息学课程的教学工作，十几年来，课程组不断思考该课程在教学内容、教学方式、教学技巧及综合实验应用等方面的改革和提升。考虑到医学信息学科交叉实践性强的特点，我们开始探索在授课同时，鼓励学生设计和开发一些具有实际应用价值的医学信息小系统，激发学生对本课程的学习兴趣，同时也希望培养学生解决复杂工程问题与挑战性问题的能力，增强学生综合运用相关知识的动手能力，激活学生的挑战因子，激发学生对课程的参与感，培养他们直面困难、挑战困难、并克服困难的品质。为此，我们教学研讨决定，从2014年开始，课堂教学之外，新增一项综合实验设计，让学生动手设计和开发一个有一定挑战性的医学信息子系统。4年积累下来，我们在医学信息学课程挑战性实验设计上已取得了一定进步，积累了一些经验，但同时也还存在一些问题和疑惑。下面我们将从本挑战性实验的设计目标、设计内容、实施方案、实施效果和思考等几个部分进行总结，期望与广大同仁分享和交流。
1挑战性综合实验目标
通过对课堂上讲授的HIS系统功能、工作流程和主要内容的理解，综合应用软件开发语言、数据库技术及软件工程等知识，利用课余时间，分小组开发一个简单的医院门诊挂号子系统，激发学生的学习兴趣，培养学生解决复杂工程问题与挑战性问题的能力，增强学生的动手能力。
2实验内容
本课程授课之前，生物医学工程专业本科生已学习过C语言和软件工程两门编程类课程，同步正在学习数据结构、数据库技术和计算机网络课程，在知识和技术储备上已有一定基础。考虑到医学信息系统是一个庞大的软硬件综合工程，我们选择学生最为熟悉、工作流程最为简单、最容易实施的医院挂号子系统开发作为综合实验设计目标，即设计开发一个具有实际应用价值的医院挂号信息子系统，要求系统具有登录管理功能，具有权限管理功能，具有初诊和复诊挂号功能，具有一定的数据计算和统计功能，并要求每小组按软件开发的流程从系统规划、工作流程(业务流程)设计、开发工具选择、数据库设计、到编写程序、再到系统调试、最后到系统测试，完成整个实验过程。考虑到学生学习能力、动手能力和兴趣特长的差异性，挑战性综合实验以小组为单位(3～5人/组)，开发语言不限，数据库管理系统不限，挂号系统的系统架构不限，学生可设计为单机版、客户/服务器版(C/S)、浏览器/服务器版(B/S)或手机APP等任何形式。
3实施方案
在第一次上课时，布置综合实验任务，要求学生开始知识准备:1)准备自己最熟悉的编程语言，可以是VisualC++、JAVA、Html、Python、Javascript、J2ME等任何一种或几种开发语言;2)准备自己最喜欢的数据库管理系统，可以是Oracle、Mysql、SQLServer、Access等任何一种;3)准备所需的计算机网络或移动通信的基础知识。课程第5周时，通过课堂教学，学生已学习了医院信息系统的工作流程、系统结构、功能、软硬件技术和各子系统的设计及应用等基础知识，并已上机观摩体验了部分医院正在使用的医院信息系统的结构和功能等具体内容。此时，将具体的挑战性综合实验内容及要求布置给学生，即结合已学的医院信息系统的基础知识，认真分析医院挂号信息子系统的工作流程和数据传输方案，利用软件工程、数据库技术和计算机网络及通信等基础知识和技术，设计开发一个具有实际应用价值的医院挂号信息子系统。设计截止时间为课程第16周。课程第17周时，按小组分别汇报并演示所开发的系统，评选出优秀的软件作品。
4实施效果
总的来说，每一小组均能较好地完成综合实验规定任务，并且逐年更好。2014年第一次实施该挑战性课程实验设计时，学生们设计出的系统主要以C/S、B/S或单机结构为主，尽管开发语言各不相同，但功能上基本能实现权限管理、初诊和复诊挂号功能及简单的数据统计功能，系统界面简洁清爽，小组成员之间分工明确，汇报展示条理清楚，学生们都表现出了较强的动手能力和综合知识运用能力。到2016年和2017年，学生完成综合实验的质量明显提高，表现在系统结构形式更加多样，除了C/S、B/S结构外，学生们开始尝试各种手机挂号APP应用程序的研发，尝试各种跨平台系统设计，包括安卓系统、苹果系统甚至Linux系统。还有部分小组开始不满足于简单挂号系统的开发，开始拓展一些新的子系统，如有的小组额外开发了医院在线咨询子系统，有的小组还开发了更加复杂的医院信息系统，除了挂号及统计功能外，还具有门诊医生工作站和护理及药房管理等功能，系统功能更加强大，设计更接近实际应用。
5总结与思考
通过四年的摸索，医学信息学课程中挑战性综合实验方案初步成形，从同学们汇报展示时的心得体会反馈来看，大家虽然觉得综合实验有一定难度，但是实验是有意义的，经过努力，是可以完成的，并且完成后的成就感和喜悦感让他们更加自信。这几年来，很多在综合实验中表现优秀的同学，后来在申请出国留学时，在留学申请材料中，他们把本课程综合实验的经历作为非常重要的挑战性实践开发经历之一，从中可以看出大家对本挑战性综合实验的认可。总结本挑战性实验的经验，我们也受益匪浅，同时有以下5点体会和思考。1)学生的学习能力和动手能力是无穷的，关键是怎么激发。在综合实验刚刚开始时，学生们普遍感觉难度太大，因为之前没有动手编写过较大较具体的软件系统，学习C语言时只练习了简单的独个问题的解决，软件工程学习时比较偏理论讲解，具体动手机会则并不多。但是本挑战性实验的结果证明，他们完全能把数据库、软件工程、程序设计语言及网络技术等知识综合应用起来，解决医院信息系统开发里的具体问题，展现出优秀的动手实践能力和创造能力。2)验证性实验或练习性实验并不等于开拓性实验。医学信息学课程中，我们也会让学生上机练习医院里使用的医院信息系统，但是上机完成后，学生只能对系统的结构和功能有大概的了解，而系统具体怎么开发及完成的，学生并无深刻体会。只有经过亲自动手开发和调试测试后，学生才有更深刻的了解和认识，正如看电影和演电影是完全不同的体验一样。大学教育在2W+H(What/Why/How)教学模式中，多开展一些挑战性实践性实验，是加强学生How认知的重要手段之一。3)任务下达应该尽可能具体。本综合实验中，我们在任务下达时，尽量详细地列出了系统需要实现的具体功能及要求，并给出了一些示例，供学生参考，学生在系统开发时，心中有一个大致的框架，才不会觉得茫然无措。4)挑战性实验时间安排很重要。实验所需开发语言和数据库技术等知识准备需要一段时间，所以我们课程第一节课上就布置了自学任务，学生有一个半月的自学及准备时间。另外，软件开发预留的时间有10周，让学生从系统需求分析、系统架构、工作流程设计，再到代码编写、调试、测试，最后到项目展示，有充足的时间。期间，经常询问和了解学生的项目进展情况，如有困难和问题，可及时沟通和解决。5)学生个体差异大，分组分工合作，可以发挥各自优势。本课程中，有的同学并不喜欢课堂讲授，觉得讲授内容理论性太强，比较枯燥乏味，但是后来发现，他们的项目却做得非常好，显示出优秀的动手能力。也有一些同学，理论学习很好，但实践方面却不知何处入手，分组完成任务可以一定程度上弥补他们这方面的缺陷。但是分组实验也让一小部分同学有机可乘，浑水摸鱼。如何让每一位同学都能亲自动手，积极参与，是一个值得我们深思和继续探索的问题。
6结束语