医工交叉融合背景下工科课程教学实践的探索

医工交叉融合背景下工科课程教学实践的探索
作者：常敏马佩陈辉
来源：《教育教学论坛》2024年第21期
［摘要］医工交叉融合医学、工程与信息技术等多个领域的前沿知识和技术，解决临床医学中遇到的难题，是推动现代医学发展和创新的强大动力，也是符合当今时代发展特征的趋势。

高等院校作为科技创新的源动力，在医工交叉时代背景下，发挥着重要的作用。

为了顺应这一背景，对工科人才的培养提出了新的要求。

相应地，专业课程的培养方案和授课模式亟须改进。

针对医工交叉融合背景下的教学改革进行了初步分析，探讨了专业课培养方案的改进措施，并以具体课程为实例，分析了教学实践的实施。

［关键词］医工交叉；工科课程；实践；探索
［基金项目］ 2022年度中国工程院战略研究与咨询项目“医工交叉融合培养高端医疗装备与器械人才战略研究”（2022-XZ-44）
［作者简介］常敏（1978—），女（回族），吉林松原人，博士，上海理工大学光电信息与计算机工程学院副教授，主要从事光电检测仪器和光电器件研究；马佩（1987—），女，内蒙古包头人，博士，上海理工大学光电信息与计算机工程学院副教授，主要从事生物信号处理和生物医学光学研究；陈辉（1987—），女，江苏南通人，博士，上海理工大学光电信息与计算机工程学院副教授，主要从事表面增强拉曼光谱和生物传感研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）21-0093-04 ［收稿日期］ 2023-04-28
引言
2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，将高性能医疗器械作为我国制造业发展的十大重点领域之一［1］。

2016年10月，中共中央、国务院印发《“健康中国2030”规划纲要》指出，健康是促进人的全面发展的必然要求，是经济社会发展的基础条件［2］。

“健康中國”已成为国家战略。

高等院校作为科技创新和人才培养的重要基地，在医工交叉领域开展前沿性和关键技术的攻关工作，可以在解决国家在医疗健康领域的重大问题方面发挥重要的作用。

目前，很多高校开展了医工交叉领域的科研、产业化以及人才培养等工作，很多高校专门设立了医工交叉研究院、医工创新研究院、跨学科医工交叉融合学院等二级学院或研究院，专
门开展医工交叉的工作。

高校和医院之间的合作以实际项目为切入点，建立合作的基础，借助科研项目合作，进一步探索人才培养、平台或基地的建设，带动产学研教等全方位工作的开展。

双方合作项目的需求通常来源于医生的临床实践。

目前，很多合作取得了实质性的成效，一方面，高校的技术力量真正解决了医生临床中遇到的问题；另一方面，临床医学遇到的科学问题和技术难题也给工程科学的发展提供了需求导向和驱动力。

在探索项目合作的基础上，高校和医院也开始了共同培养交叉型人才的工作，医生走进高校，参与医工交叉项目的教师一起为本科生和研究生进行专业课的授课，指导学生开展课题工作。

目前，医工交叉融合很大程度上还是体现在临床医学、自然科学或工程科学在科研项目层面上的相互融合。

这种融合方式的成功，使得医工交叉作为一门新学科而逐渐兴起。

从学科发展的客观规律来看，教学和科研是密不可分的，科研反哺教学，教学也会促进科研，二者相辅相成。

近年来，学科交叉融合已成为推动学科和专业发展（“双一流”建设）、促进创新人才培养的重要途径［3-5］。

笔者针对如何开展医工交叉相关学科的教学工作，进行了初步分析和探索。

一、医工交叉的教学背景
医工交叉是将医学与工程科学等学科相融合，“协同开展科学研究与应用的一门新兴学科分支领域”［6-7］。

医工交叉学科的发展一直在很大程度上受限于专业背景。

一方面，医学专业的学生具有丰富的医学理论和实践知识，但缺少工科知识体系，不能提出解决医学问题的工科方案；另一方面，工科专业的学生虽然掌握了大量的工科知识，具备相关技术实现的条件，但缺少医学知识，无法将工科的知识用到医学领域。

为了推动医工交叉的融合，真正产出具有创新力的医工交叉成果，急需培养医工交叉领域的人才。

2020年的学科专业分类目录专门设置了交叉学科并新增大量新兴交叉学科［4-5］。

目前我国医工交叉学科的专业人才很少，高端人才更是屈指可数，因此迫切需要培养具有医工交叉结合背景的跨学科人才。

近些年，不少高等院校开展了医工交叉领域的工作，有的学校还成立了医工交叉专业，这与新工科的时代背景相符。

例如，北京航空航天大学是较早在学科层面开展医工交叉融合的高校之一，为了实施医工交叉发展战略，该校与北京众多顶级三甲医院合作，打造医工交叉试验班，培养具有扎实理工科基础的医学科学家以及具有坚实医学基础的生物医学工程卓越工程师。

笔者所在的上海理工大学也在医工交叉领域开展了许多有益的工作，专门招收医工交叉的研究生，这些研究生的课题不仅围绕医工交叉领域的实际项目展开，在教学方面，还需要完成医工交叉相关课程的学分。

这些医工交叉课程由工科教师和医生共同讲授，使学生在学科体系上，补充原有的专业知识的不足，为更好地开展医工交叉的科研和技术工作打下基础。

二、医工交叉学科及相关学科培养方案改进
医工交叉学科独特的背景和内涵，对原有的培养方案提出了新的要求。

在培养目标上，应注重使培养的学生能够借助工科/医学的理论、知识和技术开展以临床应用为导向的医工交叉研究，具备用工科的思维和所学的知识解决临床应用中的医疗器械和设备、医学诊疗方法及其辅助手段等方面的关键技术难题的能力，促进医工交叉领域复合型高素质工科人才的培养。

为了实现这一培养目标，需要建立“高校+医院+产业联盟”链条式的培养模式。

在实际操作中，在培养计划的制订环节，需要一线医生和产业界人士一起参与，共同探索相关课程的新体系、制订新的培养方案和专业新标准。

在教学内容方面，应在原有的培养方案中补充医工交叉领域相关的理论和实践知识。

新的培养模式对从事医工交叉课题研究和教学的教师提出了新的要求，教師应能理解临床医学提出的难题，并能运用工科的思维和方法提出解决问题的方案并最终予以实现。

在相关课程的授课过程中，应注重解决问题的思维和实践能力的培养，采取启发和项目导向的方式引导学生学习。

在课程的评价体系上，应该更加重视对学生自主学习效果的评价，实现从单一评价向多元综合评价的转变。

在考核形式上，除了传统的试卷考核方式，可以补充课程大作业作为考核成绩的评定组成之一。

大作业以分析实际中应用的技术所解决的问题为导向，结合具体的应用案例，运用所学的理论知识分析或设计相应的系统，这将有助于学生对所学理论知识的理解和吸收，促进学生提高实际解决问题的能力，真正实现素质教育。

三、工科课程的医工交叉融合实例探索
（一）图像类课程的医工交叉融合教学实践
图像类课程是工科专业课程体系的重要组成部分，这类课程将涉及图像的采集、获取、编码、存储和传输，图像的生成、显示和输出等多项综合的知识和技术，很多工科专业都把与图像相关的课程作为专业必修课程，如数字图像处理、机器视觉、机器学习、计算机语言与图像处理相结合的课程等。

传统的图像类课程较少与医学应用相结合，而图像在临床医学中有着广泛的应用，很多临床应用都依赖于图像的获取、处理和分析。

医工交叉相关学科的图像类课程的讲授可以将数字图像处理相关的理论、方法及知识点与医学图像的获取、处理和分析相结合，以医学图像为研究对象，加入大量的实例，使课程讲授的理论和方法与临床医学的应用相结合，使学生对理论有具体化、直观化的认识，更能提高学生从理论到实际应用的能力，从而将所学的理论知识用于实际问题的解决。

以“数字图像处理”课程为例，该课程研究的基本内容包括：图像的变换、图像的增强和复原、图像分割以及图像的形态学处理等几方面。

以图像分割为例，它是数字图像处理的重要内容和知识点，是图像识别和图像理解的基本前提步骤。

从图像分割的内容来看，是要将图像分成若干具有相似性质的区域的过程。

也就是说，为了辨识和分析目标，需要将有关区域分离提取出来，在此基础上对目标进一步利用。

这些特征可以是亮度、颜色、纹理、面积、形状、位置、局部统计特征或频谱特征等。

而特征提取也是实际的医学图像应用中的重要任务。

对医学
图像进行分割，就是根据医学图像的某种相似性特征将医学图像划分为若干个互不相交的“连通”的区域的过程，相关特征在同一区域内表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同，也就是说在区域边界上的像素存在某种不连续性。

医学图像分割处理的对象常常是各种细胞、组织、器官的图像，可以利用图像分割的理论和方法，根据区域间的相似或不同，把图像分割成若干区域，从中找到目标区域。

例如，对常用的医学组织切片细胞进行分割、提取和计数时，按照理论上学习的图像分割方法，往往很难实现对细胞的精确分割。

这是因为实际获取的医学图像内所含的细胞往往差别很大，不仅大小不一致、形态有所不同，而且纹理变化也经常十分复杂。

这就需要综合运用数字图像处理所学的图像处理的知识，某些应用场景，还需要提出改进，甚至是创新的方法才有可能取得预期的分割效果。

以具体的医学图像的分割为对象，运用图像分割所学的理论和方法，将会直接提高学生的实际解决问题的能力；同时，也能加深学生对所学的理论知识的理解，真正达到素质教育提升能力的目的。

此外，在实践课的环节，将会运用计算机编程语言作为工具，实现所学理论知识在实践中的运用，这也会大大提高学生的编程实践能力。

（二）仪器类课程的医工交叉融合教学实践
仪器类课程涉及的专业较多，涉及面也较广，如传感器技术、光电检测技术、智能仪器设计、信号与系统、模拟电子电路、单片机原理、误差理论等。

伴随着医工交叉领域不断增加的需求和取得的进展，仪器类技术在医学领域的应用价值越来越重要，这也给仪器类相关课程的授课提出了新的要求，如何将工科领域的仪器类课程相关的知识和医学的应用结合起来，是医工交叉领域面临的重要任务。

在传统的仪器类课程的授课过程中，很少会和医学仪器建立联系。

为了加强医工交叉领域的工科技术力量，需要在授课的过程中与医学仪器相结合。

以“智能仪器设计”课程为例，该课程结合现代科学技术的新进展，介绍智能仪器设计基本原理及方法，使学生掌握智能仪器的设计思路、方法和实现过程，包括智能仪器中信号的输入/输出、人机对话通道、数据处理技术、通信技术、抗干扰技术、系统设计等。

目前，国内临床领域的高端医疗装备长期依赖进口，智能化的先进科学仪器和高端创新医疗设备的自主研发是高等院校的重要任务。

在“智能仪器设计”课中，以典型的医疗仪器为对象，分析其工作原理和设计过程，针对仪器的关键技术，结合所学理论加以分析、理解和运用，从而使学生能将所学的智能仪器设计的相关理论和方法与实际应用相结合，为学生未来从事相关工作打下坚实的基础。

以广泛应用于眼科检查和心脏血管术后检查常用的OCT（Optical Coherence Tomography）设备为例，它是基于光学相干断层扫描的工作原理，根据不同深度的生物组织对光波反射的能力的不同，通过测量光波反射回来时间间隔，获取人体组织的结构信息。

OCT设备属于典型的光电类仪器，包含了应用光学和物理光学的相关理论以及光学仪器技术、传感技术、光电检测技术、图像处理技术、软件算法等多方面的技术。

以OCT设备中的某一组成部分或实现技术为相应课程的授课实例，引导学生结合实际应用的医疗设备学习相关的理论知识和技术，能
够使学生将理论和实践相结合，在实践中检验理论知识，加深对理论知识的理解，实现学有所用。

结语
本文围绕医工交叉学科及相关学科培养方案的改进进行了初步探索，并选取了图像类、仪器类和光学类课程为例，进行了医工交叉背景下，教学改进的探索。

医工交叉为实现学科交叉融合、建设学科新增长点的医学教育改革指明了方向，形成了新的增长点［5］。

随着医工交叉融合的不断发展，二者在教学中的融合也将不断推进，而在实际执行过程中，仍有许多问题值得进一步讨论和探索。

新的培养模式对从事医工交叉课题研究和教学的教师提出了新的要求，教师应能理解临床医学提出的难题，并能运用工科的思维和方法提出解决问题的方案并最终予以实现。

在相关课程的授课过程中，应注重解决问题的思维和实践能力的培养，采取启发和项目导向的方式引导学生学习。

在课程的评价体系上，应该更加重视对学生自主学习效果的评价，实现从单一评价向多元综合评价的转变。

在考核形式上，除了传统的试卷考核方式，可以补充课程大作业作为考核成绩的评定组成之一。

大作业以分析实际中应用的技术所解决的问题为导向，结合具体的应用案例，运用所学的理论知识分析或设计相应的系统，这将有助于学生对所学理论知识的理解和吸收，促进学生提高实际解决问题的能力，真正实现素质教育。

三、工科课程的医工交叉融合实例探索
（一）图像类课程的医工交叉融合教学实践
图像类课程是工科专业课程体系的重要组成部分，这类课程将涉及图像的采集、获取、编码、存储和传输，图像的生成、显示和输出等多项综合的知识和技术，很多工科专业都把与图像相关的课程作为专业必修课程，如数字图像处理、机器视觉、机器学习、计算机语言与图像处理相结合的课程等。

传统的图像类课程较少与医学应用相结合，而图像在临床医学中有着广泛的应用，很多临床应用都依赖于图像的获取、处理和分析。

医工交叉相关学科的图像类课程的讲授可以将数字图像处理相关的理论、方法及知识点与医学图像的获取、处理和分析相结合，以医学图像为研究对象，加入大量的实例，使课程讲授的理论和方法与临床医学的应用相结合，使学生对理论有具体化、直观化的认识，更能提高学生从理论到实际应用的能力，从而将所学的理论知识用于实际问题的解决。

以“数字图像处理”课程为例，该课程研究的基本内容包括：图像的变换、图像的增强和复原、图像分割以及图像的形态学处理等几方面。

以图像分割为例，它是数字图像处理的重要内容和知识点，是图像识别和图像理解的基本前提步骤。

从图像分割的内容来看，是要将图像分成若干具有相似性质的区域的过程。

也就是说，为了辨识和分析目标，需要将有关区域分离提取出来，在此基础上对目标进一步利用。

这些特征可以是亮度、颜色、纹理、面积、形状、位
置、局部统计特征或频谱特征等。

而特征提取也是实际的医学图像应用中的重要任务。

对医学图像进行分割，就是根据医学图像的某种相似性特征将医学图像划分为若干个互不相交的“连通”的区域的过程，相关特征在同一区域内表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同，也就是说在区域边界上的像素存在某种不连续性。

医学图像分割处理的对象常常是各种细胞、组织、器官的图像，可以利用图像分割的理论和方法，根据区域间的相似或不同，把图像分割成若干区域，从中找到目标区域。

例如，对常用的医学组织切片细胞进行分割、提取和计数时，按照理论上学习的图像分割方法，往往很难实现对细胞的精确分割。

这是因为实际获取的医学图像内所含的细胞往往差别很大，不仅大小不一致、形态有所不同，而且纹理变化也经常十分复杂。

这就需要综合运用数字图像处理所学的图像处理的知识，某些应用场景，还需要提出改进，甚至是创新的方法才有可能取得预期的分割效果。

以具体的医学图像的分割为对象，运用图像分割所学的理论和方法，将会直接提高学生的实际解决问题的能力；同时，也能加深学生对所学的理论知识的理解，真正达到素质教育提升能力的目的。

此外，在实践课的环节，将会运用计算机编程语言作为工具，实现所学理论知识在实践中的运用，这也会大大提高学生的编程实践能力。

（二）仪器类课程的医工交叉融合教学实践
仪器类课程涉及的专业较多，涉及面也较广，如传感器技术、光电检测技术、智能仪器设计、信号与系统、模拟电子电路、单片机原理、误差理论等。

伴随着医工交叉领域不断增加的需求和取得的进展，仪器类技术在医学领域的应用价值越来越重要，这也给仪器类相关课程的授课提出了新的要求，如何将工科领域的仪器类课程相关的知识和医学的应用结合起来，是医工交叉领域面临的重要任务。

在传统的仪器类课程的授课过程中，很少会和医学仪器建立联系。

为了加强医工交叉领域的工科技术力量，需要在授课的过程中与医学仪器相结合。

以“智能仪器设计”课程为例，该课程结合现代科学技术的新进展，介绍智能仪器设计基本原理及方法，使学生掌握智能仪器的设计思路、方法和实现过程，包括智能仪器中信号的输入/输出、人机对话通道、数据处理技术、通信技术、抗干扰技术、系统设计等。

目前，国内临床领域的高端医疗装备长期依赖进口，智能化的先进科学仪器和高端创新医疗设备的自主研发是高等院校的重要任务。

在“智能仪器设计”課中，以典型的医疗仪器为对象，分析其工作原理和设计过程，针对仪器的关键技术，结合所学理论加以分析、理解和运用，从而使学生能将所学的智能仪器设计的相关理论和方法与实际应用相结合，为学生未来从事相关工作打下坚实的基础。

以广泛应用于眼科检查和心脏血管术后检查常用的OCT（Optical Coherence Tomography）设备为例，它是基于光学相干断层扫描的工作原理，根据不同深度的生物组织对光波反射的能力的不同，通过测量光波反射回来时间间隔，获取人体组织的结构信息。

OCT设备属于典型的光电类仪器，包含了应用光学和物理光学的相关理论以及光学仪器技术、传感技术、光电检测技术、图像处理技术、软件算法等多方面的技术。

以OCT设备中的某一组成部分或实现技
术为相应课程的授课实例，引导学生结合实际应用的医疗设备学习相关的理论知识和技术，能够使学生将理论和实践相结合，在实践中检验理论知识，加深对理论知识的理解，实现学有所用。

结语
本文围绕医工交叉学科及相关学科培养方案的改进进行了初步探索，并选取了图像类、仪器类和光学类课程为例，进行了医工交叉背景下，教学改进的探索。

医工交叉为实现学科交叉融合、建设学科新增长点的医学教育改革指明了方向，形成了新的增长点［5］。

随着医工交叉融合的不断发展，二者在教学中的融合也将不断推进，而在实际执行过程中，仍有许多问题值得进一步讨论和探索。