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摘 要： 摘要生物醫學工程專業是理、工、醫高度交叉的專業，在進行虛擬仿真實驗項目建設時必須考慮其專業特點。該文分析了生物醫學工程專業虛擬仿真實驗項目建設的現狀，提出了多學科融合、科研導向、線上線下、虛實結合的一些項目建設思路，并介紹了本校生物醫學工
摘要生物醫學工程專業是理、工、醫高度交叉的專業，在進行虛擬仿真實驗項目建設時必須考慮其專業特點。該文分析了生物醫學工程專業虛擬仿真實驗項目建設的現狀，提出了多學科融合、科研導向、線上線下、虛實結合的一些項目建設思路，并介紹了本校生物醫學工程綜合性虛擬仿真實驗項目建設的實踐經驗。
關鍵詞生物醫學工程專業;虛擬仿真實驗項目;多學科融合;科研導向
實驗教學是培養學生科學探索、創新創業能力和社會責任感的重要載體[1]。虛擬仿真實驗教學是將現代信息技術運用于實驗教學的產物，是實體實驗教學的重要補充[2]，這種教學模式可以較好地彌補實體實驗的一些局限性，比如實驗資源有限、實驗成本高、受時間和空間所限、存在安全風險等[3]。相對于歐美國家而言，我國的教育信息化起步較晚，但是在教育行政部門的積極引導和推動下，隨著國家示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的開展和深化，我國虛擬仿真實驗建設獲得了長足的發展,參與項目開發的企業和高校越來越多，目前的發展趨勢是規模化、多樣化、產學研一體化[4]。盡管虛擬仿真實驗在拓展實驗教學內容深度和廣度、改善實驗教學效果等方面發揮著越來越重要的作用，但是在虛擬仿真實驗教學項目的建設中，也面臨著一些亟待解決和深入探索的問題，比如項目內容原創性不夠、項目質量良莠不齊、技術標準和規范不統一、開放共享程度不足等[5,6]。
由于校情、學情、地區差異很大，為了使虛擬仿真實驗能更好地服務于本科教學和人才培養，因此，在確定虛擬仿真實驗建設內容時要有針對性，要結合本校本專業的實際情況來開展。生物醫學工程是理、工、醫高度融合的學科,它綜合運用各種工程技術手段去解決醫學中的有關問題，為人民健康服務。由于生物醫學工程學科交叉程度高，在開展實驗教學時對師資、場地、資金、設備、環境等要素的要求較高，虛擬仿真實驗教學可以緩解實體教學中遇到的絕大部分困擾，有助于提升學生的動手實踐能力和創新能力。
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現有的生物醫學工程虛擬仿真實驗項目，大多是建設或沿用比如醫學類、生物學、醫學成像、醫學電子等各相關學科的實驗項目[7-9]，學科內容較單一。因此，建設一批能夠體現醫工結合、凸顯專業特色的原創性、綜合性虛擬仿真實驗項目，是生物醫學工程專業實驗教學的迫切需求。
1生物醫學工程虛擬仿真實驗項目建設思路
1.1多學科融合，突出專業核心能力培養
開設生物醫學工程專業的高校有100多所，根據各自的歷史積淀和學科積累，形成了自己優勢的學科方向，比如康復工程學、人工器官、醫療儀器與設備、生物醫學圖像處理、醫學成像原理、醫學傳感器等，重點培養學生綜合運用各種自然科學原理、工程技術與方法以解決醫學工程問題的能力。由于生物醫學工程具有多學科交叉融合的天然特質，在建設虛擬仿真實驗項目時必須考慮其學科融合屬性，甄選有利于培養專業核心能力的實驗項目。
以桂林電子科技大學(以下簡稱我校)生物醫學工程為例，專業的理論和實踐課程體系是按照多學科設置的，專業課包括電子信息類基礎課程、軟件相關課程、生化醫學類課程和醫學儀器設備類課程，但由于師資學科背景等因素的限制，在實際教學中各學科的課程教學基本上各自為政，尚未形成有效的、深度的融合。然而醫學電子類產品的設計、研發，不僅要求學生掌握生物醫學工程的相關基礎知識，還要求學生掌握電子信息相關技術，且能將二者有機統一。以新冠病毒的檢測為例，想要研發相應的病毒檢測儀，就需要了解新冠肺炎病毒的特點、致病機制以及核酸檢測原理、抗原抗體免疫反應等生化和醫學知識，將核酸檢測中堿基的配對或抗原—抗體之間相互作用所產生的光/電信號進行采集、處理、傳輸、顯示等，則需要借助于電子信息類的知識。部分學生能在學術競賽、參與教師科研、大學生創新創業項目等活動中得到訓練和發展，但惠及的學生畢竟是少數。要培養全體學生解決復雜醫學儀器工程問題的能力，多學科融合的虛擬仿真實驗項目是理想的載體。
1.2科研導向，提升實驗項目的挑戰性和高階性
“問渠哪得清如許，為有源頭活水來。”科學研究是教學內容與時俱進的原動力，是課程教學新鮮血液的重要來源。科教融合是培養學生學術創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踐教學，豐富了教學資源，對于學生來說，可以接觸到最新的前沿知識，了解專業發展動態，激發學習興趣，有利于培養學生的創新思維和創新能力。對于教師來說，科教融合過程中與學生的思維碰撞，也有助于研究靈感的迸發。
教師面向科學前沿開展研究，研究項目工作天然具有挑戰性和高階性的屬性。然而研究工作往往涉及一系列復雜的實驗步驟，需要使用到諸多昂貴的試劑耗材和精密儀器設備等，實驗成本高、周期長等成為本科生參與教師科研工作的阻力。因此，及時將教師的科研成果轉化成虛擬仿真實驗教學資源，使所有學生都能得到科學研究的訓練，無疑是提高人才培養質量的有效途徑。虛擬仿真實驗教學項目與科研前沿相融合、與教師科研項目相融合，內容建設不僅立足于專業基礎、具有原創性，也有前瞻性和引領性，體現了學科潮流熱點[10,11]。
1.3線上線下、虛實結合，培養學生的實踐創新能力
根據教育部“能實不虛，虛實結合”的虛擬仿真項目建設理念，將科研項目內容開發成研究性、探索性的虛擬仿真實驗教學項目，從而提高學生做實驗的積極性和主動性。學生可在遠程網絡空間平臺完成原理學習、實驗預習、虛擬實驗和課后測試等環節。同時要具備實體實驗空間及條件，讓學生能結合線下實操，鞏固對相關知識的掌握，使學生在實踐過程中進行自我訓練，培養創新能力，從而提升實驗教學效果。
2生物醫學工程虛擬仿真實驗項目建設實踐
我校生物醫學工程專業經過十年的發展，形成了鮮明的醫學電子儀器、醫學成像技術、人體生理信息無創檢測的專業特色，入選廣西優勢特色專業及國家級一流本科專業建設點。專業建設平臺的突破為專業的快速發展提供了新的契機，但同時也對專業的高質量發展提出了更高的要求。教育部明確要求國家級一流本科專業要在“專業改革、師資隊伍、教學資源、質量保障體系等方面發揮示范輻射作用”[12]。虛擬仿真實驗是實踐教學資源的重要組成部分，本專業的虛擬仿真資源較為匱乏，目前僅有購自市場的醫學電子仿真開發系統、醫學成像工作站仿真教學系統(非虛擬類)，自主設計的虛擬仿真實驗仍處于空白狀態。原創性虛擬仿真實驗項目建設是生物醫學工程專業內涵式發展的迫切需要。
本著基于扎根專業、服務人才培養的原則，我們在“傳感器原理與應用”課程實驗中引入自主開發的虛擬仿真實驗項目——血清膽紅素熒光測量儀。“傳感器原理與應用”是生物醫學工程專業重要的專業基礎課，實驗學時少(8學時)，實驗內容均為物理傳感器實驗，且實驗項目內容往往比較單一，側重于單個知識點或儀器實驗技術的訓練。我校生物醫學專業以醫學電子為專業特色，醫療儀器中不僅需要物理傳感器，同時也需要各種生化傳感器來測量不同的生理參數，如血糖、血脂、尿酸、抗原、抗體等。由于本專業未開設化學類課程，學生缺乏與化學相關的理論和實驗操作技能，將虛擬仿真實驗項目作為課程實驗的重要補充，為學生補充生化傳感器知識和相關實驗技能，有利于提升學生的專業素養。
虛擬仿真實驗項目的內容來自于教師的科研成果，通過“血清膽紅素熒光測量儀”虛擬仿真實驗項目的建設及實施，探索增進生物、化學、醫學與電子信息等學科融合的有效方式，促進科研成果向教學資源的轉化，培養學生解決復雜醫學儀器工程問題的能力，增進創新意識，提升創新創業能力，凸顯醫學電子儀器和人體生理參數生化傳感器的專業特色。通過實驗，讓學生掌握從敏感材料設計材料制備薄膜制備器件轉換的生物傳感器構建策略。血液中的膽紅素主要源自于衰老紅細胞的分解，血清膽紅素的含量是肝功能的重要指標，同時也與心血管類疾病有關。本實驗利用仿生原理，模擬膽紅素在血液中的輸運，首先，制備人血清白蛋白(HSA)保護的熒光金納米簇。其次，利用HSA的兩親性，采用LB膜技術構建HSA-AuNCs熒光膜傳感器，當膽紅素與金納米簇結合成非熒光性復合物時，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，設計便攜式膽紅素熒光測量系統，實現血清膽紅素的定量測定。在熒光測量系統中，LED光源發出的光經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射的熒光經過濾光片濾光后進入光頻傳感器，在此，將熒光信號轉換成電信號，再轉換成頻率信號輸出，由STM32控制器對頻率信號進行采集、分析，并將檢測結果通過OLED顯示。
實驗采用Unity3D技術進行開發，系統架構分為五層來完成具體虛擬實驗教學環境的構建，即數據層、支撐層、通用服務層、仿真層、應用層。整個實驗項目采用模塊化設計，包含金納米簇熒光探針制備、LB熒光膜制備、LB膜傳感器對膽紅素的熒光響應及便攜式熒光測量系統的設計與實現四個模塊。實驗內容涉及生物、化學、材料、醫學、計算機、電子技術等學科知識，是多學科高度交叉融合和科研雙導向的綜合性實驗項目。在實驗中，學生能學習各相關學科的專業理論知識，掌握相關實驗生化操作技術，熟悉熒光光譜儀、紫外可見分光光度計、LB膜分析儀等大型精密儀器的組成、原理及使用方法。項目平臺提供學習資源，學生在線上完成實驗預習、實驗操作及過程考核，通過實驗學生能受到生化類傳感器的設計、構建及系統集成的整個科研流程，培養學生的創新思維和科學素養。項目建成以來，經過兩輪使用，在實驗教學中取得了良好效果。
3結語
在生物醫學工程專業虛擬仿真實驗項目建設實踐中，根據專業定位和人才培養目標，挖掘教師科研項目成果作為虛擬仿真實驗建設素材，促進科學成果與教學資源的相互轉化。并以臨床醫學檢測問題為導向,通過多學科融合的綜合性實驗項目，讓學生受到生化傳感器設計、構建、檢測及儀器集成的科研思維全流程訓練，在側重于培養學生解決復雜醫學儀器工程問題能力的同時，也凸顯了專業特色。——論文作者：肖文香梁永波李華朱健銘
