丁惠君 刁現(xiàn)芬 陳昕
[摘 要] 隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)運(yùn)而生并得到了迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理是一門涉及多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的新興學(xué)科,其課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,但理論性強(qiáng)、難懂且不易掌握。為了解決這些問題,從協(xié)作能力、創(chuàng)造性思維培養(yǎng)、課堂教學(xué)方法和教學(xué)理念等方面探索教學(xué)改革方案,以幫助學(xué)生在牢牢掌握科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),契合未來工程行業(yè)對人才的需求。
[關(guān)鍵詞] 數(shù)字信號(hào)處理;生物醫(yī)學(xué)工程;教學(xué)改革;合作;創(chuàng)新
[作者簡介] 丁惠君(1984—),女(回族),寧夏銀川人,深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事生物醫(yī)學(xué)工程教育研究;刁現(xiàn)芬(1976—),女,山東臨沂人,深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事生物醫(yī)學(xué)工程教育和研究;陳 昕(1975—),男,重慶人,博士,深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授(通信作者),博士生導(dǎo)師,主要從事生物醫(yī)學(xué)工程教育研究。
[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324(2023)21-0083-04 [收稿日期] 2022-08-12
引言
生物醫(yī)學(xué)工程是一門多學(xué)科融合的新興專業(yè),其基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段,研究和解決生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的工程問題,發(fā)達(dá)國家更是將其列入高技術(shù)領(lǐng)域?!搬t(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”是一門涵蓋數(shù)理分析、圖像處理、信息技術(shù)等多方面知識(shí)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程,主要涉及如何通過對生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的提取濾波和處理分析等過程提取有用的信息。由于“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”課程具有理論性強(qiáng)、難懂且不易掌握等特征,對于一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱、抽象能力不強(qiáng)、動(dòng)手能力欠缺的學(xué)生來說較難理解與掌握,教學(xué)效果相對較差[1]。“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”課程主要存在以下問題。
第一,教學(xué)定位不準(zhǔn)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式注重理論知識(shí)及抽象公式的講解,卻忽視了學(xué)生的需求,不顧學(xué)生理解能力的差異,只是單方面“灌輸”。同時(shí),課堂教學(xué)主要以講解一些復(fù)雜難懂的公式變換為主,學(xué)生一味地追求記憶公式通過考試,知其然而不知其所以然,更談不上使用理論知識(shí)解決實(shí)際問題。
第二,教學(xué)方式單一?;仡櫮壳暗慕虒W(xué)授課形式,大多數(shù)的教學(xué)活動(dòng)局限于課堂上的“教”和“學(xué)”,單一乏味的輸出難以讓學(xué)生產(chǎn)生興趣,主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)的過程中,因此,學(xué)生不能很好地全面掌握這門課程的內(nèi)容。
第三,重理論,輕實(shí)踐。目前的教學(xué)活動(dòng)普遍存在的問題是:教師一味地“灌輸”知識(shí)卻沒有給予學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會(huì),忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。這種局限于課堂的教學(xué)方式難以很好地培養(yǎng)出滿足社會(huì)需求的學(xué)生。
以上存在的種種問題對培養(yǎng)具有跨學(xué)科知識(shí)整合能力、終身學(xué)習(xí)能力、良好的溝通交流能力等能夠適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的人才是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此,高校亟須推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心課程改革。
一、課程教學(xué)改革的關(guān)鍵要素
(一)課堂教學(xué)以學(xué)生的需求為主導(dǎo),以教師的輔助為引導(dǎo)
回顧目前的教學(xué)授課形式,學(xué)生上課接觸的多是教師冗長的演講教學(xué)及鋪滿黑板的筆記,而這種長時(shí)間的教學(xué)很容易使學(xué)生處于疲憊、毫無興趣甚至厭惡的狀態(tài)。本文提出的課堂教學(xué)改革包括兩個(gè)部分,即以學(xué)生為主體的分析討論模式和以教師為主體的知識(shí)講解模式。課前5分鐘讓學(xué)生成為課堂的主角主持學(xué)習(xí)練習(xí),通過讓學(xué)生對預(yù)設(shè)問題進(jìn)行討論與思考,并將概念與自己的想法進(jìn)行口頭描述,達(dá)到多重感官訓(xùn)練的目的。正式上課時(shí),教師根據(jù)學(xué)生課前討論需求開展教學(xué)活動(dòng),通過豐富的圖片展示和生動(dòng)的聲音效果刺激學(xué)生的視覺與聽覺,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專注力。
(二)加強(qiáng)課堂教學(xué)與課外實(shí)踐的結(jié)合
基于高校的課堂教學(xué)能幫助學(xué)生建立知識(shí)理論體系,而要培養(yǎng)具有實(shí)戰(zhàn)能力的社會(huì)所需的人才需加強(qiáng)實(shí)踐的鍛煉。因此,要通過理論與實(shí)踐結(jié)合的方式,讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通并使用自如。為了讓學(xué)生更好地進(jìn)行課外實(shí)踐,學(xué)院除了建立實(shí)踐基礎(chǔ)教學(xué)、實(shí)踐提升教學(xué)、課題能力培養(yǎng)等多層次的實(shí)踐教學(xué)體系外,還將設(shè)置實(shí)驗(yàn)特色班,為學(xué)生提供全方位的專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練。此外,學(xué)院與邁瑞醫(yī)療、理邦醫(yī)療、深圳市新產(chǎn)業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程股份有限公司等單位建立了長期合作實(shí)習(xí)產(chǎn)業(yè)基地等項(xiàng)目,使學(xué)生可以實(shí)地考察和學(xué)習(xí),通過了解實(shí)際工程問題,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。
(三)課程教學(xué)改革要以信息技術(shù)為引導(dǎo)
傳統(tǒng)的教學(xué)方式是教師和學(xué)生面對面交流的一種自上而下的“一言堂”教學(xué),雖然從知識(shí)傳授角度來看,這樣的教學(xué)方式無可厚非,但是從學(xué)習(xí)過程來看,傳統(tǒng)教學(xué)方式缺乏學(xué)生和教師的交流。隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)作為教學(xué)工具憑借其優(yōu)越的開放性和交互性越來越受到教育工作者的重視[2]。教師可以通過網(wǎng)絡(luò)直播或者錄制的形式制作教學(xué)視頻,以更加生動(dòng)、形象地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,方便學(xué)生隨時(shí)隨地反復(fù)學(xué)習(xí)。在遇到重點(diǎn)及難點(diǎn)或者需要更新的知識(shí)點(diǎn)時(shí),教師可以通過網(wǎng)絡(luò)直播授課的形式針對性解答,這樣學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,只要在能上網(wǎng)的地方,就可以開展學(xué)習(xí)。此外,還可以建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課堂,包括網(wǎng)絡(luò)教室、網(wǎng)絡(luò)作業(yè)、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)等,讓學(xué)生在課堂外也能與教師交流互動(dòng),提高學(xué)習(xí)的積極性。
二、課程教學(xué)改革的設(shè)計(jì)與實(shí)施
(一)教學(xué)方法的改革
1.以頭腦風(fēng)暴等形式開展翻轉(zhuǎn)教學(xué)。翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式是指顛覆以教師講授為主的授課模式,倡導(dǎo)以學(xué)生主導(dǎo)為開始、教師講授為結(jié)束的組合結(jié)構(gòu)。
“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”課程中的很多教學(xué)內(nèi)容是理論公式講解,容易使學(xué)生在理論推導(dǎo)過程中感到枯燥乏味,無法集中注意力,從而失去學(xué)習(xí)興趣。因此,應(yīng)努力讓學(xué)生跳出這種學(xué)習(xí)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)師生之間的良好協(xié)同,達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。具體地,首先激活學(xué)生獨(dú)立思考。通過經(jīng)常向?qū)W生發(fā)送有關(guān)課程內(nèi)容的電子郵件和創(chuàng)意視頻,有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外,在課堂討論過程中,要保證有足夠的思考時(shí)間和較短的反應(yīng)時(shí)間訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維和表達(dá)能力。同時(shí),教師要確保在傾聽學(xué)生創(chuàng)意的過程中鼓勵(lì)學(xué)生去冒險(xiǎn),通過積極的心理暗示和物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)加強(qiáng)創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。最后,教師要清楚地解釋知識(shí)的語境系統(tǒng)和層次結(jié)構(gòu),通過提問、交流、輔助教具等吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思考。
2.理論教學(xué)融合實(shí)踐訓(xùn)練?!搬t(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”是一門多學(xué)科交叉、具有較強(qiáng)理論性和實(shí)踐性的課程,學(xué)習(xí)過程既需要運(yùn)用邏輯思維去分析,也需要使用如Matlab、Python等工具上手操作。但目前理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不緊密,難以實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)目標(biāo),鑒于此,我們提出以下理論教學(xué)與實(shí)際訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)策略。
首先,按照教學(xué)目標(biāo),以頭腦風(fēng)暴等教學(xué)模式進(jìn)行課堂理論教學(xué)。接著,通過校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程加深理論知識(shí)的理解并增強(qiáng)動(dòng)手能力;實(shí)驗(yàn)課基于以往的教學(xué)內(nèi)容,以小組的形式開展,要求每人在下課之前提交運(yùn)行結(jié)果,實(shí)驗(yàn)期間小組成員可自行組內(nèi)討論,遇到難以解決的問題可舉手示意請求教師幫助。另外,通過與校外公司、企業(yè)合作,讓學(xué)生切身實(shí)地了解專業(yè)知識(shí)的實(shí)際用處,提升學(xué)生的全面素質(zhì)以契合社會(huì)發(fā)展需求。目前,我校已與理邦公司形成戰(zhàn)略合作關(guān)系,為在校學(xué)生提供校外觀摩學(xué)習(xí)和動(dòng)手操練等平臺(tái),貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過程,在延伸學(xué)習(xí)的同時(shí),擴(kuò)展了就業(yè)渠道,加強(qiáng)了企業(yè)需求的應(yīng)用型人才培養(yǎng)。
3.教學(xué)工具的創(chuàng)新與運(yùn)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展,人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了極大的變化。在這樣的時(shí)代背景下,一些傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法與途徑已難以滿足多元化教學(xué)需求。為此,可以穿插運(yùn)用多媒體資源開展課堂教學(xué),并采用網(wǎng)絡(luò)課堂的課外教學(xué)模式,旨在幫助學(xué)生有效地掌握本門課程。
首先,合理利用多媒體資源。與傳統(tǒng)的教學(xué)手段相比,多媒體教學(xué)能通過圖文、聲像創(chuàng)設(shè)逼真的教學(xué)情境,吸引學(xué)生的注意力并緩解枯燥的課堂氛圍,讓抽象的知識(shí)變得通俗易懂,幫助學(xué)生理解掌握。為了使多媒體在教學(xué)中得到充分的應(yīng)用,課程應(yīng)由本班教師設(shè)計(jì),倡導(dǎo)學(xué)生課外主動(dòng)參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。不再局限于固定的時(shí)間、地點(diǎn),便于學(xué)習(xí)者通過視頻、圖片、文字等方式學(xué)習(xí),充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性?!搬t(yī)學(xué)教學(xué)信號(hào)處理”課程現(xiàn)已準(zhǔn)備開展騰訊課堂網(wǎng)絡(luò)教學(xué)活動(dòng),對教學(xué)內(nèi)容開展網(wǎng)上視頻教學(xué)、線上提交作業(yè)活動(dòng),在鞏固課堂知識(shí)的同時(shí)豐富教學(xué)內(nèi)容。另外,每周五組織網(wǎng)上答疑直播,通過反映—作答的形式了解學(xué)生一周的學(xué)習(xí)情況并幫助學(xué)生解決存在的問題。
(二)教學(xué)理念改革,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展
1.主動(dòng)學(xué)習(xí)(以問題為導(dǎo)向,提高主動(dòng)學(xué)習(xí)能力)?;趩栴}學(xué)習(xí),即把學(xué)生放在發(fā)起者的位置上,把學(xué)習(xí)變成有意識(shí)、自愿的事情。大多數(shù)學(xué)生作為依賴者進(jìn)入大學(xué),學(xué)習(xí)過程的內(nèi)在動(dòng)機(jī)是學(xué)生本人,而不是作為知識(shí)傳播者的老師。通過開展問題式學(xué)習(xí),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,促使學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng),提高能動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率。
目前,“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)課程與理論課程并行開展,實(shí)驗(yàn)課是對理論知識(shí)的實(shí)踐和鞏固,不具備系統(tǒng)化和整體化,與實(shí)際的工程應(yīng)用場景較為疏遠(yuǎn)。因此,可整合實(shí)驗(yàn)課程分布,調(diào)整為較為統(tǒng)一的時(shí)段開展綜合性大實(shí)驗(yàn),集中培訓(xùn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。同時(shí),要求學(xué)生從特定的工程問題入手,運(yùn)用批判性思維模式,開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)或定義一種整體方法。比如“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)課中的“心電信號(hào)采集”項(xiàng)目,可以組織學(xué)生練習(xí)采集方法,展示原始嘈雜的心電信號(hào),然后總結(jié)問題并執(zhí)行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,幫助學(xué)生整合專業(yè)知識(shí),使學(xué)生不間斷發(fā)展新的方法,對新思想和未知事物保持開放的態(tài)度。
在教學(xué)傳播中,教師需要在工程背景下尋找可持續(xù)發(fā)展的解決方案;學(xué)生需要對教師授課過程進(jìn)行回應(yīng),將個(gè)人發(fā)展與實(shí)際專業(yè)發(fā)展相結(jié)合。本訓(xùn)練預(yù)計(jì)通過提問引導(dǎo)等方式,使學(xué)生在觀察、發(fā)現(xiàn)、思考、辯論、體驗(yàn)和領(lǐng)悟的過程中,逐步掌握發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、尋求方法、得出結(jié)論的技巧和知識(shí)。另外,運(yùn)用探究式教學(xué),使學(xué)生主動(dòng)參與,發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位,有助于學(xué)生品嘗自己發(fā)現(xiàn)的樂趣,激起強(qiáng)烈的求知欲和創(chuàng)造欲。
在具體實(shí)施時(shí),可以在課堂期間一次或多次要求學(xué)生單獨(dú)或分組練習(xí)教師可能會(huì)提出的問題,持續(xù)30秒到3分鐘,問題內(nèi)容可以包括:(1)概述解決問題的策略。(2)為剛剛描述的過程畫一個(gè)流程圖。(3)開始解決問題,看看你能在兩分鐘內(nèi)解決多少疑問。(4)證明或驗(yàn)證結(jié)果。(5)你對這些材料有什么疑慮或問題。
2.協(xié)同創(chuàng)新。工程本質(zhì)上需要由不同背景、能力和責(zé)任的人員合作完成。了解他人的需求,并在做出決定時(shí)考慮多方,這就是團(tuán)隊(duì)合作的本質(zhì)。高校學(xué)生嚴(yán)重缺乏這方面的認(rèn)識(shí),因此,幫助學(xué)生成為獨(dú)立的學(xué)習(xí)者,并不是教育培訓(xùn)的終點(diǎn)。
在合作學(xué)習(xí)教學(xué)模式中,學(xué)生通過交流分享彼此的想法和經(jīng)驗(yàn),擴(kuò)大了獲取知識(shí)的渠道,有助于學(xué)生靈感的激發(fā)和思維的活躍。通過合作討論與學(xué)習(xí),組內(nèi)同學(xué)之間相互啟發(fā),可以深化學(xué)生對知識(shí)的認(rèn)識(shí),加強(qiáng)概括和表達(dá)能力。同時(shí),把個(gè)人之間的競爭變?yōu)樾〗M之間的競爭,以小組總體成績作為考核的依據(jù),形成了“組內(nèi)成員合作,組間成員競爭”的新格局,使學(xué)生之間相互交流、彼此尊重、共同分享成功的快樂,促進(jìn)了學(xué)生全面發(fā)展。
目前,分組學(xué)習(xí)還未在“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”課程中實(shí)施,預(yù)計(jì)在上述實(shí)驗(yàn)課程改革的同時(shí),安排學(xué)生分組完成部分項(xiàng)目。同時(shí),本文的協(xié)同合作改革方案會(huì)對分組方法提出更為細(xì)致的要求:(1)每組人數(shù)以3~4人為佳。既能降低兩人隊(duì)伍中單個(gè)人占據(jù)主導(dǎo)地位的可能,也能避免因人數(shù)過多而個(gè)別組員被排除在外的情況。(2)教師確定隊(duì)伍成員。教師確定隊(duì)伍成員通常比自己組建團(tuán)隊(duì)更為恰當(dāng)。當(dāng)學(xué)生自主選擇團(tuán)體時(shí),頂尖學(xué)生經(jīng)常互相選擇,而讓其他學(xué)生自我安排,這是不公平的。理想的團(tuán)隊(duì)是不同能力背景、有共同興趣和時(shí)間段的成員組成的。(3)分配小組成員角色并督促輪換。三個(gè)不可或缺的角色是隊(duì)長(拆分任務(wù)并進(jìn)行分配)、書記員(記錄最終問題解決方案)和檢驗(yàn)員(校對和更正最終方案)。
可以單獨(dú)執(zhí)行或與上述任一角色組合執(zhí)行的其他角色包括過程監(jiān)督員(確保和驗(yàn)證每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員的貢獻(xiàn))和懷疑論者(質(zhì)疑和提出可替代方案)。只有真正參加活動(dòng)的學(xué)生的姓名方可出現(xiàn)在解決方案上,而他們的團(tuán)隊(duì)角色需要在課程中就被確定。在整個(gè)課程過程中,角色應(yīng)輪流接替,以便每個(gè)學(xué)生嘗試不同的角色。角色扮演的形式,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與熱情。
結(jié)語
基于長期的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn),本文從改善教學(xué)效果、培養(yǎng)社會(huì)需求型人才出發(fā),探討了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)核心課程“醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理”的改革方案。結(jié)合我國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,以產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為出發(fā)點(diǎn),強(qiáng)調(diào)實(shí)際和應(yīng)用相結(jié)合,注重創(chuàng)新型人才素質(zhì)培養(yǎng),對團(tuán)隊(duì)合作能力設(shè)定新的目標(biāo)和要求?;诒菊n程現(xiàn)有教學(xué)狀況,討論了改革過程中的幾大重要因素,提出了大致的改革框架和確定的改革計(jì)劃,為實(shí)際的教學(xué)改革提供參考。同時(shí),利用現(xiàn)有深圳周邊完整的生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)鏈,理論結(jié)合實(shí)際,通過改革發(fā)展提出一種能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生成為契合行業(yè)發(fā)展需求的工科人才的教育教學(xué)模式。
本文的部分改革思想已被運(yùn)用到現(xiàn)今的教學(xué)活動(dòng)中,包括注重啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和批判思維等,已取得良好的教學(xué)效果,學(xué)生反饋評價(jià)較好。但是,協(xié)同合作和創(chuàng)造性很難被量化,因?yàn)檫@些概念在科學(xué)范圍內(nèi)不是單一的或者已經(jīng)被定義的,而是一個(gè)不容易理解的概念。“醫(yī)學(xué)教學(xué)信號(hào)處理”課程的系列改革措施將會(huì)在后續(xù)繼續(xù)實(shí)施,其有效性有待進(jìn)一步提升。
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Exploration of Collaborative Cooperation and Creative Thinking Training in Specialized Courses: Reform of Teaching Methods and Concepts Based on “Medical Digital Signal Processing”
DING Hui-jun, DIAO Xian-fen, CHEN Xin
(School of Biomedical Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518037, China)
Abstract: With the rapid development of computer and information technology, digital signal processing emerged and developed rapidly. Medical digital signal processing is a new subject involving multidisciplinary and widely used in many fields. This subject is the basic discipline of biomedical engineering (BME) with theoretical and abstract content, which makes it very challenging in teaching and learning. To address those problems, we explore the project of teaching reform based on the training of collaborative ability and creative thinking, the reform of classroom teaching method and teaching concept. The project aims to help students grasp the foundation of science, mathematics and engineering through the university platform, and meet the expectations of the future engineering industry for talents.
Key ?words: DSP; BME; teaching reform; collaboration; innovation