生物醫學專業電子類課程教學模式改革
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摘要隨著對生物醫學工程專業領域創新型人才的需求不斷增加，需要更新教師隊伍的教育和教學理念，構建指導性傳授知識與主動性學習相結合的互動性專業課程教學模式，在教學過程中著力培養學生的工程實踐能力、工程設計能力、思辨和創新能力、終身自主學習能力和自我發展能力，激發學生探究與創新的興趣，培養學生良好的學習和科研習慣，促進專業課程教學質量和專業人才培養質量不斷提高。
0引言
大學本科專業課程教學模式的改革和創新是一項需要頂層設計的復雜系統工程，生物醫學工程專業具有理、工、醫相結合的交叉學科特點，它應用工程的理論、技術和方法，研究和解決生物醫學領域中的科學問題。近些年，隨著科學及社會的發展，對這個領域高素質的創新型人才的需求有不斷增長的趨勢。美國勞工組織的數據顯示，生物醫學工程專業人才的就業在工程勞動力市場中的增長最大，預計2008年至2018年有72％的增長率。在歐盟，專利的數量在生物醫學技術的范疇中也是最高的［1］。醫科大學的生物醫學工程專業，具有在豐富臨床資源的醫學大背景和大環境下的特色，需要在教學中體現兩個結合，即理工科學與生物醫學緊密結合、基礎研究與臨床實際緊密結合。面對新的形勢，只有積極探索并對教學模式進行不斷改革才能促使高校培養的人才滿足新時代更高的要求。以往的教學模式習慣是以教師為主導，課程教學更多是教師對知識的講授，缺少對學生創新思維的培養，學生在課堂上是被動灌輸，教學效果差強人意。教學工作需要更新整體教師隊伍的教育教學理念，構建“指導性傳授知識與主動性學習相結合”的互動性專業課程教學模式［2］，既加強教師的個性化指導，也尊重學生個性化發展的要求。本研究團隊調研了國內外相關專業教育課程的主要目標和課程設置，學習了國內外生物醫學工程實驗室主要開展的研究成果以及工程培訓的內容［3－5］。國外大多數生物醫學工程專業的學生，除了學習數學和基礎工程課程之外，還要學習生物電子、生物信息、生物材料或生物力學等專業知識，并且在畢業前有機會在校外相關機構實習或見習，同時許多工程系還會與生物醫學工程系在一些項目中聯合，以培養更高素質的學生。結合國內實際情況，在電子類課程的教學過程中，重點培養學生的工程設計能力、工程實踐能力、思辨和創新能力、終身自主學習能力和自我發展能力，激發學生探究與創新的興趣，培養良好的學習和科研習慣，以便不斷提高專業課程的教學質量和專業人才的培養質量，實現整體學科的內涵式發展。
1教學模式改革
1、1制定專業課程教學設計方案
“教”是為了“學”，整合化的教學設計理論強調教學條件的確定必須以學習者的學習過程與需求為依據，教師在教學設計時，建立以學生為中心、以學為本的教學觀念，依據學科發展，不斷挖掘并更新教材中的相關知識點，對專業課程內容的知識結構和脈絡體系進行有機整合，培養學生的思辨能力，激發學生的創新性思維。結合調研學習的情況，形成專業課程教學設計方案模板，如圖1所示。教學內容與教學活動的設計通常包含7個環節，即回顧知識溫故知新、以實例開場引入新課、創設情境提出問題、層層推導突破難點、前后呼應解答問題、應用知識課堂練習、拓展思維延伸課堂。教師在各自教授的專業課程中分別優化教學設計并不斷完善，執行順序可以根據教授內容的不同而有所調整。
1、2改進教學方法
結合專業特點將全部專業課程按照年級進行頂層設計，大學二年級通過3門專業基礎課程提高學生自主學習的能力，大學三年級通過7門專業課程培養學生探究學習的能力和思辨能力，大學四年級通過3門專業課程提高學生解決實際問題的能力，以便為完成畢業設計奠定良好的基礎。以理論和實踐相結合為中心，倡導自主性、研究性和創造性的學習。授課過程中，授課內容上充分體現理論和實踐的緊密聯系，引導學生在學習過程中積極思考；授課方法上多采用啟發式、討論式及案例分析式等教學方法，以促進學生對基礎知識的理解，能夠運用知識創造性解決實際問題。教學方法的改進，不僅要求教師具備創新意識和積極進取的精神，還要求教師具有很強的工程實踐能力［6］。本著繼承和創新的原則，對大學二年級的電工與電路分析、模擬電子技術、電子技術實驗3門課程的教學內容進行整合和規劃［7］，挑選出一些適合自主學習的知識點或者課程章節內容。如在電工與電路分析課程中，結合4大模塊（電阻電路的時域分析、動態電路的時域分析、動態電路的變換域分析、電機原理）的教學基本內容所涉及的知識結構，挑選出“無源器件的認識”、“步進電機的原理及應用”、“常見電機原理及應用”、“對偶性的理論知識與分析方法”、“含受控源電路分析方法的總結”、“戴維南定理的應用意義”、“相量的定義、使用和意義”、“MATLAB在電路分析中的應用”、“使用Multisim進行電路仿真”、“一階電路和閃光燈電路的原理分析及仿真”和“RLC電路的動態特性綜合研究與仿真”共計11個知識點，培養學生自主學習的能力。首先在授課前，將相關學習資源上傳至各課程的網絡平臺上，提出若干個難度適中的問題，并對自主學習提出具體的要求。然后根據學生意愿或隨機分成幾個小組，每個小組針對某個問題查閱文獻資料，通過對所查資料的分析、整理、歸納，制成PPT課件。前期準備好后，在課堂上每小組派出代表分別演示并講解10min左右，教師與學生共同針對其演講的內容進行提問和討論。最后教師對所涉及的知識范圍和討論熱點進行總結，并對學生講不清楚的或者理解有偏差的問題進行補充和更正。這個過程以學生自主學習為主，教師起輔助指導作用，可以事先講解課題分析的方法、提供必要的相關資料、介紹必備的專業背景知識，既要讓學生領會課程的知識重點和應用領域，又要充分激發學生的學習興趣。大學三年級有信號與系統、數字信號處理、脈沖數字電子技術、醫用傳感器、單片機原理與應用、電子學測量方法和電子工藝實習7門課程，在理論課的教學方式上，采取教師講授與學生交流討論并重的方法進行。針對基本原理知識，教師重點講授，采用啟發式、推理式及案例分析式等教學方法，引導學生積極思考，激發學生的學習熱情和興趣。如在數字信號處理課程中，將功能電刺激研究課題的成果作為一個實例，講授功能電刺激實現膀胱排尿功能障礙治療的原理和方法，并加深醫學信號處理理論在本專業領域的重要作用。例如，在信號與系統課程中，將拉曼光譜研究課題的成果作為講授卷積和反卷積的一個實例，將公式和概念與實際應用結合起來，通過反卷積解決基地信號不一致的問題，確保信號處理和特征提取的可靠性，為實現疾病的可靠診斷提供條件。如在脈沖數字電子技術課程中，利用“雨課堂”平臺，新增“發現生活中的數電”專題，引導學生自主學習生活中比較常見的數字電路應用實例，介紹其電路功能、電路結構、工作原理、應用范圍等。又如在單片機原理與應用課程中，教師在課堂上現場演示“電子節能定時轉換器”等工程產品工作過程，幫助學生通過實踐體驗，進一步理解單片機功能和工作原理，同時引導學生觀察學校食堂切面機器人等日常場景中的應用，以及觀看該領域最新流行技術（Arduino開源硬件平臺）應用視頻，自行分析感興趣的單片機應用實例的工作原理、可能出現的問題等，從而加深對知識點的理解和掌握。在實驗教學中，針對基本原理設計實驗方案及技術路線，主要采取探究型教學方式，通過討論交流，讓學生主動探索知識、培養創新思維和思辨能力。如針對數字信號處理課程的實驗教學內容，采用探究式教學方式，改變傳統實驗過程，以教師為主導，結合理論課教學內容，合理地設計實驗方案，以學生為主體展開實驗，使過去被動式的實驗教學方式變為學生主動設計實驗過程，獨立完成實驗內容，并撰寫論文式實驗報告進行歸納和總結。整個實驗過程相對獨立、開放，從實驗的預習、操作到最終的實驗報告撰寫全部以學生為主體，一方面可以更好地與理論課內容相結合，驗證相關原理和方法，達到提高教學質量的目的；另一方面加深了學生對所學知識的理解，激發了學生的學習興趣，培養了獨立分析問題、解決問題的能力。依據大學四年級的醫學儀器原理與實驗、嵌入式系統原理與應用、臨床工程學3門課程特點，給學生提供若干個小項目，在學生明確要解決的問題后，教師指導學生對項目需求進行詳細的分解，同時列出要用到的專業知識點，引導學生尋找每個問題的解決方案和技術路線。將解決問題的實踐與理論的知識點密切結合，這種項目式學習、協作式學習或問題式學習對于促進學生深刻理解專業知識并解決實際問題具有重要意義［8］。學生邊學習邊設計，逐步實現項目的全部功能。如在嵌入式系統原理與應用課程教學中，涉及嵌入式文件系統和Android嵌入式系統及應用開發的理論部分，配合Android界面設計實驗和Android應用程序設計及醫療平板應用實驗兩個綜合性項目。最終要求學生設計一個人機交互UI界面，并對學生的設計成果，檢查驗證其正確性和可靠性。同時，借鑒國內外生物醫學工程教育教學經驗，結合醫學院校的特點，從創新實驗室和第二課堂、學生科研訓練等方面開辟生物醫學工程專業課外教學的形式和內容，以彌補課堂教學的不足，為培養合格的、創新的應用型人才提供幫助［9］。
1、3改革考核方式
區別于傳統的“一張試卷定乾坤”，為了促進自主學習的開展，對學生的學業進行全方位考核。結合調研學習的情況，加大過程考核的比例，擬定各門課程的考核方案。加大專題討論、探究學習、項目設計等學習模式的比重，注重學生在整個學期的過程考核，激勵學生在學習過程中逐步培養各項能力和素質。如電子學測量方法課程的考核方案為綜合考察，即實驗占30％，協作學習占30％，閉卷考試占40％。協作學習有兩部分內容，第一部分為電子測量的新進展和新應用，第二部分涉及示波器原理及測量方法。要求以小組為單位，課下自主學習，課上匯報討論。圖2所示是這門課程協作學習組內自評評分表，圖3是這門課程第一次協作學習的課堂匯報評分表。這兩部分的成績，再加上學生完成課下自主學習，并在BlackBoard網絡教學平臺上網絡課程中按時提交PPT的成績，共同構成協作學習的成績。
2教學改進成果
進行教學模式改革3年來，收獲了良好的教學效果，學生網絡評教成績均在93分以上，同時積累了一些教學改革成果。如電工與電路分析、模擬電子技術、脈沖數字電子技術、電子技術實驗課程梯隊，累計共獲批7項校級教改項目，發表4篇教學文章。又如單片機原理與應用、嵌入式系統原理與應用課程梯隊，連續獲得網絡課程建設、在線開放課程等4個校級項目的資助，發表了3篇關于這兩門課程的教學方法探索文章，指導本科生多次參加全國大學生生物醫學工程類創新設計競賽并獲獎。再如信號與系統、數字信號處理課程梯隊獲批2項校級教改項目，發表5篇與教學改革相關的文章，梯隊教師榮獲2016年全國大學生生物醫學工程類創新設計競賽優秀指導教師和2017年第九屆挑戰杯首都大學生課外學術科技作品競賽優秀指導教師的榮譽稱號。
3討論與結論
新一代的生物醫學工程師必須面對全世界醫療保健系統的挑戰，不僅要支持醫療保健系統中的現有技術，還要開發新的設備和服務。因此，生物醫學工程專業的課程必須適應新的需要。學生除了學習數學、物理等基礎工程課程之外，也要學習生物電子、生物信息、生物材料和生物力學等領域的專業知識，并且還要學習一些醫學基礎課程。學生在畢業前有多次機會在校外附屬醫院的醫學工程科、放射科和信息科等相關科室進行實習和見習，同時還會利用科研基礎訓練項目對學生進行科學研究的基礎培訓。在學習國內外相關教育教學經驗后，提出針對電子類專業課程的的教學模式改革，構建“指導性傳授知識與主動性學習相結合”的互動性專業課程教學模式。通過上述專業課程教學模式的系統改革，為學生營造了積極進取的學習環境和求知氛圍，促使學生積極主動地學習和探索。通過學習和思考，學生能夠系統掌握所學知識理論和技能、梳理知識架構，從而提高運用知識實際解決科學問題的能力。在不斷提高教學效果的同時，充分發揮學生學習的主動性、積極性和創造性，提高學生自主學習與研究的能力，培養學生勇于探索、求實創新的良好習慣和終身學習的素養。
作者：薄雪峰 任朝暉 王燕 劉慶凱 張旭 單位：首都醫科大學生物醫學工程學院
