《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》教學(xué)改革探索

張 妍，喬清理

(天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，天津 300070)

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》教學(xué)改革探索

張 妍，喬清理

(天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，天津 300070)

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》是利用電子學(xué)的理論和技術(shù)對生物醫(yī)學(xué)信號進行檢測、處理、變換和傳輸?shù)睦碚摷胺治龇椒ǖ目茖W(xué)，是生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程。過去本課程與學(xué)科前沿的結(jié)合不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容更新速度較慢，缺乏與臨床醫(yī)學(xué)的聯(lián)系;實驗課缺乏循序漸進的、與理論課密切結(jié)合的實驗內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)面狹窄。經(jīng)過教學(xué)實踐改革，我們采用自上而下的教學(xué)方法進行課程講授，實驗課采用計算機輔助電路設(shè)計與實際硬件設(shè)計相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計出集成運算放大器電路，并改革實驗考試方法。激勵學(xué)生在自主設(shè)計上獲得實踐經(jīng)驗的同時鞏固復(fù)習(xí)已學(xué)過的電子元件和電子基本電路，達到理論和實際應(yīng)用相結(jié)合的目的。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué);教學(xué)改革;自上而下;計算機輔助電路設(shè)計

在教育部《關(guān)于進一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》頒發(fā)后，全國掀起了深化本科教學(xué)改革的熱潮。但受原有教學(xué)模式和傳統(tǒng)教育觀念的影響，長期以來《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的課堂教學(xué)主要采取自下而上的教學(xué)模式，即從運算放大器的工作原理開始，然后利用這些運算放大器構(gòu)建一些基本電路，分析這些基本電路的功能，最后給出這些電路的應(yīng)用例子。但在這種教學(xué)模式中學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的，因此需要教師在課程內(nèi)容和講授方法上進行改革。近年來，我們課程組采用自上而下的教學(xué)方法，增強實驗課內(nèi)容，改革實驗考試方法，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生主動掌握如何設(shè)計具體電路，同時更早開始設(shè)計實用電路。本教學(xué)改革旨在把學(xué)生融入有意義的任務(wù)完成的過程中，讓學(xué)生積極地學(xué)習(xí)、自主地進行知識建構(gòu)，增強學(xué)習(xí)興趣。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的開設(shè)時間通常是在大三第二學(xué)期或大四第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了《電路分析》、《信號與系統(tǒng)》和《模擬電子技術(shù)》等課程?！渡镝t(yī)學(xué)電子學(xué)》既是電子學(xué)的后續(xù)和提高課程，又為今后能更好地從事生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計的研究打下技術(shù)基礎(chǔ)。我們使用的教材主要有《Medical Instrumentation:Application and Design》，1997;李剛等編著的《現(xiàn)代測控電路》;蔡建新，張唯真編著的《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》，1997。本課程的主要內(nèi)容包括:生物醫(yī)學(xué)信號測量的特殊性及基本條件，信號的檢測、處理、變換和傳輸?shù)幕纠碚撆c方法，涉及的電子電路以半導(dǎo)體集成電路為主，注重新型、實用及通用性。通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生較深入地理解電子測量的基本概念、以及解決問題的基本思想方法，逐步掌握測量電路的設(shè)計。本課程的理論課共54學(xué)時，以生物電信號源為起點，分別介紹生物電檢測的基本方法，生物電信號放大、隔離、濾波和射頻傳輸中的基本理論與方法，使學(xué)生能使用放大器和模擬電子學(xué)設(shè)計我們要實現(xiàn)的系統(tǒng)功能。我們采用自上而下的講課方法，如圖1所示，即先從整體考慮:系統(tǒng)的測量的精度與性能、被測量的量、被測量信號的大小與頻率。然后是測量系統(tǒng)的使用條件和所具有的功能，如信號的顯示、記錄、存儲及其它一些功能。再以信號增益和誤差分配，來確定前向信號通道(即從傳感器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號放大、處理部分電路)所需信號放大、濾波或變換電路的級數(shù)，各級的增益，濾波器的階數(shù)、形式和截止頻率等。最后確定各個組成部分的具體設(shè)計要求。

在第一節(jié)課上，我們將從心電，血壓到超聲，CT儀器，再到醫(yī)院實驗室儀器和治療儀器的實際電路圖給學(xué)生看，找出儀器電路的共同點，得出一般儀器的一般框架。在此基礎(chǔ)上，將醫(yī)學(xué)儀器的一般框架與整個課程即將講授的內(nèi)容逐一聯(lián)系起來，讓學(xué)生從整體上知道學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目的。針對每一章，我們也是從一個生理量測量開始，提出技術(shù)指標(biāo)和原始設(shè)計要求，然后逐漸過渡到與實際醫(yī)學(xué)儀器中相關(guān)的電路。與此同時，結(jié)合各類大學(xué)生電子競賽題目，組織學(xué)生設(shè)計能實現(xiàn)不同功能的集成運算放大器電路，給他們提供開放實驗室，讓學(xué)生通過實驗過程，將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐技能，有利于知識的鞏固與吸收。

圖1 自上而下的教學(xué)改革模式

2 實驗改革和手段創(chuàng)新

2.1 實驗教學(xué)改革

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實驗課是為了配合生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課而設(shè)置的，實踐性較強。實驗室是高等學(xué)校教學(xué)和科研的重要基地，高校的實驗教學(xué)與實驗室建設(shè)工作是衡量高校辦學(xué)實力和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。過去的實驗課，采用電子實驗箱，任課教師在課前把儀器設(shè)備及元器件準(zhǔn)備好，學(xué)生做實驗就是依照實驗手冊在實驗箱面板上插線，根本看不到電路，學(xué)生處于被動地位。采用實驗箱在學(xué)生不斷增多情況下，不僅增加教學(xué)經(jīng)費和占用空間，學(xué)生也依賴于實驗室。改革后的實驗課由三部分組成，一部分是用Mutisim(一個能Windows下運行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件)仿真，另一部分是實驗箱實驗，最后一部分是課程設(shè)計，即綜合性設(shè)計實驗。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一部分實驗采用國際流行的電子輔助設(shè)計軟件——美國國家儀器公司的Mutisim，它不僅是一個能在Windows下運行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件，也是一個能裝進計算機的實驗室。它具有直觀的圖形界面，整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。它還有來自美國模擬器件公司(Analog Devices)、德州儀器(Texas Instruments)和凌力爾特公司(Linear Technologies)豐富的元器件和模塊庫和從數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀到邏輯分析儀高性能的測試儀器。所設(shè)計出的電路除了可用于實驗室的測量之外，還可以做直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點——零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析等定量分析。Multisim不僅提供了高指標(biāo)的虛擬儀器和充足的元器件資源，還彌補了因?qū)嶒瀮x器及經(jīng)費不足造成的缺憾。更為重要的是只要有一臺計算機就能擁有自己的實驗室，打破了時間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時間、地點和領(lǐng)域自主進行實驗，增強他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并發(fā)展自己的興趣愛好。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的問題。學(xué)生有機會按自己的思維開展設(shè)計性實驗，使他們進行研究性和探索性實驗成為可能。

在利用仿真軟件的同時，開展實際硬件的實驗。實驗室資源有:42臺連著計算機和測量儀表的實驗臺。針對有限的實驗臺資源，把學(xué)生分為14個小組，每組安排3人，以小組為單位進行實驗并考核。課程組教師同時擔(dān)任著每個小組的實驗導(dǎo)師，學(xué)生可以自由提問，教師負責(zé)指導(dǎo)他們測量問題、指正錯誤，但不能給出設(shè)計思路和方案。通過這樣與學(xué)生在實驗中的接觸，了解他們的水平。在實驗操作中，不給出任何具體的提前寫好的實驗提綱，要求學(xué)生根據(jù)命題自己計劃在實驗中做什么。為了在實驗室的時間更有效率，要求預(yù)習(xí)實驗，通過仿真軟件來確定設(shè)計是否正確，并在實驗箱面包板上將設(shè)計圖連線。在實驗室沒有安排固定實驗時，就對學(xué)生開放，讓學(xué)生可以自由準(zhǔn)備實驗。

實驗操作的重要環(huán)節(jié)是開展小組討論，其目的是使學(xué)生找出課堂給出的設(shè)計問題的解決方案，以便在實驗期間做好準(zhǔn)備。約半個小時長的小組討論主要解決以下問題:①理解題目:每位學(xué)生都要發(fā)現(xiàn)自己有沒有不清楚和不理解的地方。②發(fā)表創(chuàng)造性意見:學(xué)生對問題能自由想象，展開討論。小組中的一個人記錄問題。③評估上述意見:學(xué)生把他們的觀點、意見組織好，把無關(guān)的分類出來，把和問題重點相關(guān)的記錄下來。④解決問題或計劃如何解決問題:提出具體設(shè)計思路和實踐方案。這時，課程組的教師可以幫助他們弄清或解釋相關(guān)提問，但要讓學(xué)生自己組織施行，只有學(xué)生太偏離目標(biāo)的時候才出來指正。通過這樣的實驗課訓(xùn)練，很多本科生都利用寒暑假，備戰(zhàn)各種電子大賽，自主設(shè)計智能模擬儀器等，在參賽的之余體會到利用運算放大器的靈活性、趣味性及優(yōu)勢。

2.2 實驗考核改革

在實驗教學(xué)改革中，削減了驗證性實驗，提高綜合性和設(shè)計性實驗的比例[2]。為了得到更多的反饋以不斷改進實驗課內(nèi)容，我們把傳統(tǒng)的實驗考試改為在課程學(xué)習(xí)中的三次考試。每次以提出設(shè)計問題的方式教完固定的某一模塊內(nèi)容后，相關(guān)的檢查設(shè)計能使學(xué)生對該模塊的學(xué)習(xí)有更深入的理解。

比如要求學(xué)生設(shè)計一套儀器放大器，這需要學(xué)生了解Electronics Workbench安裝方法與運行方式電路仿真技術(shù)的基本知識;掌握集成運算放大器的主要性能參數(shù)及其含義;掌握儀器放大器的構(gòu)成形式、原理、特點及其適用場合。在放大器的大致結(jié)構(gòu)確定下來之后，分析儀器放大器的頻率響應(yīng);在幅頻特性曲線上找出設(shè)計放大器的截止頻率;改編反饋電阻，觀察反饋電阻對幅頻特性的影響。這部分便與傳統(tǒng)的模擬電子學(xué)課程銜接起來了，同時檢查了學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用能力。

考試內(nèi)容:需要上交的一系列解決問題的方法，學(xué)生可以自己獨立或者以小組為單位一起解決問題。我們分小組對每位學(xué)生都給出不同的題目，每位學(xué)生都要上交個人解決方法的電子版作業(yè)，用特定的元件性質(zhì)來設(shè)計和搭建實現(xiàn)不同功能的測量電路?？荚嚂r以小組為單位，每個人單獨匯報設(shè)計思路，監(jiān)考教師和其他學(xué)生都可以對設(shè)計提問，根據(jù)學(xué)生的解答和設(shè)計來給出分數(shù)。

實驗課考試的總分是以上三部分考試的平均分。只有以上三部分測驗都合格，才能算通過實驗考試。剛開始這門課的教學(xué)改革時，不少學(xué)生第一次考試成績都很不理想，但到學(xué)期末的最后一次考試成績普遍都有了很大提高，說明這種改革的確提高了學(xué)生解決問題的積極性和動手能力。

3 總結(jié)

實踐證明，運用自上而下的理論課教學(xué)模式能使課程內(nèi)容生動化，給學(xué)生搭建出生物醫(yī)學(xué)儀器的整體框架之后再分別講解元器件能啟發(fā)學(xué)生全面了解本課程，激發(fā)他們自主學(xué)習(xí)的期望。其次，豐富實驗課的軟件、硬件內(nèi)容，使考試與解決問題相結(jié)合，采取新的實驗考試方法來進行《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》教學(xué)，經(jīng)過整個學(xué)期的訓(xùn)練，多數(shù)學(xué)生的動手能力有了很大提高，并對這種學(xué)習(xí)方法有良好的反饋。

教學(xué)改革的目的是使學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的理論知識與科研實踐相結(jié)合，培養(yǎng)本科生的科研能力，提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力，培養(yǎng)我國發(fā)展交叉學(xué)科需要的、具有科研能力的創(chuàng)新型人才[3]。值得可喜的是，學(xué)生在第四學(xué)年參加各類電子大賽中屢獲佳績，這跟他們整體設(shè)計思路和動手能力的提高有莫大關(guān)系，也驗證了《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的教學(xué)改革具有可行性，但如何使這門課程與就業(yè)相結(jié)合還是一項長期艱巨、需要教師不斷更新知識結(jié)構(gòu)的任務(wù)。

[1]張秉義，張耀杰.深化實驗教學(xué)改革培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2010，18(1):114-116.

[2]曹佃國，武玉強，張立華.“模擬電子技術(shù)”教學(xué)改革探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(4):14-15.

[3]田 心，鄭旭媛，劉 婷，等.生物醫(yī)學(xué)工程本科研究型教學(xué)模式探索與實踐[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2007，15(5):899-931.

G642.0

A

1006-2769(2011)03-0548-04

2011-03-01

天津醫(yī)科大學(xué)教學(xué)改革項目:“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”課程建設(shè)與教學(xué)改革

張 妍(1982-)，女，研究實習(xí)員，碩士研究生在讀，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的研究。

喬清理，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。