生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)踐研究

翁蘇湘 霍旭陽

摘要： 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)很重要，但現(xiàn)有各門課程的實(shí)驗(yàn)通常是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，且通過試驗(yàn)箱進(jìn)行，難以讓學(xué)生真正提升能力。為此，探討了開展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的必要性和綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義，并對該專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行了具體實(shí)踐，為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革探索了一條可行之路。

關(guān)鍵詞： 生物醫(yī)學(xué)工程； 實(shí)踐教學(xué)； 綜合實(shí)驗(yàn)室； 設(shè)計(jì)性試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228(2012)07-55-02

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程是一門將工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合，綜合運(yùn)用工程學(xué)相關(guān)原理和方法，解決醫(yī)學(xué)問題的交叉學(xué)科。自上個(gè)世紀(jì)六十年代以來，生物醫(yī)學(xué)工程已逐步演變?yōu)槿虬l(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。

該專業(yè)的本科人才培養(yǎng)目標(biāo)定位為：具備生命科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，具有將現(xiàn)代物理學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的科研能力，并突出應(yīng)用型特色；掌握開發(fā)設(shè)計(jì)、研究醫(yī)學(xué)儀器的基本方法和技能，畢業(yè)后能夠從事醫(yī)學(xué)儀器的應(yīng)用、管理、維修、開發(fā)、研制等工作[1]。

按照培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求和目標(biāo)，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)、研發(fā)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力被認(rèn)為是最重要的專業(yè)技能。高等學(xué)校的專業(yè)教育應(yīng)該將培養(yǎng)學(xué)生的這些技能作為教學(xué)的重中之重。而學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)是學(xué)生整體素質(zhì)和能力提高的一個(gè)重要組成部分，也是培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的復(fù)合型人才的根本需要[2]。

1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問題及原因

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不僅僅可以驗(yàn)證學(xué)生所掌握的理論知識(shí)，同時(shí)還可以訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、實(shí)際操作能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度[3]。有效的實(shí)踐教學(xué)不僅僅是理論課教學(xué)的必要補(bǔ)充，而且學(xué)生的分析、解決實(shí)際問題能力和動(dòng)手能力只有在實(shí)踐教學(xué)中才能夠得到根本提升。但是在目前實(shí)踐教學(xué)中存在的一些問題，影響了課程教學(xué)的最終實(shí)效，也抑制了學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

⑴ 受傳統(tǒng)的“重學(xué)輕術(shù)”觀念的影響，長期重理論教學(xué)，輕實(shí)踐能力培養(yǎng)[4]。另外，擴(kuò)招帶來的學(xué)校規(guī)模急劇增大，實(shí)踐教學(xué)設(shè)施建設(shè)滯后，加之“雙師型”教師嚴(yán)重匱乏，造成實(shí)踐教學(xué)、尤其是工程訓(xùn)練嚴(yán)重不足。

⑵ 單科驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而綜合性自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少。目前生工專業(yè)各門學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程中，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是針對單一課程某一理論教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)是封閉式的，將學(xué)生的思維局限在某一門課程中[5]。而實(shí)際上，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)各門課程，特別是其主干課程電子學(xué)各門課程之間有著緊密的聯(lián)系，學(xué)生缺少學(xué)科開放的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，會(huì)導(dǎo)致知識(shí)的割裂，難以形成完整的知識(shí)體系。因此，當(dāng)要求學(xué)生完成綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或自行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生甚至不知道如何查閱資料、制定實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。

⑶ 使用實(shí)驗(yàn)箱協(xié)助實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅需要進(jìn)行簡單的線路連接就完成了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課成為了課堂教學(xué)內(nèi)容正確性的驗(yàn)證。這種實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生很少深究實(shí)驗(yàn)原理，難以培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神和自主創(chuàng)新意識(shí)，久而久之，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課也喪失了興趣。

⑷ 實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)滯后，校企聯(lián)合還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這是制約實(shí)踐教學(xué)向著學(xué)以致用目標(biāo)邁進(jìn)的障礙之一。本科層次的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)生的直接去向之一就是企業(yè)，為培養(yǎng)企業(yè)用得上、留得住的人才，應(yīng)該使得學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中始終保持與企業(yè)的密切聯(lián)系，才能使學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)際操作中掌握職業(yè)崗位所需的技能及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，了解應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的前沿知識(shí)，完成由學(xué)校到生產(chǎn)崗位的過渡[6]。只有這樣，才能使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中有明確的職場目標(biāo)和方向，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

2 建立生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室的意義

有文獻(xiàn)顯示，通過對采樣數(shù)據(jù)的因子分析和回歸方程的計(jì)算，實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生對教學(xué)質(zhì)量滿意度的影響因素中位置顯著且影響程度最大[4]。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)除了機(jī)械設(shè)計(jì)和信號(hào)處理等課程之外，其核心課程包括電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)等電子學(xué)相關(guān)課程。這些課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在一定程度上相互滲透，且共同構(gòu)筑了綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)。因此，整合各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資，構(gòu)建綜合實(shí)驗(yàn)室，可以有效提升設(shè)備利用率和實(shí)驗(yàn)室利用率，對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科研設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，打造學(xué)生自主創(chuàng)新能力有著十分重要的意義。

⑴ 綜合實(shí)驗(yàn)室作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可用于形成由單一到綜合，由相對獨(dú)立到科學(xué)融合的實(shí)踐教學(xué)體系[1]。這個(gè)體系，可以對學(xué)生的工程技術(shù)實(shí)踐能力進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，以提高學(xué)生的科研素質(zhì)和專業(yè)應(yīng)用技能，提高學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，真正做到學(xué)以致用。

⑵ 綜合實(shí)驗(yàn)室可用于形成以自學(xué)為主，將理論與實(shí)踐融為一體的啟發(fā)式“教”與“學(xué)”體系。文獻(xiàn)顯示，中國和美國大學(xué)工程技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)模式最大的區(qū)別在于，中國大學(xué)的教育以課堂“填鴨式”為主導(dǎo)，而美國大學(xué)生的主要學(xué)習(xí)過程不是在課堂上，而是在課外時(shí)間完成的[7]。通過綜合實(shí)驗(yàn)室，教師可以在實(shí)驗(yàn)前交給學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容概要，讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E及需要取得的結(jié)果，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室通過查閱文獻(xiàn)，自行完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，最終取得滿意實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而教師，在實(shí)驗(yàn)中不再是主導(dǎo)地位，而僅僅起到答疑和輔助實(shí)驗(yàn)的作用，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提升學(xué)科技能。

⑶ 構(gòu)建開放式的綜合實(shí)驗(yàn)室，可讓學(xué)生充分利用業(yè)余時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。通過電子類課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的知識(shí)體系日漸豐滿，會(huì)產(chǎn)生自己動(dòng)手制作實(shí)物的想法，綜合實(shí)驗(yàn)室可以為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備，在動(dòng)手的過程中，學(xué)生會(huì)將知識(shí)融會(huì)貫通，并學(xué)會(huì)在失敗中積累經(jīng)驗(yàn)，這不僅鍛煉了自主創(chuàng)新能力，也增強(qiáng)了克服困難的意志。

⑷ 借助綜合實(shí)驗(yàn)室可以建設(shè)一支實(shí)踐能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)素質(zhì)高的教師隊(duì)伍。長期以來，我國高校人為地將教師分成教學(xué)和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)系列，致使教師“恥”于動(dòng)手參加實(shí)驗(yàn)室的工作。在美國等西方國家，許多著名教授、學(xué)者的專利項(xiàng)目第一件成品都是自己親手制作的[7]。生工專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室可以將相關(guān)學(xué)科教師集中在一起，打破學(xué)科邊界，使得教師可以獲得實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和能力，真正成為“雙師型”教師。

3 我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探

我院的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2004年開始招生，是學(xué)院惟一的工科專業(yè)，教學(xué)體系相對獨(dú)立，教學(xué)模式經(jīng)過多年不斷探索，逐步完善。學(xué)院搭建生工專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)想，經(jīng)過了多年的論證、分析、嘗試，于2011年形成草案，并逐漸付諸實(shí)施。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)踐課程包含機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程，主要通過金工實(shí)習(xí)完成；信號(hào)處理、圖像處理實(shí)踐課程，主要通過計(jì)算機(jī)仿真軟件完成；醫(yī)學(xué)儀器檢測維修實(shí)踐課程，主要通過醫(yī)院醫(yī)療儀器設(shè)備見習(xí)等環(huán)節(jié)完成。而構(gòu)成生工專業(yè)主干課程體系的電路分析、模電、數(shù)電、微機(jī)原理與接口技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用等電子學(xué)課程，因其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)互相滲透，經(jīng)整合電子類課程的實(shí)踐教學(xué)人員和資源，組建綜合實(shí)驗(yàn)室。

⑴ 將專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室分為硬件和軟件兩大體系平臺(tái)

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)旨在培養(yǎng)具備醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)、研發(fā)、修理等能力的工程技術(shù)人員，故學(xué)生的動(dòng)手能力應(yīng)該從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)際上，生物醫(yī)學(xué)工程各門課程的實(shí)驗(yàn)課程，也包括了對學(xué)生軟硬件能力的要求。在實(shí)習(xí)手冊中，部分控制程序已經(jīng)給出，可以引導(dǎo)學(xué)生完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)箱中有完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容電路，學(xué)生通過線路連接可完成對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證。對于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，則要求學(xué)生綜合軟硬件兩大部分，自行完成對電路的設(shè)計(jì)并驅(qū)動(dòng)和控制，同時(shí)要求具備一定的調(diào)試能力，這就需要為學(xué)生提供綜合實(shí)驗(yàn)室。

同時(shí)，考慮到學(xué)生個(gè)人能力有限，且對硬件學(xué)習(xí)和軟件學(xué)習(xí)的敏感度不同，綜合實(shí)驗(yàn)室也提倡團(tuán)隊(duì)合作，合理分工，通過團(tuán)隊(duì)工作更有效的將軟件體系和硬件體系相結(jié)合，共同完成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

⑵ 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先由老師和學(xué)生一起研討實(shí)驗(yàn)要求、目的、內(nèi)容和結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)模塊，并進(jìn)行器件選型，然后完成模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)，使用Protel等軟件進(jìn)行電路圖繪制，并完成電路仿真實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)的電路，再完成制版、焊接，最終制成電路板并進(jìn)行電路調(diào)試。

當(dāng)進(jìn)行分科實(shí)驗(yàn)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)教師帶領(lǐng)學(xué)生按照教學(xué)大綱的要求完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以通過分解綜合實(shí)驗(yàn)的步驟，進(jìn)行相關(guān)件內(nèi)容實(shí)驗(yàn)。

⑶ 軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

軟件實(shí)驗(yàn)主要包括上位機(jī)、應(yīng)用、和下位機(jī)實(shí)驗(yàn)等。上位機(jī)就是PC機(jī)上層的控制程序，比如圖形顯示程序等。在分科實(shí)驗(yàn)中，例如微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，上位機(jī)的程序可以給定，讓學(xué)生輸入程序并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在綜合實(shí)驗(yàn)中，也可以引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生自己開發(fā)上層控制程序。應(yīng)用主要包括模塊功能的開發(fā)和嵌入；而下位機(jī)程序，通常就是單片機(jī)控制程序了。在單片機(jī)應(yīng)用課程中，往往也給出控制程序，以便驗(yàn)證課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的某個(gè)問題。而在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生自己完成全部或部分單片機(jī)控制程序，以提升學(xué)生的主動(dòng)思考能力。

總之，我們所建設(shè)的綜合實(shí)驗(yàn)室，既能完成各門課程的分科驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和各學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)提供了場地、設(shè)備和基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)旨在培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，而實(shí)踐教學(xué)是提升學(xué)生應(yīng)用能力的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的主干支撐學(xué)科內(nèi)在聯(lián)系緊密，這使得構(gòu)建生工專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室成為可能。

縱觀國內(nèi)各高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)模式，有關(guān)實(shí)踐教學(xué)改革的探討十分普遍，但是尚未見構(gòu)建專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室的先例。我們期待通過我院生工專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，可以為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革走出一條新路子，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)科研能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、自主創(chuàng)新能力的生物醫(yī)學(xué)工程人才貢獻(xiàn)微薄之力。

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