TDBU教學(xué)模式在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

但 果，董 磊，劉子琛

(深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，廣東 深圳 518060)

隨著高校畢業(yè)生人數(shù)逐年增加，加上高校人才培養(yǎng)模式與社會(huì)需求有較大差距，高校畢業(yè)生的就業(yè)形勢(shì)變得越加復(fù)雜嚴(yán)峻，探索更加科學(xué)的教學(xué)模式、培養(yǎng)符合社會(huì)需求的高層次人才，就顯得尤為重要。基于此，我們首次利用TDBU(Top-down & Botton-up)教學(xué)模式設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)引入TDBU模式的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能夠快速掌握VHDL程序設(shè)計(jì)理念、模塊化設(shè)計(jì)思想以及VHDL語(yǔ)言如何有效應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，并塑造出他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

1 TDBU教學(xué)模式提出的背景

當(dāng)前我國(guó)大學(xué)生就業(yè)難的問(wèn)題主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是大學(xué)畢業(yè)生找工作難；二是企業(yè)招聘合適人才難；三是高質(zhì)量人才短缺。這三難局面的癥結(jié)就在于高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)的需求嚴(yán)重脫鉤[1-3]。

生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生也同樣面臨著這樣的就業(yè)市場(chǎng)人才供需“怪象”[4]，另外，具有交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科特色的生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)由于其實(shí)踐性強(qiáng)，在短短的4年時(shí)間，該專(zhuān)業(yè)的本科生不僅需要掌握醫(yī)學(xué)、生物電子、計(jì)算機(jī)等專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)，還需要結(jié)合理論知識(shí)不斷提升自己的實(shí)踐水平，這對(duì)于每個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)都是一種巨大的挑戰(zhàn)[5-6]。

為了解決上述問(wèn)題，培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的高質(zhì)量人才，教師需要在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐性課程設(shè)置上反復(fù)推敲，設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使得學(xué)生在剛剛接觸一門(mén)實(shí)踐性課程后，就能對(duì)其有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，而且又能迅速融入到設(shè)計(jì)中，并在較短時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的自信心、在此基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以進(jìn)一步深入到實(shí)驗(yàn)中，從而提高他們的實(shí)踐能力。另外，在實(shí)踐性課程設(shè)置上，還需要考慮到學(xué)生的層次性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)在難度上應(yīng)具有可伸縮性，學(xué)生可以根據(jù)自己的水平，選擇一個(gè)適合自己的難度級(jí)別，這樣就可以確保每個(gè)學(xué)生都能最終完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

TDBU教學(xué)模式恰好能滿(mǎn)足以上需求。該模式引入了項(xiàng)目化教學(xué)理念，即教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分解，并進(jìn)行必要的示范性指導(dǎo),然后讓學(xué)生分組圍繞各自的項(xiàng)目進(jìn)行討論、協(xié)作、實(shí)踐和探究性學(xué)習(xí),最后，以共同完成項(xiàng)目的情況來(lái)評(píng)估學(xué)生是否達(dá)到教學(xué)目的。所有教學(xué)活動(dòng)都是圍繞著真實(shí)的項(xiàng)目展開(kāi)的[7]。因此TDBU教學(xué)模式不是以一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，而是以一個(gè)完整的項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。該模式的主要特點(diǎn)是學(xué)生以小組形式參與并完成可以切分成若干模塊的完整項(xiàng)目，而且學(xué)生可以選擇項(xiàng)目的難易程度。由于該模式可以確保各個(gè)層次的學(xué)生完成項(xiàng)目，因此對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的自信心、提高學(xué)生的實(shí)踐能力，有著極其重大的意義。

2 TDBU教學(xué)模式介紹

TDBU就是將自頂向下設(shè)計(jì)方法和自底向上設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)形成的教學(xué)理念。

自頂向下設(shè)計(jì)方法和自底向上設(shè)計(jì)方法的概念來(lái)自于電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域。一般而言，電子設(shè)計(jì)人員需要掌握2種設(shè)計(jì)方法，分別是自頂向下設(shè)計(jì)方法和自底向上設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，手工設(shè)計(jì)占了相當(dāng)大的比例。隨著強(qiáng)大的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具的不斷出現(xiàn)，自頂向下設(shè)計(jì)方法成為了主要的設(shè)計(jì)手段，首先進(jìn)行系統(tǒng)化分析，確定相應(yīng)的算法，將系統(tǒng)劃分為若干子模塊，然后利用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)每個(gè)子模塊，最后將所有的子模塊拼接在一起。

黑盒模塊和白盒模塊是TDBU教學(xué)模式中的2個(gè)重要概念。黑盒和白盒的概念來(lái)自于軟件測(cè)試。在軟件測(cè)試方法中，有白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試之分。黑盒測(cè)試就是把系統(tǒng)看成一個(gè)“內(nèi)部不可見(jiàn)的盒子”，因此不需要明白它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一般關(guān)注的是對(duì)功能需求的測(cè)試，而白盒測(cè)試設(shè)計(jì)則允許觀察“盒子”內(nèi)部，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理，并運(yùn)用這些知識(shí)指導(dǎo)測(cè)試實(shí)例的設(shè)計(jì)[8]。白盒模塊和黑盒模塊具有相同的功能，但是白盒允許觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理，而黑盒則看不到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了比較清晰地介紹TDBU教學(xué)模式，用圖1的例子進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 TDBU教學(xué)模式應(yīng)用步驟

圖1(a)所示的項(xiàng)目由6個(gè)子模塊組成，所有的子模塊均為黑盒文件，這些黑盒文件即為加密文件，由教師事先準(zhǔn)備好。教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分解，并介紹各個(gè)模塊的工作原理，之后，學(xué)生可以分4步進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施：

(1) 組裝這6個(gè)子模塊，然后進(jìn)行仿真和調(diào)試，這一步的目的是為了讓學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有個(gè)宏觀上的認(rèn)識(shí)，快速建立學(xué)生的自信心；

(2) 學(xué)生在這6個(gè)子模塊中選擇感興趣的若干個(gè)模塊，如圖1(b)所示的模塊2，根據(jù)教師的講解，并結(jié)合自己對(duì)這些模塊的理解，設(shè)計(jì)自己的白盒文件；

(3) 如圖1(c)所示，學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的白盒文件替換黑盒文件，對(duì)同時(shí)含有白盒文件以及黑盒文件的項(xiàng)目進(jìn)行仿真和調(diào)試；

(4)重復(fù)第2步和第3步，直至將所有的黑盒文件轉(zhuǎn)化為白盒文件，如圖1(d)所示，并對(duì)最終的只有白盒文件的項(xiàng)目進(jìn)行仿真和調(diào)試。

3 TDBU教學(xué)模式在“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

TDBU教學(xué)模式首先是應(yīng)用在我校生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中。為了TDBU教學(xué)模式能夠有效應(yīng)用，將VHDL語(yǔ)言描述的模塊定義為白盒模塊，而將NGC文件定義為黑盒模塊。

NGC是綜合后產(chǎn)生的網(wǎng)表文件，包含邏輯設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和約束，是Xilinx自有文件格式，為二進(jìn)制文件，且被加密了。NGC文件可以像VHDL文件那樣，集成到其他模塊中，并對(duì)集成后的模塊進(jìn)行仿真和綜合。

下面以“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的“生命體征參數(shù)解析與顯示”項(xiàng)目為例，進(jìn)一步對(duì)TDBU教學(xué)模式進(jìn)行更加深入的探討。

首先，“生命體征參數(shù)解析與顯示”項(xiàng)目的內(nèi)容是將UART采集到的生命體征參數(shù)(包括體溫、呼吸率和心率)進(jìn)行解析，并顯示在1602液晶屏上。該項(xiàng)目的頂層模塊生命體征參數(shù)解析與顯示模塊(hrrrtemp_decode_disp)由6個(gè)子模塊組成，包括UART模塊(uart)、時(shí)鐘分頻模塊(clk_div)、體溫參數(shù)解析模塊(tempdata_decoder)、呼吸率參數(shù)解析模塊(rrdata_decoder)、心率參數(shù)解析模塊(hrdata_decoder)以及1602液晶顯示模塊(lcd1602)。教師事先準(zhǔn)備好這6個(gè)模塊的NGC文件。教師需要在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)前，向?qū)W生講授項(xiàng)目的分塊思想及各個(gè)模塊的工作原理，之后，學(xué)生可以分4步進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)：

(1) 如圖2(a)所示，將6個(gè)子模塊進(jìn)行組裝、仿真和調(diào)試。由于所有的NGC文件已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，學(xué)生只需要花費(fèi)很短的時(shí)間就可以在液晶顯示屏上讀出體溫值(第一路是35.0 ℃，第二路是34.8 ℃)、心率(20次/分鐘)和呼吸率(60次/分鐘)。第1步的目的是為了讓學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有個(gè)宏觀上的認(rèn)識(shí)，并快速建立學(xué)生的自信心。

(2) 學(xué)生在這6個(gè)子模塊中選擇感興趣的若干個(gè)模塊，如圖2(b)所示的心率參數(shù)解析模塊，并根據(jù)自己對(duì)這2個(gè)模塊的理解，自己編寫(xiě)VHDL文件。

(3) 如圖2(c)所示，學(xué)生用自己編寫(xiě)的hrdata_decoder.vhd文件替換hrdata_decoder.ngc文件，對(duì)同時(shí)含有VHDL文件以及NGC文件的項(xiàng)目進(jìn)行仿真和調(diào)試。

(4) 重復(fù)第2步和第3步，直至將所有的NGC文件轉(zhuǎn)化為VHDL文件，如圖2(d)所示，并對(duì)最終的只有VHDL文件的項(xiàng)目進(jìn)行仿真和調(diào)試通過(guò)。

這樣，整個(gè)項(xiàng)目的頂層和底層就全部是學(xué)生自己設(shè)計(jì)的，而且，學(xué)生在第1步、第3步和第4步均可觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 TDBU教學(xué)模式在“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的應(yīng)用步驟

4 TDBU教學(xué)模式的應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和基于TDBU的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的對(duì)比如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和基于TDBU實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)比圖

深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系每年都開(kāi)設(shè)“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程，每次參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)限制在30名。引入TDBU教學(xué)模式前，學(xué)生只能獨(dú)立完成一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如“加法器設(shè)計(jì)”、“流水燈設(shè)計(jì)”、“七段數(shù)碼管顯示”、“矩陣鍵盤(pán)掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”。TDBU教學(xué)模式，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式實(shí)施完整的項(xiàng)目，如“體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”、“呼吸率的測(cè)量與顯示”、“血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”和“心電的采集與解析”等，而且新的TDBU教學(xué)模式引入了模塊化設(shè)計(jì)理念。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，基于TDBU的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的任務(wù)難度具有伸縮性，適合不同基礎(chǔ)的學(xué)生，而且能夠確保每個(gè)學(xué)生完成任務(wù)。

4.1 簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)變?yōu)橥暾?xiàng)目

美國(guó)伍斯特理工學(xué)院的“基于項(xiàng)目的教學(xué)模式”被公認(rèn)為世界上最好的教學(xué)模式[9]。而基于TDBU的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也是通過(guò)實(shí)施完整項(xiàng)目而非傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)課的項(xiàng)目選擇上，應(yīng)當(dāng)與學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和興趣愛(ài)好相結(jié)合，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要相結(jié)合，與實(shí)際生產(chǎn)、生活實(shí)踐相結(jié)合[10]，基于此點(diǎn)，生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程可以選擇的項(xiàng)目包括“體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”、“呼吸率的測(cè)量與顯示”、“血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”和“心電的采集與解析”。相對(duì)于以往的一系列簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，如“加法器設(shè)計(jì)”、“流水燈設(shè)計(jì)”、“七段數(shù)碼管顯示”、“矩陣鍵盤(pán)掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”，新的項(xiàng)目與企業(yè)實(shí)際更加貼近，因此，在培養(yǎng)人才方面，更加貼近企業(yè)的需求。另外，由于項(xiàng)目涵蓋所有簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生能夠掌握更多的知識(shí)點(diǎn)，并且能夠打消學(xué)生以往“學(xué)不知何處用”的困惑，讓學(xué)生將自己所做的項(xiàng)目與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品緊密結(jié)合起來(lái)。

4.2 獨(dú)立參與變?yōu)閳F(tuán)隊(duì)參與

如何才能讓大學(xué)生的行為習(xí)慣直接為社會(huì)所接受，最直接的辦法就是用社會(huì)所認(rèn)可的方式培養(yǎng)大學(xué)生的行為習(xí)慣。團(tuán)隊(duì)協(xié)作為企業(yè)文化的靈魂，高校應(yīng)將團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)作為重中之重。TDBU教學(xué)模式是以完整項(xiàng)目而非簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)作為對(duì)象。雖然學(xué)生以往尚可獨(dú)立完成簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于完整項(xiàng)目的實(shí)施，就需要團(tuán)隊(duì)參與。團(tuán)隊(duì)參與可以讓學(xué)生感受到團(tuán)隊(duì)的力量，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐明白，一個(gè)看似不能完成的任務(wù)經(jīng)過(guò)大家的努力也能順利完成[11]。

4.3 一體化設(shè)計(jì)變?yōu)槟K化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是團(tuán)隊(duì)參與項(xiàng)目的保障和前提，模塊可直接用于新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，只有新模塊的設(shè)計(jì)才會(huì)花費(fèi)一些時(shí)間，一旦設(shè)計(jì)成功，新模塊又被收錄到模塊庫(kù)中，因此模塊化設(shè)計(jì)可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率[12]。由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)均是基于簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生基本上可以獨(dú)立參與并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。另外，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)很難劃分出單個(gè)子模塊，因此學(xué)生也沒(méi)有機(jī)會(huì)形成模塊化的設(shè)計(jì)思維。TDBU教學(xué)模式引入模塊化設(shè)計(jì)理念，學(xué)生可以在更短的時(shí)間內(nèi)高效完成一個(gè)項(xiàng)目，并且形成企業(yè)的模塊化設(shè)計(jì)思維，這對(duì)于畢業(yè)生就業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是很好的助推劑。

4.4 難易程度固定變?yōu)殡y易程度可控

中國(guó)高校傳統(tǒng)的教學(xué)極少引入層次化教學(xué)理念，同一個(gè)班級(jí)的所有學(xué)生一般都采取同樣的教學(xué)方案、教學(xué)目的和考核標(biāo)準(zhǔn)，而非因人而異的層次化教學(xué)模式，這樣就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的問(wèn)題，基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”，基礎(chǔ)弱的學(xué)生“吃不消”[13]。TDBU教學(xué)理念在每個(gè)項(xiàng)目的設(shè)置上都考慮到學(xué)生的個(gè)體差異，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇一個(gè)或若干個(gè)黑盒模塊進(jìn)行白盒化設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)好的學(xué)生可以多選甚至全選，基礎(chǔ)弱的學(xué)生可以少選，甚至只選擇一個(gè)，但是每個(gè)學(xué)生都能完成最終的項(xiàng)目目標(biāo)。相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，難易程度可控的TDBU教學(xué)模式對(duì)于學(xué)生自信心的樹(shù)立以及興趣的培養(yǎng)具有深遠(yuǎn)的意義。

4.5 不一定能完成的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)變?yōu)橐欢芡瓿傻耐暾?xiàng)目

TDBU教學(xué)模式的實(shí)施步驟分為4步：

(1) 組裝所有黑盒模塊實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)；

(2) 選擇若干個(gè)黑盒模塊進(jìn)行白盒化設(shè)計(jì)；

(3) 將設(shè)計(jì)的白盒模塊與黑盒模塊進(jìn)行組裝實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)；

(4) 重復(fù)步驟B和C，直至將所有的黑盒轉(zhuǎn)化成白盒，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。

模塊組裝的能力是對(duì)每個(gè)學(xué)生最基本的要求，因此，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施的第一步就可以完成整個(gè)項(xiàng)目，并觀察到項(xiàng)目的結(jié)果。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，對(duì)于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以快速完成，而對(duì)于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)則需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，基礎(chǔ)好有耐心的學(xué)生可以經(jīng)受住挫折完成實(shí)驗(yàn)，但大多數(shù)基礎(chǔ)弱或者沒(méi)有耐心的學(xué)生在調(diào)試過(guò)程中遇到困難就不愿意向下進(jìn)行，從而無(wú)法確保實(shí)驗(yàn)的順利完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)TDBU教學(xué)模式應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的效果，相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，有著顯著的提高，尤其是在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、樹(shù)立學(xué)生的自信心、提高學(xué)生的實(shí)踐能力、塑造學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神以及縮短高校人才和社會(huì)需求差距方面，這僅僅是TDBU教學(xué)模式的第一次嘗試。除了生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，TDBU教學(xué)模式還可以應(yīng)用在其他專(zhuān)業(yè)，如電子類(lèi)、計(jì)算機(jī)類(lèi)和自動(dòng)化類(lèi)等，只有通過(guò)不斷的嘗試才能更深入地理解TDBU教學(xué)模式，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使得TDBU教學(xué)模式發(fā)揮出更加顯著的效果。

[1] 陳巒,馬小潔,姜波.基于工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)踐的專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)改革[J].廣西輕工業(yè),2009(1):132-133.

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