以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周秦武，張 博，張大龍，趙永席，馮 怡

(西安交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710048)

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2005年開(kāi)始設(shè)置的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程，是針對(duì)目前本科教學(xué)偏重專業(yè)理論課程，綜合多門基礎(chǔ)理論課程的應(yīng)用能力、獨(dú)立設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的情況[1-3]，重點(diǎn)設(shè)計(jì)打造的綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參照美國(guó)霍普金斯大學(xué)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，提供多種包含不同學(xué)科方向內(nèi)容的專題項(xiàng)目，由學(xué)生獨(dú)立完成選題、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、提交報(bào)告等過(guò)程，是本科生人才培養(yǎng)過(guò)程中最接近科研實(shí)際的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)具有重要作用。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)目標(biāo)

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)是本專業(yè)唯一單獨(dú)設(shè)課的實(shí)驗(yàn)課程，為大學(xué)4年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)，2學(xué)分64課時(shí)，以培養(yǎng)具有初步科研能力、富有創(chuàng)新意識(shí)的復(fù)合型高水平人才為教學(xué)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括醫(yī)學(xué)信號(hào)采集、處理，醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)，專業(yè)前沿問(wèn)題研究等方面，采取分工協(xié)作、文獻(xiàn)檢索、問(wèn)題分析、自主研究的方式，從整體上綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的專業(yè)理論課程，學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)過(guò)程、生物醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科研究方向所涉及技術(shù)問(wèn)題的解決方案，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際科研問(wèn)題的能力以及團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作精神。

1.2 專題項(xiàng)目的設(shè)置和要求

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)是一門以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向、以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的開(kāi)放性專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括4個(gè)研究方向，即嵌入式生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)分析、生物醫(yī)學(xué)超聲前沿問(wèn)題研究、生物醫(yī)學(xué)傳感器專題研究以及大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)方向的研究都有不同的研究目標(biāo)和要求。

(1) 嵌入式生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)分析系統(tǒng)[4-6]。選擇一種處理器作為中央控制器，構(gòu)建一種可測(cè)量處理生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的儀器系統(tǒng)。可供選擇的處理器包括51單片機(jī)、MSP430單片機(jī)、ARM單片機(jī)、DSP處理器、PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等主流控制系統(tǒng)。完成檢測(cè)的系統(tǒng)包括對(duì)血氧飽和度、心電、心音、血壓、人體形態(tài)信號(hào)等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)和分析儀器系統(tǒng)。

(2) 生物醫(yī)學(xué)超聲前沿問(wèn)題研究[7-8]。以本專業(yè)優(yōu)勢(shì)方向，選擇合適的研究項(xiàng)目作為綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如超聲駐波場(chǎng)的微?？刂?、聲致發(fā)光的實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)、超聲誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的實(shí)驗(yàn)研究等，要求學(xué)生學(xué)習(xí)和了解醫(yī)學(xué)超聲場(chǎng)對(duì)生物粒子及細(xì)胞的生物效應(yīng)作用原理，利用學(xué)科優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)資源，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)程序軟件仿真，進(jìn)行觀察、檢測(cè)和分析聲場(chǎng)作用效果，學(xué)習(xí)超聲微?？刂?、聲致發(fā)光、生物效應(yīng)等超聲前沿問(wèn)題研究方法。

(3) 生物醫(yī)學(xué)傳感器專題設(shè)計(jì)研究[9-10]。研究生物材料應(yīng)用于食品衛(wèi)生、環(huán)境污染、疾病監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題的信號(hào)檢測(cè)和分析處理問(wèn)題，如交互響應(yīng)的化學(xué)發(fā)光傳感器陣列系統(tǒng)、基于光電同時(shí)檢測(cè)的傳感器陣列系統(tǒng)、重金屬污染的高靈敏熒光生物傳感檢測(cè)系統(tǒng)、基于信號(hào)放大的肺癌早期預(yù)警生物傳感系統(tǒng)等專題研究項(xiàng)目，以專題實(shí)驗(yàn)手段研究基于生物化學(xué)原理的生物傳感器設(shè)計(jì)使用方法。

(4) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)類。選擇合適的學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目作為綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目都是以學(xué)生為主導(dǎo)的小型研究項(xiàng)目，非常適合于以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的綜合實(shí)驗(yàn)選題，以此為題可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的兼顧，是對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

1.3 實(shí)驗(yàn)要求與考核機(jī)制

本課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多，因而針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)類別提出了不同的實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)于以儀器設(shè)備為主的項(xiàng)目施行項(xiàng)目結(jié)果控制，實(shí)驗(yàn)初期就提出明確的實(shí)驗(yàn)要求，即設(shè)計(jì)完成模擬應(yīng)用電路，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的前端調(diào)理和后端顯示，采用處理器完成信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣和數(shù)據(jù)處理，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)和電路板制作等步驟和要求；對(duì)于前沿研究項(xiàng)目和理論仿真項(xiàng)目，以過(guò)程控制為主，注重訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新能力，將考核重點(diǎn)放在分析方法和科學(xué)解釋，不以最終結(jié)果的正確與否作為唯一考核要求；對(duì)于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)則進(jìn)行目標(biāo)控制，一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)要求，由指導(dǎo)教師在與項(xiàng)目組成員充分討論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行切割劃分，共同制定階段目標(biāo)和最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?？己藢?shí)驗(yàn)完成質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系是對(duì)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)改革的重要保障，我們的評(píng)價(jià)體系按照評(píng)價(jià)內(nèi)容的多元化和評(píng)價(jià)主體的多元化2個(gè)方面構(gòu)建科學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系。

評(píng)價(jià)內(nèi)容的多元化是指不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用不同的評(píng)價(jià)方法，既注重學(xué)生的實(shí)踐過(guò)程培養(yǎng)，又關(guān)注學(xué)生的興趣、動(dòng)機(jī)、主動(dòng)性、合作與交流的意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神；既要求學(xué)生提交詳細(xì)的研究報(bào)告，也允許學(xué)生以研究論文、發(fā)明專利、創(chuàng)新小產(chǎn)品作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，充分允許學(xué)生以自己的興趣組隊(duì)，自主開(kāi)展項(xiàng)目研究。

評(píng)價(jià)主體的多元化則是對(duì)最后的項(xiàng)目驗(yàn)收采取多名教師與項(xiàng)目小組共同討論，一對(duì)一地現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，充分考慮聽(tīng)取學(xué)生的自主評(píng)價(jià)，避免傳統(tǒng)的教師主觀評(píng)價(jià)方式，綜合運(yùn)用學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等方式，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 作用與保障

2.1 對(duì)人才培養(yǎng)的促進(jìn)作用

針對(duì)以往教學(xué)中存在較為普遍的學(xué)生融會(huì)貫通能力差、難以將幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系、數(shù)據(jù)處理分析能力差、動(dòng)手能力差、對(duì)工程問(wèn)題無(wú)從入手等共性問(wèn)題，我們提出了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)改革，對(duì)提高教學(xué)效果、培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才發(fā)揮了重要作用。

(1) 激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。綜合實(shí)驗(yàn)在方案、設(shè)備、器件及時(shí)間安排等方面都存在著很大的不確定性。在以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的背景下，教師只對(duì)各個(gè)項(xiàng)目提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，所有項(xiàng)目沒(méi)有一個(gè)是可以在教科書中找到答案的，學(xué)生只有通過(guò)自主學(xué)習(xí)，充分利用圖書館、實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)等教學(xué)科研資源，才能獨(dú)立完成專題項(xiàng)目的研究。提出項(xiàng)目需求、組織建設(shè)開(kāi)發(fā)環(huán)境、采購(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路、請(qǐng)教教師和團(tuán)隊(duì)討論，項(xiàng)目的每一點(diǎn)進(jìn)展都能激發(fā)出學(xué)生極大的成就感，進(jìn)而激發(fā)出更大的學(xué)習(xí)熱情。

(2) 培養(yǎng)綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)的工作能力。綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理、化學(xué)、工程技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，涵蓋了專業(yè)主要研究方向，匯集了多門課程和交叉學(xué)科的知識(shí)。例如“人體心電信號(hào)產(chǎn)生、射頻無(wú)線收發(fā)以及PC顯示”項(xiàng)目就涉及人體心電信號(hào)模擬、電子線路設(shè)計(jì)、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送、PC機(jī)Labview程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通過(guò)對(duì)多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，保證了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性等方面的拓展，培養(yǎng)了學(xué)生濃厚的專業(yè)興趣，提升了專業(yè)整體教學(xué)水平。

(3) 培養(yǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量、分析和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。實(shí)驗(yàn)室是綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基本平臺(tái)，本專業(yè)為專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課專門建立了綜合與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室具備完善的設(shè)備條件。依托良好的硬件配置，學(xué)生需要完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路調(diào)試、電路板制作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等工作。以綜合應(yīng)用知識(shí)和綜合實(shí)踐能力為著眼點(diǎn)，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀思維和想象能力，調(diào)動(dòng)其從方案設(shè)計(jì)到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程的主觀能動(dòng)性，從而得到對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的全方位綜合訓(xùn)練。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)工作能力。開(kāi)放性意味著每一個(gè)項(xiàng)目只有研究目標(biāo)，具體的方案設(shè)計(jì)是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)用多種專門知識(shí)的過(guò)程，方案實(shí)施和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)嘗試與創(chuàng)新的過(guò)程。在這一過(guò)程中需要小組成員同心協(xié)力、分工合作解決眾多富于挑戰(zhàn)的難題和技術(shù)細(xì)節(jié)，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。以項(xiàng)目為導(dǎo)向的綜合實(shí)驗(yàn)是架設(shè)在教學(xué)與科研之間的橋梁。

2.2 實(shí)踐教學(xué)保障

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為教育部和陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)踐教學(xué)環(huán)境通過(guò)多年建設(shè)已有了巨大進(jìn)步，可以為綜合實(shí)驗(yàn)提供優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)條件。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)課程，主要在具有強(qiáng)烈工程背景的教師隊(duì)伍建設(shè)和開(kāi)放性專題研究?jī)?nèi)容建設(shè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)建設(shè)。

2.1.1 教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)不僅僅是一門專業(yè)必修課程，所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋本學(xué)科的所有研究方向，涉及多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，與教師的科研方向和承擔(dān)的各類課題緊密相關(guān)，既是對(duì)教學(xué)大綱主線的展開(kāi)，又要按照不同教師能力和研究方向進(jìn)行必要的更新。因此，為了解決學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題或疑問(wèn)，必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的建設(shè)和培養(yǎng)。我們?cè)谌珜I(yè)進(jìn)行選拔，選擇具備扎實(shí)的相關(guān)學(xué)科知識(shí)和良好實(shí)際科研能力，并熟悉各種儀器設(shè)計(jì)原理的骨干教師進(jìn)行培養(yǎng)，提高教學(xué)隊(duì)伍的整體素質(zhì)，使其在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠解答各種疑難問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)等各方面確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容保障

為了保證專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施，充分發(fā)揮其在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力中的作用，還必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇優(yōu)化，確保每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的新穎性、綜合性和實(shí)用性。

(1) 力求使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與交叉學(xué)科相結(jié)合、與教師相關(guān)科研課題相結(jié)合、與醫(yī)療儀器工程實(shí)際相結(jié)合。

(2) 充分發(fā)揮綜合與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)放性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的作用，協(xié)調(diào)處理好開(kāi)課時(shí)間和空間的問(wèn)題、儀器設(shè)備完好率問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)耗材充分配備問(wèn)題。

(3) 積極吸收學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，選擇合適的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)納入綜合實(shí)驗(yàn)，既保證了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的順利完成，又能夠吐故納新，從內(nèi)容上吸引學(xué)生積極參與，保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)作為本專業(yè)唯一單獨(dú)設(shè)課的實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)多年的開(kāi)課實(shí)踐和不斷的改革完善，課程的教學(xué)內(nèi)容和師資力量日臻完善。每年都能夠提供20個(gè)以上的專題項(xiàng)目供學(xué)生選擇，并吸納5個(gè)左右的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生實(shí)際選擇25項(xiàng)左右的題目完成。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地以綜合與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為主，涵蓋本專業(yè)的幾個(gè)主要研究單位實(shí)驗(yàn)室。在師資力量配備方面，保證參與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的教師隊(duì)伍保持在5名左右。通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等方面都有了很大提高，綜合實(shí)驗(yàn)課程獲得了學(xué)校“985工程”重點(diǎn)扶持建設(shè)。

改革過(guò)程中也遇到了很多困難，如有些項(xiàng)目規(guī)模控制問(wèn)題、項(xiàng)目設(shè)置的新穎性問(wèn)題、評(píng)價(jià)系統(tǒng)如何確立問(wèn)題等。有些項(xiàng)目難度較大，在有限的時(shí)間里難以完成，而有些項(xiàng)目涉及專業(yè)諸多研究方向，內(nèi)容繁雜，需要工程背景扎實(shí)的優(yōu)秀教師指導(dǎo)，這些問(wèn)題都要在前進(jìn)中逐漸改進(jìn)克服。

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