醫(yī)學電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實驗教改與創(chuàng)新人才的實踐

趙德春 趙志強 田銀 王岫鑫 王偉

摘 要：創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是科技發(fā)展的源泉和動力，為了提高大學生的創(chuàng)新能力，必須重視實驗教學。但傳統(tǒng)實驗教學具有教學觀念陳舊、教學內(nèi)容滯后、教學手段落后、教學評價缺乏等問題，結(jié)合醫(yī)學類電子專業(yè)總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)實驗教改與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的相關(guān)研究，探索了開放式實驗教學模式，同時優(yōu)化了實驗教學的教學內(nèi)容和評價體制。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實驗教改；創(chuàng)新人才；開放實驗

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0082-03

Abstract： The cultivation of innovative talents is the source and driving force for the development of science and technology. In order to improve the innovation ability of college students， it is necessary to pay attention to the experimental teaching. However， the traditional experiment has the problems of obsolete concept， old content， backward methods and lack of teaching evaluation. It combines the medical electronic majors to summarize the research on the experimental teaching reform and innovation ability of embedded systems， and explores the open experimental teaching mode. At the same time， the teaching content and evaluation system of experimental teaching are optimized.

Keywords： embedded system； experimental teaching reform； innovative talents； open experiment

實驗教學是高校人才培養(yǎng)的重要組成部分，它有助于提高學生的綜合素質(zhì)，特別是培養(yǎng)創(chuàng)新精神[1，2]。創(chuàng)新是民族進步、國家興旺發(fā)達的源動力，同時也是大學生成才的關(guān)鍵[3]。因此，需要轉(zhuǎn)變實驗教育觀念，培養(yǎng)動手能力，加強基礎(chǔ)理論學習，理解科學的研究方法，倡導創(chuàng)新素質(zhì)教育，樹立追求新知識的觀念，從而錘煉勇于創(chuàng)新的科學精神[4]。

一、實驗教學的現(xiàn)狀和弊端

（一）教學觀念陳舊

傳統(tǒng)實驗教學大多以驗證內(nèi)容為主，基本上是在實驗箱或者開發(fā)板上驗證理論知識和范例，學生總是跟著實驗指導書，少有鼓勵學生創(chuàng)新性、開發(fā)性的實驗內(nèi)容[5，6]。這導致兩個問題[7]：一是無法發(fā)揮學生的想象力和主觀能動性，不思考，無創(chuàng)新；二是各實驗內(nèi)容之間互不聯(lián)系，綜合性少。這樣實驗變成驗證的手段，實驗成了理論教學的附庸。這些完全是對實驗教學的誤解。實驗教學旨在培養(yǎng)學生解決科學問題的能力，這是靠驗證性實驗無法實現(xiàn)的，必須借助于綜合性實驗和研究性實驗培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新精神。

（二）教學內(nèi)容滯后

實驗教學受時間局限，內(nèi)容不可能面面俱到，很容易導致學生沒有主動性、積極性和創(chuàng)新性。同時，由于實驗室只在固定的時間，向固定的人群，開放固定的內(nèi)容，并且實驗儀器不能及時更新[8，9]。這導致實驗教學中不能及時吸收學科發(fā)展的新成果、新技術(shù)和新方法，最終導致實驗教學內(nèi)容遠遠落后于時代發(fā)展的步伐。

（三）教學手段落后

實驗教學依然采用教師講解示范的方式，對相關(guān)實驗內(nèi)容、原理和方法詳細講解，再由學生按照實驗指導書完成實驗。另外，在實驗教學中教師缺乏對學生進行啟發(fā)、引導，忽視學生對知識的深入理解與掌握，抑制了學生對未知領(lǐng)域的探索熱情和創(chuàng)新能力的發(fā)揮[10]。

（四）教學評價方式缺乏

傳統(tǒng)的實驗教學以終結(jié)性考核為主，依據(jù)實驗結(jié)果和實驗報告進行評價，忽略實際操作，缺乏對學生實踐能力的綜合考核，特別是對創(chuàng)新能力考察不夠。

二、嵌入式系統(tǒng)實驗教改

嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性強、應(yīng)用性廣泛的課程[11]。它是醫(yī)學電子專業(yè)的核心課程，在教學過程中更應(yīng)重視實驗教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，以及創(chuàng)新能力[12]。由于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)更新快，所涉及到的內(nèi)容新，基本上是電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)，使得嵌入式系統(tǒng)實驗教改課題的研究難度相對較大。醫(yī)學電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實驗教學內(nèi)容豐富。既有電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又有嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論；既有信號調(diào)理的硬件電路設(shè)計，又有模擬仿真技術(shù)；既有軟件算法的仿真技術(shù)，又有軟件的高級語言實現(xiàn)；既有常用的信號采集處理技術(shù)，又有微弱信號的處理，等等。對以上的技術(shù)需要按照以上的多層次劃分逐一歸納、分類，并且對實驗內(nèi)容進行優(yōu)化。

（一）轉(zhuǎn)變觀念，讓學生在實驗中發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維

采取“引、點、撥”的方式，讓學生獨立地進行實驗，培養(yǎng)動手能力，讓學生自主地進行實驗，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。所謂引，就是引導、指導。所謂點，就是指點迷津。所謂撥，就是點撥、提升。學生實驗中遇到問題時，教師切忌把解決問題的方式方法統(tǒng)統(tǒng)端出來，要給學生留有思考的余地，讓學生在遇到問題時通過獨立思考和教師適當引導和指點，找到解決問題的途徑，激發(fā)學生的思維，從而找到解決問題的方法，使學生的主觀能動性得到充分發(fā)揮；在此基礎(chǔ)上引導學生查閱資料，鼓勵學生運用所學知識進行分析，搞清問題的實質(zhì)，這樣才可能培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力。

（二）優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，形成嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學信號的綜合實驗

按照素質(zhì)教育的要求，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為主線，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，建立認識型實驗、綜合型實驗、設(shè)計型實驗和創(chuàng)新型實驗四個層次，形成一系列以嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學信號的綜合實驗，如圖1所示。

1. 認識型實驗

認識型實驗以驗證為主，主要是常用儀器儀表（如萬用表、示波器等）的使用；常用電子電路（如差動放大器電路、濾波器電路）的識別和參數(shù)的配置；常用數(shù)字信號處理算法（如時域算法求平均、頻域算法求傅里葉變換等）的認識；常用工具軟件（如制圖軟件Altium Designer，編程軟件keil C、Quartus等）的使用；以及其他基本操作實驗。認識型實驗著重訓練基礎(chǔ)理論和基本技能，培養(yǎng)分析、歸納實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象的能力，為以后的實驗打下扎實的基本功。

2. 綜合型實驗

綜合型實驗以驗證和設(shè)計為主，主要有生理參數(shù)信號調(diào)理電路（如前級放大器、帶通濾波和陷波器以及后級放大器等）的分析和設(shè)計；生理信號（如心電的R-R間期提取，腦電信號的特征提取等）的分析和設(shè)計；醫(yī)學圖像處理算法（如圖像增強、邊沿識別、輪廓提取等）的分析和設(shè)計；綜合應(yīng)用仿真工具（如算法仿真matlab、電磁仿真XFDTD等）；以及其他綜合應(yīng)用型實驗。綜合性實驗結(jié)合課程設(shè)計，培養(yǎng)科學精神和創(chuàng)新思維，以及分析和解決問題、團結(jié)協(xié)作等能力。

3. 設(shè)計型實驗

設(shè)計型實驗以設(shè)計醫(yī)學儀器或者醫(yī)學參數(shù)的采集為主。根據(jù)信號來源，將生理參數(shù)設(shè)計實驗可以分成將生理參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號（如體溫、血壓信號等）的采集與處理實驗；直接電信號（如腦電、心電）的采集與處理實驗；圖像（如電阻抗成像、X光成像、CT成像等）采集與處理實驗；以及其他生理參數(shù)采集的設(shè)計型實驗。設(shè)計型實驗需要由學生查閱相關(guān)資料，獨立設(shè)計實驗方案并進行實驗研究，分析實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)果及結(jié)論。這有助于提高學生的分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)分析和總結(jié)實驗的能力。

4. 研究型實驗

研究型實驗以研究科學問題為主，主要針對信號采集方法、信號分析方法、電離輻射、電磁輻射等方面進行深入研究。研究性實驗結(jié)合老師的科研項目，對相關(guān)領(lǐng)域的前沿問題或熱點問題展開研究，一般是指從未做過或尚未完成的科學研究。學生查閱資料，提出問題，并設(shè)計實驗方案去實施。這類實驗?zāi)艹浞职l(fā)揮學生的主觀能動性，通過科學研究，獲得新的結(jié)論，使他們大膽提出不同的觀點和見解，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維，以及獨立研究能力和自主創(chuàng)新的能力。

通過由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到提高的實驗課程體系，以增強學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，促進學生的素質(zhì)綜合發(fā)展為目標，從而實現(xiàn)實驗教學特有的功能。在這種多層次、模塊化實驗課程體系中，其實驗設(shè)計、實驗方法、實驗技能體現(xiàn)出通用性、綜合性特征，使得實驗教學的目標更加明確，有助于實現(xiàn)實驗教學的特有功能。

（三）探索研究型實驗教學模式，探索開放實驗教學模式，培養(yǎng)以嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學電子創(chuàng)新能力

探索采用“驗證+設(shè)計+創(chuàng)新”的方法，使學生樂于思考、勤于設(shè)計，努力提高綜合能力，并掌握嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學生理參數(shù)設(shè)計和創(chuàng)新能力。在實驗教學模式上，探索三個結(jié)合和三個轉(zhuǎn)化。三個結(jié)合，即堅持理論與實踐相結(jié)合，教學與科研相結(jié)合，課內(nèi)與課外相結(jié)合。三個轉(zhuǎn)化，即由被動接受向主動學習轉(zhuǎn)化，由驗證實驗向研究問題轉(zhuǎn)化，由模仿向自主設(shè)計轉(zhuǎn)化。教學與科研密切結(jié)合，理論創(chuàng)新與工程應(yīng)用密切結(jié)合，創(chuàng)建以技能訓練為基礎(chǔ)、以研究為核心、以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標的開放性實驗教學模式，如圖2所示。

實驗室開放的內(nèi)涵和形式是多元的。不僅是時間的開放，包括固定時間、開放時間，暑假時間和業(yè)余時間；更重要的是實驗類別的開放，實驗類別包括基礎(chǔ)、開放和前沿實驗；特別是實驗形式的開放，包括實驗課程、設(shè)計競賽和創(chuàng)新計劃，如生物醫(yī)學電子創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯等學科競賽以及科研班、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等。因此，實驗室開放不僅是管理模式的開放，更是教學模式的開放，教學方法和教學手段上的開放，是教學理念的開放，是實施開放式實驗教學模式的基礎(chǔ)和主要形式。開放性實驗教學模式，不僅是實驗時間和實驗內(nèi)容上的開放，并且實驗主體開放。實驗主體合理利用時間，參與以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的實驗項目，在多種形式實驗中綜合培養(yǎng)創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新思維。

三、醫(yī)學電子專業(yè)創(chuàng)新人才的實踐

首先優(yōu)化和整合了實驗教學內(nèi)容，對醫(yī)學電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)為核心的實驗體系進行整合和優(yōu)化，建立多層次的實驗教學體系，建立以嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學信號如心電、血壓、血氧等生理參數(shù)的采集綜合型實驗、設(shè)計型實驗。優(yōu)化實驗內(nèi)容，實驗教學體系逐步向多層次、模塊化課程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。探索開放性實驗教學模式，搭建開放實驗和創(chuàng)新實驗平臺，為學生創(chuàng)新提供場所，培養(yǎng)學生綜合能力。

同時引導學生從學中做，向做中學和做中思的轉(zhuǎn)變，由被動實踐向主動實踐轉(zhuǎn)變，從驗證實驗向研究實驗轉(zhuǎn)變，從而培養(yǎng)了學生的嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學電子創(chuàng)新能力。

最后通過研究型實驗，吸引了一大批學生積極參與課外科技活動，在生物醫(yī)學電子設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯、智能車、3S杯等比賽中獲得全國一等獎1次，全國二等獎2次，全國三等獎1次，重慶市一等獎2次，同時還獲得全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目1次。

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