生物醫(yī)學電子學實驗教學探討

韋然 鄭羽 王慧泉 陳瑞娟 陳洪麗 田磊

摘 要：生物醫(yī)學工程是一個交叉學科，生物醫(yī)學電子學在生物醫(yī)學工程專業(yè)課程體系中具有承先啟后的作用。在天津工業(yè)大學生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中，《生物醫(yī)學電子學》是本專業(yè)非常重視的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的實驗教學目前存在硬件實驗資源和學生實踐能力偏弱的問題，本研究探討改革實驗教學內(nèi)容，加入設(shè)計人體血壓檢測等模塊，使實驗與生活體驗相結(jié)合，有助于提高學生對本專業(yè)學習的興趣，培養(yǎng)實際動手能力。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學工程；生物醫(yī)學電子學；實驗教學

生物醫(yī)學工程是一門交叉學科，將工程學與生物、醫(yī)學緊密結(jié)合，旨在探索生命產(chǎn)生、演化規(guī)律，并利用工程手段解決生物及臨床醫(yī)學中的關(guān)鍵問題，在疾病的診斷、預防、治療等方面提供技術(shù)支持和支撐。生物醫(yī)學電子學是生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程作為連接生物學與電子信息科學的橋梁，綜合運用了電子學和信息科學的理論和方法，如生物信息獲取、生物信息分析和生物信息處理等手段，解決生物學、醫(yī)學、生命科學中的相關(guān)問題。

天津工業(yè)大學生物醫(yī)學工程專業(yè)自2012年開設(shè)以來，學院教師在國內(nèi)各大知名高校進行了廣泛調(diào)研。生物醫(yī)學工程專業(yè)結(jié)合天津工業(yè)大學學校以及電子與信息工程學院的實際情況和辦學特色，形成了以培養(yǎng)醫(yī)學信號檢測及儀器方向高端專業(yè)人才為目標，注重多學科交叉，強調(diào)工程技術(shù)和實踐能力的培養(yǎng)模式。天津工業(yè)大學生物醫(yī)學工程專業(yè)將生物醫(yī)學電子學開設(shè)在大學二年級第一學期。本階段是學生了解生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的行業(yè)特點，培養(yǎng)基本理論知識的學習能力，以及培訓工程思維方式等問題的關(guān)鍵時期。

綜合生物醫(yī)學工程專業(yè)以往該課程教學工作總結(jié)、后續(xù)專業(yè)課程授課教師的反饋以及畢業(yè)論文的實際情況，我們發(fā)現(xiàn)生物醫(yī)學電子學的開設(shè)能使學生掌握了生物醫(yī)學工程專業(yè)的專業(yè)特色，具備了一定的生物醫(yī)學信號檢測的設(shè)計思維。但學生在理論聯(lián)系實際以及動手能力等方面，還有待提高和改進。

生物醫(yī)學電子學課程圍繞生物醫(yī)學信號采集系統(tǒng)的組成和特點，將生理學、電子信息、信號處理等知識點進行介紹。在常用的人體體表生理信號檢測中，心電圖、肌電圖、脈搏波、血氧飽和度、呼吸、血壓等信號都是本專業(yè)需要重點講解的部分。其中，人體血壓測量是學生最早體驗過的醫(yī)療器械之一，對該設(shè)備的講解，能夠提高學生的學習積極性，促進學生對生物醫(yī)學信號采集處理過程的認識和理解。

目前本課程設(shè)置為45學時，其中30學時授課，15學時實驗。由于生物醫(yī)學電子學實驗是學生們接觸到的第一門專業(yè)課實驗。因此，在實驗課程設(shè)計方面，需要考慮實驗內(nèi)容如何增強學生應(yīng)用多學科知識解決專業(yè)問題的能力，提高學生的實際動手能力。以往的實驗課程由實驗箱進行獨立的4次實驗，4次獨立實驗的關(guān)聯(lián)性不足。并且，由于實驗箱具有較高的封閉性和整體性，學生的實驗過程僅需按步驟插線并獲得實驗結(jié)果，因此學生往往并不能通過15學時的實驗內(nèi)容達到對教學內(nèi)容產(chǎn)生足夠的了解和認識。

鑒于以上情況，按照生物醫(yī)學工程專業(yè)課程建設(shè)規(guī)劃和人才培養(yǎng)模式的特點，綜合以往教學經(jīng)驗，突出實踐教學的重要性，我們嘗試將生物醫(yī)學電子學實驗教學過程中4次獨立實驗內(nèi)容改為一個完整的血壓檢測硬件設(shè)計實驗，并設(shè)計了“理論學習-市場調(diào)研-仿真實驗-電路調(diào)試-驗證實驗”的實驗教學模式，這有效提高了生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生對實際問題的調(diào)研、分析和解決的能力。

實驗課程給學生提供的主要資料和器材包括實驗手冊、PCB板、必要的電路調(diào)試、焊接工具等。學生每4～6人為一組，需要完成實驗內(nèi)容，并撰寫實驗報告。實驗報告內(nèi)容包括：血壓檢測原理說明、電子血壓計市場調(diào)研、濾波器仿真設(shè)計、硬件電路焊接及調(diào)試、血壓信號波形顯示、實驗成本分析、個人總結(jié)等內(nèi)容。

由于人體生物醫(yī)學信號具有信號弱、頻率低、安全要求高、易受心理因素干擾、工頻干擾大等特點，因此，在實驗課程設(shè)計方面，選擇了電路結(jié)構(gòu)相對簡單、對各學科知識點要求相對較高的人體血壓信號進行采集和處理。

人體血壓信號采集的硬件模塊設(shè)計具有很強的實踐性，并且在整個專業(yè)課程中起到承先啟后的作用——既是《基礎(chǔ)醫(yī)學》《人體解剖》以及《電路理論》等課程的后續(xù)延展，又是《傳感器與醫(yī)學工程》《醫(yī)學電子儀器設(shè)計》《嵌入式系統(tǒng)》等課程的先導基礎(chǔ)。生物醫(yī)學電子學的課程講授及實驗內(nèi)容的設(shè)計，在學生的專業(yè)興趣培養(yǎng)、職業(yè)規(guī)劃等方面都具有十分重要的意義。

實踐表明，通過改革后課程的學習，學生對專業(yè)的認知程度、對知識的掌握程度和團隊合作意識等方面都得到提升。在今后的生物醫(yī)學電子學課程教學中，應(yīng)該繼續(xù)以實踐教學為主要手段，進一步完善相關(guān)實驗內(nèi)容，改進教育教法。

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作者簡介：

韋然，鄭羽，王慧泉，陳瑞娟，陳洪麗，田磊，天津市，天津工業(yè)大學電子與信息工程學院生物醫(yī)學工程系。