基于TDBU教學模式的工程實踐教學改革

唐 滸，萬其偉，董 磊，陳 昕，汪天富

（1. 深圳大學 生物醫(yī)學工程學院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學 廣東省生物醫(yī)學工程實驗教學示范中心，廣東 深圳 518060）

生物醫(yī)學工程是工程學、醫(yī)學與生命科學緊密相關(guān)的交叉學科，致力于將工程技術(shù)引入醫(yī)療領(lǐng)域以解決生命科學、醫(yī)學及健康領(lǐng)域的關(guān)鍵問題[1]。從教學難度上來看，該學科實踐性很強，一名合格的生物醫(yī)學工程本科生不僅需要在四年的時間里掌握電子、計算機、生物醫(yī)學等方面的專業(yè)知識，還要學以致用，利用工程學思維為生物醫(yī)學領(lǐng)域的疑難問題設(shè)計解決方案，并統(tǒng)籌各學科專業(yè)知識進行項目的完整實現(xiàn)，這對學生而言都是一項巨大的挑戰(zhàn)。

不同于傳統(tǒng)專業(yè)培養(yǎng)的“專才”，生物醫(yī)學工程著力于培養(yǎng)全面發(fā)展型系統(tǒng)工程師，專注于各學科的關(guān)聯(lián)和應用[2]。然而，相比于國外，我國系統(tǒng)工程師的培養(yǎng)體系還處于探索階段，許多學生在本科階段的學習中廣泛涉獵而沒有精于一項，這就導致了畢業(yè)后學生找不到合適的工作，企業(yè)招聘不到合適的人才，學生被動升學比例偏高等問題[3-4]。

2019年9月，教育部發(fā)布了《深化本科教育教學改革相關(guān)意見》（以下簡稱《意見》），本次本科教育改革旨在讓學生忙起來、管理嚴起來、教學活起來，讓中國的高等教育、特別是本科教育質(zhì)量實現(xiàn)質(zhì)的提升?！兑庖姟返某雠_體現(xiàn)出了國家對于優(yōu)秀大學生培養(yǎng)的重視，亟需進一步改革培養(yǎng)模式以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。針對這一問題，將TDBU教學模式應用于生物醫(yī)學工程專業(yè)的實踐課程之中，搭配三位一體教學輔助系統(tǒng)，在實踐教學中逐步激發(fā)學生的學習興趣、建立學生的自信心，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)工程能力和動手能力，為學生的升學和就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

1 背景

當前我國大學生就業(yè)困難，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是畢業(yè)生群體龐大，競爭激烈；二是高質(zhì)量人才缺乏，企業(yè)招聘不到合適的人才。伴隨著中國大學近年來的不斷擴招和嚴進寬出的篩選模式，畢業(yè)生人數(shù)從2001年的114萬激增到2019年的834萬，擴增了約7倍。然而，量變未引發(fā)預期的質(zhì)變，普通院校本科生的就業(yè)質(zhì)量沒有明顯提升。這兩難局面的癥結(jié)在于高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)的需求脫節(jié)，無法達到企業(yè)對于員工專業(yè)水平的要求[5-7]。

反觀當今大學教學現(xiàn)狀，許多交叉學科都難以達到其預計的培養(yǎng)目標，生物醫(yī)學工程亦是如此。生物醫(yī)學工程專業(yè)的本科生培養(yǎng)有別于計算機、電子信息等純工科專業(yè)學生的培養(yǎng)模式，尤其要重視科研能力的培養(yǎng)，而優(yōu)秀的科研能力恰恰必須建立在扎實的工程能力之上[8]。由于長期接受應試教育，許多應屆畢業(yè)生的項目能力偏弱，一些學生只能被動升學以求進一步發(fā)展，這無形中延長了人才的培養(yǎng)周期。生物醫(yī)學工程專業(yè)教學存的問題，包括以下方面：

（1）碎片化教學，缺乏宏觀概念。實驗課和理論課體系較為分散，未能系統(tǒng)、宏觀地將理論、實驗和應用相互結(jié)合，導致學生很難學以致用，對自己專業(yè)缺乏興趣和信心。

（2）知識體系比較陳舊，趕不上業(yè)界發(fā)展速度。教學體系過于重視基礎(chǔ)理論而忽視了實踐，導致學生久居象牙塔之中，無法滿足企業(yè)面向產(chǎn)品設(shè)計的團隊合作、規(guī)范化要求。

（3）實踐教學中缺乏硬件條件和配套資源。國內(nèi)生物醫(yī)學工程專業(yè)普遍缺少完整體系的實驗教學平臺（包括實驗設(shè)備、實驗教材、實驗視頻資源）。多數(shù)高校都采用了與電子類專業(yè)相同的教學設(shè)備，或者自制部分課程的實驗設(shè)備，總體還不夠完善。

為了解決這些問題，將TDBU教學模式應用于生物醫(yī)學工程應用實驗課程設(shè)計，同時，通過體系化、模塊化、標準化的設(shè)備、教材、資料體系建設(shè)，提供一體化的生物醫(yī)學工程實踐教學解決方案。

2 TDBU教學模式

2.1 核心思路

TDBU教學模式是將自上而下設(shè)計方法（topdown）和自下而上設(shè)計方法（bottom-up）應用于實踐教學領(lǐng)域的創(chuàng)新教學理念。這兩種設(shè)計方法最早都來自于電子設(shè)計領(lǐng)域，前者重視項目的具體實現(xiàn)，后者重視從宏觀角度對項目的模塊化分割關(guān)聯(lián)[9]。不同于傳統(tǒng)的教學模式，TDBU引入了項目化教學理念，教師僅負責分解項目和進行必要的示范性指導，學生在課余時間借助“三位一體”教學輔助系統(tǒng)進行研究性學習，按照感興趣的順序完成各模塊的項目學習，最終達成項目的完整實現(xiàn)。TDBU教學模式是一個可以把離散、獨立的教學環(huán)節(jié)通過實踐項目貫穿成一個完整、連貫的教學培養(yǎng)體系的創(chuàng)新教學模式。它不僅可以提高學習效率、減輕教師工作量，還能夠解決課程內(nèi)容冗雜、課堂時間不足等問題[10-11]。

2.2 “三位一體”教學輔助系統(tǒng)

“三位一體”教學輔助系統(tǒng)是TDBU教學模式在實踐過程中的得力助手，是學生能夠自行完成學習內(nèi)容的重要保證。該系統(tǒng)由教材、教學網(wǎng)盤、軟硬件實驗平臺三大模塊構(gòu)成，如圖1所示。

在這個系統(tǒng)中，教學網(wǎng)盤包括各類產(chǎn)品的技術(shù)資料和技術(shù)說明文檔，用以幫助學生系統(tǒng)地了解項目結(jié)構(gòu)、理論算法推導和實驗注意事項；教材和視頻是自行編寫、錄制的用于闡述實驗原理、指導實驗進程的資料；軟硬件平臺是針對教材和視頻中的相關(guān)實驗專門設(shè)計，可以用于驗證、設(shè)計相關(guān)項目。值得注意的是，除了教材和硬件平臺，教學網(wǎng)盤可以直接通過鏈接下載，使教學不僅僅局限于課堂。

3 TDBU教學模式課程實驗設(shè)計

“生物醫(yī)學工程應用實驗”課程旨在培養(yǎng)學生在醫(yī)療電子領(lǐng)域的工程實踐能力、項目管理能力和團隊合作精神，整個課程的授課完全采用了 TDBU教學模式，將課時劃分為6大模塊和多個培訓目標（見表 1）。

6大模塊及其子模塊構(gòu)建了一個完整項目的實現(xiàn)流程，同時為了匹配學生項目能力的平均水平，對每一步驟都進行了一定程度的精簡，保證學生能按時、按量完成實驗要求。

圖1 “三位一體”教學輔助系統(tǒng)

表1 實驗模塊和項目

4 TDBU教學模式的應用

白盒和黑盒是 TDBU教學模式中非常重要的概念。對于學生而言，黑盒相當于尚未掌握的模塊或知識，白盒表示已經(jīng)掌握的知識。一個完整的項目包含若干黑盒，相互之間通過輸入輸出關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，學生所需要做的是將任意黑盒取出，借助“三位一體”教學輔助系統(tǒng)將其白盒化后，再放回原有的項目中進行驗證學習，最后通過不斷地重復該步驟，完成整個項目的實現(xiàn)。這種將已破解的模塊代入原有項目體系進行分析，并在不同的學生與學習資源之間創(chuàng)建聯(lián)系，通過創(chuàng)建知識節(jié)點從而構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)的方法，來自于關(guān)聯(lián)主義理論[12]，是整合碎片化知識的有效方法。

值得注意的是，TDBU教學模式并沒有限制學生必須從某個黑盒開始自己的學習，而是賦予了學生相當寬泛的選擇空間，可以跟據(jù)自己的興趣愛好選擇合適的順序。從項目的整體結(jié)構(gòu)上看，越處于中心的黑盒與其他盒子的關(guān)聯(lián)性就越強，學習難度自然也就越大。對于初學者，建議從外圍、關(guān)聯(lián)較少的模塊入手，再逐步拓展到核心模塊。為了比較清晰地介紹TDBU教學模式的實現(xiàn)機理，用圖2中的應用示例進行說明。

根據(jù)課程實驗設(shè)計，一個標準的生物醫(yī)學工程實驗課必須包含六個流程，任何一個流程都可以看作是一個黑盒。

第一步，通過提供的資料，對項目進行宏觀的分析，并將其劃分為多個模塊。這一步的目的是為了讓學生對整個項目有個宏觀的認識，快速建立學生的自信心。在這一過程中，可以發(fā)現(xiàn)PCB是連接最為緊密的模塊，需要后期重點掌握。驅(qū)動模塊緊隨其后，屬于外設(shè)簡單而內(nèi)部連接復雜的模塊，對于初學者，一般選擇簡單的焊接模塊入手，見圖2(a)。

圖2 TDBU教學模式的實現(xiàn)機理

第二步，學生從整體中選出若干個黑盒模塊，借助“三位一體”教學輔助系統(tǒng)將其白盒化，并在理解原理的同時嘗試建立自己的白盒模塊，見圖2(b)。

第三步，將自己建立的白盒歸位，替換原有黑盒后進行驗證，再根據(jù)該模塊和其他模塊的接口關(guān)系進行關(guān)聯(lián)學習。例如，當完成了焊接的學習后，就可以進一步了解工業(yè)化的焊接（打樣貼片），以及PCB的設(shè)計機理與芯片引腳對照，見圖2(c)。

第四步，重復上述的方法，進行關(guān)聯(lián)性學習，將所有黑盒都轉(zhuǎn)化為白盒。隨著白盒數(shù)量的不斷增多，學習者掌握的技能也更加豐富，學習速度和實驗成功率也會顯著提高，見圖2(d)。

在項目進行的過程中，每一步的結(jié)果都可以通過軟硬件實驗平臺進行驗證。學生可以根據(jù)個人能力和興趣，對原有模塊進行功能拓展，使其增添額外的功能。從管理方式來看，TDBU接近于微型化企業(yè)管理模式的移植體，與業(yè)界結(jié)合更為緊密，可從中了解到許多企業(yè)管理方式和技巧，二者教學效果對比如圖 3所示。

圖3 教學模式效果對比

深圳大學生物醫(yī)學工程學院每年開設(shè)諸如醫(yī)學數(shù)字信號處理、硬件描述語言等課程的配套實驗課程，每班大約在30人上下。根據(jù)學院的排課安排，一門課平均下來大約有10～15節(jié)實驗課，且間隔時間較長。在引入TDBU教學模式之前，學生只能完成一些簡單的實驗，如流水燈、獨立按鍵、ADC等，對整個知識體系幾乎沒有宏觀的認知。引入TDBU教學模式后，學生以小組的方式實現(xiàn)完整的醫(yī)療電子項目，如“五參”的測量實驗（體溫、心電、呼吸、血壓、血氧）等，接觸到醫(yī)療電子最為基礎(chǔ)的項目設(shè)計。由于TDBU教學模式引入了模塊化設(shè)計的理念，而每名學生對于模塊的選擇又是多樣化的，這在一定程度上促進了團隊之間的交流合作，使不同層次水平的學生可以在分享知識中提升自己的水平。

5 結(jié)語

經(jīng)過幾年的工程實踐教學證明，TDBU教學模式極大地提高了教學質(zhì)量，同時在培養(yǎng)學習興趣、樹立自信心、提高實踐能力方面也有很好的作用。在形式上，符合第三代大學教學模式的特征[13]，以完整項目實踐作為教學核心，在培養(yǎng)學生學習自信心、提高實踐能力、塑造團隊合作精神等方面效果顯著，提高了教學質(zhì)量。TDBU教學模式可以適用于工科類交叉學科的人才培養(yǎng)，只需稍加修改其中的一些教學內(nèi)容即可快速移植，是一種快速而高效的教學模式。隨著教學改革的不斷深入，TDBU教學模式必將取得更好的實踐效果。