融合信息技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革

周宇軒 段磊 胡克 吳昊 劉賓 胡本慧

[摘 要]電子技術(shù)基礎(chǔ)是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的必修專(zhuān)業(yè)課程，是成為一名合格的醫(yī)療器械電子工程師必須熟練掌握的基礎(chǔ)科目。針對(duì)現(xiàn)階段醫(yī)科大學(xué)醫(yī)工交叉專(zhuān)業(yè)課程體系中，電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程仍大多采用傳統(tǒng)工科教學(xué)模式，存在理論復(fù)雜、概念抽象和學(xué)科前沿及醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用結(jié)合不緊密等問(wèn)題，該文探討了針對(duì)“臨床導(dǎo)向型”醫(yī)工交叉人才培養(yǎng)目標(biāo)的電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程改革方案，從教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革、實(shí)踐技能改革、課程評(píng)價(jià)體系改革四方面入手，融合翻轉(zhuǎn)課堂APP、電路仿真軟件、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等信息技術(shù)，旨在培養(yǎng)具備多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和技能、具備良好創(chuàng)新實(shí)踐能力的高素質(zhì)醫(yī)工融合人才。

[關(guān)鍵詞]生物醫(yī)學(xué)工程;新工科;新醫(yī)科;課程改革;遠(yuǎn)程教育

[中圖分類(lèi)號(hào)] G420[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）48-0-03[收稿日期] 2020-10-06

一、研究背景分析

2018年以來(lái)教育部積極推進(jìn)“新工科”和“新醫(yī)科”建設(shè)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，培養(yǎng)醫(yī)工融合、突破學(xué)科壁壘的醫(yī)工復(fù)合型人才，該計(jì)劃是為落實(shí)健康中國(guó)戰(zhàn)略，培養(yǎng)跨時(shí)代復(fù)合型人才的重要舉措[1，2]。電子技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程、影像技術(shù)等醫(yī)工交叉專(zhuān)業(yè)的重要必修課程，后期開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課程對(duì)其有較強(qiáng)的依賴性。然而，現(xiàn)階段醫(yī)科院校的電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)課仍多采用傳統(tǒng)工科的教學(xué)模式，一定程度上存在“重工輕醫(yī)”的問(wèn)題。具體表現(xiàn)為：理論復(fù)雜、概念抽象，學(xué)生入門(mén)困難導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降;以課堂教學(xué)為主，缺乏與實(shí)際醫(yī)學(xué)電子儀器緊密結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)，跟進(jìn)學(xué)科前沿較慢，難以滿足新工科和新醫(yī)科建設(shè)的要求;評(píng)價(jià)方式單一，仍以考試評(píng)價(jià)為主。

現(xiàn)階段關(guān)于電子技術(shù)課程的教學(xué)改革方向主要分為理論教學(xué)改革、實(shí)踐教學(xué)改革、評(píng)價(jià)體系改革三方面。理論教學(xué)部分主要采用在傳統(tǒng)原理電路的公式推導(dǎo)基礎(chǔ)上，采用更易理解的動(dòng)畫(huà)演示、圖解分析。某些研究團(tuán)隊(duì)還采用帶電路實(shí)物進(jìn)教室，以期增加學(xué)生興趣[3]。南京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，采用慕課網(wǎng)站增強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)[4]。實(shí)踐教學(xué)改革方面，引入仿真軟件，增強(qiáng)學(xué)生理解[5]。評(píng)價(jià)體系方面，傳統(tǒng)的電子技術(shù)常采用期末考試為主要評(píng)價(jià)手段，但由于內(nèi)容多理論學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)，容易陷入忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)，無(wú)法解決實(shí)際工程問(wèn)題的困境。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上述改革措施大多仍集中在傳統(tǒng)電子工程專(zhuān)業(yè)，醫(yī)工交叉專(zhuān)業(yè)的多學(xué)科融合型教學(xué)改革鮮有報(bào)道，這就提出了如何結(jié)合醫(yī)工結(jié)合的專(zhuān)業(yè)特色，做到能解決專(zhuān)業(yè)實(shí)際問(wèn)題的教改需求。慕課網(wǎng)站雖可在課外達(dá)到課后答疑，作業(yè)評(píng)價(jià)等效果，但課堂互動(dòng)仍是一個(gè)待解決的環(huán)節(jié)。評(píng)價(jià)體系還不夠系統(tǒng)，能力培養(yǎng)和具體知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)環(huán)節(jié)未曾匹配。本文針對(duì)上述問(wèn)題探索如何從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐技能、課程評(píng)價(jià)體系四個(gè)方面入手進(jìn)行電子技術(shù)課程改革。突出醫(yī)工融合，強(qiáng)化實(shí)踐能力，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出（Outcomes-Based Education，OBE）教育理念[6]的綜合評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，為培養(yǎng)適合新工科、醫(yī)科時(shí)代需求的復(fù)合型創(chuàng)新人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

針對(duì)基于新工科和新醫(yī)科的人才培養(yǎng)目標(biāo)，我們?cè)陔娮蛹夹g(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中提出了四個(gè)問(wèn)題：一是如何在傳統(tǒng)課程體系中融合醫(yī)工交叉的教學(xué)內(nèi)容;二是如何使用翻轉(zhuǎn)課堂APP并根據(jù)課堂反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容;三是綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，如何充分考慮學(xué)生知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，控制難度，在能保證大多數(shù)同學(xué)可以完成的情況下，增加題目彈性，鼓勵(lì)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行創(chuàng)新拓展;四是如何構(gòu)建理論掌握和實(shí)踐能力兼容的科學(xué)評(píng)價(jià)體系。

（一）醫(yī)工交叉的電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容改革

電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容往往集中于電子線路設(shè)計(jì)，實(shí)例多集中于電子工業(yè)領(lǐng)域，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中很難建立和醫(yī)療應(yīng)用的聯(lián)系，再加上理論復(fù)雜，入門(mén)困難，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降。因此這也是我們教學(xué)內(nèi)容改革的重點(diǎn)所在。具體措施為，首先，對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的類(lèi)型、傳感方式、產(chǎn)生原理、信號(hào)特性進(jìn)行分類(lèi)剖析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)研收集典型的醫(yī)用電路，和教學(xué)大綱中要求的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行緊密結(jié)合，例如，在差動(dòng)放大器章節(jié)中講解心電放大電路如何抑制共模噪聲，達(dá)到微弱人體差模信號(hào)的放大。采用生物醫(yī)學(xué)實(shí)用電路，部分取代其他專(zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)例，精簡(jiǎn)教學(xué)內(nèi)容。此外，在課程中融入學(xué)科前沿的新進(jìn)展，比如柔性電子、有機(jī)集成電路在診療中的應(yīng)用，讓學(xué)生通過(guò)思考建立所學(xué)知識(shí)和前沿領(lǐng)域的相關(guān)性，開(kāi)拓思路，提高學(xué)習(xí)興趣。

（二）融合新信息技術(shù)的教學(xué)方法改革

在教學(xué)中充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，做到難點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)清除，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂重建教學(xué)流程近年來(lái)被眾多研究證實(shí)是一種行之有效的方法。改革中我們將傳統(tǒng)以教師講課為主的教學(xué)流程拆分為課前輸入、課堂教學(xué)討論及課后總結(jié)三個(gè)階段。課前通過(guò)教學(xué)網(wǎng)站發(fā)布課程預(yù)告，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)。課堂教學(xué)中使用翻轉(zhuǎn)課堂APP，將教學(xué)內(nèi)容融入PPT和微信，課堂上實(shí)時(shí)答題，通過(guò)軟件互動(dòng)，使老師能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。課后可通過(guò)上課數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，了解學(xué)生的掌握情況。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們構(gòu)建了“原理—仿真—實(shí)驗(yàn)”三段式實(shí)驗(yàn)課程模式。實(shí)驗(yàn)課是理解課程知識(shí)點(diǎn)的重要環(huán)節(jié)，但部分學(xué)生常在沒(méi)有充分理解原理的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得效果大打折扣。因此，通過(guò)課前仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行電路分析，達(dá)到對(duì)原理的充分理解，并提前了解應(yīng)達(dá)到的預(yù)期結(jié)果，再通過(guò)實(shí)際演練達(dá)到實(shí)操水平的二次提升。2020年新冠肺炎疫情期間，由于實(shí)驗(yàn)室面積有限，無(wú)法保證安全社交距離，顯著增加了實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)難度。我們將一體化電工電子智慧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Analog Discovery Studio和相關(guān)實(shí)驗(yàn)元器件借給學(xué)生，在宿舍進(jìn)行分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，采用騰訊會(huì)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解和答疑，課后對(duì)儀器進(jìn)行回收和消毒，在疫情常態(tài)化防控的校園中安全開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)（如下圖所示）。同時(shí)由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便教師了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握情況，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

在宿舍中進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)圖

（三）基于項(xiàng)目的實(shí)踐技能提升

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project based Learning，PBL）是一種教育方法論，在學(xué)習(xí)過(guò)程中讓學(xué)生成為主角，直面項(xiàng)目問(wèn)題，解決問(wèn)題，在有組織的氛圍中充分自治，而教師充當(dāng)顧問(wèn)的角色。我們通過(guò)調(diào)研，選取難度適當(dāng)?shù)尼t(yī)療電子線路作為綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的選題，如微弱生物電信號(hào)放大電路、功能性電刺激電路等。學(xué)生分組后進(jìn)行抽簽選題，通過(guò)調(diào)研、性能指標(biāo)分析、電路原理分析、電路仿真、電路搭建、功能測(cè)試。最終形成設(shè)計(jì)報(bào)告，并進(jìn)行PPT展示匯報(bào)。此外，針對(duì)電子技術(shù)課程，增加常見(jiàn)醫(yī)用電路設(shè)計(jì)、印制電路板設(shè)計(jì)、電路焊接調(diào)試技術(shù)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生動(dòng)手做，增加學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，保證學(xué)生具備完成項(xiàng)目的基本實(shí)踐技能。此外，我們積極鼓勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，電子技術(shù)課程在該賽事中具有舉足輕重的核心作用，進(jìn)一步拓展學(xué)生電子信息類(lèi)課程的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（四）基于OBE理念的課程評(píng)價(jià)體系改革

OBE模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的新成果。在深入理解新工科和新醫(yī)科培養(yǎng)目標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)即學(xué)習(xí)產(chǎn)出為：具有電路設(shè)計(jì)與分析、器件性能分析、團(tuán)隊(duì)合作、表達(dá)展示、實(shí)踐創(chuàng)新等從理論技術(shù)到創(chuàng)新實(shí)踐的多方面能力。因此需要對(duì)這些能力構(gòu)建細(xì)分教學(xué)內(nèi)容和考核環(huán)節(jié)的綜合評(píng)分體系，評(píng)定學(xué)習(xí)產(chǎn)出。該評(píng)分系統(tǒng)獲得的評(píng)分結(jié)果，由于對(duì)應(yīng)各方面能力，可對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合分析，在后續(xù)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，保持優(yōu)勢(shì)加強(qiáng)劣勢(shì)，做到因材施教。下表為評(píng)分內(nèi)容舉例。

基于OBE培養(yǎng)模式的課程評(píng)價(jià)體系獲取學(xué)習(xí)產(chǎn)出評(píng)價(jià)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各評(píng)分指標(biāo)的正態(tài)性、方差齊性等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，調(diào)整權(quán)重，不斷優(yōu)化評(píng)價(jià)體系。還可以O(shè)BE評(píng)分結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生各項(xiàng)能力進(jìn)行分析，并跟蹤學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，并和相關(guān)課程的成績(jī)進(jìn)行回歸分析，研究教改實(shí)踐對(duì)學(xué)生后續(xù)培養(yǎng)環(huán)節(jié)的作用。

三、結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家推動(dòng)醫(yī)學(xué)和健康事業(yè)發(fā)展、智能技術(shù)突飛猛進(jìn)的重要?dú)v史機(jī)遇，深化醫(yī)工交叉融合是醫(yī)工領(lǐng)域發(fā)展的必要內(nèi)生動(dòng)力。在這一“新工科”“新醫(yī)科”的背景下，對(duì)醫(yī)工融合，多學(xué)科背景交叉的生物醫(yī)學(xué)工程等醫(yī)工結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程體系提出了更高的要求。

本研究以電子技術(shù)基礎(chǔ)課程改革為抓手，初步探索該課程與“新工科”“新醫(yī)科”相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐技能提升方法及科學(xué)評(píng)價(jià)體系，從而從根本上提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)產(chǎn)出。在探索過(guò)程中，教研組采用翻轉(zhuǎn)課堂和移動(dòng)式智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等創(chuàng)新信息技術(shù)，做到教學(xué)信息與學(xué)習(xí)產(chǎn)出信息的實(shí)時(shí)同步，通暢的信息反饋保證了教師對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)了解，增強(qiáng)課后交流互動(dòng)的閉環(huán)跟蹤式教學(xué)，對(duì)于信息時(shí)代的工學(xué)、醫(yī)學(xué)相關(guān)課程改革具有一定的借鑒和推廣價(jià)值。

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