OBE教育理念下生物醫(yī)學電子學“四維融合”教學策略的探索及實踐

查雨彤，王 選，司博宇，李曉歐，嚴加勇

（上海健康醫(yī)學院醫(yī)療器械學院，上海 201318）

生物醫(yī)學電子學是利用電子學去解決生命科學問題的一門課程，在深化電子基礎(chǔ)知識的同時，將生物醫(yī)學與工程緊密結(jié)合在一起。該課程作為生物醫(yī)學工程專業(yè)課程體系中非常重要的一門專業(yè)必修課，學生在學習過程中不僅要熟練運用與醫(yī)學診療儀器相關(guān)的電子學知識，更要在設(shè)計實踐中提升團隊協(xié)作能力、建立產(chǎn)品開發(fā)和運營的體系意識。因此，學生既需要通過理論課構(gòu)建模塊化的知識框架，又需要利用實驗鞏固理論知識體系?；诖?，本文提出以基于學習產(chǎn)出的教育理念（OBE）指導的生物醫(yī)學電子學的課程設(shè)計，探索其在混合式教學過程中的實踐方法。課程設(shè)計實現(xiàn)“四維融合”，即生命科學和電子學的融合、理論與實踐的融合、線上SPOC與線下設(shè)計課的融合、虛擬仿真實驗與動手實踐的融合，使學生建立對醫(yī)療儀器系統(tǒng)的認知，提高工程技能。

1 混合式教學的背景和意義

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和教育技術(shù)的發(fā)展，教學方式逐步豐富，傳統(tǒng)的課堂教學演變成理實融合、虛擬仿真、線上線下混合等多種多樣的教學方式。利用網(wǎng)絡(luò)、依托計算機或其他移動終端開展的線上教學活動，能讓學生更合理地安排學習任務(wù)，靈活支配學習時間，適當選取學習方法，充分地激發(fā)學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。而線下教學活動更多的是對于線上學習知識的鞏固和深化，通過實踐、實驗、實操檢驗基礎(chǔ)知識的牢固度和知識體系的完整度，依托面授過程完成查缺補漏和深度研討，進而實現(xiàn)更加高級的教學目標，讓學生有更多機會在感性認知層面參與學習。在此過程中學生通過協(xié)作解決驅(qū)動任務(wù)，其學習的主動性與創(chuàng)造性得到發(fā)揮，從而實現(xiàn)知識的意義建構(gòu)，而教師是意義構(gòu)建的幫助者和促進者[1]。

在疫情常態(tài)化背景下，對線上線下兩種學習形式中的各種學習要素進行有機融合，并運用各種教學理論協(xié)調(diào)各個要素，充分發(fā)揮混合式學習的優(yōu)勢，實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化[2]。

2 OBE理念對于生物醫(yī)學電子學課程建設(shè)的指導意義

OBE理念的引入不僅使生物醫(yī)學電子學這門課的課程建設(shè)關(guān)注于知識的輸入和教學過程的設(shè)計，更注重教學成果的產(chǎn)出、學生學習效果的改善以及持續(xù)改進的機制，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 課程目標與人才培養(yǎng)目標的統(tǒng)一

作為一所應(yīng)用型本科院校，我校生物醫(yī)學工程專業(yè)以培養(yǎng)具有良好的人文素養(yǎng)和團隊合作精神，受到扎實的特色專業(yè)理論和實踐能力訓練，具備國際先進醫(yī)療器械所涉及的機械和電子技術(shù)基礎(chǔ)以及為醫(yī)學應(yīng)用服務(wù)的能力，能從事醫(yī)療器械設(shè)計制造、應(yīng)用開發(fā)并可擴展到生物醫(yī)學工程相關(guān)領(lǐng)域的“醫(yī)—工結(jié)合”的工程技術(shù)應(yīng)用型人才為目標。

而課程目標也需要與人才培養(yǎng)目標相統(tǒng)一，一方面，課程內(nèi)容需要與時俱進，使學生在修完本課程后了解前沿技術(shù)的先進性；另一方面，需要使學生在學完本課程后具有適應(yīng)人才需求的能力。因此，對于課程目標做了如下調(diào)整：在專業(yè)知識方面，要求學生將醫(yī)學知識與工程技術(shù)知識融會貫通，掌握生物醫(yī)學電子的分析和處理方法，了解典型醫(yī)學儀器電路與系統(tǒng)的相關(guān)原理和設(shè)計原則。在專業(yè)技能方面，要能夠運用所學的知識分析和處理實際的生物醫(yī)學問題，能夠分析實際生物醫(yī)學需要，選用合適的電子器件，并具備分析和調(diào)試系統(tǒng)的能力，同時還需要有一定的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力。另外，在專業(yè)素養(yǎng)方面，應(yīng)具有嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、敬業(yè)精神和職業(yè)道德。

2.2 學生學習成果的個性化定制

針對OBE理念中課程學習成果（PLO），以SMART原則去制定學生的學習成果，并將學習成果基于布盧姆教育目標按不同層次的要求進行分類，見表1。

表1 基于布盧姆教育目標指導下的PLO分類

表1中所示的是基于布盧姆教育目標指導下，針對生物醫(yī)學電子學課程將PLO按能力層次由低到高分為6類，分別是知識的記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造[3]。對于不同學習能力和目標的學習者力圖達到學習成果的分層次個性化定制。

2.3 基于成果導向的教學評估方案

傳統(tǒng)的教學評估方案往往是以教學目標為起點，將所涉及的教學內(nèi)容、使用的教學方法和最后的教學效果成果自上而下進行設(shè)計。雖然如督導監(jiān)督、領(lǐng)導同行聽課、學習過程中問卷調(diào)查、期末評教等可以使用的評估手段很豐富[4]，但這些評價手段普遍重視教學行為而不是教學效果，缺乏以學生為中心的成果意識。因此，生物醫(yī)學電子學的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設(shè)計原則，即根據(jù)學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據(jù)不同層次學生應(yīng)該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領(lǐng)導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產(chǎn)出成效評價體系，通過過程考核與改進的有機結(jié)合，實現(xiàn)教學資源的按需調(diào)配。

2.4 成績評定標準的可量化

成績評定標準應(yīng)與學生的預期學習成果匹配和統(tǒng)一，實現(xiàn)達成性評價。想要實現(xiàn)成績評定標準的可量化，首先需要教師幫助學習者建立對于學習成果的多層次預期達成目標，進而根據(jù)所達到不同層次的學習成果對于生物醫(yī)學電子學課程成績做出評定。達到不同層次，獲得的分數(shù)也不同，而所達到的學習目標將由教師具體化到客觀的題目，或者師生共同開發(fā)的實踐性活動，尤其是高階的創(chuàng)造性項目。成績評定的主體可以是教師，可以是學習者，也可以是學生互相評價，但無論評價主體是誰，都需要保證對于學習成果的評估要全方位、多維度進行。在成績評定時，任課教師要在學習過程中鼓勵學生進行自我思考和自由發(fā)揮個性，以培養(yǎng)學生項目過程管理意識。

2.5 面向能力本位的教學活動安排

成果導向的教學需要讓學生衡量能做什么、能做到什么程度[5-6]，因此基于OBE教育理念下的生物醫(yī)學電子學教學活動安排要圍繞“成果”來進行設(shè)計，即從解決有固定答案的問題出發(fā)，逐漸培養(yǎng)解決開放性問題的高階能力。第一，在學習之初，教師要向?qū)W習者提供學習成果藍圖，即幫助學生了解多層次學習成果目標；第二，對于生物醫(yī)學電子學課程教學而言，教師需要提供全部的教學資料，教學資料應(yīng)覆蓋整個生物醫(yī)學電子儀器相關(guān)的相互獨立、界限清晰的知識單元，以全面的模塊知識點作為支撐；第三，要使學習者“既見樹木，又見樹林”，學習成果既是學習的終點，又是學習的起點，教學時采取反向設(shè)計原則，以頂峰目標為導向，將知識整合并以拆解的單元作為出發(fā)點作出反向設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的高階目標。

3 OBE理念下生物醫(yī)學電子學“四維融合”教學策略

為了使學習者在學習生物醫(yī)學電子學課程內(nèi)容之前，了解生物醫(yī)學電子學發(fā)展的歷程、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，掌握常見的醫(yī)療電子儀器主要的分類、技術(shù)特點、設(shè)計思想、設(shè)計原則和步驟，并幫助學習者理解醫(yī)學電子儀器的單元電路和整體電路的設(shè)計關(guān)系，本課程設(shè)置了相關(guān)導學內(nèi)容，以幫助學習者對于本課程的最終學習成果有正確預估。

3.1 線上教學模塊構(gòu)建

教材內(nèi)容被重新安排了3級共17個模塊（見圖1），每個模塊2～4學時不等。其中，LEVEL 1作為導學部分，包含3個模塊，幫助學習者建立生物醫(yī)學電子學的簡要而概述性的認知；LEVEL 2作為單元電路部分，包含11個模塊，介紹醫(yī)療領(lǐng)域常規(guī)醫(yī)學信號診療系統(tǒng)的通用性功能單元；LEVEL 3包含3種常見的生物醫(yī)學診療系統(tǒng)的實例模塊，幫助學生從復合結(jié)構(gòu)層次理解醫(yī)學電子儀器。學習者以實現(xiàn)某一類完整的生物醫(yī)學診療系統(tǒng)為目標，可以根據(jù)學習需求自行選擇模塊資源進行學習并完成至少32學時的在線課程學習。模塊知識的學習評價以學習過程中完成性測驗作為考核依據(jù)。

圖1 生物醫(yī)學電子學在線學習資源的構(gòu)成

3.2 線下教學模塊構(gòu)建

線下教學以“虛實結(jié)合”即虛擬仿真+動手實踐的形式培養(yǎng)學生的科學研究和實踐創(chuàng)新能力。課程設(shè)計采用基于項目導向教學法及安排見圖2，所有實驗項目內(nèi)容在實驗室完成，實驗指導書由任課教師提供。

圖2 線下“虛實結(jié)合”實驗項目

虛擬仿真模塊是將某生物醫(yī)學電子學課程以電路模塊分成不同的技能單元，將每個技能單元作為一個學習“子項目”，實行虛擬仿真單元式教學。學生在線上先修完SPOC中LEVEL1和LEVEL2相關(guān)知識點后，在計算機上使用Multisim14作為仿真軟件，對組成生理信號檢測系統(tǒng)的常規(guī)模塊，包括放大器、濾波器、信號變換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等模塊進行仿真。在完成“子項目”的過程中，學生可以深刻體會電路設(shè)計中各個子模塊性能參數(shù)指標的控制和器件，尤其是集成化器件在生物醫(yī)學電子儀器中的使用方法，形成“器件解決”的設(shè)計思想。

動手實踐模塊是將模塊化的“子項目”整合并實例化為生理信號檢測系統(tǒng)設(shè)計的綜合性“項目”。在線上先修完SPOC中LEVEL3相關(guān)知識點后，學生可以自選傳感系統(tǒng)（電子器件由教師提供），以3人小組的形式完成心率/脈率檢測系統(tǒng)的設(shè)計、焊接、調(diào)試，實踐項目內(nèi)容、性質(zhì)及進度安排見表2。

表2 實踐項目內(nèi)容、性質(zhì)及進度安排

課程知識點的教學采用SPOC的形式，要求學生先觀看并進行重難點總結(jié)、答疑、討論。隨著SPOC的學習，完成表2所示的7個項目。本課程綜合性、設(shè)計性、探究性項目數(shù)量≥85%，學時達到43.75%。學生不斷根據(jù)“項目”的需求來學習，變被動接受知識為主動尋求知識，使學生在短時間內(nèi)構(gòu)建知識框架的同時極大地提高學習效率。

3.3 學習成果評價模塊構(gòu)建

成績評定分成過程性評價和達成性評價兩部分，各占評分百分比的50%。其中需要說明的是，課堂表現(xiàn)主要考查學生項目完成過程中獨立性、研修深度和師生互動度；項目完成度評價分為完成并充分理解、基本完成和未完成3個等級。成績評定分類及標準見表3。

本課程的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設(shè)計的原則，即根據(jù)學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據(jù)不同層次的學生應(yīng)該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領(lǐng)導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產(chǎn)出成效評價體系。

4 實踐及分析

4.1 教學實施方案

本輪課程改革針對我校生物醫(yī)學工程專業(yè)學生，面向2018級生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生和2020級生物醫(yī)學工程（專升本）學生共計145人展開。目前該課程于2021年6月完成授課，課程建設(shè)線上SPOC資源和線下實驗資源兩部分課程資源，線上教學資源在“超星學習通”網(wǎng)站上開放；線下教學以“虛實結(jié)合”即虛擬仿真+動手實踐的形式培養(yǎng)學生的科學研究和實踐創(chuàng)新能力，所有實驗項目內(nèi)容均在實驗室完成。

4.2 教學效果評估方案

本課程的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設(shè)計原則，即根據(jù)學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據(jù)不同層次的學生應(yīng)該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領(lǐng)導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產(chǎn)出成效評價體系。

4.3 教學效果評估結(jié)果

通過調(diào)查問卷的方式，學生在課前對于本課程學完后達到的能力層次做了預估，并在SPOC學習結(jié)束后和理實課程全部結(jié)束后分別對于個人能力層次做了評價，人員分布見圖3。分析顯示，在課程學習之前，人員呈現(xiàn)金字塔分布，大部分學生對于獲得的能力只預期在低水平；隨著理論課也就是SPOC學習的進行，大部分學生逐漸理解相關(guān)知識，但能力停留在中等水平；當實踐項目全部完成后，絕大部分學生能夠靈活運用所學知識，甚至能實現(xiàn)創(chuàng)造和評價，整個人員分布近于正態(tài)分布趨勢，這對于本科生所能達到的能力水平來說已趨于理想了。

圖3 不同階段能力層次評估結(jié)果人員分布

按照成績評定標準對145名學生過程性和達成性學習成果分別進行評價，總評成績按分數(shù)段分別統(tǒng)計，人員分布見圖4。通過分析可以看出，成績分布基本遵循正態(tài)分布，除個別缺考、緩考和未獲得考試資格的學生外，絕大多數(shù)學生通過本課考核。超過20%的學生分數(shù)達到80分及以上，60%的學生分數(shù)集中在70～79分。成績分布與課后能力評價結(jié)果基本一致，誤差近似為5，也就是控制在5位學生以內(nèi)，這表明成績能夠較為準確地反映出學生的真實能力和水平。

圖4 分數(shù)段人員分布與能力層次評估人員分布對比

本輪課程共有2位校級督導，3位同行一線教師，1位教務(wù)管理人員聽課。校內(nèi)督導評分平均90.2分，同行評價平均得分92.5分，教務(wù)管理人員打分優(yōu)秀，學生評教結(jié)果優(yōu)秀。主要存在的問題集中在以下幾方面：（1）SPOC課程中的重、難點需要在線下課程中進行深入討論；（2）綜合型實驗與設(shè)計型實驗難度跨度大，需要對項目難度進行梯度區(qū)分和調(diào)整。針對以上問題，在下一輪課程前會進一步完善。