新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)探索與實(shí)踐

盧莉蓉 牛曉東 陳俊梅

摘? 要：文章在分析生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)方式，改進(jìn)課程的理論教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過(guò)程與考核方式。教師圍繞一些常用非電量的測(cè)量來(lái)設(shè)計(jì)理論教學(xué)內(nèi)容;教師以EIP-CDIO模式來(lái)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中訓(xùn)練學(xué)生處處以EIP要求自己;教學(xué)中采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容涉及EIP-CDIO的每一個(gè)方面。通過(guò)教學(xué)改革實(shí)踐表明學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力與職業(yè)素養(yǎng)都得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：新工科;EIP-CDIO;生物醫(yī)學(xué)傳感器;課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）20-0112-04

Abstract： Based on the analysis of the current situation and problems of the teaching of biomedical sensor course， combined with the training objectives of new engineering talents， this paper proposes a teaching method of biomedical sensor based on EIP-CDIO mode， which improves the teaching content of the course， the teaching process and the assessment method of experimental teaching. Teachers design the teaching content of theory around some commonly used non electric quantity measurement; teachers organize experimental teaching in EIP-CDIO mode， and train students to ask themselves by EIP in the whole teaching process; the teaching method of process evaluation and final evaluation is used to evaluate the students. The experimental assessment content involves every aspect of EIP-CDIO. Through the practice of teaching reform， it shows that students' autonomous ability， practical ability， innovation ability and professional quality have been improved significantly.

Keywords： new Engineering; EIP-CDIO; biomedical sensors; course teaching

新工科是我國(guó)基于國(guó)際與國(guó)內(nèi)形勢(shì)而提出工程教育改革方向[1-2]。它是以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，目標(biāo)為培養(yǎng)具備更強(qiáng)實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的工程科技人才[3-5]。

長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)包括醫(yī)療設(shè)備管理維護(hù)、醫(yī)學(xué)物理、康復(fù)器械工程三個(gè)學(xué)科方向，面向這三個(gè)學(xué)科方向開(kāi)設(shè)的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。近年來(lái)，本課程組一直致力于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的教學(xué)改革，2014年申請(qǐng)并建設(shè)了校級(jí)的生物醫(yī)學(xué)傳感器精品資源共享課，實(shí)現(xiàn)了課程資源上網(wǎng);2017年申請(qǐng)并建設(shè)了校級(jí)生物醫(yī)學(xué)傳感器混合式教學(xué)課程;2018年申請(qǐng)了校級(jí)教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“以學(xué)生為中心的生物醫(yī)學(xué)傳感器混合式教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐”等。經(jīng)過(guò)這幾年的研究與實(shí)踐，改革取得了一些成效，但本課程的教學(xué)中仍存在一些弊端：教學(xué)內(nèi)容相對(duì)社會(huì)和產(chǎn)業(yè)需求滯后;實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一陳舊，教學(xué)效果較差;課程成績(jī)考核方式有待改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)課仍以簽到和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等對(duì)學(xué)生進(jìn)行“大體”評(píng)價(jià)，忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，造成學(xué)生實(shí)踐能力目標(biāo)未能達(dá)成;學(xué)生的職業(yè)道德、團(tuán)隊(duì)意識(shí)、責(zé)任感等職業(yè)素養(yǎng)不足，不符合現(xiàn)代企業(yè)的用人標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段的課程教學(xué)已不能滿足新工科的人才培養(yǎng)需求，因此在此背景下對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)進(jìn)行改革具有較強(qiáng)的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的重要性，國(guó)內(nèi)很多院校對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器的教學(xué)進(jìn)行了改革。首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院劉加峰等教師實(shí)施了“PBL教學(xué)方法在醫(yī)用傳感器課程中的應(yīng)用”，認(rèn)為PBL教學(xué)方法比傳統(tǒng)教學(xué)方法提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[6]。首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院段元民等教師在生物醫(yī)學(xué)傳感器的教學(xué)中引入了第二課堂實(shí)踐活動(dòng)，該方法的實(shí)施培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[7]。除此之外，國(guó)內(nèi)還有多所院校均對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的教學(xué)進(jìn)行了改革，如網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)[8]、層次化實(shí)踐教學(xué)[9]等。近年來(lái)，國(guó)外各發(fā)達(dá)國(guó)家也在積極對(duì)工程教育模式進(jìn)行改革。2004年，麻省理工學(xué)院等著名大學(xué)提出了CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate， 簡(jiǎn)稱CDIO）教育模式，CDIO即構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施與運(yùn)行。CDIO教學(xué)模式就是在教學(xué)中以學(xué)生為主體參與到產(chǎn)品從構(gòu)思到運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程[10-11]。國(guó)內(nèi)外所進(jìn)行的各種CDIO教學(xué)改革在一定程度上提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，但由于各種原因，學(xué)生的誠(chéng)信、道德與團(tuán)隊(duì)意識(shí)等職業(yè)素養(yǎng)較為匱乏，已經(jīng)不能滿足新工科對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)所提出的要求?；诖?，我國(guó)汕頭大學(xué)提出了將職業(yè)道德、誠(chéng)信、職業(yè)素質(zhì)（Ethics，Integrity，Professionalisme，簡(jiǎn)稱EIP）與CDIO有機(jī)結(jié)合，即EIP-CDIO教學(xué)模式[12]。

本文就是在新工科建設(shè)的理念指導(dǎo)下，利用EIP-CDIO教學(xué)模式對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐，改進(jìn)課程內(nèi)容與考核方式，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)有道德、講誠(chéng)信、具有良好職業(yè)素質(zhì)的工程科技人才。

一、新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革措施

新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革主要是從改進(jìn)理論教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過(guò)程與改進(jìn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式三方面進(jìn)行的。

（一）改進(jìn)理論教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的課程理論教學(xué)是首先將傳感器按照工作原理進(jìn)行分類，然后針對(duì)不同原理的傳感器從其工作原理、測(cè)量電路與典型應(yīng)用等方面進(jìn)行教學(xué)。這些教學(xué)內(nèi)容的選擇將知識(shí)從整個(gè)工程的流程中割裂出來(lái)，而沒(méi)有從實(shí)際工程中整個(gè)業(yè)務(wù)流程的角度對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行處理和組織。改革后，課程組就是圍繞一些常用非電量的測(cè)量來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，主要包括：溫度、壓力、位移、厚度、速度與加速度的測(cè)量等。這樣當(dāng)學(xué)生在實(shí)際中遇到問(wèn)題時(shí)（需要對(duì)某些參量進(jìn)行測(cè)量時(shí)），可以迅速進(jìn)行傳感器的選擇，畢業(yè)后也可快速勝任崗位需求。理論教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)也為EIP-CDIO教學(xué)模式的開(kāi)展奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

（二）改進(jìn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊是整個(gè)課程的重點(diǎn)，課程組就是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用EIP-CDIO模式。教學(xué)分為教師的教與學(xué)生的學(xué)，教師的教采用項(xiàng)目化教學(xué)，學(xué)生的學(xué)采用小組學(xué)習(xí)。具體過(guò)程如下。

第一階段：布置任務(wù)

教師模擬實(shí)際工程項(xiàng)目為學(xué)生布置任務(wù)。要求學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一傳感器電子產(chǎn)品，此產(chǎn)品需利用傳感器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能。這些功能可以是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、脈搏、血壓等物理量的測(cè)量。教師對(duì)傳感器電子產(chǎn)品需要使用的元器件與達(dá)成的指標(biāo)提出具體要求。

第二階段：構(gòu)思（C）

學(xué)生對(duì)教師所布置的任務(wù)進(jìn)行構(gòu)思，每3人自由組成項(xiàng)目小組并完成設(shè)計(jì)。項(xiàng)目小組根據(jù)成員的特點(diǎn)進(jìn)行分工并模擬實(shí)際工程中項(xiàng)目經(jīng)理、硬件工程師和軟件工程師的角色。項(xiàng)目經(jīng)理需對(duì)項(xiàng)目的整體做把控，硬件工程師偏重硬件設(shè)計(jì)，軟件工程師偏重軟件的設(shè)計(jì)。

第三階段：設(shè)計(jì)（D）

以小組為單位進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并確定產(chǎn)品的最終方案。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，3位成員之間的工作并不是完全割離的，而是互助互利的。比如硬件工程師在對(duì)產(chǎn)品硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目經(jīng)理與軟件工程師需要對(duì)自己的需求提出訴求并評(píng)估硬件部分設(shè)計(jì)方案的可行性。

第四階段：實(shí)施（I）

制作產(chǎn)品線路板、焊接裝配產(chǎn)品、軟件編程與產(chǎn)品調(diào)試。在此步驟中，硬件工程師需要制作產(chǎn)品線路板、焊接裝配產(chǎn)品并進(jìn)行硬件調(diào)試。制作產(chǎn)品線路板即設(shè)計(jì)PCB并制作PCB板。軟件工程師需要進(jìn)行軟件編程并進(jìn)行軟件調(diào)試。最后小組再進(jìn)行軟件、硬件聯(lián)調(diào)。

第五階段：運(yùn)行（O）

產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)演示與維護(hù)，小組匯報(bào)。首先由項(xiàng)目經(jīng)理對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行介紹;然后小組成員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示與維護(hù);最后課題組老師與同學(xué)針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行提問(wèn)，小組成員回答，以此來(lái)模擬與客戶的服務(wù)與溝通。

教師以EIP-CDIO模式來(lái)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中訓(xùn)練學(xué)生處處以EIP要求自己，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）教學(xué)中始終對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)作品的原創(chuàng)性，一旦出現(xiàn)抄襲等現(xiàn)象，將對(duì)其作品進(jìn)行一票否決，培養(yǎng)學(xué)生做有道德、講誠(chéng)信的人。

（2）學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作、小組分工、資源共享來(lái)集體面對(duì)、克服困難，鍛煉了學(xué)生解決問(wèn)題、獨(dú)立思考的能力，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等職業(yè)能力培養(yǎng)。

（3）運(yùn)行階段要求學(xué)生制作PPT對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行介紹并回答教師提問(wèn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等職業(yè)能力培養(yǎng)。

采用EIP-CDIO模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過(guò)程如圖1所示。

（三）改進(jìn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式

本課程理論考核方式將繼續(xù)沿用混合式教學(xué)課程的考核方式，即最終成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（60%）+期末閉卷考試成績(jī)（40%）。實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容涉及EIP-CDIO的每一個(gè)方面，教學(xué)中采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，由個(gè)人自我評(píng)價(jià)、組內(nèi)互評(píng)、他組評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)綜合評(píng)分?？己藘?nèi)容包括實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品驗(yàn)收考核、職業(yè)素養(yǎng)考核和論文考核四方面。

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核成績(jī)，占總成績(jī)的20%。主要從電路原理圖的設(shè)計(jì)、PCB圖的制作、焊接裝配產(chǎn)品的規(guī)范性、小組討論記錄四方面進(jìn)行考核。

（2）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品驗(yàn)收考核成績(jī)，占總成績(jī)的40%。主要從選題的難易度、產(chǎn)品質(zhì)量、匯報(bào)答辯三方面進(jìn)行考核。

（3）職業(yè)素養(yǎng)考核成績(jī)，占總成績(jī)的20%。主要從道德、誠(chéng)信、學(xué)習(xí)態(tài)度、交流溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力五方面進(jìn)行考核。

（4）論文考核成績(jī)，占總成績(jī)的20%。主要從方案設(shè)計(jì)與論證、電路圖與設(shè)計(jì)文件、測(cè)試方法、結(jié)果及分析、報(bào)告的完整與工整性五方面進(jìn)行考核。

二、教學(xué)改革效果

通過(guò)對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查和實(shí)習(xí)單位的反饋，新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革取得了良好的效果，主要體現(xiàn)在：

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)自主性得到了提高。在教學(xué)中，學(xué)生需要通過(guò)查閱資料、小組討論、動(dòng)手實(shí)踐自主解決問(wèn)題。

（2）學(xué)生的實(shí)踐能力得到了提高。在新的教學(xué)模式下，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施與運(yùn)行的每一步驟都需要學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，這使得學(xué)生的實(shí)踐能力得到了很大提高。

（3）學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了提高。在新的教學(xué)模式下，教師并不提供具體的方案，每組的設(shè)計(jì)方案需要通過(guò)查閱資料與小組討論自主確定，這給了學(xué)生很大的思考空間，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了很大提高。在教師團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，學(xué)生累計(jì)完成實(shí)物制作與項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告400余項(xiàng)。在此基礎(chǔ)上，選拔項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)秀學(xué)生組織申請(qǐng)高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，參加全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與山西省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等科技競(jìng)賽。自2018年至今，教師團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)參加過(guò)課程學(xué)習(xí)的本科生獲得各級(jí)高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目14項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)4項(xiàng)。獲得省級(jí)以上科技競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)36項(xiàng)。這也從側(cè)面反映學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力得到了很大提高。

（4）學(xué)生的道德意識(shí)與誠(chéng)信意識(shí)得到了明顯增強(qiáng)。教師以EIP-CDIO模式來(lái)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中訓(xùn)練學(xué)生處處以EIP要求自己，比如教學(xué)中始終對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)作品的原創(chuàng)性，一旦出現(xiàn)抄襲等現(xiàn)象，將對(duì)其作品進(jìn)行一票否決，培養(yǎng)學(xué)生做有道德、講誠(chéng)信的人。

（5）學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)得到了提高。學(xué)生通過(guò)小組分工、團(tuán)隊(duì)合作共同完成作品的設(shè)計(jì)與制作，運(yùn)行階段要求學(xué)生制作PPT對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行介紹并回答教師提問(wèn)，學(xué)生的交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等職業(yè)素養(yǎng)得到了提高。

三、結(jié)束語(yǔ)

新工科背景下，將EIP-CDIO模式引入生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革中，就是將職業(yè)道德、誠(chéng)信、職業(yè)素質(zhì)與構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的有機(jī)融合，改進(jìn)理論教學(xué)內(nèi)容、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過(guò)程與課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式。通過(guò)基于EIP-CDIO模式的生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革實(shí)踐證明：將EIP-CDIO模式引入生物醫(yī)學(xué)傳感器課程教學(xué)改革中，可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)學(xué)生的道德意識(shí)、誠(chéng)信意識(shí)與職業(yè)素養(yǎng)都得到了明顯增強(qiáng)。

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