協(xié)同合作與創(chuàng)新思維訓練在專修課程中的探索

丁惠君 刁現(xiàn)芬 陳昕

［摘 要］ 隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數字信號處理應運而生并得到了迅速發(fā)展。醫(yī)學數字信號處理是一門涉及多學科而又廣泛應用于眾多領域的新興學科，其課程是生物醫(yī)學工程專業(yè)的核心基礎課程，但理論性強、難懂且不易掌握。為了解決這些問題，從協(xié)作能力、創(chuàng)造性思維培養(yǎng)、課堂教學方法和教學理念等方面探索教學改革方案，以幫助學生在牢牢掌握科學、數學和工程基礎知識的同時，契合未來工程行業(yè)對人才的需求。

［關鍵詞］ 數字信號處理；生物醫(yī)學工程；教學改革；合作；創(chuàng)新

［作者簡介］ 丁惠君（1984—），女（回族），寧夏銀川人，深圳大學生物醫(yī)學工程學院副教授，碩士生導師，主要從事生物醫(yī)學工程教育研究；刁現(xiàn)芬（1976—），女，山東臨沂人，深圳大學生物醫(yī)學工程學院副教授，碩士生導師，主要從事生物醫(yī)學工程教育和研究；陳 昕（1975—），男，重慶人，博士，深圳大學生物醫(yī)學工程學院教授（通信作者），博士生導師，主要從事生物醫(yī)學工程教育研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0083-04 ［收稿日期］ 2022-08-12

引言

生物醫(yī)學工程是一門多學科融合的新興專業(yè)，其基本任務是運用工程技術手段，研究和解決生物、醫(yī)學領域中的工程問題，發(fā)達國家更是將其列入高技術領域?！搬t(yī)學數字信號處理”是一門涵蓋數理分析、圖像處理、信息技術等多方面知識的專業(yè)核心基礎課程，主要涉及如何通過對生物醫(yī)學信號的提取濾波和處理分析等過程提取有用的信息。由于“醫(yī)學數字信號處理”課程具有理論性強、難懂且不易掌握等特征，對于一些數學基礎薄弱、抽象能力不強、動手能力欠缺的學生來說較難理解與掌握，教學效果相對較差［1］?！搬t(yī)學數字信號處理”課程主要存在以下問題。

第一，教學定位不準。傳統(tǒng)的教學模式注重理論知識及抽象公式的講解，卻忽視了學生的需求，不顧學生理解能力的差異，只是單方面“灌輸”。同時，課堂教學主要以講解一些復雜難懂的公式變換為主，學生一味地追求記憶公式通過考試，知其然而不知其所以然，更談不上使用理論知識解決實際問題。

第二，教學方式單一?；仡櫮壳暗慕虒W授課形式，大多數的教學活動局限于課堂上的“教”和“學”，單一乏味的輸出難以讓學生產生興趣，主動參與到學習的過程中，因此，學生不能很好地全面掌握這門課程的內容。

第三，重理論，輕實踐。目前的教學活動普遍存在的問題是：教師一味地“灌輸”知識卻沒有給予學生實踐的機會，忽視了學生學習的主觀能動性。這種局限于課堂的教學方式難以很好地培養(yǎng)出滿足社會需求的學生。

以上存在的種種問題對培養(yǎng)具有跨學科知識整合能力、終身學習能力、良好的溝通交流能力等能夠適應行業(yè)發(fā)展的人才是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，高校亟須推進生物醫(yī)學工程專業(yè)的核心課程改革。

一、課程教學改革的關鍵要素

（一）課堂教學以學生的需求為主導，以教師的輔助為引導

回顧目前的教學授課形式，學生上課接觸的多是教師冗長的演講教學及鋪滿黑板的筆記，而這種長時間的教學很容易使學生處于疲憊、毫無興趣甚至厭惡的狀態(tài)。本文提出的課堂教學改革包括兩個部分，即以學生為主體的分析討論模式和以教師為主體的知識講解模式。課前5分鐘讓學生成為課堂的主角主持學習練習，通過讓學生對預設問題進行討論與思考，并將概念與自己的想法進行口頭描述，達到多重感官訓練的目的。正式上課時，教師根據學生課前討論需求開展教學活動，通過豐富的圖片展示和生動的聲音效果刺激學生的視覺與聽覺，提高學生的學習興趣和專注力。

（二）加強課堂教學與課外實踐的結合

基于高校的課堂教學能幫助學生建立知識理論體系，而要培養(yǎng)具有實戰(zhàn)能力的社會所需的人才需加強實踐的鍛煉。因此，要通過理論與實踐結合的方式，讓學生將所學知識融會貫通并使用自如。為了讓學生更好地進行課外實踐，學院除了建立實踐基礎教學、實踐提升教學、課題能力培養(yǎng)等多層次的實踐教學體系外，還將設置實驗特色班，為學生提供全方位的專業(yè)實踐訓練。此外，學院與邁瑞醫(yī)療、理邦醫(yī)療、深圳市新產業(yè)生物醫(yī)學工程股份有限公司等單位建立了長期合作實習產業(yè)基地等項目，使學生可以實地考察和學習，通過了解實際工程問題，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

（三）課程教學改革要以信息技術為引導

傳統(tǒng)的教學方式是教師和學生面對面交流的一種自上而下的“一言堂”教學，雖然從知識傳授角度來看，這樣的教學方式無可厚非，但是從學習過程來看，傳統(tǒng)教學方式缺乏學生和教師的交流。隨著信息網絡的發(fā)展，網絡作為教學工具憑借其優(yōu)越的開放性和交互性越來越受到教育工作者的重視［2］。教師可以通過網絡直播或者錄制的形式制作教學視頻，以更加生動、形象地展現(xiàn)教學內容，方便學生隨時隨地反復學習。在遇到重點及難點或者需要更新的知識點時，教師可以通過網絡直播授課的形式針對性解答，這樣學生可以不受時間、地點的限制，只要在能上網的地方，就可以開展學習。此外，還可以建設網絡課堂，包括網絡教室、網絡作業(yè)、網絡互動等，讓學生在課堂外也能與教師交流互動，提高學習的積極性。

二、課程教學改革的設計與實施

（一）教學方法的改革

1.以頭腦風暴等形式開展翻轉教學。翻轉教學模式是指顛覆以教師講授為主的授課模式，倡導以學生主導為開始、教師講授為結束的組合結構。

“醫(yī)學數字信號處理”課程中的很多教學內容是理論公式講解，容易使學生在理論推導過程中感到枯燥乏味，無法集中注意力，從而失去學習興趣。因此，應努力讓學生跳出這種學習狀態(tài)，實現(xiàn)師生之間的良好協(xié)同，達到預定的教學目標。具體地，首先激活學生獨立思考。通過經常向學生發(fā)送有關課程內容的電子郵件和創(chuàng)意視頻，有效地激發(fā)學生的學習興趣。另外，在課堂討論過程中，要保證有足夠的思考時間和較短的反應時間訓練學生的邏輯思維和表達能力。同時，教師要確保在傾聽學生創(chuàng)意的過程中鼓勵學生去冒險，通過積極的心理暗示和物質獎勵加強創(chuàng)新思維的訓練。最后，教師要清楚地解釋知識的語境系統(tǒng)和層次結構，通過提問、交流、輔助教具等吸引學生的注意力，激發(fā)學生創(chuàng)新思考。

2.理論教學融合實踐訓練?！搬t(yī)學數字信號處理”是一門多學科交叉、具有較強理論性和實踐性的課程，學習過程既需要運用邏輯思維去分析，也需要使用如Matlab、Python等工具上手操作。但目前理論教學與實踐教學聯(lián)系不緊密，難以實現(xiàn)既定的教學目標，鑒于此，我們提出以下理論教學與實際訓練相結合的教學策略。

首先，按照教學目標，以頭腦風暴等教學模式進行課堂理論教學。接著，通過校內實驗課程加深理論知識的理解并增強動手能力；實驗課基于以往的教學內容，以小組的形式開展，要求每人在下課之前提交運行結果，實驗期間小組成員可自行組內討論，遇到難以解決的問題可舉手示意請求教師幫助。另外，通過與校外公司、企業(yè)合作，讓學生切身實地了解專業(yè)知識的實際用處，提升學生的全面素質以契合社會發(fā)展需求。目前，我校已與理邦公司形成戰(zhàn)略合作關系，為在校學生提供校外觀摩學習和動手操練等平臺，貫穿整個學習過程，在延伸學習的同時，擴展了就業(yè)渠道，加強了企業(yè)需求的應用型人才培養(yǎng)。

3.教學工具的創(chuàng)新與運用。隨著互聯(lián)網技術的迅速發(fā)展，人們的生產生活方式產生了極大的變化。在這樣的時代背景下，一些傳統(tǒng)的課堂教學方法與途徑已難以滿足多元化教學需求。為此，可以穿插運用多媒體資源開展課堂教學，并采用網絡課堂的課外教學模式，旨在幫助學生有效地掌握本門課程。

首先，合理利用多媒體資源。與傳統(tǒng)的教學手段相比，多媒體教學能通過圖文、聲像創(chuàng)設逼真的教學情境，吸引學生的注意力并緩解枯燥的課堂氛圍，讓抽象的知識變得通俗易懂，幫助學生理解掌握。為了使多媒體在教學中得到充分的應用，課程應由本班教師設計，倡導學生課外主動參與網絡教學。不再局限于固定的時間、地點，便于學習者通過視頻、圖片、文字等方式學習，充分發(fā)揮學習的主動性與積極性?！搬t(yī)學教學信號處理”課程現(xiàn)已準備開展騰訊課堂網絡教學活動，對教學內容開展網上視頻教學、線上提交作業(yè)活動，在鞏固課堂知識的同時豐富教學內容。另外，每周五組織網上答疑直播，通過反映—作答的形式了解學生一周的學習情況并幫助學生解決存在的問題。

（二）教學理念改革，促進學生全面發(fā)展

1.主動學習（以問題為導向，提高主動學習能力）?；趩栴}學習，即把學生放在發(fā)起者的位置上，把學習變成有意識、自愿的事情。大多數學生作為依賴者進入大學，學習過程的內在動機是學生本人，而不是作為知識傳播者的老師。通過開展問題式學習，充分調動學生的積極性，促使學生主動參與學習活動，提高能動性和學習效率。

目前，“醫(yī)學數字信號處理”實驗課程與理論課程并行開展，實驗課是對理論知識的實踐和鞏固，不具備系統(tǒng)化和整體化，與實際的工程應用場景較為疏遠。因此，可整合實驗課程分布，調整為較為統(tǒng)一的時段開展綜合性大實驗，集中培訓學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。同時，要求學生從特定的工程問題入手，運用批判性思維模式，開發(fā)一個系統(tǒng)架構或定義一種整體方法。比如“醫(yī)學數字信號處理”實驗課中的“心電信號采集”項目，可以組織學生練習采集方法，展示原始嘈雜的心電信號，然后總結問題并執(zhí)行實驗計劃，以培養(yǎng)學生的學習能力，幫助學生整合專業(yè)知識，使學生不間斷發(fā)展新的方法，對新思想和未知事物保持開放的態(tài)度。

在教學傳播中，教師需要在工程背景下尋找可持續(xù)發(fā)展的解決方案；學生需要對教師授課過程進行回應，將個人發(fā)展與實際專業(yè)發(fā)展相結合。本訓練預計通過提問引導等方式，使學生在觀察、發(fā)現(xiàn)、思考、辯論、體驗和領悟的過程中，逐步掌握發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、尋求方法、得出結論的技巧和知識。另外，運用探究式教學，使學生主動參與，發(fā)揮學生在教學活動中的主體地位，有助于學生品嘗自己發(fā)現(xiàn)的樂趣，激起強烈的求知欲和創(chuàng)造欲。

在具體實施時，可以在課堂期間一次或多次要求學生單獨或分組練習教師可能會提出的問題，持續(xù)30秒到3分鐘，問題內容可以包括：（1）概述解決問題的策略。（2）為剛剛描述的過程畫一個流程圖。（3）開始解決問題，看看你能在兩分鐘內解決多少疑問。（4）證明或驗證結果。（5）你對這些材料有什么疑慮或問題。

2.協(xié)同創(chuàng)新。工程本質上需要由不同背景、能力和責任的人員合作完成。了解他人的需求，并在做出決定時考慮多方，這就是團隊合作的本質。高校學生嚴重缺乏這方面的認識，因此，幫助學生成為獨立的學習者，并不是教育培訓的終點。

在合作學習教學模式中，學生通過交流分享彼此的想法和經驗，擴大了獲取知識的渠道，有助于學生靈感的激發(fā)和思維的活躍。通過合作討論與學習，組內同學之間相互啟發(fā)，可以深化學生對知識的認識，加強概括和表達能力。同時，把個人之間的競爭變?yōu)樾〗M之間的競爭，以小組總體成績作為考核的依據，形成了“組內成員合作，組間成員競爭”的新格局，使學生之間相互交流、彼此尊重、共同分享成功的快樂，促進了學生全面發(fā)展。

目前，分組學習還未在“醫(yī)學數字信號處理”課程中實施，預計在上述實驗課程改革的同時，安排學生分組完成部分項目。同時，本文的協(xié)同合作改革方案會對分組方法提出更為細致的要求：（1）每組人數以3～4人為佳。既能降低兩人隊伍中單個人占據主導地位的可能，也能避免因人數過多而個別組員被排除在外的情況。（2）教師確定隊伍成員。教師確定隊伍成員通常比自己組建團隊更為恰當。當學生自主選擇團體時，頂尖學生經?；ハ噙x擇，而讓其他學生自我安排，這是不公平的。理想的團隊是不同能力背景、有共同興趣和時間段的成員組成的。（3）分配小組成員角色并督促輪換。三個不可或缺的角色是隊長（拆分任務并進行分配）、書記員（記錄最終問題解決方案）和檢驗員（校對和更正最終方案）。

可以單獨執(zhí)行或與上述任一角色組合執(zhí)行的其他角色包括過程監(jiān)督員（確保和驗證每個團隊成員的貢獻）和懷疑論者（質疑和提出可替代方案）。只有真正參加活動的學生的姓名方可出現(xiàn)在解決方案上，而他們的團隊角色需要在課程中就被確定。在整個課程過程中，角色應輪流接替，以便每個學生嘗試不同的角色。角色扮演的形式，有助于激發(fā)學生的學習興趣和參與熱情。

結語

基于長期的一線教學經驗，本文從改善教學效果、培養(yǎng)社會需求型人才出發(fā)，探討了生物醫(yī)學工程專業(yè)核心課程“醫(yī)學數字信號處理”的改革方案。結合我國生物醫(yī)學工程學科及產業(yè)發(fā)展的需求，以產業(yè)發(fā)展需求為出發(fā)點，強調實際和應用相結合，注重創(chuàng)新型人才素質培養(yǎng)，對團隊合作能力設定新的目標和要求?；诒菊n程現(xiàn)有教學狀況，討論了改革過程中的幾大重要因素，提出了大致的改革框架和確定的改革計劃，為實際的教學改革提供參考。同時，利用現(xiàn)有深圳周邊完整的生物醫(yī)學工程產業(yè)鏈，理論結合實際，通過改革發(fā)展提出一種能夠激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生成為契合行業(yè)發(fā)展需求的工科人才的教育教學模式。

本文的部分改革思想已被運用到現(xiàn)今的教學活動中，包括注重啟發(fā)學生的學習興趣和批判思維等，已取得良好的教學效果，學生反饋評價較好。但是，協(xié)同合作和創(chuàng)造性很難被量化，因為這些概念在科學范圍內不是單一的或者已經被定義的，而是一個不容易理解的概念?！搬t(yī)學教學信號處理”課程的系列改革措施將會在后續(xù)繼續(xù)實施，其有效性有待進一步提升。

參考文獻

［1］劉婷，王帆，楊婷.《數字信號處理》綜合性課程設計的改革與探索［J］.山西電子技術，2015（2）：82-4.

［2］黃德群.基于高校網絡教學平臺的混合學習模式應用研究［J］.遠程教育雜志，2013，31（3）：64-70.

Exploration of Collaborative Cooperation and Creative Thinking Training in Specialized Courses： Reform of Teaching Methods and Concepts Based on “Medical Digital Signal Processing”

DING Hui-jun， DIAO Xian-fen， CHEN Xin

（School of Biomedical Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518037， China）

Abstract： With the rapid development of computer and information technology， digital signal processing emerged and developed rapidly. Medical digital signal processing is a new subject involving multidisciplinary and widely used in many fields. This subject is the basic discipline of biomedical engineering （BME） with theoretical and abstract content， which makes it very challenging in teaching and learning. To address those problems， we explore the project of teaching reform based on the training of collaborative ability and creative thinking， the reform of classroom teaching method and teaching concept. The project aims to help students grasp the foundation of science， mathematics and engineering through the university platform， and meet the expectations of the future engineering industry for talents.

Key ?words： DSP; BME; teaching reform; collaboration; innovation