張 妍，喬清理

(天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，天津 300070)

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》教學(xué)改革探索

張 妍，喬清理

(天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，天津 300070)

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》是利用電子學(xué)的理論和技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、處理、變換和傳輸?shù)睦碚摷胺治龇椒ǖ目茖W(xué)，是生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程。過(guò)去本課程與學(xué)科前沿的結(jié)合不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容更新速度較慢，缺乏與臨床醫(yī)學(xué)的聯(lián)系;實(shí)驗(yàn)課缺乏循序漸進(jìn)的、與理論課密切結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)面狹窄。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐改革，我們采用自上而下的教學(xué)方法進(jìn)行課程講授，實(shí)驗(yàn)課采用計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)與實(shí)際硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)出集成運(yùn)算放大器電路，并改革實(shí)驗(yàn)考試方法。激勵(lì)學(xué)生在自主設(shè)計(jì)上獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)鞏固復(fù)習(xí)已學(xué)過(guò)的電子元件和電子基本電路，達(dá)到理論和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的目的。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué);教學(xué)改革;自上而下;計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)

在教育部《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》頒發(fā)后，全國(guó)掀起了深化本科教學(xué)改革的熱潮。但受原有教學(xué)模式和傳統(tǒng)教育觀念的影響，長(zhǎng)期以來(lái)《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的課堂教學(xué)主要采取自下而上的教學(xué)模式，即從運(yùn)算放大器的工作原理開(kāi)始，然后利用這些運(yùn)算放大器構(gòu)建一些基本電路，分析這些基本電路的功能，最后給出這些電路的應(yīng)用例子。但在這種教學(xué)模式中學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動(dòng)的，因此需要教師在課程內(nèi)容和講授方法上進(jìn)行改革。近年來(lái)，我們課程組采用自上而下的教學(xué)方法，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)考試方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生主動(dòng)掌握如何設(shè)計(jì)具體電路，同時(shí)更早開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)用電路。本教學(xué)改革旨在把學(xué)生融入有意義的任務(wù)完成的過(guò)程中，讓學(xué)生積極地學(xué)習(xí)、自主地進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的開(kāi)設(shè)時(shí)間通常是在大三第二學(xué)期或大四第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了《電路分析》、《信號(hào)與系統(tǒng)》和《模擬電子技術(shù)》等課程?！渡镝t(yī)學(xué)電子學(xué)》既是電子學(xué)的后續(xù)和提高課程，又為今后能更好地從事生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)的研究打下技術(shù)基礎(chǔ)。我們使用的教材主要有《Medical Instrumentation:Application and Design》，1997;李剛等編著的《現(xiàn)代測(cè)控電路》;蔡建新，張唯真編著的《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》，1997。本課程的主要內(nèi)容包括:生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量的特殊性及基本條件，信號(hào)的檢測(cè)、處理、變換和傳輸?shù)幕纠碚撆c方法，涉及的電子電路以半導(dǎo)體集成電路為主，注重新型、實(shí)用及通用性。通過(guò)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生較深入地理解電子測(cè)量的基本概念、以及解決問(wèn)題的基本思想方法，逐步掌握測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。本課程的理論課共54學(xué)時(shí)，以生物電信號(hào)源為起點(diǎn)，分別介紹生物電檢測(cè)的基本方法，生物電信號(hào)放大、隔離、濾波和射頻傳輸中的基本理論與方法，使學(xué)生能使用放大器和模擬電子學(xué)設(shè)計(jì)我們要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能。我們采用自上而下的講課方法，如圖1所示，即先從整體考慮:系統(tǒng)的測(cè)量的精度與性能、被測(cè)量的量、被測(cè)量信號(hào)的大小與頻率。然后是測(cè)量系統(tǒng)的使用條件和所具有的功能，如信號(hào)的顯示、記錄、存儲(chǔ)及其它一些功能。再以信號(hào)增益和誤差分配，來(lái)確定前向信號(hào)通道(即從傳感器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)放大、處理部分電路)所需信號(hào)放大、濾波或變換電路的級(jí)數(shù)，各級(jí)的增益，濾波器的階數(shù)、形式和截止頻率等。最后確定各個(gè)組成部分的具體設(shè)計(jì)要求。

在第一節(jié)課上，我們將從心電，血壓到超聲，CT儀器，再到醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室儀器和治療儀器的實(shí)際電路圖給學(xué)生看，找出儀器電路的共同點(diǎn)，得出一般儀器的一般框架。在此基礎(chǔ)上，將醫(yī)學(xué)儀器的一般框架與整個(gè)課程即將講授的內(nèi)容逐一聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生從整體上知道學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目的。針對(duì)每一章，我們也是從一個(gè)生理量測(cè)量開(kāi)始，提出技術(shù)指標(biāo)和原始設(shè)計(jì)要求，然后逐漸過(guò)渡到與實(shí)際醫(yī)學(xué)儀器中相關(guān)的電路。與此同時(shí)，結(jié)合各類大學(xué)生電子競(jìng)賽題目，組織學(xué)生設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)不同功能的集成運(yùn)算放大器電路，給他們提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，有利于知識(shí)的鞏固與吸收。

圖1 自上而下的教學(xué)改革模式

2 實(shí)驗(yàn)改革和手段創(chuàng)新

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課是為了配合生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課而設(shè)置的，實(shí)踐性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校教學(xué)和科研的重要基地，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作是衡量高校辦學(xué)實(shí)力和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。過(guò)去的實(shí)驗(yàn)課，采用電子實(shí)驗(yàn)箱，任課教師在課前把儀器設(shè)備及元器件準(zhǔn)備好，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)就是依照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)在實(shí)驗(yàn)箱面板上插線，根本看不到電路，學(xué)生處于被動(dòng)地位。采用實(shí)驗(yàn)箱在學(xué)生不斷增多情況下，不僅增加教學(xué)經(jīng)費(fèi)和占用空間，學(xué)生也依賴于實(shí)驗(yàn)室。改革后的實(shí)驗(yàn)課由三部分組成，一部分是用Mutisim(一個(gè)能Windows下運(yùn)行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件)仿真，另一部分是實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)，最后一部分是課程設(shè)計(jì)，即綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一部分實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際流行的電子輔助設(shè)計(jì)軟件——美國(guó)國(guó)家儀器公司的Mutisim，它不僅是一個(gè)能在Windows下運(yùn)行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，也是一個(gè)能裝進(jìn)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室。它具有直觀的圖形界面，整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。它還有來(lái)自美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices)、德州儀器(Texas Instruments)和凌力爾特公司(Linear Technologies)豐富的元器件和模塊庫(kù)和從數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀到邏輯分析儀高性能的測(cè)試儀器。所設(shè)計(jì)出的電路除了可用于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量之外，還可以做直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)——零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析等定量分析。Multisim不僅提供了高指標(biāo)的虛擬儀器和充足的元器件資源，還彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)儀器及經(jīng)費(fèi)不足造成的缺憾。更為重要的是只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能擁有自己的實(shí)驗(yàn)室，打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)他們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并發(fā)展自己的興趣愛(ài)好。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問(wèn)題。學(xué)生有機(jī)會(huì)按自己的思維開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使他們進(jìn)行研究性和探索性實(shí)驗(yàn)成為可能。

在利用仿真軟件的同時(shí)，開(kāi)展實(shí)際硬件的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室資源有:42臺(tái)連著計(jì)算機(jī)和測(cè)量?jī)x表的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。針對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)臺(tái)資源，把學(xué)生分為14個(gè)小組，每組安排3人，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并考核。課程組教師同時(shí)擔(dān)任著每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)師，學(xué)生可以自由提問(wèn)，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)他們測(cè)量問(wèn)題、指正錯(cuò)誤，但不能給出設(shè)計(jì)思路和方案。通過(guò)這樣與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的接觸，了解他們的水平。在實(shí)驗(yàn)操作中，不給出任何具體的提前寫(xiě)好的實(shí)驗(yàn)提綱，要求學(xué)生根據(jù)命題自己計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)中做什么。為了在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間更有效率，要求預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真軟件來(lái)確定設(shè)計(jì)是否正確，并在實(shí)驗(yàn)箱面包板上將設(shè)計(jì)圖連線。在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有安排固定實(shí)驗(yàn)時(shí)，就對(duì)學(xué)生開(kāi)放，讓學(xué)生可以自由準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)操作的重要環(huán)節(jié)是開(kāi)展小組討論，其目的是使學(xué)生找出課堂給出的設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案，以便在實(shí)驗(yàn)期間做好準(zhǔn)備。約半個(gè)小時(shí)長(zhǎng)的小組討論主要解決以下問(wèn)題:①理解題目:每位學(xué)生都要發(fā)現(xiàn)自己有沒(méi)有不清楚和不理解的地方。②發(fā)表創(chuàng)造性意見(jiàn):學(xué)生對(duì)問(wèn)題能自由想象，展開(kāi)討論。小組中的一個(gè)人記錄問(wèn)題。③評(píng)估上述意見(jiàn):學(xué)生把他們的觀點(diǎn)、意見(jiàn)組織好，把無(wú)關(guān)的分類出來(lái)，把和問(wèn)題重點(diǎn)相關(guān)的記錄下來(lái)。④解決問(wèn)題或計(jì)劃如何解決問(wèn)題:提出具體設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐方案。這時(shí)，課程組的教師可以幫助他們弄清或解釋相關(guān)提問(wèn)，但要讓學(xué)生自己組織施行，只有學(xué)生太偏離目標(biāo)的時(shí)候才出來(lái)指正。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)課訓(xùn)練，很多本科生都利用寒暑假，備戰(zhàn)各種電子大賽，自主設(shè)計(jì)智能模擬儀器等，在參賽的之余體會(huì)到利用運(yùn)算放大器的靈活性、趣味性及優(yōu)勢(shì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)考核改革

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，削減了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，提高綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例[2]。為了得到更多的反饋以不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，我們把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考試改為在課程學(xué)習(xí)中的三次考試。每次以提出設(shè)計(jì)問(wèn)題的方式教完固定的某一模塊內(nèi)容后，相關(guān)的檢查設(shè)計(jì)能使學(xué)生對(duì)該模塊的學(xué)習(xí)有更深入的理解。

比如要求學(xué)生設(shè)計(jì)一套儀器放大器，這需要學(xué)生了解Electronics Workbench安裝方法與運(yùn)行方式電路仿真技術(shù)的基本知識(shí);掌握集成運(yùn)算放大器的主要性能參數(shù)及其含義;掌握儀器放大器的構(gòu)成形式、原理、特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合。在放大器的大致結(jié)構(gòu)確定下來(lái)之后，分析儀器放大器的頻率響應(yīng);在幅頻特性曲線上找出設(shè)計(jì)放大器的截止頻率;改編反饋電阻，觀察反饋電阻對(duì)幅頻特性的影響。這部分便與傳統(tǒng)的模擬電子學(xué)課程銜接起來(lái)了，同時(shí)檢查了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。

考試內(nèi)容:需要上交的一系列解決問(wèn)題的方法，學(xué)生可以自己獨(dú)立或者以小組為單位一起解決問(wèn)題。我們分小組對(duì)每位學(xué)生都給出不同的題目，每位學(xué)生都要上交個(gè)人解決方法的電子版作業(yè)，用特定的元件性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)和搭建實(shí)現(xiàn)不同功能的測(cè)量電路。考試時(shí)以小組為單位，每個(gè)人單獨(dú)匯報(bào)設(shè)計(jì)思路，監(jiān)考教師和其他學(xué)生都可以對(duì)設(shè)計(jì)提問(wèn)，根據(jù)學(xué)生的解答和設(shè)計(jì)來(lái)給出分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)課考試的總分是以上三部分考試的平均分。只有以上三部分測(cè)驗(yàn)都合格，才能算通過(guò)實(shí)驗(yàn)考試。剛開(kāi)始這門課的教學(xué)改革時(shí)，不少學(xué)生第一次考試成績(jī)都很不理想，但到學(xué)期末的最后一次考試成績(jī)普遍都有了很大提高，說(shuō)明這種改革的確提高了學(xué)生解決問(wèn)題的積極性和動(dòng)手能力。

3 總結(jié)

實(shí)踐證明，運(yùn)用自上而下的理論課教學(xué)模式能使課程內(nèi)容生動(dòng)化，給學(xué)生搭建出生物醫(yī)學(xué)儀器的整體框架之后再分別講解元器件能啟發(fā)學(xué)生全面了解本課程，激發(fā)他們自主學(xué)習(xí)的期望。其次，豐富實(shí)驗(yàn)課的軟件、硬件內(nèi)容，使考試與解決問(wèn)題相結(jié)合，采取新的實(shí)驗(yàn)考試方法來(lái)進(jìn)行《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》教學(xué)，經(jīng)過(guò)整個(gè)學(xué)期的訓(xùn)練，多數(shù)學(xué)生的動(dòng)手能力有了很大提高，并對(duì)這種學(xué)習(xí)方法有良好的反饋。

教學(xué)改革的目的是使學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與科研實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)本科生的科研能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，培養(yǎng)我國(guó)發(fā)展交叉學(xué)科需要的、具有科研能力的創(chuàng)新型人才[3]。值得可喜的是，學(xué)生在第四學(xué)年參加各類電子大賽中屢獲佳績(jī)，這跟他們整體設(shè)計(jì)思路和動(dòng)手能力的提高有莫大關(guān)系，也驗(yàn)證了《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的教學(xué)改革具有可行性，但如何使這門課程與就業(yè)相結(jié)合還是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨、需要教師不斷更新知識(shí)結(jié)構(gòu)的任務(wù)。

[1]張秉義，張耀杰.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2010，18(1):114-116.

[2]曹佃國(guó)，武玉強(qiáng)，張立華.“模擬電子技術(shù)”教學(xué)改革探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(4):14-15.

[3]田 心，鄭旭媛，劉 婷，等.生物醫(yī)學(xué)工程本科研究型教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2007，15(5):899-931.

G642.0

A

1006-2769(2011)03-0548-04

2011-03-01

天津醫(yī)科大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目:“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”課程建設(shè)與教學(xué)改革

張 妍(1982-)，女，研究實(shí)習(xí)員，碩士研究生在讀，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的研究。

喬清理，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。