李 華，梁永波，杜曉霞，肖文香，張 倩

（桂林電子科技大學生命與環(huán)境科學學院 廣西 桂林 541004）

新工科和大健康產(chǎn)業(yè)的興起，為生物醫(yī)學工程專業(yè)的發(fā)展提供了難得的機遇，同時也是極大的挑戰(zhàn)[1]。目前該專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量還不能很好地適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，沒有把專業(yè)的優(yōu)勢和特色完全展現(xiàn)出來，該專業(yè)還存在以下悲觀情緒：“雖然我們也學過電子和軟件相關(guān)課程，可電路設(shè)計能力不如電子工程學院的學生，編程能力不如計算機學院的學生，我們專業(yè)培養(yǎng)出的學生出路在哪里？”因此，如何構(gòu)建電子信息與專業(yè)特色緊密結(jié)合的課程，已是目前生物醫(yī)學工程專業(yè)急需解決的痛點問題[2-5]。

“單片機原理及應(yīng)用”課程是電子信息類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門專業(yè)限選課。在以往的教學中，該課程主要講授單片機的一些基礎(chǔ)理論，和電子信息類專業(yè)、測控專業(yè)等講授的內(nèi)容沒有大的區(qū)別，且學生學完該課程后，動手能力、實際的電路設(shè)計能力沒有大的提高，且以單片機為核心、與專業(yè)相關(guān)的醫(yī)學電子儀器的設(shè)計沒有涉及，影響了課程目標達成度的完成[6-8]。同時，根據(jù)對一些醫(yī)療電子儀器行業(yè)重點企業(yè)的走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，生物醫(yī)學工程專業(yè)的畢業(yè)生普遍存在著理論應(yīng)用于實踐的工程能力薄弱、電子信息特色與醫(yī)療電子儀器的結(jié)合不緊密、醫(yī)學倫理規(guī)范意識不強等問題[9-10]。

綜上，本課程組在培養(yǎng)方案中將“單片機原理及應(yīng)用”課程調(diào)整為“醫(yī)學電子儀器設(shè)計”課程。采用項目式教學方法。項目化教學是師生通過共同實施一個完整的“項目”工作而進行的教學活動，將教學大綱中規(guī)定的教學內(nèi)容和要求轉(zhuǎn)化為若干個有實用價值的工程項目。醫(yī)學電子儀器的核心是單片機，將單片機的學習與醫(yī)學電子儀器的設(shè)計很好地結(jié)合起來，是本門課程急需解決的關(guān)鍵核心問題。

1 教學改革內(nèi)容

“醫(yī)學電子儀器設(shè)計”針對目前存在的問題進行了教學改革和創(chuàng)新，具體體現(xiàn)在教學方法、教學內(nèi)容以及考核方式的改革上。

1.1 教學方法

貫徹“教師引導(dǎo)、學生跟進、自主學習、自主實踐”的教學思想，結(jié)合課堂講授、學生自學、輔導(dǎo)答疑、自主實踐等教學方式，靈活采用多種教學方法。

①啟發(fā)式教學方法。根據(jù)“醫(yī)學電子儀器設(shè)計”課程的特點，理論課以課堂講授為主，為使學生對課程內(nèi)容有系統(tǒng)和全面的認識，加深對課程重點知識的認識并牢固掌握其內(nèi)容，引導(dǎo)學生樹立正確的學習方法和思維方式，以便理解課程難點。

②自主實踐式教學方法。根據(jù)“醫(yī)學電子儀器設(shè)計”知識需要自主動手的特點，在理論學習內(nèi)容的基礎(chǔ)上，介紹實際芯片和開發(fā)環(huán)境，引導(dǎo)學生在課后自主實踐。使學生能夠掌握單片機的基礎(chǔ)知識，并初步具備進行系統(tǒng)開發(fā)的能力。

③學導(dǎo)式教學方法。根據(jù)大學生具備自學能力、本門課程內(nèi)容中的一部分有可能通過自學掌握的特點，采取了教師提出學習提綱、給出查閱資料范圍、學生通過自主查閱資料、教師給出參考問題供學生消化這樣一個環(huán)環(huán)相扣的方法，調(diào)動學生的學習積極性。在此基礎(chǔ)上，通過布置實踐強化訓(xùn)練大作業(yè)，使學生進一步掌握單片機的編程和調(diào)試能力。

④關(guān)聯(lián)式教學方法?！搬t(yī)學電子儀器設(shè)計”這門課程涉及許多其他學科的知識，如人體生理參數(shù)、模擬電子、數(shù)字邏輯、軟件設(shè)計等。這就要求教師對其他課程的知識有所了解，在講課時，從各門課程知識相互關(guān)聯(lián)的角度，根據(jù)不同的內(nèi)容有選擇地運用其他學科的知識分析問題。

1.2 教學內(nèi)容

教學內(nèi)容的選擇上體現(xiàn)了理論和實踐的有機統(tǒng)一?！搬t(yī)學電子儀器設(shè)計”課程共40個學時，其中前24個學時講授單片機的理論基礎(chǔ)知識，后16個學時的內(nèi)容圍繞以單片機為核心的醫(yī)學電子儀器的設(shè)計展開。通過精簡部分理論學時，加大了實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學生不僅掌握單片機的相關(guān)理論知識，而且可以應(yīng)用到以單片機為核心的醫(yī)學電子儀器的設(shè)計中去。

同時，構(gòu)建了以紅外光電容積脈搏波采集系統(tǒng)為核心的項目式教學方法，完成從知識到能力的跨越。該門課程以四類典型的人體生理參數(shù)（脈搏、血氧、血壓、心率）檢測儀器為工程應(yīng)用背景，將這四類儀器需要用到的單片機知識概括為十五個模塊化學習資料，同時布置五個實踐強化訓(xùn)練作業(yè)，最后學生在掌握上述能力的基礎(chǔ)上，選擇相關(guān)的三個醫(yī)學電子儀器設(shè)計項目進行大作業(yè)，從而實現(xiàn)了單片機從普通芯片到醫(yī)學電子儀器核心芯片的轉(zhuǎn)變。項目式教學的整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 項目式教學設(shè)計框圖

1.3 考核方式

考核方式：平時考核（包括課堂到課率、課外作業(yè)及課外實踐作業(yè)）、期中考試（開卷）、期末考試（閉卷）。

課程總成績構(gòu)成：平時成績占50%，期末考試成績占50%。

平時成績構(gòu)成：由課堂表現(xiàn)、課外作業(yè)及大作業(yè)構(gòu)成，其中課堂表現(xiàn)占總成績10%、課外作業(yè)成績占總成績20%、大作業(yè)占總成績20%。

2 教學改革方案

本教學改革基于脈搏波采集設(shè)計不同難度的項目，學生可根據(jù)自身的能力和水平選擇相應(yīng)的項目完成。

2.1 項目設(shè)計名稱：紅外脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計

①傳感器：HKG-07B紅外脈搏傳感器；

②信號調(diào)理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號調(diào)理電路+單片機系統(tǒng)電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④AD620+50Hz限波電路+帶通濾波電路（調(diào)試發(fā)放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機（將發(fā)放的PCB與單片機學習板連接調(diào)試、編程）；

⑥針對單片機采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機內(nèi)設(shè)計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現(xiàn)心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（提供基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.2 項目設(shè)計名稱：光電容積脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計

①傳感器：醫(yī)用血氧飽和度標準探頭（7針，DB7）；

②信號調(diào)理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號調(diào)理電路+單片機系統(tǒng)電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④紅光或紅外光單波長驅(qū)動電路+跨阻放大器+帶通濾波器（調(diào)試發(fā)放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機（將發(fā)放的PCB與單片機學習板連接調(diào)試、編程）；

⑥針對單片機采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機內(nèi)設(shè)計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現(xiàn)心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（提供基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.3 項目設(shè)計3名稱：血氧飽和度測量系統(tǒng)設(shè)計

①傳感器：醫(yī)用血氧飽和度標準探頭（7針，DB7）；

②測量系統(tǒng)原理圖與PCB電路板（交工程文件）；

③自行打板實現(xiàn)整個測量電路，調(diào)試通過所有功能模塊；

④單片機選擇不限制，ADC與DAC均可使用單片機內(nèi)置功能；

⑤針對單片機采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機內(nèi)設(shè)計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現(xiàn)心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（可參考提供的基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

3 改革取得的初步成果

學習本課程的學生均需完成本項目設(shè)計與調(diào)試內(nèi)容，通過本項目鍛煉能夠使學生對醫(yī)學電子信號有更清晰的認識，具備基本的醫(yī)學生理測量系統(tǒng)設(shè)計能力，能夠解決醫(yī)學電子儀器設(shè)計中遇到的各類常規(guī)設(shè)計與調(diào)試問題。項目開展過程部分如圖2―圖4所示。特別是生物電子創(chuàng)新基地的學生，進行醫(yī)學電子儀器相關(guān)裝置的設(shè)計，獲得“挑戰(zhàn)杯”廣西壯族自治區(qū)一等獎、“全國大學生生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設(shè)計大賽”一等獎等獎項。

圖2 信號調(diào)理電路設(shè)計圖

圖3 焊接PCB板實物圖

圖4 項目總體連接實物圖

4 結(jié)語

多學科交叉融合是生物醫(yī)學工程專業(yè)的重要特點，如何實現(xiàn)不同課程、不同知識點之間的融合，體現(xiàn)專業(yè)特色，是生物醫(yī)學工程專業(yè)課程教學改革的重要目標。本文以“醫(yī)學電子儀器設(shè)計”課程教學改革為例，以項目式教學改革為抓手，將單片機的相關(guān)基礎(chǔ)知識與人體生理參數(shù)檢測有機結(jié)合，使學生在掌握單片機相關(guān)基礎(chǔ)理論和知識的同時，也培養(yǎng)了生物醫(yī)學工程專業(yè)中人體生理生化參數(shù)的醫(yī)學電子儀器的設(shè)計和檢測能力，提高對專業(yè)的認同度。本文不僅對生物醫(yī)學工程專業(yè)相關(guān)課程的改革提供了參考，對其他專業(yè)也具有借鑒意義。