生物醫(yī)學(xué)專業(yè)電子類課程教學(xué)模式改革
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摘要隨著對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新型人才的需求不斷增加，需要更新教師隊伍的教育和教學(xué)理念，構(gòu)建指導(dǎo)性傳授知識與主動性學(xué)習(xí)相結(jié)合的互動性專業(yè)課程教學(xué)模式，在教學(xué)過程中著力培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、工程設(shè)計能力、思辨和創(chuàng)新能力、終身自主學(xué)習(xí)能力和自我發(fā)展能力，激發(fā)學(xué)生探究與創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣，促進專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高。
關(guān)鍵詞生物醫(yī)學(xué)工程；電子類專業(yè)課程；教學(xué)模式改革
0引言
大學(xué)本科專業(yè)課程教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新是一項需要頂層設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)工程，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)具有理、工、醫(yī)相結(jié)合的交叉學(xué)科特點，它應(yīng)用工程的理論、技術(shù)和方法，研究和解決生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的科學(xué)問題。近些年，隨著科學(xué)及社會的發(fā)展，對這個領(lǐng)域高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才的需求有不斷增長的趨勢。美國勞工組織的數(shù)據(jù)顯示，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的就業(yè)在工程勞動力市場中的增長最大，預(yù)計2008年至2018年有72％的增長率。在歐盟，專利的數(shù)量在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的范疇中也是最高的［1］。醫(yī)科大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，具有在豐富臨床資源的醫(yī)學(xué)大背景和大環(huán)境下的特色，需要在教學(xué)中體現(xiàn)兩個結(jié)合，即理工科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合、基礎(chǔ)研究與臨床實際緊密結(jié)合。面對新的形勢，只有積極探索并對教學(xué)模式進行不斷改革才能促使高校培養(yǎng)的人才滿足新時代更高的要求。以往的教學(xué)模式習(xí)慣是以教師為主導(dǎo)，課程教學(xué)更多是教師對知識的講授，缺少對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，學(xué)生在課堂上是被動灌輸，教學(xué)效果差強人意。教學(xué)工作需要更新整體教師隊伍的教育教學(xué)理念，構(gòu)建“指導(dǎo)性傳授知識與主動性學(xué)習(xí)相結(jié)合”的互動性專業(yè)課程教學(xué)模式［2］，既加強教師的個性化指導(dǎo)，也尊重學(xué)生個性化發(fā)展的要求。本研究團隊調(diào)研了國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)教育課程的主要目標(biāo)和課程設(shè)置，學(xué)習(xí)了國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)工程實驗室主要開展的研究成果以及工程培訓(xùn)的內(nèi)容［3－5］。國外大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，除了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和基礎(chǔ)工程課程之外，還要學(xué)習(xí)生物電子、生物信息、生物材料或生物力學(xué)等專業(yè)知識，并且在畢業(yè)前有機會在校外相關(guān)機構(gòu)實習(xí)或見習(xí)，同時許多工程系還會與生物醫(yī)學(xué)工程系在一些項目中聯(lián)合，以培養(yǎng)更高素質(zhì)的學(xué)生。結(jié)合國內(nèi)實際情況，在電子類課程的教學(xué)過程中，重點培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力、工程實踐能力、思辨和創(chuàng)新能力、終身自主學(xué)習(xí)能力和自我發(fā)展能力，激發(fā)學(xué)生探究與創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣，以便不斷提高專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，實現(xiàn)整體學(xué)科的內(nèi)涵式發(fā)展。
1教學(xué)模式改革
1、1制定專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計方案
“教”是為了“學(xué)”，整合化的教學(xué)設(shè)計理論強調(diào)教學(xué)條件的確定必須以學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程與需求為依據(jù)，教師在教學(xué)設(shè)計時，建立以學(xué)生為中心、以學(xué)為本的教學(xué)觀念，依據(jù)學(xué)科發(fā)展，不斷挖掘并更新教材中的相關(guān)知識點，對專業(yè)課程內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)和脈絡(luò)體系進行有機整合，培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。結(jié)合調(diào)研學(xué)習(xí)的情況，形成專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計方案模板，如圖1所示。教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)活動的設(shè)計通常包含7個環(huán)節(jié)，即回顧知識溫故知新、以實例開場引入新課、創(chuàng)設(shè)情境提出問題、層層推導(dǎo)突破難點、前后呼應(yīng)解答問題、應(yīng)用知識課堂練習(xí)、拓展思維延伸課堂。教師在各自教授的專業(yè)課程中分別優(yōu)化教學(xué)設(shè)計并不斷完善，執(zhí)行順序可以根據(jù)教授內(nèi)容的不同而有所調(diào)整。
1、2改進教學(xué)方法
結(jié)合專業(yè)特點將全部專業(yè)課程按照年級進行頂層設(shè)計，大學(xué)二年級通過3門專業(yè)基礎(chǔ)課程提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，大學(xué)三年級通過7門專業(yè)課程培養(yǎng)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的能力和思辨能力，大學(xué)四年級通過3門專業(yè)課程提高學(xué)生解決實際問題的能力，以便為完成畢業(yè)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。以理論和實踐相結(jié)合為中心，倡導(dǎo)自主性、研究性和創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。授課過程中，授課內(nèi)容上充分體現(xiàn)理論和實踐的緊密聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中積極思考；授課方法上多采用啟發(fā)式、討論式及案例分析式等教學(xué)方法，以促進學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，能夠運用知識創(chuàng)造性解決實際問題。教學(xué)方法的改進，不僅要求教師具備創(chuàng)新意識和積極進取的精神，還要求教師具有很強的工程實踐能力［6］。本著繼承和創(chuàng)新的原則，對大學(xué)二年級的電工與電路分析、模擬電子技術(shù)、電子技術(shù)實驗3門課程的教學(xué)內(nèi)容進行整合和規(guī)劃［7］，挑選出一些適合自主學(xué)習(xí)的知識點或者課程章節(jié)內(nèi)容。如在電工與電路分析課程中，結(jié)合4大模塊（電阻電路的時域分析、動態(tài)電路的時域分析、動態(tài)電路的變換域分析、電機原理）的教學(xué)基本內(nèi)容所涉及的知識結(jié)構(gòu)，挑選出“無源器件的認識”、“步進電機的原理及應(yīng)用”、“常見電機原理及應(yīng)用”、“對偶性的理論知識與分析方法”、“含受控源電路分析方法的總結(jié)”、“戴維南定理的應(yīng)用意義”、“相量的定義、使用和意義”、“MATLAB在電路分析中的應(yīng)用”、“使用Multisim進行電路仿真”、“一階電路和閃光燈電路的原理分析及仿真”和“RLC電路的動態(tài)特性綜合研究與仿真”共計11個知識點，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。首先在授課前，將相關(guān)學(xué)習(xí)資源上傳至各課程的網(wǎng)絡(luò)平臺上，提出若干個難度適中的問題，并對自主學(xué)習(xí)提出具體的要求。然后根據(jù)學(xué)生意愿或隨機分成幾個小組，每個小組針對某個問題查閱文獻資料，通過對所查資料的分析、整理、歸納，制成PPT課件。前期準(zhǔn)備好后，在課堂上每小組派出代表分別演示并講解10min左右，教師與學(xué)生共同針對其演講的內(nèi)容進行提問和討論。最后教師對所涉及的知識范圍和討論熱點進行總結(jié)，并對學(xué)生講不清楚的或者理解有偏差的問題進行補充和更正。這個過程以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師起輔助指導(dǎo)作用，可以事先講解課題分析的方法、提供必要的相關(guān)資料、介紹必備的專業(yè)背景知識，既要讓學(xué)生領(lǐng)會課程的知識重點和應(yīng)用領(lǐng)域，又要充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大學(xué)三年級有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、脈沖數(shù)字電子技術(shù)、醫(yī)用傳感器、單片機原理與應(yīng)用、電子學(xué)測量方法和電子工藝實習(xí)7門課程，在理論課的教學(xué)方式上，采取教師講授與學(xué)生交流討論并重的方法進行。針對基本原理知識，教師重點講授，采用啟發(fā)式、推理式及案例分析式等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。如在數(shù)字信號處理課程中，將功能電刺激研究課題的成果作為一個實例，講授功能電刺激實現(xiàn)膀胱排尿功能障礙治療的原理和方法，并加深醫(yī)學(xué)信號處理理論在本專業(yè)領(lǐng)域的重要作用。例如，在信號與系統(tǒng)課程中，將拉曼光譜研究課題的成果作為講授卷積和反卷積的一個實例，將公式和概念與實際應(yīng)用結(jié)合起來，通過反卷積解決基地信號不一致的問題，確保信號處理和特征提取的可靠性，為實現(xiàn)疾病的可靠診斷提供條件。如在脈沖數(shù)字電子技術(shù)課程中，利用“雨課堂”平臺，新增“發(fā)現(xiàn)生活中的數(shù)電”專題，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)生活中比較常見的數(shù)字電路應(yīng)用實例，介紹其電路功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用范圍等。又如在單片機原理與應(yīng)用課程中，教師在課堂上現(xiàn)場演示“電子節(jié)能定時轉(zhuǎn)換器”等工程產(chǎn)品工作過程，幫助學(xué)生通過實踐體驗，進一步理解單片機功能和工作原理，同時引導(dǎo)學(xué)生觀察學(xué)校食堂切面機器人等日常場景中的應(yīng)用，以及觀看該領(lǐng)域最新流行技術(shù)（Arduino開源硬件平臺）應(yīng)用視頻，自行分析感興趣的單片機應(yīng)用實例的工作原理、可能出現(xiàn)的問題等，從而加深對知識點的理解和掌握。在實驗教學(xué)中，針對基本原理設(shè)計實驗方案及技術(shù)路線，主要采取探究型教學(xué)方式，通過討論交流，讓學(xué)生主動探索知識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和思辨能力。如針對數(shù)字信號處理課程的實驗教學(xué)內(nèi)容，采用探究式教學(xué)方式，改變傳統(tǒng)實驗過程，以教師為主導(dǎo)，結(jié)合理論課教學(xué)內(nèi)容，合理地設(shè)計實驗方案，以學(xué)生為主體展開實驗，使過去被動式的實驗教學(xué)方式變?yōu)閷W(xué)生主動設(shè)計實驗過程，獨立完成實驗內(nèi)容，并撰寫論文式實驗報告進行歸納和總結(jié)。整個實驗過程相對獨立、開放，從實驗的預(yù)習(xí)、操作到最終的實驗報告撰寫全部以學(xué)生為主體，一方面可以更好地與理論課內(nèi)容相結(jié)合，驗證相關(guān)原理和方法，達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的；另一方面加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了獨立分析問題、解決問題的能力。依據(jù)大學(xué)四年級的醫(yī)學(xué)儀器原理與實驗、嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用、臨床工程學(xué)3門課程特點，給學(xué)生提供若干個小項目，在學(xué)生明確要解決的問題后，教師指導(dǎo)學(xué)生對項目需求進行詳細的分解，同時列出要用到的專業(yè)知識點，引導(dǎo)學(xué)生尋找每個問題的解決方案和技術(shù)路線。將解決問題的實踐與理論的知識點密切結(jié)合，這種項目式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)或問題式學(xué)習(xí)對于促進學(xué)生深刻理解專業(yè)知識并解決實際問題具有重要意義［8］。學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計，逐步實現(xiàn)項目的全部功能。如在嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程教學(xué)中，涉及嵌入式文件系統(tǒng)和Android嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)的理論部分，配合Android界面設(shè)計實驗和Android應(yīng)用程序設(shè)計及醫(yī)療平板應(yīng)用實驗兩個綜合性項目。最終要求學(xué)生設(shè)計一個人機交互UI界面，并對學(xué)生的設(shè)計成果，檢查驗證其正確性和可靠性。同時，借鑒國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)工程教育教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合醫(yī)學(xué)院校的特點，從創(chuàng)新實驗室和第二課堂、學(xué)生科研訓(xùn)練等方面開辟生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課外教學(xué)的形式和內(nèi)容，以彌補課堂教學(xué)的不足，為培養(yǎng)合格的、創(chuàng)新的應(yīng)用型人才提供幫助［9］。
1、3改革考核方式
區(qū)別于傳統(tǒng)的“一張試卷定乾坤”，為了促進自主學(xué)習(xí)的開展，對學(xué)生的學(xué)業(yè)進行全方位考核。結(jié)合調(diào)研學(xué)習(xí)的情況，加大過程考核的比例，擬定各門課程的考核方案。加大專題討論、探究學(xué)習(xí)、項目設(shè)計等學(xué)習(xí)模式的比重，注重學(xué)生在整個學(xué)期的過程考核，激勵學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步培養(yǎng)各項能力和素質(zhì)。如電子學(xué)測量方法課程的考核方案為綜合考察，即實驗占30％，協(xié)作學(xué)習(xí)占30％，閉卷考試占40％。協(xié)作學(xué)習(xí)有兩部分內(nèi)容，第一部分為電子測量的新進展和新應(yīng)用，第二部分涉及示波器原理及測量方法。要求以小組為單位，課下自主學(xué)習(xí)，課上匯報討論。圖2所示是這門課程協(xié)作學(xué)習(xí)組內(nèi)自評評分表，圖3是這門課程第一次協(xié)作學(xué)習(xí)的課堂匯報評分表。這兩部分的成績，再加上學(xué)生完成課下自主學(xué)習(xí)，并在BlackBoard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上網(wǎng)絡(luò)課程中按時提交PPT的成績，共同構(gòu)成協(xié)作學(xué)習(xí)的成績。
2教學(xué)改進成果
進行教學(xué)模式改革3年來，收獲了良好的教學(xué)效果，學(xué)生網(wǎng)絡(luò)評教成績均在93分以上，同時積累了一些教學(xué)改革成果。如電工與電路分析、模擬電子技術(shù)、脈沖數(shù)字電子技術(shù)、電子技術(shù)實驗課程梯隊，累計共獲批7項校級教改項目，發(fā)表4篇教學(xué)文章。又如單片機原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程梯隊，連續(xù)獲得網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)、在線開放課程等4個校級項目的資助，發(fā)表了3篇關(guān)于這兩門課程的教學(xué)方法探索文章，指導(dǎo)本科生多次參加全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程類創(chuàng)新設(shè)計競賽并獲獎。再如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理課程梯隊獲批2項校級教改項目，發(fā)表5篇與教學(xué)改革相關(guān)的文章，梯隊教師榮獲2016年全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程類創(chuàng)新設(shè)計競賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師和2017年第九屆挑戰(zhàn)杯首都大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師的榮譽稱號。
3討論與結(jié)論
新一代的生物醫(yī)學(xué)工程師必須面對全世界醫(yī)療保健系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，不僅要支持醫(yī)療保健系統(tǒng)中的現(xiàn)有技術(shù)，還要開發(fā)新的設(shè)備和服務(wù)。因此，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的課程必須適應(yīng)新的需要。學(xué)生除了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)工程課程之外，也要學(xué)習(xí)生物電子、生物信息、生物材料和生物力學(xué)等領(lǐng)域的專業(yè)知識，并且還要學(xué)習(xí)一些醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程。學(xué)生在畢業(yè)前有多次機會在校外附屬醫(yī)院的醫(yī)學(xué)工程科、放射科和信息科等相關(guān)科室進行實習(xí)和見習(xí)，同時還會利用科研基礎(chǔ)訓(xùn)練項目對學(xué)生進行科學(xué)研究的基礎(chǔ)培訓(xùn)。在學(xué)習(xí)國內(nèi)外相關(guān)教育教學(xué)經(jīng)驗后，提出針對電子類專業(yè)課程的的教學(xué)模式改革，構(gòu)建“指導(dǎo)性傳授知識與主動性學(xué)習(xí)相結(jié)合”的互動性專業(yè)課程教學(xué)模式。通過上述專業(yè)課程教學(xué)模式的系統(tǒng)改革，為學(xué)生營造了積極進取的學(xué)習(xí)環(huán)境和求知氛圍，促使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)和探索。通過學(xué)習(xí)和思考，學(xué)生能夠系統(tǒng)掌握所學(xué)知識理論和技能、梳理知識架構(gòu)，從而提高運用知識實際解決科學(xué)問題的能力。在不斷提高教學(xué)效果的同時，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與研究的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、求實創(chuàng)新的良好習(xí)慣和終身學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。
作者：薄雪峰 任朝暉 王燕 劉慶凱 張旭 單位：首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院
