生物醫學工程專業綜合實驗室建設的實踐研究

翁蘇湘 霍旭陽

摘要： 生物醫學工程專業的實踐教學很重要，但現有各門課程的實驗通常是驗證性實驗，且通過試驗箱進行，難以讓學生真正提升能力。為此，探討了開展綜合性、設計性實驗的必要性和綜合實驗室建設的意義，并對該專業綜合實驗室建設進行了具體實踐，為生物醫學工程專業的實踐教學改革探索了一條可行之路。

關鍵詞： 生物醫學工程； 實踐教學； 綜合實驗室； 設計性試驗

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228(2012)07-55-02

0 引言

生物醫學工程是一門將工程技術與醫學相結合，綜合運用工程學相關原理和方法，解決醫學問題的交叉學科。自上個世紀六十年代以來，生物醫學工程已逐步演變為全球發展最快的產業之一。

該專業的本科人才培養目標定位為：具備生命科學、電子技術、計算機與信息科學的基礎知識，具有將現代物理學、電子技術、計算機技術與醫學相結合的科研能力，并突出應用型特色；掌握開發設計、研究醫學儀器的基本方法和技能，畢業后能夠從事醫學儀器的應用、管理、維修、開發、研制等工作[1]。

按照培養應用型人才的要求和目標，生物醫學工程專業學生的電子設計、研發和計算機應用能力被認為是最重要的專業技能。高等學校的專業教育應該將培養學生的這些技能作為教學的重中之重。而學生實踐動手能力的培養是學生整體素質和能力提高的一個重要組成部分，也是培養適應社會經濟發展的復合型人才的根本需要[2]。

1 生物醫學工程專業實踐教學存在的問題及原因

實踐教學環節不僅僅可以驗證學生所掌握的理論知識，同時還可以訓練、培養學生的觀察能力、思維能力、實際操作能力和嚴謹的科學態度[3]。有效的實踐教學不僅僅是理論課教學的必要補充，而且學生的分析、解決實際問題能力和動手能力只有在實踐教學中才能夠得到根本提升。但是在目前實踐教學中存在的一些問題，影響了課程教學的最終實效，也抑制了學生創新能力的提升，主要表現在以下幾個方面。

⑴ 受傳統的“重學輕術”觀念的影響，長期重理論教學，輕實踐能力培養[4]。另外，擴招帶來的學校規模急劇增大，實踐教學設施建設滯后，加之“雙師型”教師嚴重匱乏，造成實踐教學、尤其是工程訓練嚴重不足。

⑵ 單科驗證性實驗內容多而綜合性自主設計實驗內容少。目前生工專業各門學科的實驗課程中，絕大多數實驗項目是針對單一課程某一理論教學內容的驗證性實驗，這種實驗是封閉式的，將學生的思維局限在某一門課程中[5]。而實際上，生物醫學工程專業各門課程，特別是其主干課程電子學各門課程之間有著緊密的聯系，學生缺少學科開放的實驗訓練，會導致知識的割裂，難以形成完整的知識體系。因此，當要求學生完成綜合性實驗項目或自行設計性實驗項目時，學生甚至不知道如何查閱資料、制定實驗方案、選擇實驗設備等。

⑶ 使用實驗箱協助實驗，學生僅僅需要進行簡單的線路連接就完成了實驗，實驗課成為了課堂教學內容正確性的驗證。這種實驗使得學生很少深究實驗原理，難以培養學生的鉆研精神和自主創新意識，久而久之，學生對實驗課也喪失了興趣。

⑷ 實踐教學基地建設滯后，校企聯合還遠遠不夠。這是制約實踐教學向著學以致用目標邁進的障礙之一。本科層次的生物醫學工程專業畢業生的直接去向之一就是企業，為培養企業用得上、留得住的人才，應該使得學生在實訓過程中始終保持與企業的密切聯系，才能使學生在生產實際操作中掌握職業崗位所需的技能及相關工作經驗，了解應用技術領域的前沿知識，完成由學校到生產崗位的過渡[6]。只有這樣，才能使得學生在學習中有明確的職場目標和方向，進而提高學習的主觀能動性。

2 建立生物醫學工程專業綜合實驗室的意義

有文獻顯示，通過對采樣數據的因子分析和回歸方程的計算，實踐教學在學生對教學質量滿意度的影響因素中位置顯著且影響程度最大[4]。

生物醫學工程專業除了機械設計和信號處理等課程之外，其核心課程包括電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、微機原理與接口技術、單片機應用技術等電子學相關課程。這些課程的實踐教學環節在一定程度上相互滲透，且共同構筑了綜合性設計實驗的各個知識環節。因此，整合各學科實驗教學設備和實驗教學師資，構建綜合實驗室，可以有效提升設備利用率和實驗室利用率，對培養學生實驗設計、科研設計能力，提高學生主動學習意識，打造學生自主創新能力有著十分重要的意義。

⑴ 綜合實驗室作為生物醫學工程專業實驗教學平臺，可用于形成由單一到綜合，由相對獨立到科學融合的實踐教學體系[1]。這個體系，可以對學生的工程技術實踐能力進行強化訓練，以提高學生的科研素質和專業應用技能，提高學生分析問題和解決實際問題的能力，真正做到學以致用。

⑵ 綜合實驗室可用于形成以自學為主，將理論與實踐融為一體的啟發式“教”與“學”體系。文獻顯示，中國和美國大學工程技術專業培養模式最大的區別在于，中國大學的教育以課堂“填鴨式”為主導，而美國大學生的主要學習過程不是在課堂上，而是在課外時間完成的[7]。通過綜合實驗室，教師可以在實驗前交給學生實驗內容概要，讓學生明確實驗目的、步驟及需要取得的結果，鼓勵學生進入實驗室通過查閱文獻，自行完成實驗設計，自主進行實驗，并分析和解決實驗中出現的問題，最終取得滿意實驗結果。而教師，在實驗中不再是主導地位，而僅僅起到答疑和輔助實驗的作用，充分鍛煉學生的動手能力，提升學科技能。

⑶ 構建開放式的綜合實驗室，可讓學生充分利用業余時間進行創造性的學習。通過電子類課程的學習，學生的知識體系日漸豐滿，會產生自己動手制作實物的想法，綜合實驗室可以為學生提供實驗環境和設備，在動手的過程中，學生會將知識融會貫通，并學會在失敗中積累經驗，這不僅鍛煉了自主創新能力，也增強了克服困難的意志。

⑷ 借助綜合實驗室可以建設一支實踐能力強、業務素質高的教師隊伍。長期以來，我國高校人為地將教師分成教學和實驗兩個系列，致使教師“恥”于動手參加實驗室的工作。在美國等西方國家，許多著名教授、學者的專利項目第一件成品都是自己親手制作的[7]。生工專業綜合實驗室可以將相關學科教師集中在一起，打破學科邊界，使得教師可以獲得實際工作經驗和能力，真正成為“雙師型”教師。

3 我院生物醫學工程專業綜合實驗室建設初探

我院的生物醫學工程專業2004年開始招生，是學院惟一的工科專業，教學體系相對獨立，教學模式經過多年不斷探索，逐步完善。學院搭建生工專業綜合實踐教學平臺的設想，經過了多年的論證、分析、嘗試，于2011年形成草案，并逐漸付諸實施。

生物醫學工程專業的實踐課程包含機械設計實踐課程，主要通過金工實習完成；信號處理、圖像處理實踐課程，主要通過計算機仿真軟件完成；醫學儀器檢測維修實踐課程，主要通過醫院醫療儀器設備見習等環節完成。而構成生工專業主干課程體系的電路分析、模電、數電、微機原理與接口技術和單片機應用等電子學課程，因其實踐教學環節互相滲透，經整合電子類課程的實踐教學人員和資源，組建綜合實驗室。

⑴ 將專業綜合實驗室分為硬件和軟件兩大體系平臺

生物醫學工程專業旨在培養具備醫療儀器設計、研發、修理等能力的工程技術人員，故學生的動手能力應該從硬件和軟件兩個方面進行訓練。實際上，生物醫學工程各門課程的實驗課程，也包括了對學生軟硬件能力的要求。在實習手冊中，部分控制程序已經給出，可以引導學生完成驗證性實驗的軟件設計；實驗箱中有完整的實驗內容電路，學生通過線路連接可完成對實驗教學內容的驗證。對于綜合設計實驗，則要求學生綜合軟硬件兩大部分，自行完成對電路的設計并驅動和控制，同時要求具備一定的調試能力，這就需要為學生提供綜合實驗室。

同時，考慮到學生個人能力有限，且對硬件學習和軟件學習的敏感度不同，綜合實驗室也提倡團隊合作，合理分工，通過團隊工作更有效的將軟件體系和硬件體系相結合，共同完成綜合設計性實驗。

⑵ 硬件實驗平臺的搭建

進行綜合設計性實驗時，首先由老師和學生一起研討實驗要求、目的、內容和結果，根據實驗要求完成實驗方案設計。設計模塊，并進行器件選型，然后完成模擬電路和數字電路設計，使用Protel等軟件進行電路圖繪制，并完成電路仿真實驗。通過仿真實驗的電路，再完成制版、焊接，最終制成電路板并進行電路調試。

當進行分科實驗時，由實驗教師帶領學生按照教學大綱的要求完成驗證性實驗內容?？梢酝ㄟ^實驗箱驗證實驗結果，也可以通過分解綜合實驗的步驟，進行相關件內容實驗。

⑶ 軟件實驗平臺的搭建

軟件實驗主要包括上位機、應用、和下位機實驗等。上位機就是PC機上層的控制程序，比如圖形顯示程序等。在分科實驗中，例如微機原理與接口技術課程，上位機的程序可以給定，讓學生輸入程序并驗證實驗結果；在綜合實驗中，也可以引導和鼓勵學生自己開發上層控制程序。應用主要包括模塊功能的開發和嵌入；而下位機程序，通常就是單片機控制程序了。在單片機應用課程中，往往也給出控制程序，以便驗證課程教學實驗中的某個問題。而在綜合設計性實驗中，要求學生自己完成全部或部分單片機控制程序，以提升學生的主動思考能力。

總之，我們所建設的綜合實驗室，既能完成各門課程的分科驗證性實驗，又為課程設計、畢業設計和各學科綜合實驗提供了場地、設備和基礎。

4 結束語

生物醫學工程專業旨在培養創新型應用人才，而實踐教學是提升學生應用能力的最關鍵環節。

生物醫學工程專業的主干支撐學科內在聯系緊密，這使得構建生工專業綜合實驗室成為可能。

縱觀國內各高校生物醫學工程專業的培養模式，有關實踐教學改革的探討十分普遍，但是尚未見構建專業綜合實驗室的先例。我們期待通過我院生工專業綜合實驗室的建設，可以為生物醫學工程專業實踐教學改革走出一條新路子，為培養具有較強科研能力、動手實踐能力、自主創新能力的生物醫學工程人才貢獻微薄之力。

參考文獻：

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