“專業課程設計”實驗教學平臺的搭建

摘要：廣東醫學院生物醫學工程專業“專業課程設計”課程實驗是設計類專業實驗，與其他常規課程實驗有很大不同。在教學中，該課程實驗逐步摸索出了一套適合自己的實驗教學方法，并在此基礎上搭建了一個比較完善的實驗教學平臺，該平臺涉及實驗儀器、實驗軟件、實驗測試、實驗資料以及實驗考核等各個方面。有了這個實驗教學平臺，該課程實驗的教學效果有了明顯的提高。

關鍵詞：生物醫學工程；課程設計；實驗教學；教學平臺

作者簡介：方向林（1978-），男，安徽霍山人，廣東醫學院信息工程學院，講師。（廣東 東莞 523808）

基金項目：本文系廣東醫學院2009年度教育教學研究課題（項目編號：JY0925）的研究成果

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）28-0114-01

廣東醫學院生物醫學工程專業主要面向各級醫院和各類醫療儀器公司培養臨床工程方面的人才，在參加實際工作之前，需要掌握基本電子設備的使用、電子測量基本方法、簡單電路故障的檢查與排除以及計算機接口技術和軟件技術等方面的基礎知識，在平時的課程教學中也會有以上幾方面實際動手能力的鍛煉，但都是在若干課程的實驗環節中進行的，如“模擬電路”、“數字電路”、“單片機原理與接口”、“數字信號處理”等，這些課程的實驗大多屬于傳統教學，存在諸多不足。一是實驗平臺是現成的實驗裝置，學生只需按步驟動手接線，一旦離開了實驗裝置，學生幾乎不知道如何去動手進行實驗；二是實驗大多是驗證性實驗，內容固定且單一；三是時間較短，每次實驗一般只有2～3學時，只夠完成基本實驗內容，無法進行深層次的實驗研究；四是前后兩次實驗間隔較長，有些儀器設備在前次實驗中已經用過，但在下次實驗中因為時間長又忘記了。從這些零碎的實驗教學中，很難實現上述目標，因此需要進行一個綜合性實驗，盡量多地包括上述要求，生物醫學工程“專業課程設計”課程就是為了此目標而設置的實踐類課程。

一、問題的提出

“專業課程設計”主要以實驗教學為主，而且是自主型實驗教學，要求學生自行綜合應用所學專業知識，設計并實現一個包括硬件電路和計算機軟件在內的系統，實現生物醫學信號的采集、放大、濾波、模數轉換、傳輸以及計算機數字信號處理與網絡傳輸等功能，還需要針對所設計的內容、過程和結果撰寫報告，詳細記錄設計過程與結果分析。

“專業課程設計”課程實驗所有環節要求學生在教師指導下自己動手進行實踐，因此為了便于實驗教學的順利進行，進行了包括實驗硬件儀器、軟件環境、測試、資料以及考核等在內的整體教學平臺的搭建。利用該實驗平臺，學生在熟悉流程和平臺環境的前提下，可以非常方便地自行進行實驗。

二、實驗教學平臺

1.實驗儀器系統

在生物醫學工程實驗室里，該儀器系統配備有10套電子實驗儀器，8套供學生使用，一套供測試使用，一套備用。儀器包括直流穩壓電源、數字示波器、函數發生器、數字萬用表、數字電容表等。直流穩壓電源除了0～30V可調臺式電源外，實驗室還依據本設計情況，設計制作了便攜式正負5V雙電源，方便實驗使用。另外還配有計算機20臺，其中16臺學生終端，2臺測試終端，1臺管理用機，1臺服務器，全部連入網絡。

進行實驗時，每組使用的儀器包括4臺計算機和2套實驗儀器，數字示波器都已經和計算機連接，可以在計算機上直接采集示波器波形。具體的儀器使用方法和使用說明書在實驗室內部網站上都有介紹，學生可以通過網絡進行瀏覽。

2.實驗軟件系統

“專業課程設計”需要使用計算機進行原理性設計和模擬仿真，為此實驗室學生終端計算機根據設計需要，配置了相應的專業軟件系統，主要包括三個部分：模擬電路原理設計與仿真、單片機和接口電路設計與仿真、上位機程序設計與仿真。軟件系統主要包括以下專業軟件：Multisim 11、Protues7.5、Keil uVision3、Virtual Serial Port Driver 6.9、SComAssistant V2.2、Visual C# 2005等。具體軟件的使用方法在實驗室內部網站上都有介紹或教程下載，學生可以通過網絡進行瀏覽。

學生終端計算機采用WinXP SP3系統，安裝有上述專業軟件，這些軟件已經調整至最佳使用設置。為了加強計算機終端管理，每臺計算機裝有開機還原軟件，不用擔心學生操作不當引起系統崩潰，也不用擔心病毒木馬的侵害。終端機裝有局域網文件傳輸軟件飛鴿傳書，可以在內部任何兩臺機器間互傳文件，避免學生使用自帶優盤，終端名根據網絡IP地址進行編號，簡單易記。

3.實驗測試系統

學生在進行設計型實驗時，需要自己選擇使用芯片來搭建電路，由于大多數人都是首次接觸實際電路的連接，因此在實際操作中經常出現違規操作，導致很多時候電路搭建出來后，電路功能不能實現，這時需要進行故障判斷和解決，以便確定是何種原因引起的，因此在使用中經常需要進行芯片的測試以確保芯片功能完好。

基于上述原因，搭建了這樣一個實驗芯片測試系統，主要用于對實驗所使用的各種常用芯片進行功能測試，快速檢測其功能是否正常。該系統包括信號發生器、示波器、直流電源以及自行設計的測試電路板。針對模擬芯片和數字芯片，測試板分兩塊，其中模擬芯片測試板主要測試模擬運放芯片，利用電壓跟隨器輸入輸出之間的關系，輸入端加上標準測試信號，用示波器觀察輸出端信號以確定結果。數字芯片測試板主要測試單片機、模數轉換以及串行接口等芯片的功能，需要事先設計好固定的測試程序，利用程序執行加LED顯示的結果來判定。

測試平臺的出現，對于常用芯片的測試有很大的方便，在實際使用中節省了不少設計時間。

4.實驗資料系統

課程設計大量使用計算機來輔助進行，如利用計算機來進行電路的理論仿真和測試、程序開發、撰寫設計報告等，在設計過程中還要通過計算機網絡來進行查詢，這些資料的有效管理非常必要。資料系統主要分為兩個部分，一個是自己設計資料的保存，另外一個是公有資料的獲取。為此，實驗室架設了專門的服務器來解決上述兩個方面，通過FTP服務來滿足各組設計資料的保存，通過IIS服務來實現公有資料的獲取。

服務器配置為3GHzCPU，1GB內存，500GB硬盤，操作系統使用Windows Server2008 Enterprise。FTP服務使用Xlight3.6.2服務器，給每個設計小組開設一個登陸賬號并設密碼，在實驗室任何一臺計算機上都可以隨時隨地進行資料的存取，另外還通過虛擬目錄的形式提供一些較大資料的下載和最終設計資料的提交。IIS服務采用FrontPage 2003開發網頁，提供設計參考、組織安排、教學課件、電子實驗室等部分的文字性內容，目前總共提供了約1.3GB的文字內容，在進行實驗時可供學生瀏覽、下載閱讀。

5.課程考核系統

實驗類型的課程考核方式不能采用理論課程的考試方法，實驗課程必須對所做實驗結果進行考核，在本課程實驗中，經過幾年的摸索與試驗，在設計結束時采用了專門的考核方式，主要有以下幾個方面：

（1）各個設計小組通過網絡提交設計材料。學生將設計的所有材料通過FTP提交到專用目錄，以便進行保存，這些材料包括電路原理圖、程序源代碼、設計報告電子版、匯報幻燈片以及影音資料等。為了方便使用和管理，提交方式采用了FTP指定虛擬目錄的方式，可以直接提交到專用保存位置。

（2）進行設計結果的集中匯報。設計結束后，所有學生都集中在實驗室，各個小組都要準備一份匯報材料，以演示幻燈片的方式，匯報自己所設計的過程和結果。通過這樣的方式，一來可以激勵設計人員，將自己最佳的設計成果展現給大家，贏得別人的認同，二來可以讓其他人知道自己小組的設計情況，可以進行相互交流，三來可以鍛煉學生進行項目匯報的能力。

（3）現場演示操作。每個小組匯報結束后，要現場操作演示，以實際人體為信號源，現場采集人體信號，放大處理后進行模數轉換，最終傳輸至上位機程序接收并顯示波形曲線。

（4）鑒定設計成果。匯報演示完成后，由教師專門針對每組設計的成果進行鑒定，包括設計報告的批閱、電路板的評判、電子版材料的審查以及各組損耗的統計，這些都要以一定的比例記入各組成績。匯報演示時，先選出幾位評分代表，對各組的匯報演示進行評分，然后取平均，結合教師鑒定時的各部分成績一起按比例得到各組成績。個人成績的判定由各組成績和個人的組內成績一起按比例決定，個人的組內成績是由各組內部對其的評判，采用無記名取平均的方式得到的。

三、結束語

該教學平臺搭建起來以后，極大地方便了本課程的實驗教學，學生利用內部網站進行自主學習，可以學習如何操作實驗儀器，如何應用專業軟件設計，后期基本可以獨立進行實驗，大大減輕了教師的工作強度，經過幾年的應用，教學效果不錯。

參考文獻：

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[3]田良.綜合電子設計實踐[M].南京:東南大學出版社，2006.

（責任編輯：孫晴）