TDBU教學模式在生物醫學工程專業實驗教學中的應用

但 果，董 磊，劉子琛

(深圳大學 醫學院，廣東 深圳 518060)

隨著高校畢業生人數逐年增加，加上高校人才培養模式與社會需求有較大差距，高校畢業生的就業形勢變得越加復雜嚴峻，探索更加科學的教學模式、培養符合社會需求的高層次人才，就顯得尤為重要。基于此，我們首次利用TDBU(Top-down & Botton-up)教學模式設計生物醫學工程的專業實驗教學項目。學生通過引入TDBU模式的“醫用數字系統設計”實驗課程的學習，能夠快速掌握VHDL程序設計理念、模塊化設計思想以及VHDL語言如何有效應用在生物醫學工程專業，并塑造出他們的團隊協作精神。

1 TDBU教學模式提出的背景

當前我國大學生就業難的問題主要體現在3個方面：一是大學畢業生找工作難；二是企業招聘合適人才難；三是高質量人才短缺。這三難局面的癥結就在于高校培養的人才與企業的需求嚴重脫鉤[1-3]。

生物醫學工程專業的畢業生也同樣面臨著這樣的就業市場人才供需“怪象”[4]，另外，具有交叉學科和邊緣學科特色的生物醫學工程專業由于其實踐性強，在短短的4年時間，該專業的本科生不僅需要掌握醫學、生物電子、計算機等專業的理論知識，還需要結合理論知識不斷提升自己的實踐水平，這對于每個生物醫學工程專業的本科生來說都是一種巨大的挑戰[5-6]。

為了解決上述問題，培養出符合企業需求的高質量人才，教師需要在生物醫學工程專業的實踐性課程設置上反復推敲，設計出合理的實驗教學模式，使得學生在剛剛接觸一門實踐性課程后，就能對其有一個宏觀的認識，而且又能迅速融入到設計中，并在較短時間內完成相應的設計，從而激發學生的學習興趣、建立學生的自信心、在此基礎上，學生就可以進一步深入到實驗中，從而提高他們的實踐能力。另外，在實踐性課程設置上，還需要考慮到學生的層次性，每個實驗在難度上應具有可伸縮性，學生可以根據自己的水平，選擇一個適合自己的難度級別，這樣就可以確保每個學生都能最終完成實驗目標。

TDBU教學模式恰好能滿足以上需求。該模式引入了項目化教學理念，即教師對項目進行分解，并進行必要的示范性指導,然后讓學生分組圍繞各自的項目進行討論、協作、實踐和探究性學習,最后，以共同完成項目的情況來評估學生是否達到教學目的。所有教學活動都是圍繞著真實的項目展開的[7]。因此TDBU教學模式不是以一個簡單的實驗，而是以一個完整的項目作為實驗目標。該模式的主要特點是學生以小組形式參與并完成可以切分成若干模塊的完整項目，而且學生可以選擇項目的難易程度。由于該模式可以確保各個層次的學生完成項目，因此對于激發學生的學習興趣、建立學生的自信心、提高學生的實踐能力，有著極其重大的意義。

2 TDBU教學模式介紹

TDBU就是將自頂向下設計方法和自底向上設計方法有機結合起來形成的教學理念。

自頂向下設計方法和自底向上設計方法的概念來自于電子設計領域。一般而言，電子設計人員需要掌握2種設計方法，分別是自頂向下設計方法和自底向上設計方法。傳統的硬件設計中，采用自底向上的設計方法，手工設計占了相當大的比例。隨著強大的電子自動化設計工具的不斷出現，自頂向下設計方法成為了主要的設計手段，首先進行系統化分析，確定相應的算法，將系統劃分為若干子模塊，然后利用硬件描述語言實現每個子模塊，最后將所有的子模塊拼接在一起。

黑盒模塊和白盒模塊是TDBU教學模式中的2個重要概念。黑盒和白盒的概念來自于軟件測試。在軟件測試方法中，有白盒測試和黑盒測試之分。黑盒測試就是把系統看成一個“內部不可見的盒子”，因此不需要明白它的內部結構，一般關注的是對功能需求的測試，而白盒測試設計則允許觀察“盒子”內部，了解其內部結構和運作原理，并運用這些知識指導測試實例的設計[8]。白盒模塊和黑盒模塊具有相同的功能，但是白盒允許觀察其內部結構和運作原理，而黑盒則看不到其內部結構。

為了比較清晰地介紹TDBU教學模式，用圖1的例子進行說明。

圖1 TDBU教學模式應用步驟

圖1(a)所示的項目由6個子模塊組成，所有的子模塊均為黑盒文件，這些黑盒文件即為加密文件，由教師事先準備好。教師對項目進行分解，并介紹各個模塊的工作原理，之后，學生可以分4步進行項目實施：

(1) 組裝這6個子模塊，然后進行仿真和調試，這一步的目的是為了讓學生對整個項目有個宏觀上的認識，快速建立學生的自信心；

(2) 學生在這6個子模塊中選擇感興趣的若干個模塊，如圖1(b)所示的模塊2，根據教師的講解，并結合自己對這些模塊的理解，設計自己的白盒文件；

(3) 如圖1(c)所示，學生用自己設計的白盒文件替換黑盒文件，對同時含有白盒文件以及黑盒文件的項目進行仿真和調試；

(4)重復第2步和第3步，直至將所有的黑盒文件轉化為白盒文件，如圖1(d)所示，并對最終的只有白盒文件的項目進行仿真和調試。

3 TDBU教學模式在“醫用數字系統設計”實驗課程中的應用

TDBU教學模式首先是應用在我校生物醫學工程專業的“醫用數字系統設計”課程中。為了TDBU教學模式能夠有效應用，將VHDL語言描述的模塊定義為白盒模塊，而將NGC文件定義為黑盒模塊。

NGC是綜合后產生的網表文件，包含邏輯設計數據和約束，是Xilinx自有文件格式，為二進制文件，且被加密了。NGC文件可以像VHDL文件那樣，集成到其他模塊中，并對集成后的模塊進行仿真和綜合。

下面以“醫用數字系統設計”課程的“生命體征參數解析與顯示”項目為例，進一步對TDBU教學模式進行更加深入的探討。

首先，“生命體征參數解析與顯示”項目的內容是將UART采集到的生命體征參數(包括體溫、呼吸率和心率)進行解析，并顯示在1602液晶屏上。該項目的頂層模塊生命體征參數解析與顯示模塊(hrrrtemp_decode_disp)由6個子模塊組成，包括UART模塊(uart)、時鐘分頻模塊(clk_div)、體溫參數解析模塊(tempdata_decoder)、呼吸率參數解析模塊(rrdata_decoder)、心率參數解析模塊(hrdata_decoder)以及1602液晶顯示模塊(lcd1602)。教師事先準備好這6個模塊的NGC文件。教師需要在學生進行項目設計前，向學生講授項目的分塊思想及各個模塊的工作原理，之后，學生可以分4步進行項目設計：

(1) 如圖2(a)所示，將6個子模塊進行組裝、仿真和調試。由于所有的NGC文件已經過驗證，學生只需要花費很短的時間就可以在液晶顯示屏上讀出體溫值(第一路是35.0 ℃，第二路是34.8 ℃)、心率(20次/分鐘)和呼吸率(60次/分鐘)。第1步的目的是為了讓學生對整個項目有個宏觀上的認識，并快速建立學生的自信心。

(2) 學生在這6個子模塊中選擇感興趣的若干個模塊，如圖2(b)所示的心率參數解析模塊，并根據自己對這2個模塊的理解，自己編寫VHDL文件。

(3) 如圖2(c)所示，學生用自己編寫的hrdata_decoder.vhd文件替換hrdata_decoder.ngc文件，對同時含有VHDL文件以及NGC文件的項目進行仿真和調試。

(4) 重復第2步和第3步，直至將所有的NGC文件轉化為VHDL文件，如圖2(d)所示，并對最終的只有VHDL文件的項目進行仿真和調試通過。

這樣，整個項目的頂層和底層就全部是學生自己設計的，而且，學生在第1步、第3步和第4步均可觀察到實驗結果。

圖2 TDBU教學模式在“醫用數字系統設計”課程的應用步驟

4 TDBU教學模式的應用效果

傳統的實驗教學模式和基于TDBU的實驗教學模式的對比如圖3所示。

圖3 傳統實驗教學模式和基于TDBU實驗教學模式對比圖

深圳大學生物醫學工程系每年都開設“醫用數字系統設計”課程，每次參加實驗的學生人數限制在30名。引入TDBU教學模式前，學生只能獨立完成一些簡單的實驗，如“加法器設計”、“流水燈設計”、“七段數碼管顯示”、“矩陣鍵盤掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”。TDBU教學模式，學生以團隊形式實施完整的項目，如“體溫監測系統的設計”、“呼吸率的測量與顯示”、“血氧飽和度測量系統的設計”和“心電的采集與解析”等，而且新的TDBU教學模式引入了模塊化設計理念。相對于傳統的實驗教學模式，基于TDBU的實驗教學模式的任務難度具有伸縮性，適合不同基礎的學生，而且能夠確保每個學生完成任務。

4.1 簡單實驗變為完整項目

美國伍斯特理工學院的“基于項目的教學模式”被公認為世界上最好的教學模式[9]。而基于TDBU的實驗教學模式也是通過實施完整項目而非傳統的簡單實驗來進行實驗教學活動。當然，在實驗課的項目選擇上，應當與學生的專業特點和興趣愛好相結合，與經濟社會發展需要相結合，與實際生產、生活實踐相結合[10]，基于此點，生物醫學工程專業的“醫用數字系統設計”實驗課程可以選擇的項目包括“體溫監測系統的設計”、“呼吸率的測量與顯示”、“血氧飽和度測量系統的設計”和“心電的采集與解析”。相對于以往的一系列簡單實驗，如“加法器設計”、“流水燈設計”、“七段數碼管顯示”、“矩陣鍵盤掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”，新的項目與企業實際更加貼近，因此，在培養人才方面，更加貼近企業的需求。另外，由于項目涵蓋所有簡單實驗的知識點，通過項目的實施，學生能夠掌握更多的知識點，并且能夠打消學生以往“學不知何處用”的困惑，讓學生將自己所做的項目與現實產品緊密結合起來。

4.2 獨立參與變為團隊參與

如何才能讓大學生的行為習慣直接為社會所接受，最直接的辦法就是用社會所認可的方式培養大學生的行為習慣。團隊協作為企業文化的靈魂，高校應將團隊精神的培養作為重中之重。TDBU教學模式是以完整項目而非簡單實驗作為對象。雖然學生以往尚可獨立完成簡單實驗，但對于完整項目的實施，就需要團隊參與。團隊參與可以讓學生感受到團隊的力量，讓學生通過實踐明白，一個看似不能完成的任務經過大家的努力也能順利完成[11]。

4.3 一體化設計變為模塊化設計

模塊化設計是團隊參與項目的保障和前提，模塊可直接用于新系統的設計中，只有新模塊的設計才會花費一些時間，一旦設計成功，新模塊又被收錄到模塊庫中，因此模塊化設計可以節省開發時間，提高開發效率[12]。由于傳統的實驗教學均是基于簡單實驗，因此學生基本上可以獨立參與并完成實驗任務。另外，簡單的實驗很難劃分出單個子模塊，因此學生也沒有機會形成模塊化的設計思維。TDBU教學模式引入模塊化設計理念，學生可以在更短的時間內高效完成一個項目，并且形成企業的模塊化設計思維，這對于畢業生就業來說，無疑是很好的助推劑。

4.4 難易程度固定變為難易程度可控

中國高校傳統的教學極少引入層次化教學理念，同一個班級的所有學生一般都采取同樣的教學方案、教學目的和考核標準，而非因人而異的層次化教學模式，這樣就會出現一個很大的問題，基礎好的學生“吃不飽”，基礎弱的學生“吃不消”[13]。TDBU教學理念在每個項目的設置上都考慮到學生的個體差異，學生可以根據自己的興趣和能力選擇一個或若干個黑盒模塊進行白盒化設計，基礎好的學生可以多選甚至全選，基礎弱的學生可以少選，甚至只選擇一個，但是每個學生都能完成最終的項目目標。相對于傳統的教學模式，難易程度可控的TDBU教學模式對于學生自信心的樹立以及興趣的培養具有深遠的意義。

4.5 不一定能完成的簡單實驗變為一定能完成的完整項目

TDBU教學模式的實施步驟分為4步：

(1) 組裝所有黑盒模塊實現項目目標；

(2) 選擇若干個黑盒模塊進行白盒化設計；

(3) 將設計的白盒模塊與黑盒模塊進行組裝實現項目目標；

(4) 重復步驟B和C，直至將所有的黑盒轉化成白盒，實現項目目標。

模塊組裝的能力是對每個學生最基本的要求，因此，學生在項目實施的第一步就可以完成整個項目，并觀察到項目的結果。而傳統實驗的設置，對于簡單的實驗，學生可以快速完成，而對于復雜的實驗則需要花費大量的時間進行調試，基礎好有耐心的學生可以經受住挫折完成實驗，但大多數基礎弱或者沒有耐心的學生在調試過程中遇到困難就不愿意向下進行，從而無法確保實驗的順利完成。

5 結束語

通過上面的分析，可以發現TDBU教學模式應用于生物醫學工程專業“醫用數字系統設計”課程的效果，相對于傳統的教學模式，有著顯著的提高，尤其是在培養學生的學習興趣、樹立學生的自信心、提高學生的實踐能力、塑造學生的團隊協作精神以及縮短高校人才和社會需求差距方面，這僅僅是TDBU教學模式的第一次嘗試。除了生物醫學工程專業，TDBU教學模式還可以應用在其他專業，如電子類、計算機類和自動化類等，只有通過不斷的嘗試才能更深入地理解TDBU教學模式，揚長避短，使得TDBU教學模式發揮出更加顯著的效果。

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