“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學改革的探索

陸慧琴 周晶 沈曉燕

【摘要】介紹了南通大學生物醫學工程專業“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學的開展情況，討論了如何結合生物醫學工程學科的特點及醫學電子儀器快速的技術發展狀況，以培養學生實踐動手能力、全面提升綜合素質，提高教學質量為教學目的，在教學內容、教學方法等方面對“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學進行改革的探索。

【關鍵詞】醫學電子儀器 生物醫學工程 教學改革

【基金項目】南通大學教學研究項目（2013B031、2011B38），江蘇省現代教育技術研究立項課題（2013-R-24812），江蘇省高等教育教學改革課題（2013JSJG232）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0202-02

生物醫學工程是生物醫學電子學、生物化學、生物材料、人工器官、生物醫學信號處理、醫學成像等多個領域交叉結合而形成的一門邊緣性學科，是現代工程技術向生物、醫學滲透并相互作用的必然結果。生物醫學工程主要是應用工程技術的手段，研究和解決人類疾病診斷、預防、監護、治療、康復等方面的問題，并為醫學提供高技術含量的現代醫療儀器設備。生物醫學工程專業培養的主要是復合型的工程人才，強調培養學生自主學習能力，實踐動手能力和創新能力。因此，在人才培養訓練中必須重視實踐教學環節，引導學生在實踐訓練中主動學習，培養較強的觀察能力，分析、解決問題的能力，全面提升綜合素質。

“醫學電子儀器原理與設計”是生物醫學工程專業本科生的一門核心的專業技術課程，內容涉及到電路、電子技術、計算機原理、單片機、生理學、醫學傳感器、信號與圖像處理等相關課程，具有知識面廣、難度大、綜合性強的特點。在實驗教學過程中，如何結合專業特點以及課程本身的發展現狀，將醫學電子儀器的原理與設計方法系統地呈現給學生，在實踐訓練中培養學生的創新意識和科研能力，是我們任課教師經常思考的問題，也是迫切需要解決的問題。

一、南通大學“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學的現狀

南通大學于2010年起開始招收并承擔工程類生物醫學工程專業本科學生的教育任務，由于專業成立的時間不長，專業的教學體系也不很成熟、不很完善，尚缺乏足夠的教學經驗。在生物醫學工程專業“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學方面，目前主要以驗證性實驗的開設為主，注重培養學生的以下能力：（1）進一步鞏固醫學電子儀器原理的理論基礎知識，熟悉各種常用醫學電子儀器的性能特點并對電路進行分析的能力；（2）常見生理參數檢測電路以及常規醫學傳感器的使用和調試能力；（3）利用所學的理論知識，設計簡單的生理參數檢測電路，掌握實驗方法，提高實驗分析能力和排除故障的能力；（4）實驗結果分析、總結和撰寫實驗報告的能力。

“醫學電子儀器原理與設計”實驗共16學時的教學時間，是在理論課后開設的實踐環節，實驗方式為一人一組，獨立完成要求的實驗。實驗內容的安排是四個具體實驗，分別是：（1）常用醫學電子儀器工作原理及使用，主要了解腦電圖儀、肌電圖儀、數字超聲診斷儀、監護儀等常用大型醫療檢測儀器的組成原理及性能指標，學習常用醫學儀器設備的使用方法；（2）血壓計的工作原理與實踐，要求學生掌握血壓直接測量法-導管術和幾種血壓間接測量方法及工作原理；（3）心電導聯及心電圖機使用，熟悉心電圖導聯及其電極連接方式，對ECG-6511型心電圖機的電路原理進行分析；（4）生物電放大器前置級的設計，了解設計過程中器件的選擇、電阻的匹配、前置級增益及增益分配，放大器總的噪聲系數。通過上述實驗，學生對于醫學電子儀器的基本原理、結構、電路的理解得到了加深，鞏固了理論教學內容，也提高了分析問題、解決問題的能力。但由于實驗以驗證性實驗為主，學生在電路設計和調試方法方面的了解較少，這在一定程度上限制了學生實踐動手能力和創新思維能力的培養。

二、教學內容的優化

實驗教學是“醫學電子儀器原理與設計”課程教學中非常重要的環節，通過對常見醫學電子儀器中典型電路、信號檢測的分析、處理和設計，全面提高學生的動手能力和綜合分析解決問題的能力。鑒于實驗開展的重要性，我們對實驗內容的優化進行了探索。

“醫學電子儀器原理與設計”實驗的開設，必須與專業教學密切相關，配合專業發展并能夠適應專業的發展。而隨著電子技術和計算機技術、信號與圖像處理技術等的迅速發展，醫學電子儀器更新換代也逐步加快，各種智能化、多功能化的儀器不斷問世，目前的教學內容已不能完全滿足當前技術發展的需要。在實驗內容方面，原有的實驗題目僅有四個，內容較少，且多為驗證性實驗。為激發學生的主動學習興趣，可以結合生物醫學工程的專業特點拓展題目范圍，改變單一的按照實驗指導書做實驗的模式，增加設計性實驗和綜合性實驗。例如：（1）進行人體脈搏測量系統的設計實驗，引導學生掌握數字電路系統進行電路設計的方法；（2）進行心電放大電路的設計，使學生了解高共模抑制比、高輸入阻抗差動運算放大器的主要技術指標，通過仿真調試電路，分析改變電路中某些參數對共模抑制比的影響；（3）進行多功能脈沖理療儀制作的綜合性實驗，通過分析電路原理，制作理療儀的電路板、調試電路并在示波器上顯示，熟悉醫學電子儀器設計的整個流程。由于這些實驗的實用性較強，能充分調動學生的學習積極性。

但由于課時有限，所有實驗題目不可能全部完成，可以按照課程需要，將題目分為必做和選做兩類。對于基礎性、驗證性的實驗，可設為必做題目，要求所有學生都必須完成；而對于設計性、綜合性較強的題目，可設為選做，學生可從中選取一到兩個題目，深入的開展實踐研究。這樣不僅保證學生能掌握基礎的實驗方法和技術，也將極大的鍛煉學生的電路設計，分析問題、解決問題的能力。

三、教學方法的改革

（一）優化實驗環境，改進實驗手段

實驗教學手段和實驗環境、設備的相對落后將在一定程度上制約實驗教學的質量，為提高實驗教學質量，必須積極優化教學環境，改善實驗方法。作為任課教師，應積極關注計算機技術、通信技術和電子儀器技術發展的時代背景，把先進的知識引入到“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學的環節中來，使學生把握電子儀器技術領域國際國內最新發展動態和研究方向，開拓學生的視野。我校生物醫學工程專業在“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學中引入了美國國家儀器公司（NI，National Instrument）生物醫電教學平臺，它是一個將硬件和軟件組合成一體的完整的虛擬儀器實驗教學套件，主要包括數據采集硬件和LabVIEW虛擬儀器軟件。該平臺集成了多個實驗室常有的通用儀器的功能，包括示波器、數字萬用表、函數發生器、波特分析儀等，實現了教學儀器、數據采集和實驗設計一體化，可以進行電子線路設計、信號處理及系統分析與設計。NI還提供了一套生物醫電教學傳感器套件，包含7種傳感器用于生物醫電教學實驗設備，有：血壓傳感器、手持式心率計傳感器、心電圖傳感器、氧氣氣體傳感器、肺活量傳感器、體表溫度傳感器和握力傳感器，幫助學生方便的認識、采集和處理生物信號，有效的掌握生物醫電教學中的知識信息。

（二）開展多樣化的分組模式

在實驗教學過程中，可以按照原有的教學方式，一人一組獨立完成規定的實驗內容。但在某些設計性、綜合性較強的題目上也可以開展多人一組的小組學習模式，一個小組一般由3到5人組成，在實驗過程中共同討論，互幫互學，既有分工，又有合作，一起設計電路方案，制定電路和元器件選定，進行電路實現和調試，這樣可以充分調動每位學生參與設計的積極性，培養學生的動手能力和團結協作的精神。實驗完畢后，要求每位學生及時總結設計和實驗過程中的出現的問題、解決方法和設計體會，并每人提交一份實驗報告，在報告中除了寫清整個設計的實驗流程，還要求重點突出自己承擔的實驗部分。

（三）采用多媒體教學

可針對實驗內容開發“醫學電子儀器原理與設計”實驗教學的電子教案，并根據需要錄制實驗的教學視頻，在實驗前利用網絡條件將電子教案及教學視頻等資源上網，學生可以在校園網上提前下載教學資源加以預習，觀看教師的講解和演示。這樣可以充分發揮學生的學習主動性，提高教學質量和教學效率，也解決了課時緊張與教學內容多、難度大、更新快的矛盾。

（四）改革考核方式，增強考核靈活性

對學生實驗實施成績考核，是對實驗教學成效的基本認定，同時也是調動學生積極性的重要手段。考核不單單是實驗報告的書面成績考核，更是理論與技能的綜合考評。因此，指導老師必須全面了解學生在整個實驗過程中的表現，要隨時掌握學生的實踐情況，在記錄學生平時成績時，不單純看其實驗結果，還要注重督導基本操作技能，鼓勵他們多思考，多總結。在實驗過程中增加與學生的互動交流，全面了解學生的綜合能力。

為了全面評價學習效果，我們可建立實驗報告成績權重為60%，實驗過程及日常素質表現權重為40%的成績評定體系，不僅考查知識的掌握，也考查能力和綜合素質，使考核真正成為檢測和促進教與學的有效手段。

四、結語

生物醫學工程專業的特點是多學科交叉，醫工結合，工程性和實踐性很強，要求所培養的學生具備比較強的實踐能力和創新能力。

“醫學電子儀器原理與設計”是我校生物醫學工程專業的一門核心專業課，其內容抽象復雜、實踐性也很強。高質量的實驗教學對學生掌握醫學電子儀器的原理、結構和設計原則，科研能力的培養和綜合素質的提高都有著重要的作用。隨著科學研究的發展和教學條件的改善，我們將不斷地改進課程的實驗教學，提高教學質量，為學生打下良好的專業基礎，從而培養出理論基礎扎實、實際工作能力也強的高素質生物醫學工程專業人才。

參考文獻：

[1]盧文婷.生物醫學工程概論.課程設置與教學初探[J].中國科技信息，2011.

[2]寧旭，金貴，許佳等.生物醫學工程專業電子信息類課程實踐教學體系的探索[J].現代醫藥衛生，2011，27.

作者簡介：

陸慧琴（1982-），女，江蘇吳江人，講師，研究方向：生物電子學方面的教學和研究工作。