“生物醫學傳感器與檢測技術”課程教改實踐

摘要：“生物醫學傳感器與檢測技術”是生物醫學工程專業的主干課程，該課程內容涉及多個學科，理論抽象，內容龐雜，知識點分散。針對生物醫學工程專業人才培養目標和課程教學特點，對教學內容和教學方法進行了一系列改革，規范了課程教學內容，將其分為4個模塊，并進行了補充和完善。提出了用“從系統到單元，以檢測對象為中心”的教學模式，結合實驗教學與課程設計，加強了實踐教學。教學改革提高了該課程的教學效果，其應用成果有一定的推廣價值。

關鍵詞：生物醫學傳感器；生物醫學信號檢測技術；生物醫學工程；教學改革

作者簡介：謝勤嵐（1968-），男，湖北武漢人，中南民族大學生物醫學工程學院，教授；李正義（1982-），男，湖北荊門人，中南民族大學生物醫學工程學院，講師。（湖北 武漢 430074）

基金項目：本文系湖北省教學研究項目“生物醫學工程專業創新人才培養的課程體系改革研究與實踐”（項目編號：JYS11003）的研究成果。

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0096-02

生物醫學工程學是一門理工醫相結合的交叉學科，它是應用工程技術的理論和方法，研究解決醫學防病治病，保障人民健康的一門新興的邊緣科學。[1]“生物醫學傳感器與檢測技術”課程是該專業人才培養體系中的核心課程。它既是一門知識面較寬的綜合性理論課，也是一門實踐性較強的技術課程。該課程主要講授生物醫學傳感器的特性、原理，信號處理與接口電路，傳感器在人體生理信號檢測中的應用等內容。[2-4]要求學生理解和掌握生物醫學傳感器的換能原理、感測技術、主要技術指標，生物醫學檢測技術的原理、基本電路，生物醫學傳感器與檢測技術的基本應用等。

近年來，隨著電子技術、微機電技術、新材料和制造技術、信息處理技術的快速發展，各種新型生物醫學傳感器和生物醫學信號檢測技術不斷涌現，傳統的教學內容和教學方法已經不能滿足人才培養的要求。為此依據“加強醫工結合，注重工程實踐教學，培養醫療儀器工程設計能力”的指導思想，對本課程教學內容和教學方法進行了若干改革探索。

一、改革課程體系和教學內容

長期以來，由于缺少相關的專業課程教材，“生物醫學傳感器與檢測技術”課程的教材基本上是使用電子信息類、檢測技術與儀表類、自動化類專業的傳感器與檢測技術教材，[5-7]教學內容也是對這些教材的教學內容進行相應的增刪后形成的。這些內容主要講授各種傳統物理類傳感器原理和測量電路，缺少與生物醫學工程專業相關的有針對性的教學內容。根據生物醫學專業的特點，結合近年來出版的幾本相關教材，[2-4]對該課程的教學要求、教學內容進行了調整，將該課程內容劃分成4個模塊組織教學。

1.概述和傳感器特性模塊

概述和傳感器特性模塊對醫用傳感器的作用、分類、要求、發展等內容進行了概述性的介紹。針對生物醫學信號的特點，介紹了傳感器的基本特性，包括靜態特性、動態特性、動態特性分析、傳感器的誤差、數據處理方法等重要內容。

2.傳感器原理模塊

傳感器原理模塊除了講授應變式、壓電式、磁電式、熱電式和光電式等經典的物理類傳感器的基本原理外，還增加了三類重要的傳感器內容：化學傳感器、醫用電極和生物傳感器。化學傳感器和生物傳感器融合了化學、生物學、醫學、物理學和信息學等相關學科，已經發展成為生物醫學傳感器中兩個活躍的研究領域。醫用電極在醫療儀器和生物醫學科學研究中得到了廣泛的應用。生物傳感器除了講授生物傳感器的基本概念和類型、生物敏感材料的固定化等基本內容外，主要講授了若干應用廣泛的生物傳感器，另外還介紹了一部分新型的生物傳感器，以及生物傳感器近年來最新的研究成果。[2]

3.檢測技術基礎模塊

檢測技術基礎模塊講授基本的測量與處理電路，包括傳感器接口電路、信號放大電路、信號選擇電路、信號運算電路、信號調理電路、信號變換電路、驅動電路等。另外，增加了測量方法、測量系統結構等內容。

4.傳感器和檢測技術應用模塊

應用模塊增加了生物醫學信號的特點、生物醫學測量系統的基本構成、生物醫學測量中干擾和噪聲的產生與抑制、人體生理信號檢測的基本要求等教學內容。重點放在生物醫學傳感器在人體生理信號檢測中的應用等內容上，如心音傳感器和脈搏傳感器、多普勒頻移血流計、生物電放大基礎，以及心電圖測量、腦電圖與肌電圖測量、血壓的測量、血氧飽和度和心輸出量的無創傷測量方法等重要內容。而超聲波成像系統和X-CT斷層掃描系統原理、電刺激和心臟起搏等內容則可以考慮在后續課程中學習。

以上四個模塊的教學內容和教學時間大致如表1所示。根據專業人才培養方案和教學實際，可以由一門課在一個學期完成，也可以分成2～3門課程在2個學期完成。目前按前一種方案組織教學。

新的教學內容具有如下特點：第一，注重基本理論與臨床應用相結合。對每類傳感器都介紹若干臨床應用或醫療儀器部件作為實例，使學生對傳感器的應用有全面的了解和認識。第二，注重培養學生分析實際問題的能力。針對不同的被測對象，不僅介紹選擇什么類型的傳感器，還介紹如何選擇信號處理與接口電路，提高了學生對傳感器和檢測電路的正確選擇能力。第三，注重培養學生的臨床應用和工程設計能力。

二、改革教學模式和教學方法

相對于教學內容的改革，“生物醫學傳感器與檢測技術”課程教學模式的改革有更重要的意義。因為除了數據處理等理論內容之外，該課程的大部分內容都是工程應用型的內容，學生理解這些內容相對容易，也容易自學沒有講授的內容。但由于內容繁雜，學生如何在短時間內掌握這些內容，并能熟練使用所學內容進行醫療儀器設計，則是仍然沒有解決的問題。

1.采用“從系統到單元，以檢測對象為中心”的教學模式

傳統的課程教學模式對于“生物醫學傳感器與檢測技術”這樣的課程來說，確有不合適之處。學生學習完整個課程之后，不能建立傳感器、檢測電路、檢測方法與醫療儀器之間的內在聯系，更不用說用這些知識來設計醫療儀器的單元或模塊。因為教學是以分散的元件或電路作為授課內容的，學生沒有從系統的觀點來學習和掌握這些基本內容，因而學習的知識是零散雜亂的。為此筆者在教學中提出了“從系統到單元，以檢測對象為中心”的教學模式。

以血壓測量為例。以某種無創血壓模塊為授課對象，在課堂上教師主要講授血壓測量模塊的原理、電路框圖、壓力傳感方式等系統級內容，要求學生將系統進行分解，直至每個單元和元器件。學生通過分解、分析，不僅了解了測量原理，還掌握了壓力傳感器、放大電路、接口電路、顯示電路等主要內容。另外，學生通過思考、分析、比較，還可以進一步提出了若干改進措施。相對于傳統的教學模式，這種教學模式有明顯的效果。

2.結合使用多媒體教學與板書形式等多種授課形式

多媒體教學是一種現代教學方式，具有形象直觀、信息量大等優勢，但傳統的板書教學方式有其固有的優點。兩種教學方法的有機結合，可以很好地調動學生的學習積極性，集中學生的學習注意力，提高教學效果。采用多媒體教學和傳統板書教學手段相結合的方式，例如對于傳感器的外形、結構及生物醫學應用等，通常采用多媒體的圖片和動畫展示，增加學生的感性認識；而對于傳感器的測量原理、基本測量電路、設計公式的推導，往往采用傳統板書的方式，有助于學生更好地理解和掌握。

3.加強實踐教學

“生物醫學傳感器與檢測技術”課程教學對實驗和實踐環節的要求較高。學生需要通過驗證性實驗教學來掌握傳感器的原理和性能、測量電路的原理等基本知識；通過綜合性和設計性實驗教學來掌握傳感器的使用方法、測量電路的設計和調試等基本工程技能。在教學過程中，根據課程教學內容和教學進度，穿插安排實驗教學，保證每一個理論知識點都可以通過相應的實踐教學來達到從理論知識到應用能力的轉化。

在基礎實驗的基礎上，增加了綜合性、設計性實驗等自主性實驗內容。通過實踐，學生鍛煉了分析和解決問題的能力，提高了綜合和總結的能力，加深了對所學理論知識的掌握程度。

此外，在課程設計教學中，還結合傳感檢測技術應用與醫療儀器設計的相關知識和能力要求，提出課程設計題目。學生通過自主設計，選擇不同的傳感器和測量電路來實現要求的任務，可以進一步提高學生提出問題、解決問題的能力，并進一步鍛煉其工程設計能力。

三、結束語

對“生物醫學傳感器與檢測技術”課程的教學內容和教學方法進行了若干改革，取得了一些有益的教學成果。補充教學內容拓寬了課程教學內容，分塊調整教學內容完善了課程體系，使其更適合于生物醫學工程專業的人才培養目標。“從系統到單元，以檢測對象為中心”的教學模式、實驗和課程設計相結合的教學方法提高了學生的專業感知度，鍛煉了學生的醫療儀器工程設計能力。近3年的教學實踐證明，這些改革提高了教學效果，有較好的推廣價值。

參考文獻：

[1][美]JohnD.Enderle，SusanM.Blanchard，JosephD.Bronzino.生物醫學工程學概論（第2版）[M].封洲燕，譯.北京：機械工業出版社，2010.

[2]王平，劉清君.生物醫學傳感與檢測[M].浙江：浙江大學出版社，2002.

[3]陳安宇.醫用傳感器（第二版）[M].北京：科學出版社，2008.

[4]楊玉星.生物醫學傳感器與檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[5]陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，

2002.

[6]劉劍，楊立才，劉常春.“生物醫學傳感器與測量”課程教學改革探索[J].電氣電子教學學報，2011，33（1）：15-16.

[7]沈敏，溫軍玲.“生物醫學傳感器與檢測技術”實驗教學探討[J].中國電力教育，2010，（9）.

（責任編輯：王意琴）