生物醫學工程專業數字電子技術實驗教學研究與實踐①

彭微

摘 要：該文針對生物醫學工程專業數字電子技術實驗教學中存在的問題，從實驗內容設置、實驗方式、實驗考核方式及實驗課堂管理方式四個方面進行了教學改革及實踐。具體做法為：通過精選實驗內容而形成梯次的教學內容體系，再利用項目驅動式實驗教學方式和多元化的考核方法調動學生的自主性，培養學生的創新實踐思維，鍛煉學生的綜合運用知識能力和動手能力。通過兩年的教學實踐，該實驗課程的教學質量和水平有了很大的提高，得到學生的一致好評。

關鍵詞：生物醫學工程 數字電子技術實驗 教學改革 項目驅動式

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0143-03

生物醫學工程（biomedical engineering， BME）始于20世紀60年代，是一門理、工、醫高度交叉融合的新興邊緣學科，是電子、計算機、通信、智能儀器、傳感檢測、醫學儀器以及生物學、現代醫學等在生命科學中的應用與融合。基于醫療器械新興產業對于醫學工程人員的巨大市場需求，湖北科技學院生物醫學工程專業主要培養醫療儀器的質控、維護與研發及生物醫學信息采集、傳輸、處理、分析、存儲等方面的“厚基礎、多口徑、強能力、高素質”的復合應用型人才。為了讓學生具備醫學儀器的原理與構造知識，具有進行操作、管理、質量保證及醫學儀器初步設計與開發的能力，且能在生物醫學工程、電子技術、計算機與信息科學等領域從事教學、科研與開發工作，則要求學生必須具有扎實的電子技術基礎知識及較強的綜合運用能力和研究創新能力。為此，構建以實驗、實訓課程教學為主體的電子技術實驗教學中心，開展電子技術類實驗課程，培養學生電路分析、設計及應用的能力是實現生物醫學工程專業人才培養目標的必備環節[1]。

電子技術實驗分為數字電子技術實驗和模擬電子技術實驗兩大類，本文針對本院數字電子技術實驗教學中曾經存在的問題，從實驗內容的設置、實驗教學方式方法的改進等方面進行了教學改革，以達到鞏固學生所學理論知識，培養學生綜合運用知識、發現問題及解決問題的能力，且更大程度上提高學生電路設計、創新和實踐動手能力，從而提高教學質量的目的。

1 數字電子技術實驗教學曾存在的問題

在過去的幾年中，本院生物醫學工程專業的數字電子技術實驗教學曾存在以下幾個主要方面的問題。

（1）實驗內容設置簡單。

數字電子技術實驗總學時為24學時，每2學時（90min）為一次課，設置了12個實驗項目。為了保證在2學時時間里順利完成實驗，實驗內容大多過于簡單，且大部分為基礎驗證性實驗，缺乏綜合性設計性實驗項目，導致對學生的綜合能力鍛煉得不到顯著效果。且在后面的實驗過程中，由于學生已掌握基本實驗操作方法且實驗內容過于簡單，實驗完成時間非常短，導致學生對實驗的重視程度降低，對教師的教學水平和態度表示質疑。

（2）實驗教學方式方法傳統。

教師在實驗教學過程中過于依賴實驗指導書，按部就班的講解書上的實驗內容，缺少啟發學生思考的行為。可采用什么方法、什么芯片來實現電路，優缺點有哪些；當電路出現問題而得不到理想結果時，問題出現在哪里，如何測試電路，如何找出問題并解決問題；這些問題式、思考式的教學方法在以往的教學中體現較少。在實驗操作過程中，教師往往把一個實驗項目從頭到尾演示一遍，學生依葫蘆畫瓢，對實驗一知半解，不主動思考為什么這樣連接線路，出現問題更是無從下手，更談不上對實驗結果的分析與總結。這樣的教學方式不僅使理論知識得不到鞏固，動手能力也得不到提高，從而使得開展實驗課的意義得不到體現，與專業人才培養目標要求相處甚遠。

（3）實驗室教學管理沉悶。

實驗是個科學及嚴謹的行為，一般情況下要求學生獨立完成實驗，但是很多教師在實驗室的管理上過于嚴格，不允許學生之間進行相互溝通與交流，實驗氛圍死氣沉沉。這樣雖然可以保證獨立性，但是在一定程度上也影響了實驗效果。有些學生甚至也不敢和任課教師進行交流，電路出現問題也無法解決，課后抄襲別人的實驗數據來完成實驗報告。

（4）考核方式不合理。

實驗教學考核方式不夠客觀，傳統的實驗考核以實驗報告為主要依據。由于實驗教學時，老師不可能同時監督所有的實驗學生，所以抄襲的實驗數據及實驗報告的情況時有發生，致使一些學生養成了對別人的依賴心理及學習懶惰的壞習慣[2]。

數字電子技術實驗是一門邏輯性、實踐性、應用性很強的課程，要求學生具備應用系統分析、設計及制作的能力[3]。基于以上曾出現的主要問題，在現階段的數字電子技術實驗教學中，該研究者進行了以下方面的教學改革與實踐。

2 實驗內容改革

在實驗教學內容上，從專業培養目標出發，全面修訂了實驗教學大綱，優化實驗知識結構，形成梯次的教學內容體系，即基礎性實驗、綜合性實驗和創新設計性實驗。在實驗總學時保持不變的前提下，減少驗證性實驗項目，增加了綜合性、設計性實驗項目，并且注重實驗項目課程內綜合更新、課程間重組以及跨學科交叉融合，尤其重視醫學和生物醫學工程專業知識綜合運用能力和研究創新能力的培養。近兩年，面向本院生物醫學工程專業本科生所開設的數字電子技術實驗項目及學時分配如表1所示。

從表1可知：實驗項目從12個減少到9個，但是總學時保持未變；從實驗內容設置來看，實驗難度成梯度；實驗類型分為基礎驗證性、設計性和綜合創新設計性三種。純粹的驗證性實驗只有2個，分別為實驗一邏輯門測試和實驗四觸發器功能測試。實驗一為第一次實驗課，先要教會學生使用實驗箱和認識芯片實物，向學生傳授實驗技巧，所需時間較多，因此設置的內容稍簡單，讓學生的實驗過程既順利又充實而有成就感，從而激起學生的實驗興趣。實驗五分為兩個部分：先驗證計數器及寄存器邏輯功能，隨后重點完成常用計數器芯片74LS161和寄存器芯片74LS194的擴展應用設計，如果只是單純的芯片功能測試，就缺乏應用訓練，不利于后面相關設計性實驗的開展。實驗二和實驗三為組合邏輯電路設計，分為小規模和中規模，內容上不重復，電路的實現從采用邏輯門升級到采用中規模集成芯片。實驗六為經典的時序邏輯電路設計，考慮到難度稍難及根據往屆實驗情況，將其學時調為3學時，通過該實驗項目，學生對時序邏輯電路的設計流程、動作特點及測試方式有了更深刻的理解。實驗七為綜合性實驗，主要進行綜合實踐訓練，培養學生綜合運用知識的能力。時鐘脈沖信號在數字電路的工作中起控制作用，因此，特設置了一個采用經典的模數綜合器件555定時器來構建簡易時鐘脈沖信號源的實驗項目。前八個實驗基本涵蓋了數字電路理論內容，且按照理論課章節順序來設置。在實驗課程的最后，為了綜合考查學生知識運用、創新、動手操作及團隊合作能力，特設置了一個系統設計性實驗項目，如《交通燈控制電路設計》。該設計任務涉及到多個功能模塊，由于電路較復雜，設定學時為6學時，需要學生綜合運用所學知識來實現，作為實驗課程考核部分之一。

綜上，整個實驗教學分為四個階段：基礎訓練實驗階段、基礎設計實驗階段、綜合應用訓練階段和系統設計實驗階段。使學生從基本的實驗設備和器件的使用、實驗數據的處理、知識的綜合運用、電路設計調試到實踐創新能力都得到了訓練。

3 實驗方式方法改革

在學生掌握了常用的實驗儀器如數字電路實驗箱、萬用表、信號發生器等的使用方法，熟識了常用的集成電路芯片的基礎上，結合各實驗項目的要求及特點，采用多種實驗方式來完成實驗。驗證性實驗可只用數字電路實驗箱來實現，多個芯片同時在實驗箱上連接，連線方便，費時較短，一次實驗課中可以完成多個任務。較簡單設計性實驗采用分立元件連接來構建電路，既可以鍛煉學生動手能力，又可以在規定時間內完成實驗。綜合設計性實驗由于難度最高，可讓學生用軟件仿真出電路原理圖，然后制作PCB板，實現電路實物。

課程開始時教師講授的時間不易超過15min，主要幫助學生完成對實驗的理解，思路的建立。實驗方案的設計、實驗電路的搭建及問題的排解，要有學生自主完成。在實驗進行中，教師和學生各自的定位要準確，教師主指導，注重培養學生的實驗興趣。在整堂實驗課中，要讓學生體現主動性，感受到“做中學”的樂趣。

由于實驗內容大部分為設計性實驗，如果純粹依賴實驗指導書進行教學，較難達到培養學生電路設計能力的目的。因此在現階段，采用項目驅動法[4]來開展實驗教學，具體做法為：開學初把數字電子技術實驗的所有實驗項目以電子文檔的形式發送給學生，每個設計性實驗只提供設計任務、設計要求和可供參考使用的芯片種類，設計方案和電路原理圖由學生自主完成。這樣既可以改善學生的懶惰思想，又可以實現課前預習、培養學生查閱參考文獻的和初步設計的能力。對于學時較長和難度較大的實驗項目，2～3名學生可組成小團隊，團隊成員在參閱大量參考文獻后進行小組討論，多次討論后確定設計方案。在電路構建及測試過程中，每個成員都必須積極參與，教師也給予一些必要性的指導。經過兩年的實踐發現，該實驗教學方法有效增強了學生的自主學習能力、分析問題及解決問題能力、自我管理能力、團隊合作能力和創新實踐能力。每次實驗完成之后，學生不僅對相關知識有了更深刻的理解，也獲得了滿足感，極大提高了學生參與實驗的興趣。

4 實驗室教學管理改革

對于任何一個實驗項目，都允許并鼓勵學生之間相互交流，教師作為引導者雖不過多干預學生的實驗過程，但是也積極關注他們的實驗進度，認真聆聽他們的實驗想法，適時給出建議，甚至和學生進行熱烈討論，幫助他們構建更正確的實驗方案。當學生搭建的電路不能正常工作時，不過多責備，反而是啟發他們自己尋找問題的所在，鼓勵學生多思路分析問題。因此，實驗室的氛圍既嚴謹又活躍，絕大部分學生都非常專注的投入到實驗中，實驗效果理想率可達到95%以上，實驗數據抄襲的現象非常少。

5 實驗考核方式改革

很多學生不重視數字電子技術實驗教學的原因之一就是其考核方式不太合理，實驗成績要么只占數字電路課程成績的百分之二十，要么只由實驗報告的成績和平時考勤成績組成，導致有些學生認為只要期末考試卷面成績高就行，實驗做不做問題不大，有些學生雖然每次實驗都出勤，但是在實驗室并不認真做實驗，實驗報告抄襲他人。

基于這些現象，近兩年本院生物醫學工程專業開展的數字電子技術實驗考核方式做了如下改革。

（1）電子技術實驗單獨為一門課程。該課程成績中模擬電子技術實驗成績占50%，數字電子技術實驗成績占50%。就數字電子技術實驗成績而言，平時出勤率僅占10%，實驗過程中的表現占40%，系統設計實驗考核成績占30%，實驗報告成績占20%。因此，學生的實驗態度與實驗能力最大程度上決定了其課程成績。這就使得絕大部分學生能以正確、積極的態度來對待實驗課程，并盡量通過自主努力完成實驗。

（2）系統設計實驗項目考核時，分模塊考核。比如在《交通燈控制電路設計》實驗項目中，總分100分，完成時鐘信號源電路模塊，得10分；完成定時器模塊，得25分；完成控制器模塊，得40分；完成譯碼驅動器模塊，得15分；設計方案闡述和回答教師提問部分完成，得10分。這樣不僅避免由于電路硬件原因導致電路系統最終實驗效果不理想而得零分，打擊學生信心的情況出現，又可以讓學生在實驗過程中能逐級測試電路，保證最后的電路系統效果理想，且對學生的團隊合作能力和答辯能力進行了培養。

6 結語

通過采用設置梯次的實驗教學內容、項目式開放式實驗教學方法及綜合式實驗考核方式等手段對生物醫學工程專業數字電子技術實驗教學模式進行了改革，改變了以往單一性的、被動的、以教師為主體的實驗教學方式，真正提高了分析問題和解決問題、綜合運用知識、實踐動手及創新思維等多方面的實驗能力，且取得了較好的實驗教學效果。

參考文獻

[1] 潘海軍，熊文元.數字電子技術實驗教學研究[J].時代教育，2011（3）：77-79.

[2] 陳俊梅，李文洪，周晉陽，等.生物醫學工程電子學實驗教學改革[J].實驗科學與技術，2010（2）：129-131.

[3] 吳羽，謝陳躍.數字電子技術實驗教學研究與實踐[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2011（3）：77-79.

[4] 施琴，陳軍，孫娣全，等.項目驅動教學法在電子技術實驗課程中的應用研究[J].工業和信息化教育，2013（8）：19-24.