融合信息技術的生物醫學工程專業“電子技術基礎”課程改革

周宇軒 段磊 胡克 吳昊 劉賓 胡本慧

[摘 要]電子技術基礎是生物醫學工程專業的必修專業課程，是成為一名合格的醫療器械電子工程師必須熟練掌握的基礎科目。針對現階段醫科大學醫工交叉專業課程體系中，電子技術專業課程仍大多采用傳統工科教學模式，存在理論復雜、概念抽象和學科前沿及醫學臨床應用結合不緊密等問題，該文探討了針對“臨床導向型”醫工交叉人才培養目標的電子技術專業基礎課程改革方案，從教學內容改革、教學方法改革、實踐技能改革、課程評價體系改革四方面入手，融合翻轉課堂APP、電路仿真軟件、遠程實驗等信息技術，旨在培養具備多學科基礎知識和技能、具備良好創新實踐能力的高素質醫工融合人才。

[關鍵詞]生物醫學工程;新工科;新醫科;課程改革;遠程教育

[中圖分類號] G420[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）48-0-03[收稿日期] 2020-10-06

一、研究背景分析

2018年以來教育部積極推進“新工科”和“新醫科”建設，強調學科的實用性、交叉性與綜合性，培養醫工融合、突破學科壁壘的醫工復合型人才，該計劃是為落實健康中國戰略，培養跨時代復合型人才的重要舉措[1，2]。電子技術是生物醫學工程、影像技術等醫工交叉專業的重要必修課程，后期開設的專業課程對其有較強的依賴性。然而，現階段醫科院校的電子技術專業課仍多采用傳統工科的教學模式，一定程度上存在“重工輕醫”的問題。具體表現為：理論復雜、概念抽象，學生入門困難導致學習積極性下降;以課堂教學為主，缺乏與實際醫學電子儀器緊密結合的實踐環節，跟進學科前沿較慢，難以滿足新工科和新醫科建設的要求;評價方式單一，仍以考試評價為主。

現階段關于電子技術課程的教學改革方向主要分為理論教學改革、實踐教學改革、評價體系改革三方面。理論教學部分主要采用在傳統原理電路的公式推導基礎上，采用更易理解的動畫演示、圖解分析。某些研究團隊還采用帶電路實物進教室，以期增加學生興趣[3]。南京航空航天大學研究團隊，采用慕課網站增強與學生的互動[4]。實踐教學改革方面，引入仿真軟件，增強學生理解[5]。評價體系方面，傳統的電子技術常采用期末考試為主要評價手段，但由于內容多理論學習時間長，容易陷入忽視實踐環節，無法解決實際工程問題的困境。調研發現，上述改革措施大多仍集中在傳統電子工程專業，醫工交叉專業的多學科融合型教學改革鮮有報道，這就提出了如何結合醫工結合的專業特色，做到能解決專業實際問題的教改需求。慕課網站雖可在課外達到課后答疑，作業評價等效果，但課堂互動仍是一個待解決的環節。評價體系還不夠系統，能力培養和具體知識點、教學環節未曾匹配。本文針對上述問題探索如何從教學內容、教學方法、實踐技能、課程評價體系四個方面入手進行電子技術課程改革。突出醫工融合，強化實踐能力，基于學習產出（Outcomes-Based Education，OBE）教育理念[6]的綜合評價體系對學習效果進行系統性評價，為培養適合新工科、醫科時代需求的復合型創新人才打下堅實基礎。

二、生物醫學工程專業電子技術基礎課程設計

針對基于新工科和新醫科的人才培養目標，我們在電子技術基礎課程設計中提出了四個問題：一是如何在傳統課程體系中融合醫工交叉的教學內容;二是如何使用翻轉課堂APP并根據課堂反饋動態調整教學內容;三是綜合實驗環節的設計，如何充分考慮學生知識體系結構，控制難度，在能保證大多數同學可以完成的情況下，增加題目彈性，鼓勵學生查閱文獻，進行創新拓展;四是如何構建理論掌握和實踐能力兼容的科學評價體系。

（一）醫工交叉的電子技術基礎教學內容改革

電子技術基礎教學內容往往集中于電子線路設計，實例多集中于電子工業領域，學生在學習的過程中很難建立和醫療應用的聯系，再加上理論復雜，入門困難，導致學習積極性下降。因此這也是我們教學內容改革的重點所在。具體措施為，首先，對生物醫學信號的類型、傳感方式、產生原理、信號特性進行分類剖析。在此基礎上，通過調研收集典型的醫用電路，和教學大綱中要求的知識點進行緊密結合，例如，在差動放大器章節中講解心電放大電路如何抑制共模噪聲，達到微弱人體差模信號的放大。采用生物醫學實用電路，部分取代其他專業應用領域的實例，精簡教學內容。此外，在課程中融入學科前沿的新進展，比如柔性電子、有機集成電路在診療中的應用，讓學生通過思考建立所學知識和前沿領域的相關性，開拓思路，提高學習興趣。

（二）融合新信息技術的教學方法改革

在教學中充分發揮信息技術優勢，隨時掌握學生學習動態，做到難點的現場清除，是提高教學質量的有效途徑。通過翻轉課堂重建教學流程近年來被眾多研究證實是一種行之有效的方法。改革中我們將傳統以教師講課為主的教學流程拆分為課前輸入、課堂教學討論及課后總結三個階段。課前通過教學網站發布課程預告，讓學生提前預習。課堂教學中使用翻轉課堂APP，將教學內容融入PPT和微信，課堂上實時答題，通過軟件互動，使老師能夠動態實時獲得學生的學習狀態。課后可通過上課數據統計，了解學生的掌握情況。

在實驗教學中，我們構建了“原理—仿真—實驗”三段式實驗課程模式。實驗課是理解課程知識點的重要環節，但部分學生常在沒有充分理解原理的情況下進行實驗，使得效果大打折扣。因此，通過課前仿真實驗，進行電路分析，達到對原理的充分理解，并提前了解應達到的預期結果，再通過實際演練達到實操水平的二次提升。2020年新冠肺炎疫情期間，由于實驗室面積有限，無法保證安全社交距離，顯著增加了實驗課程開設難度。我們將一體化電工電子智慧實驗平臺Analog Discovery Studio和相關實驗元器件借給學生，在宿舍進行分布式遠程實驗，采用騰訊會議進行實驗內容講解和答疑，課后對儀器進行回收和消毒，在疫情常態化防控的校園中安全開展實驗教學（如下圖所示）。同時由于該實驗平臺可以保存實驗結果，方便教師了解學生實驗內容掌握情況，保證了實驗教學質量。

在宿舍中進行遠程實驗圖

（三）基于項目的實踐技能提升

基于項目的學習（Project based Learning，PBL）是一種教育方法論，在學習過程中讓學生成為主角，直面項目問題，解決問題，在有組織的氛圍中充分自治，而教師充當顧問的角色。我們通過調研，選取難度適當的醫療電子線路作為綜合實踐環節的選題，如微弱生物電信號放大電路、功能性電刺激電路等。學生分組后進行抽簽選題，通過調研、性能指標分析、電路原理分析、電路仿真、電路搭建、功能測試。最終形成設計報告，并進行PPT展示匯報。此外，針對電子技術課程，增加常見醫用電路設計、印制電路板設計、電路焊接調試技術的開放實驗環節，讓學生動手做，增加學習興趣和動力，保證學生具備完成項目的基本實踐技能。此外，我們積極鼓勵學生參加全國大學生電子設計大賽，電子技術課程在該賽事中具有舉足輕重的核心作用，進一步拓展學生電子信息類課程的綜合創新實踐能力。

（四）基于OBE理念的課程評價體系改革

OBE模式是近年來國際工程教育改革的新成果。在深入理解新工科和新醫科培養目標要求的基礎上，我們認為，電子技術基礎課程的培養標準即學習產出為：具有電路設計與分析、器件性能分析、團隊合作、表達展示、實踐創新等從理論技術到創新實踐的多方面能力。因此需要對這些能力構建細分教學內容和考核環節的綜合評分體系，評定學習產出。該評分系統獲得的評分結果，由于對應各方面能力，可對學生進行綜合分析，在后續培養環節中，保持優勢加強劣勢，做到因材施教。下表為評分內容舉例。

基于OBE培養模式的課程評價體系獲取學習產出評價結果，統計各評分指標的正態性、方差齊性等統計指標，調整權重，不斷優化評價體系。還可以OBE評分結果為基礎，對學生各項能力進行分析，并跟蹤學生后續學習動態，并和相關課程的成績進行回歸分析，研究教改實踐對學生后續培養環節的作用。

三、結語

在國家推動醫學和健康事業發展、智能技術突飛猛進的重要歷史機遇，深化醫工交叉融合是醫工領域發展的必要內生動力。在這一“新工科”“新醫科”的背景下，對醫工融合，多學科背景交叉的生物醫學工程等醫工結合專業課程體系提出了更高的要求。

本研究以電子技術基礎課程改革為抓手，初步探索該課程與“新工科”“新醫科”相適應的教學內容、教學方法、實踐技能提升方法及科學評價體系，從而從根本上提高教學質量和學習產出。在探索過程中，教研組采用翻轉課堂和移動式智能實驗平臺等創新信息技術，做到教學信息與學習產出信息的實時同步，通暢的信息反饋保證了教師對于學生學習狀態的實時了解，增強課后交流互動的閉環跟蹤式教學，對于信息時代的工學、醫學相關課程改革具有一定的借鑒和推廣價值。

參考文獻

[1]吳凡，汪玲.大健康視域下的醫學人才培養“組合拳”[J].中國衛生資源，2020，23（01）：1-6.

[2]季振宇，周怡敏，楊濱，等.新工科和新醫科背景下生物醫學專業課程教學設計與實踐[J].醫學教育研究與實踐，2020，28（03）： 374-376.

[3]馬李剛.“新工科”背景下“模擬電子技術”課程的教學探索[J].無線互聯科技，2018，15（12）：88-89+101.

[4]胡志忠，王成華.基于翻轉課堂的“模擬電子技術”課程教學模式改革與實踐初探[J].工業和信息化教育，2016（04）：63-67.

[5]孫建，鄒欣，徐林，等.模擬電子技術設計性實驗的探索與研究[J].電子世界，2014（15）：13.

[6]馬秋芝.基于OBE理念的“模擬電子技術”課程教學改革探索[J].亞太教育，2016（19）：105.