OBE教育理念下生物醫學電子學“四維融合”教學策略的探索及實踐

查雨彤，王 選，司博宇，李曉歐，嚴加勇

（上海健康醫學院醫療器械學院，上海 201318）

生物醫學電子學是利用電子學去解決生命科學問題的一門課程，在深化電子基礎知識的同時，將生物醫學與工程緊密結合在一起。該課程作為生物醫學工程專業課程體系中非常重要的一門專業必修課，學生在學習過程中不僅要熟練運用與醫學診療儀器相關的電子學知識，更要在設計實踐中提升團隊協作能力、建立產品開發和運營的體系意識。因此，學生既需要通過理論課構建模塊化的知識框架，又需要利用實驗鞏固理論知識體系。基于此，本文提出以基于學習產出的教育理念（OBE）指導的生物醫學電子學的課程設計，探索其在混合式教學過程中的實踐方法。課程設計實現“四維融合”，即生命科學和電子學的融合、理論與實踐的融合、線上SPOC與線下設計課的融合、虛擬仿真實驗與動手實踐的融合，使學生建立對醫療儀器系統的認知，提高工程技能。

1 混合式教學的背景和意義

隨著互聯網技術和教育技術的發展，教學方式逐步豐富，傳統的課堂教學演變成理實融合、虛擬仿真、線上線下混合等多種多樣的教學方式。利用網絡、依托計算機或其他移動終端開展的線上教學活動，能讓學生更合理地安排學習任務，靈活支配學習時間，適當選取學習方法，充分地激發學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性。而線下教學活動更多的是對于線上學習知識的鞏固和深化，通過實踐、實驗、實操檢驗基礎知識的牢固度和知識體系的完整度，依托面授過程完成查缺補漏和深度研討，進而實現更加高級的教學目標，讓學生有更多機會在感性認知層面參與學習。在此過程中學生通過協作解決驅動任務，其學習的主動性與創造性得到發揮，從而實現知識的意義建構，而教師是意義構建的幫助者和促進者[1]。

在疫情常態化背景下，對線上線下兩種學習形式中的各種學習要素進行有機融合，并運用各種教學理論協調各個要素，充分發揮混合式學習的優勢，實現教學效果的最優化[2]。

2 OBE理念對于生物醫學電子學課程建設的指導意義

OBE理念的引入不僅使生物醫學電子學這門課的課程建設關注于知識的輸入和教學過程的設計，更注重教學成果的產出、學生學習效果的改善以及持續改進的機制，具體體現在以下幾方面。

2.1 課程目標與人才培養目標的統一

作為一所應用型本科院校，我校生物醫學工程專業以培養具有良好的人文素養和團隊合作精神，受到扎實的特色專業理論和實踐能力訓練，具備國際先進醫療器械所涉及的機械和電子技術基礎以及為醫學應用服務的能力，能從事醫療器械設計制造、應用開發并可擴展到生物醫學工程相關領域的“醫—工結合”的工程技術應用型人才為目標。

而課程目標也需要與人才培養目標相統一，一方面，課程內容需要與時俱進，使學生在修完本課程后了解前沿技術的先進性；另一方面，需要使學生在學完本課程后具有適應人才需求的能力。因此，對于課程目標做了如下調整：在專業知識方面，要求學生將醫學知識與工程技術知識融會貫通，掌握生物醫學電子的分析和處理方法，了解典型醫學儀器電路與系統的相關原理和設計原則。在專業技能方面，要能夠運用所學的知識分析和處理實際的生物醫學問題，能夠分析實際生物醫學需要，選用合適的電子器件，并具備分析和調試系統的能力，同時還需要有一定的創新意識和創新實踐能力。另外，在專業素養方面，應具有嚴謹的科學態度、敬業精神和職業道德。

2.2 學生學習成果的個性化定制

針對OBE理念中課程學習成果（PLO），以SMART原則去制定學生的學習成果，并將學習成果基于布盧姆教育目標按不同層次的要求進行分類，見表1。

表1 基于布盧姆教育目標指導下的PLO分類

表1中所示的是基于布盧姆教育目標指導下，針對生物醫學電子學課程將PLO按能力層次由低到高分為6類，分別是知識的記憶、理解、應用、分析、評價和創造[3]。對于不同學習能力和目標的學習者力圖達到學習成果的分層次個性化定制。

2.3 基于成果導向的教學評估方案

傳統的教學評估方案往往是以教學目標為起點，將所涉及的教學內容、使用的教學方法和最后的教學效果成果自上而下進行設計。雖然如督導監督、領導同行聽課、學習過程中問卷調查、期末評教等可以使用的評估手段很豐富[4]，但這些評價手段普遍重視教學行為而不是教學效果，缺乏以學生為中心的成果意識。因此，生物醫學電子學的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設計原則，即根據學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據不同層次學生應該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產出成效評價體系，通過過程考核與改進的有機結合，實現教學資源的按需調配。

2.4 成績評定標準的可量化

成績評定標準應與學生的預期學習成果匹配和統一，實現達成性評價。想要實現成績評定標準的可量化，首先需要教師幫助學習者建立對于學習成果的多層次預期達成目標，進而根據所達到不同層次的學習成果對于生物醫學電子學課程成績做出評定。達到不同層次，獲得的分數也不同，而所達到的學習目標將由教師具體化到客觀的題目，或者師生共同開發的實踐性活動，尤其是高階的創造性項目。成績評定的主體可以是教師，可以是學習者，也可以是學生互相評價，但無論評價主體是誰，都需要保證對于學習成果的評估要全方位、多維度進行。在成績評定時，任課教師要在學習過程中鼓勵學生進行自我思考和自由發揮個性，以培養學生項目過程管理意識。

2.5 面向能力本位的教學活動安排

成果導向的教學需要讓學生衡量能做什么、能做到什么程度[5-6]，因此基于OBE教育理念下的生物醫學電子學教學活動安排要圍繞“成果”來進行設計，即從解決有固定答案的問題出發，逐漸培養解決開放性問題的高階能力。第一，在學習之初，教師要向學習者提供學習成果藍圖，即幫助學生了解多層次學習成果目標；第二，對于生物醫學電子學課程教學而言，教師需要提供全部的教學資料，教學資料應覆蓋整個生物醫學電子儀器相關的相互獨立、界限清晰的知識單元，以全面的模塊知識點作為支撐；第三，要使學習者“既見樹木，又見樹林”，學習成果既是學習的終點，又是學習的起點，教學時采取反向設計原則，以頂峰目標為導向，將知識整合并以拆解的單元作為出發點作出反向設計，實現系統設計的高階目標。

3 OBE理念下生物醫學電子學“四維融合”教學策略

為了使學習者在學習生物醫學電子學課程內容之前，了解生物醫學電子學發展的歷程、關鍵技術和發展方向，掌握常見的醫療電子儀器主要的分類、技術特點、設計思想、設計原則和步驟，并幫助學習者理解醫學電子儀器的單元電路和整體電路的設計關系，本課程設置了相關導學內容，以幫助學習者對于本課程的最終學習成果有正確預估。

3.1 線上教學模塊構建

教材內容被重新安排了3級共17個模塊（見圖1），每個模塊2～4學時不等。其中，LEVEL 1作為導學部分，包含3個模塊，幫助學習者建立生物醫學電子學的簡要而概述性的認知；LEVEL 2作為單元電路部分，包含11個模塊，介紹醫療領域常規醫學信號診療系統的通用性功能單元；LEVEL 3包含3種常見的生物醫學診療系統的實例模塊，幫助學生從復合結構層次理解醫學電子儀器。學習者以實現某一類完整的生物醫學診療系統為目標，可以根據學習需求自行選擇模塊資源進行學習并完成至少32學時的在線課程學習。模塊知識的學習評價以學習過程中完成性測驗作為考核依據。

圖1 生物醫學電子學在線學習資源的構成

3.2 線下教學模塊構建

線下教學以“虛實結合”即虛擬仿真+動手實踐的形式培養學生的科學研究和實踐創新能力。課程設計采用基于項目導向教學法及安排見圖2，所有實驗項目內容在實驗室完成，實驗指導書由任課教師提供。

圖2 線下“虛實結合”實驗項目

虛擬仿真模塊是將某生物醫學電子學課程以電路模塊分成不同的技能單元，將每個技能單元作為一個學習“子項目”，實行虛擬仿真單元式教學。學生在線上先修完SPOC中LEVEL1和LEVEL2相關知識點后，在計算機上使用Multisim14作為仿真軟件，對組成生理信號檢測系統的常規模塊，包括放大器、濾波器、信號變換電路、模數轉換電路等模塊進行仿真。在完成“子項目”的過程中，學生可以深刻體會電路設計中各個子模塊性能參數指標的控制和器件，尤其是集成化器件在生物醫學電子儀器中的使用方法，形成“器件解決”的設計思想。

動手實踐模塊是將模塊化的“子項目”整合并實例化為生理信號檢測系統設計的綜合性“項目”。在線上先修完SPOC中LEVEL3相關知識點后，學生可以自選傳感系統（電子器件由教師提供），以3人小組的形式完成心率/脈率檢測系統的設計、焊接、調試，實踐項目內容、性質及進度安排見表2。

表2 實踐項目內容、性質及進度安排

課程知識點的教學采用SPOC的形式，要求學生先觀看并進行重難點總結、答疑、討論。隨著SPOC的學習，完成表2所示的7個項目。本課程綜合性、設計性、探究性項目數量≥85%，學時達到43.75%。學生不斷根據“項目”的需求來學習，變被動接受知識為主動尋求知識，使學生在短時間內構建知識框架的同時極大地提高學習效率。

3.3 學習成果評價模塊構建

成績評定分成過程性評價和達成性評價兩部分，各占評分百分比的50%。其中需要說明的是，課堂表現主要考查學生項目完成過程中獨立性、研修深度和師生互動度；項目完成度評價分為完成并充分理解、基本完成和未完成3個等級。成績評定分類及標準見表3。

本課程的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設計的原則，即根據學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據不同層次的學生應該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產出成效評價體系。

4 實踐及分析

4.1 教學實施方案

本輪課程改革針對我校生物醫學工程專業學生，面向2018級生物醫學工程專業本科生和2020級生物醫學工程（專升本）學生共計145人展開。目前該課程于2021年6月完成授課，課程建設線上SPOC資源和線下實驗資源兩部分課程資源，線上教學資源在“超星學習通”網站上開放；線下教學以“虛實結合”即虛擬仿真+動手實踐的形式培養學生的科學研究和實踐創新能力，所有實驗項目內容均在實驗室完成。

4.2 教學效果評估方案

本課程的教學評估方案遵循基于成果導向的反向設計原則，即根據學生預期要達到的學習成果來評估。也就是說，根據不同層次的學生應該達到的學習成果，反推出課程的教學目標，進而確定評價標準和對于過程考核的方案。將專家及督導考核、主管領導和同行聽課、教師自我評價和學生評教全部納入教學產出成效評價體系。

4.3 教學效果評估結果

通過調查問卷的方式，學生在課前對于本課程學完后達到的能力層次做了預估，并在SPOC學習結束后和理實課程全部結束后分別對于個人能力層次做了評價，人員分布見圖3。分析顯示，在課程學習之前，人員呈現金字塔分布，大部分學生對于獲得的能力只預期在低水平；隨著理論課也就是SPOC學習的進行，大部分學生逐漸理解相關知識，但能力停留在中等水平；當實踐項目全部完成后，絕大部分學生能夠靈活運用所學知識，甚至能實現創造和評價，整個人員分布近于正態分布趨勢，這對于本科生所能達到的能力水平來說已趨于理想了。

圖3 不同階段能力層次評估結果人員分布

按照成績評定標準對145名學生過程性和達成性學習成果分別進行評價，總評成績按分數段分別統計，人員分布見圖4。通過分析可以看出，成績分布基本遵循正態分布，除個別缺考、緩考和未獲得考試資格的學生外，絕大多數學生通過本課考核。超過20%的學生分數達到80分及以上，60%的學生分數集中在70～79分。成績分布與課后能力評價結果基本一致，誤差近似為5，也就是控制在5位學生以內，這表明成績能夠較為準確地反映出學生的真實能力和水平。

圖4 分數段人員分布與能力層次評估人員分布對比

本輪課程共有2位校級督導，3位同行一線教師，1位教務管理人員聽課。校內督導評分平均90.2分，同行評價平均得分92.5分，教務管理人員打分優秀，學生評教結果優秀。主要存在的問題集中在以下幾方面：（1）SPOC課程中的重、難點需要在線下課程中進行深入討論；（2）綜合型實驗與設計型實驗難度跨度大，需要對項目難度進行梯度區分和調整。針對以上問題，在下一輪課程前會進一步完善。