《醫學信號處理》課程教學探索與改進

黃丹，杜玲艷，曾偉，文宇橋，丁菊容

（四川輕化工大學 自動化與信息技術學院生物醫學工程系，四川 宜賓）

一 引言

利用現代科學技術的理論及方法，研究新的材料和技術，發明新的儀器設備，應用于疾病的預防、診斷、治療和康復，以保障人們的身體健康，就形成了生物醫學工程（Biomedical engineering, BME）這門由生物、醫學和工科等多學科高度綜合的交叉前沿科學。上世紀20世紀50年代，生物醫學工程就作為一門新的學科在國際上出現。自1978年我國將生物醫學工程確定為獨立的學科并制定了相應的學科發展規劃后，這個學科得到了日新月異的發展。據不完全統計，國內目前總共約127所學校開設了生物醫學工程專業。可見這個電子、醫學、計算機交叉的新興專業得到了人們的廣泛認可與重視，社會對此領域人才具有強烈的需求。社會的發展和科技的進步也對高校生物醫學工程專業學生的培養提出了更高的要求，也帶來了新的挑戰[1-2]。

在各高校生物醫學工程專業的培養方案中，《醫學信號處理》都是一門不可或缺的核心專業課。其課程大都安排在大三下學期或者大四上學期，其教學內容包括生物醫學信號的特點、檢測方法及數學描述，生物醫學信號處理系統的設計、數學描述及系統輸入信號與輸出信號之間的關系。學生通過此課程的學習要掌握處理生物醫學信號的基本原理和方法，了解當前此領域的前沿技術和發展趨勢，并且具備獲取、處理和分析常見生理信號（如腦電、心電信號）的能力。《醫學信號處理》這門課程在高校生物醫學工程專業整個培養體系中占據了重要的一環。基于此，深入考察其課程特征并在其特征基礎上探究適合此課程的教學模式并對傳統的教學方法進行改革就是大勢所趨，也是教授這門課程的教師思考的重點[3-5]。只有在此基礎上改進教學才能提高《醫學信號處理》這門課程的教學質量和效果，提升學生學習興趣，達到培養創新性和實踐性人才的目的。

二 《醫學信號處理》課程特點

和其他專業課程不同，《醫學信號處理》具有其自身的特性，包括綜合性強、數學公式和相關推導多且繁雜、課題性與實踐性強的特點。下面分別對其特點進行闡述。

《醫學信號處理》課程的一個顯著特點就是這一門課程的內容涉及到很多其他課程的知識，內容多且較為龐雜（圖1）。數學方面就涉及到高等數學、線性代數、隨機信號、概率論與數理統計、復變函數等多個學科的知識。信號信息處理方面則必須具有信號與系統、數字信號處理等基本知識。醫學方面則需要生理學、醫學儀器原理、醫學成像原理等相關知識的前期儲備。同時課程還需要計算機和編程方面的基礎知識，需要學生掌握相關的編程語言（如Matlab）并具有一定的編程能力。這種綜合性決定了這門課程安排在大三下學期或者大四上學期其他相關課程完成后的階段，同時也提升了教師講授和學生學習這門課程的難度。教師講授時必須注意學生前期課程的基礎情況，學生學習課程的時候也需要充分調動已學過的其他課程的相關知識才能更好地理解本門課程的內容。

圖1 《醫學信號處理》課程與其他課程之間的關系

《醫學信號處理》課程的另外一個特點是課程內容中涉及到大量的數學公式、變量和相關的數學推導，這意味著本課程對數學功底、抽象思維及邏輯推理能力要求較高。例如在維納濾波、自適應濾波等部分的教學內容中，幾十行的數學推導、幾十個數學公式、幾十個變量的情況并不少見。在這樣的情況下，教師如何在有限的教學時間內將公式推導過程講解清楚，學生如何在課堂上準確理解和掌握這些公式和推導的意義均是不小的挑戰。大量的數學公式、變量和數學推導容易使教師和學生出現公式混淆、計算細節錯誤的情況，也容易使學生產生教學內容枯燥、不容易理解的情緒，直接影響最終的教學效果。

《醫學信號處理》課程具有明顯的實踐性和課題性。其課程內容介紹的是常見生物醫學信號如腦電、心電、胃電的檢測和處理的基本原則和方法，和現實生活密切相關。這些信號都是學生實際接觸和體驗過的，并且在實際生活中也非常容易采集，這就使得學生將課本上的理論知識轉化為實踐來處理現實的生物醫學信號非常便利。同時實際的生物醫學信號多種多樣，不同情況下生物醫學信號也會發生改變。這意味著在處理實際生物醫學信號的過程中會遇到很多具體的問題，需要根據實際情況選擇合適的方法才能解決問題。這些具體的問題和相應解決方案自然地形成了課程中一系列完整的小課題。《醫學信號處理》課程的這種實踐性和課題性也意味著除了理論知識之外，實踐和課題研究部分也是課程的重要構成部分，在課程教學和學習過程中不可忽視。

三 《醫學信號處理》教學改進

正是因為《醫學信號處理》課程具有上述所列的一系列特點，傳統的教師講、學生聽的教學模式并不能滿足課程的教學要求，不能取得良好的教學效果。這就需要對課程的教學進行適當的改進。

針對《醫學信號處理》課程的內容多，和其他課程關聯性強的特點，教授這門課的教師所起的作用非常關鍵。授課教師需要非常熟悉信號處理的相關課程，要具備較高的數學水平和軟件編程能力，即授課教師需要具備多個相關學科的綜合知識，這樣才能在《醫學信號處理》課程教授過程中應付自如。同時授課教師應該多和其他課程的教師交流，對學生各方面的知識基礎水平有全面的認識和評估，并根據學生的基礎情況對教學方法和教學手段進行適當地調整以匹配所教學生的情況。同時在教學過程中教師要不斷提示學生注意課程的內容和他們以前學過其他課程的知識之間的關聯，必要時在教學過程中需要穿插介紹其他課程的相關內容，提醒他們對以前學過的其他課程的相關知識進行復習，以更好地理解本課程的內容。

《醫學信號處理》課程教學內容中涉及大量數學公式、變量和數學推導，容易讓學生產生畏難和枯燥的情緒。不管具體的數學推導有多繁復，其推導過程是具有邏輯性的。不管數學公式和變量有多復雜，其最后說明的結論是清晰簡潔的。教師在教學過程中應該抓住數學推導的邏輯性和公式說明的結論的簡潔性這兩個原則來介紹課程中的數學公式、變量和數學推導部分。這樣會使得教學內容條理清晰，更容易被學生理解。同時提醒學生無論數學公式多么復雜，要關注的應該是參數的含義、推導的邏輯過程以及公式說明的結論，并不需要對一些具體的計算細節和推導方法關注過多。這樣可以降低學生學習數學公式和數學推導的難度，提高他們課程學習的效率。

《醫學信號處理》課程的實踐性和課題性使得傳統講授形式的授課方式不能滿足需求。而基于問題的學習（Problem based learning），即先進的PBL教學法，其以實際問題為導向，以項目式學習為手段，以學生為中心，非常適合具有實踐課和課題性的《醫學信號處理》課程的教學[6-8]。PLB教學方法最早起源于20世紀50年代的醫學教育，《醫學信號處理》課程的PBL教學具體過程主要包括：教師在介紹完相應知識點后提出包含所教知識點的有針對性的開放性的問題；學生對要解決的問題進行思考和集體討論，即對問題進行界定并探究其可能的假設或解釋，在此基礎上提出解決問題的方案、界定個人的學習目標；學生根據確定的方案進行信息收集和自主學習；最后通過小組報告和討論的形式共享學習成果。在整個過程中，學生由學習的被動參與者變成主動實施者，其文獻檢索、查閱資料的能力、歸納總結、綜合理解的能力、邏輯推理、口頭表達的能力、團隊協作和溝通交流能力等一系列能力均得到了鍛煉，同時因為學生在整個過程中是自主學習的，其對理論知識的掌握也會牢固。

還需注意的是隨著科技的發展和社會的進步，人們處理生物醫學信號的工具和手段也在不斷改進。教師在教授《醫學信號處理》課程的過程中也要不斷將最新的科技文獻中的相關知識和當前最前沿的技術介紹加入到教學內容中去，讓學生對當前此領域最新的發展狀況和最先進的技術有所了解。計算機是當前處理生物醫學信號最常用的工具，隨著計算機技術的發展，其在生物醫學信號處理中所起的作用也越來越重要。教師在《醫學信號處理》課程的教授過程中，不僅要介紹相關理論知識例如數學公式、推導等，也要注意介紹如何將這些理論知識變成計算機可執行的程序，將計算機技術融入進去，讓學生能夠滿足這個以計算機技術為支撐的信息化社會的要求[9-11]。

四 教學改進的具體措施及效果

根據前述《醫學信號處理》課程的改進思路，我們對此課程的教學團隊、教學方法、考核內容和方式進行了調整。

教學團隊方面，我們給《醫學信號處理》課程的上課教師提出了具體的標準，要求必須具有與這門課程密切相關的其他課程的多年教學經驗且教學效果良好。這就保障了這門課程的上課教師的教學水平。同時因為教師本身具有相關課程的教學經驗，意味著其對學生的相關課程基礎有非常清楚地認識，就能夠根據學生的基礎采用合適的教學方法完成課程教學。再者，教師所教授課程知識的連貫性也能使其在講授《醫學信號處理》課程時能更好地體現整個生物醫學工程專業課程整體性和關聯性。

教學方法方面，我們對教學使用的資料包括教案、PPT課件等進行了系統地梳理和改進，刪除了較為陳舊的教學內容，添加了最新知識及前沿科技進展的介紹。同時建設好課程網站，不斷更新網站上的內容，使得學生能夠利用課程網站進行課外的自主學習，加強和教師的互動。我們還收集了大量適用于《醫學信號處理》課程教學的科研訓練項目課題，讓學生完成，以此輔助課程的PBL教學。

考核內容和方式方面，課程的考核除了最后的理論考試成績之外，我們還重點強調對學生課程項目課題完成情況的考核，考核學生綜合應用所學的知識解決一個實際問題的能力，考核方式包括完成符合內容和格式要求的報告并在課堂展示其取得的成果。這樣就避免了僅僅以期末考試和所取得的成績來考核和評定學生。

通過這一系列的具體措施， 我們《醫學信號處理》課程的教學質量得到了明顯的提升。學生理論學得更扎實，期末考試成績更高。學生平時上課的積極性和課程參與度都有顯著提高。這說明我們的課程教學的改進思路和具體的改進措施是行之有效的。

五 結語

《醫學信號處理》課程對高校生物醫學工程專業的學生而言是一門非常重要的專業課程。根據多年從事該課程教學的經驗，我們總結出此課程交叉性強和內容多、數學公式和推導多、實踐性和課題性強的特點，以及這些特點會對課程教學和學習造成的影響。根據課程自身的特點，我們提出了相應的教學改進方案。課程交叉性強和內容多，在教學中要強調本課程和其他課程的關聯并根據學生具體情況補充講解其他課程相關的知識點。數學公式和推導多，教學中要強調內部邏輯性和結論的簡潔性，不要求學生耗費精力于具體的計算細節。在課程教學過程中使用PBL教學法使學生用課題研究的方式自主學習以滿足《醫學信號處理》課程在實踐性和課題性方面的要求。同時，教師也要把最新的科技和計算機技術融合在教課內容當中以適應社會的發展。通過這樣的方式，提高學生自主學習和實踐創新的能力，使學生的綜合素質得到提高，滿足社會對相關領域人才的需求。