“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

高克強(qiáng)，高 凡

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 211166；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106）

引言

“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”是生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)的核心主干課程之一，課程理論學(xué)時(shí)部分系統(tǒng)介紹生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理相關(guān)的基本概念與原理［1］，主要包括數(shù)字信號(hào)與線性系統(tǒng)、時(shí)域處理方法與應(yīng)用、傅里葉變換與Z變換、濾波器設(shè)計(jì)等核心內(nèi)容。課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)部分主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，完成理論公式的算法實(shí)現(xiàn)與信號(hào)驗(yàn)證，并結(jié)合少量的綜合性實(shí)驗(yàn)，引用生物醫(yī)學(xué)信號(hào)領(lǐng)域的經(jīng)典案例，如人體多參數(shù)生理信號(hào)分析、腦電、肌電等電生理信號(hào)分析、多功能光譜信號(hào)分析等［2］，使得學(xué)生能夠運(yùn)用上述理論方法解決實(shí)際部分工程問題與臨床需求。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于生理信號(hào)檢測(cè)、生命健康科學(xué)研究、臨床疾病診療及醫(yī)療器械研發(fā)等領(lǐng)域［3］，是面向人民生命健康的國(guó)家重大需求中不可或缺的重要一環(huán)。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的理論與方法，并通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)解決實(shí)際工程問題，對(duì)于今后從事生命科學(xué)研究、臨床精準(zhǔn)診療、醫(yī)療裝備研發(fā)等工作都具有極其重要的意義。如何在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用課堂習(xí)得的理論知識(shí)解決實(shí)際復(fù)雜工程問題，并培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的綜合能力和專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)跨學(xué)科多層次的高素質(zhì)專業(yè)型人才，是本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的核心目標(biāo)。

一、“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

（一）綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)較少

“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)較少。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般針對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)如快速傅里葉變換、有限或無限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)等進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，并通過給定的相同示例信號(hào)進(jìn)行處理分析，驗(yàn)證算法的可行性與正確性［4］。這是對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理核心理論方法進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)不可缺少的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通常采用相同的示例信號(hào)與相似的算法設(shè)計(jì)，過程固定且相對(duì)死板，缺少靈活變化，使得學(xué)生參與度與積極性不高，對(duì)知識(shí)的理解與掌握程度不深，難以實(shí)際應(yīng)用。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)忽略了實(shí)際信號(hào)的采集過程與處理后結(jié)果輸出的實(shí)際意義。例如，人體腦電信號(hào)是重要的生理信號(hào)之一，反映了大腦的基本功能與狀態(tài)，在臨床腦部重大疾病、精神類疾病的診斷方面具有重要參考價(jià)值。傳統(tǒng)腦電信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)僅給出一段示例信號(hào)，要求學(xué)生統(tǒng)一完成對(duì)信號(hào)的濾波去噪、頻段提取、時(shí)頻分析的操作，并不了解采集時(shí)的實(shí)際情景對(duì)信號(hào)本身的影響及分析的信號(hào)特征與大腦狀態(tài)的關(guān)聯(lián)都與最優(yōu)算法的設(shè)計(jì)與選擇密切相關(guān)。因此，僅開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)這一生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理流程中的單一環(huán)節(jié)，學(xué)生難以掌握理論知識(shí)與算法在實(shí)際工程問題中的完整應(yīng)用。

（二）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏

“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程的綜合性實(shí)驗(yàn)流程相對(duì)固定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為單一，需要進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件并產(chǎn)生個(gè)性化與多樣化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而由于“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限、重復(fù)實(shí)驗(yàn)成本高昂、操作安全性風(fēng)險(xiǎn)等因素，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)缺乏或難以大規(guī)模開展。例如，神經(jīng)元電信號(hào)采集與分析是電生理信號(hào)處理中最基礎(chǔ)的部分，但原代神經(jīng)元提取的實(shí)驗(yàn)涉及動(dòng)物的麻醉、解剖、處死等操作過程，學(xué)生會(huì)同時(shí)接觸到危化品、鋒利外科工具等，實(shí)際操作危險(xiǎn)系數(shù)較高；且實(shí)驗(yàn)需要配備細(xì)胞房、超凈操作間、動(dòng)物房、生化實(shí)驗(yàn)室等，實(shí)驗(yàn)過程較多，細(xì)胞培養(yǎng)等過程一旦出錯(cuò)，就要從頭開始。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，可能一半以上的學(xué)生都無法獲得最后結(jié)果，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)鞏固的目的。與此同時(shí)，固定的實(shí)驗(yàn)流程與操作難以在實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)發(fā)散性思維的培養(yǎng)和提高綜合處理問題的能力，這使得學(xué)生難以靈活運(yùn)用理論知識(shí)并對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的不同問題進(jìn)行自主深入的思考［5］。因此，如何在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間里充分利用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念與數(shù)字資源，合理改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使得學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問題可反復(fù)試錯(cuò)，獲得最優(yōu)解決方案，培養(yǎng)學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識(shí)真正應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題的能力，是“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的重要課題。

（三）考核評(píng)價(jià)方式較為片面

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核方式較為單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)考查理論公式的基本運(yùn)用與算法實(shí)現(xiàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)考查信號(hào)處理整體流程的完成度與綜合應(yīng)用。然而，無論是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)還是綜合性實(shí)驗(yàn)，考核均以算法運(yùn)行結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，僅能反映學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用的掌握程度，無法有效評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)度，更難以體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)造性與自主思考解決問題的能力。此種方式的考核導(dǎo)向讓學(xué)生僅看重實(shí)驗(yàn)報(bào)告的最終呈現(xiàn)，而輕視實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S與理論知識(shí)的靈活應(yīng)用，使得學(xué)生多以應(yīng)付或完成任務(wù)的心態(tài)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，無法有效鍛煉自主創(chuàng)新與思考能力。因此，此種考核方式無法客觀全面地評(píng)價(jià)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)和探索思辨的能力，難以引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地加強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力及對(duì)所遇到困難的探索與思考，不能滿足高層次生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理人才對(duì)思維能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)需求。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不健全

傳統(tǒng)“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系一般以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為核心，輔助少量的綜合性實(shí)驗(yàn)，缺乏設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不夠完善，不能滿足學(xué)生多層次學(xué)習(xí)需求，無法充分發(fā)揮教師多元化教學(xué)特色。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常采用“一講二練三考核”的標(biāo)準(zhǔn)模式，教學(xué)方式單一且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，教師講解核心知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)流程后，學(xué)生參照同一信號(hào)示例進(jìn)行練習(xí)，實(shí)現(xiàn)理論公式的編程算法與驗(yàn)證，忽略信號(hào)的來源與分析之后的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)考核報(bào)告千篇一律，不能體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［6］。“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有充分利用科研條件與成果促進(jìn)“項(xiàng)目式”實(shí)體綜合性實(shí)驗(yàn)的開展，沒有充分利用國(guó)家級(jí)與省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流本科課程的示范效應(yīng)與數(shù)字資源，促進(jìn)虛擬仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)體系的建立。此外，目前實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)獨(dú)立，不能有效融會(huì)貫通，教學(xué)模式不能充分發(fā)揮“以虛促實(shí)”“以虛拓實(shí)”的作用，教學(xué)效果有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

二、“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”教學(xué)模式改革方案

（一）人體腦電信號(hào)采集與分析實(shí)體綜合性實(shí)驗(yàn)改革

腦電是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中常見的信號(hào)來源，腦電分析是腦部重大疾病診療科學(xué)與臨床研究中非常關(guān)鍵的部分。結(jié)合團(tuán)隊(duì)前沿科研方向，選擇人體腦電信號(hào)采集與分析作為實(shí)體綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與實(shí)際人體腦電信號(hào)的采集、處理、分析與結(jié)果輸出的完整過程，將理論算法運(yùn)用到實(shí)體綜合性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用中。教學(xué)過程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：腦電采集設(shè)備認(rèn)知與預(yù)處理環(huán)節(jié)、多狀態(tài)分任務(wù)腦電采集環(huán)節(jié)、腦電信號(hào)處理與分析環(huán)節(jié)；包含的核心知識(shí)點(diǎn)為時(shí)域信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)、頻域信號(hào)的變換、功率譜密度、時(shí)頻譜分析等。讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)腦電采集時(shí)的電極阻抗、環(huán)境噪聲、工頻干擾、機(jī)械擾動(dòng)等對(duì)信號(hào)濾波與放大的影響。通過對(duì)人體實(shí)際信號(hào)的有效處理與綜合分析，總結(jié)不同狀態(tài)下被試者腦電各頻段的特征信號(hào)，加深對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理核心理論知識(shí)點(diǎn)的理解。此外，綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭€可選擇人體心電、肌電、血氧飽和度、血壓等基本生理參數(shù)的采集和信號(hào)分析，通過綜合性應(yīng)用全面鍛煉學(xué)生解決具體實(shí)際問題的專業(yè)能力。

（二）神經(jīng)元電生理信號(hào)采集與分析虛擬仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)改革

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)了神經(jīng)元電生理信號(hào)采集與分析虛擬仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)前基礎(chǔ)認(rèn)知環(huán)節(jié)、原代神經(jīng)元提取與微電極陣列芯片種植交互體驗(yàn)環(huán)節(jié)、多通道神經(jīng)電信號(hào)采集與分析環(huán)節(jié)，核心知識(shí)點(diǎn)包括帶通濾波器設(shè)計(jì)及信號(hào)濾波原理、神經(jīng)元鋒電位檢測(cè)與分類基本原理、單通道鋒電位特征參數(shù)分析、雙通道網(wǎng)絡(luò)通信互相關(guān)分析等。學(xué)生可以反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)與種植方案，并根據(jù)不同狀態(tài)選擇信號(hào)處理與分析算法的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的操作提示、結(jié)果解釋、錯(cuò)誤分析等交互式模塊，每名學(xué)生的學(xué)習(xí)場(chǎng)景都是不一樣的。學(xué)生可以根據(jù)自己前期對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行反復(fù)、重點(diǎn)練習(xí)，提高對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。根據(jù)學(xué)生的知識(shí)能力，將科研內(nèi)容和數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化和分解，使其能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施，便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。以真實(shí)的案例加深學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的興趣，并有效地促進(jìn)學(xué)生思維能力的提升。該實(shí)驗(yàn)將“容錯(cuò)探究式”“交互體驗(yàn)式”“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)方法綜合運(yùn)用于“基礎(chǔ)認(rèn)知、綜合分析、探索創(chuàng)新”三個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生循序漸進(jìn)地開展“基本原理學(xué)習(xí)—綜合能力訓(xùn)練—?jiǎng)?chuàng)新能力培養(yǎng)”的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程。

（三）全過程式評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核新方式

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，在綜合性實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)不同的采集場(chǎng)景與被試狀態(tài)，在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中設(shè)置大量的容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)路線與多元化的數(shù)據(jù)結(jié)果，突出學(xué)生主體地位，以高水平專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)為核心。學(xué)生在不同的操作流程及參數(shù)設(shè)置下均可以進(jìn)行多樣化實(shí)驗(yàn)操作，且每一環(huán)節(jié)與操作步驟均有對(duì)應(yīng)的詳細(xì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與分?jǐn)?shù)，對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出整體實(shí)驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)。實(shí)現(xiàn)“客觀化”全程評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、“多元化”評(píng)價(jià)學(xué)生綜合能力。實(shí)驗(yàn)可全程記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程和各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)果，從而可根據(jù)核心環(huán)節(jié)的操作過程，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并最終提交包含過程步驟分、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示等多元素的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使教師從知識(shí)點(diǎn)掌握、試錯(cuò)過程、邏輯思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合素質(zhì)進(jìn)行全面評(píng)估。

（四）虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

以項(xiàng)目式前沿實(shí)體實(shí)驗(yàn)和高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為引領(lǐng)，建立“驗(yàn)證性—綜合性—設(shè)計(jì)性”多層次多學(xué)科的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新體系，將一流課程建設(shè)的理念、模式和方法引入到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，提升實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度。通過虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)共融互促的教學(xué)模式，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)有效整合，在“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”各層次充分體現(xiàn)虛實(shí)融合、虛實(shí)遞進(jìn)和虛實(shí)協(xié)同的教學(xué)模式，信息化技術(shù)賦能虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，拓展工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度和廣度，有效激發(fā)了學(xué)生探究和創(chuàng)新的興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主性、探究性、創(chuàng)新性地學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和工程實(shí)踐能力，發(fā)揮虛實(shí)協(xié)同互促的作用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果。始終秉持“以學(xué)生為中心”的理念，構(gòu)建符合虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的支持環(huán)境，打造新型智慧虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的廣度與深度。致力于學(xué)生解決工程復(fù)雜問題能力的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)科與專業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，夯實(shí)跨界、協(xié)調(diào)、互通而又一貫的實(shí)驗(yàn)教育基礎(chǔ)，以適應(yīng)國(guó)家重大需求和社會(huì)發(fā)展新格局，培養(yǎng)國(guó)家急需的復(fù)合型高層次人才。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題與不足，本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)新體系構(gòu)建進(jìn)行探討。通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將原有的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)拓展為實(shí)體綜合性實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，逐層遞進(jìn)并提出全過程式評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核新方式，建立“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。在加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解下，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性，不斷拓展學(xué)生的創(chuàng)新性與思維廣度，并對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)掌握程度給出綜合全面的評(píng)價(jià)，促使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)和技術(shù)解決生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中的復(fù)雜實(shí)際問題。本課程改革取得了良好的教學(xué)效果，為培養(yǎng)綜合性高水平的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理相關(guān)領(lǐng)域復(fù)合型人才提供有效助力。