基于OBE理念的醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)信號與系統(tǒng)課程改革

許佳　　王鳳　　寧旭　　徐林　　陳明生

［摘 要］為滿足新形勢下醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，課題組針對目前課程存在的理論教學(xué)體系陳舊、專業(yè)結(jié)合性差、實(shí)踐應(yīng)用性不夠等問題，采用OBE作為課程改革理念，對信號與系統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)改革，進(jìn)一步明確課程的學(xué)習(xí)成果目標(biāo)，達(dá)到課程教學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的目的，并獲得確保學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出的有效教學(xué)方法以及客觀評價方法。

［關(guān)鍵詞］成果導(dǎo)向教育；信號與系統(tǒng)；課程改革；生物醫(yī)學(xué)工程

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）17-0047-04

近年來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè) [1]。2018年，教育部發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，其原則和理念是以學(xué)生為中心，在成果導(dǎo)向下，對教育教學(xué)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，這一標(biāo)準(zhǔn)及理念對高等院校專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到指導(dǎo)作用。陸軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡稱我校）自2018年來面向地方招收生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生，基于貼近實(shí)戰(zhàn)、滿足軍隊(duì)衛(wèi)生裝備任職的需求，培養(yǎng)服務(wù)企業(yè)和行業(yè)并推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的創(chuàng)新型專業(yè)應(yīng)用型人才[2]。信號與系統(tǒng)課程（以下簡稱本課程）作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到承上啟下的作用，能夠有效提高本課程教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

一、當(dāng)前課程教學(xué)的主要問題

（一）課程內(nèi)容多，學(xué)時有限，課程理論性強(qiáng)

本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，這與課程本身學(xué)科特點(diǎn)有關(guān)[3]， 其涉及大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)研究，課堂教學(xué)中多以理論教學(xué)為主，這在一定程度上造成學(xué)生對抽象概念理解困難，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，不利于學(xué)生工程、信息思維的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)內(nèi)容新穎性不足，專業(yè)結(jié)合不緊密

課程教學(xué)主要依托教材進(jìn)行，醫(yī)學(xué)工程的前沿技術(shù)問題引入課堂較少。由于本課程傳統(tǒng)開設(shè)對象為電子信息技術(shù)、通信專業(yè)學(xué)生，現(xiàn)有課程內(nèi)容案例多是為這類專業(yè)設(shè)置，與我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)需要不符，缺少醫(yī)學(xué)及軍事特色的應(yīng)用實(shí)例，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不夠明確，不了解課程的具體應(yīng)用價值，學(xué)習(xí)動力不足。

（三）研討流于形式，實(shí)踐應(yīng)用性訓(xùn)練缺乏

在前期教學(xué)改革中，為提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，課題組增加了研討環(huán)節(jié)，但在課程教學(xué)實(shí)際情況中，學(xué)生多自行選擇某一文獻(xiàn)，以完成匯報任務(wù)為目的進(jìn)行閱讀講解，由于研討內(nèi)容不夠凝練，實(shí)施過程不能充分引發(fā)學(xué)生思考討論，多為教師自問自答，甚至存在少數(shù)學(xué)生“渾水摸魚”的現(xiàn)象。同時，實(shí)驗(yàn)設(shè)置多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，盡管有助于學(xué)生理解和掌握該課程的基本理論知識，但學(xué)生未能對實(shí)際的醫(yī)學(xué)信號及系統(tǒng)進(jìn)行自主分析研究，無法實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力、形成創(chuàng)新思維的目標(biāo)，不利于專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

二、課程改革措施

成果導(dǎo)向教育（Outcome?Based Education，OBE）是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念 [4]。OBE強(qiáng)調(diào)成果導(dǎo)向，重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果，明確學(xué)生能力目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)專業(yè)與課程的建設(shè)要從學(xué)生的獲得結(jié)果來反向設(shè)計(jì)[5]。目前OBE理念已應(yīng)用于我國高等院校工程人才教育培養(yǎng)，國內(nèi)各大高校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)也開始開展OBE理念指導(dǎo)下的教育改革實(shí)踐[6]。基于OBE理念，通過明確課程教學(xué)成果目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、重構(gòu)內(nèi)容體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源整合，能夠?yàn)槎喾N教學(xué)模式的靈活運(yùn)用提供條件，同時有助于有效地開展學(xué)生成果評價，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力[7-9]。課題組基于OBE理念，對本課程進(jìn)行了教學(xué)改革。在OBE反向設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下，由學(xué)生需求和任職需求所決定的培養(yǎng)目標(biāo)來確定課程培養(yǎng)目標(biāo)，并基于此開展課程教學(xué)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)考核各個環(huán)節(jié)，促進(jìn)成果目標(biāo)達(dá)成，最終實(shí)現(xiàn)課程與成果、理論和應(yīng)用、醫(yī)學(xué)與工程的有機(jī)結(jié)合，滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

（一）明確課程目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

基于OBE理念，課程設(shè)計(jì)的理論及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容均要對學(xué)生能力培養(yǎng)有明確的支撐貢獻(xiàn)，即學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后能具備預(yù)期的能力。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案以及對學(xué)生的軍隊(duì)任職、地方就業(yè)需求的調(diào)研情況，課題組對本課程的支撐作用進(jìn)行了剖析，明確了“信號表示、系統(tǒng)描述”的課程內(nèi)涵，從知識、能力、素質(zhì)三個方面對課程教學(xué)目標(biāo)重新進(jìn)行了細(xì)化。根據(jù)細(xì)化的課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系（見表1），進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于醫(yī)學(xué)信息檢測分析、醫(yī)療儀器設(shè)備研發(fā)，因此本課程內(nèi)容以連續(xù)時間信號與線性系統(tǒng)分析為重點(diǎn)。同時通過在緒論中總體概述離散時間信號與系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，在信號采樣中搭建從連續(xù)信號到離散信號的橋梁，并以閱讀討論奧本海姆英文教材的方式，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)離散信號與系統(tǒng)時域分析的內(nèi)容。一方面，使學(xué)生能夠把握課程整體結(jié)構(gòu)，理解其與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)性；另一方面，避免與后續(xù)數(shù)字信號處理課程內(nèi)容過多重疊。通過實(shí)施分層教學(xué)策略，對每個層次學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行不同階段劃分，讓學(xué)生了解培養(yǎng)方向、明確學(xué)習(xí)目的，有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)成果，使每個學(xué)生都能學(xué)有所獲。

（二）使用多樣化的教學(xué)方法，確保“成果獲得”

為保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，課題組對現(xiàn)有教學(xué)形式進(jìn)行了改革。從講授課堂向交互課堂轉(zhuǎn)變、從理論課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從單向課堂向雙向課堂轉(zhuǎn)變，核心目的為有效地幫助學(xué)生獲得課程學(xué)習(xí)成果。課題組從以下三個方面進(jìn)行教學(xué)方法改革。

1.課內(nèi)課外結(jié)合，調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)的積極性。根據(jù)教學(xué)要求，預(yù)先設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)任務(wù)結(jié)合教師提供的教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。教師篩選出對課程重難點(diǎn)內(nèi)容有支撐作用的微課、MOOC等網(wǎng)絡(luò)資源，使這些資源與教材等其他教學(xué)資源形成互補(bǔ)，充分發(fā)揮各類資源的優(yōu)勢。課前兩周下發(fā)預(yù)習(xí)任務(wù)單，在預(yù)習(xí)任務(wù)單的開發(fā)中要明確階段知識、技能教學(xué)目標(biāo)，學(xué)習(xí)任務(wù)的總量和難度要適中，根據(jù)各部分內(nèi)容靈活設(shè)計(jì)具體的任務(wù)。在課堂上，通過智慧化教室、雨課堂等形式開展互動交流、問題解答、重難點(diǎn)提升、應(yīng)用與實(shí)踐的拓展及反饋評價等教學(xué)活動。教師需要根據(jù)上課前兩天的預(yù)習(xí)反饋效果，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容并布置強(qiáng)化練習(xí)。在課堂講授中，教師在講解課程理論內(nèi)容的同時，要通過案例、項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)模型、物理及工程概念等去分析問題、解決問題。通過線上教學(xué)平臺的課后交流答疑環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識。教師線上通過過程性評價，向?qū)W生反饋學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生提供個性化資源，布置相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)，激勵學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的學(xué)習(xí)。教學(xué)過程設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2.將前沿研究轉(zhuǎn)化為課堂特色專業(yè)案例。課題組對現(xiàn)有的教學(xué)案例進(jìn)行更新優(yōu)化，使案例貼近軍事醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程。通過案例教學(xué)，使學(xué)生掌握信號與系統(tǒng)基本理論在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。部分教學(xué)案例與理論對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。同時，以生物醫(yī)學(xué)信號實(shí)踐應(yīng)用問題為載體，以小組為單位，針對信號與系統(tǒng)傳統(tǒng)時域、頻譜和復(fù)頻譜分析內(nèi)容以及新發(fā)展的信息科學(xué)技術(shù)內(nèi)容，設(shè)置專題研討，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及理論與實(shí)際相結(jié)合的能力。在研究性學(xué)習(xí)交流中，采用學(xué)術(shù)對話型翻轉(zhuǎn)課堂模式[10]，讓學(xué)生以匯報、討論的形式展示小組的研究成果，重視交流答辯過程，以學(xué)生的互動點(diǎn)評為主，教師組織、答疑為輔，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)和思辨交流能力。

3.結(jié)合專業(yè)設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)踐形式。為提升學(xué)生的應(yīng)用能力，課題組對現(xiàn)有仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了改革，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)際應(yīng)用問題，開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展專題研討，使學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)獲得綜合提升。首先，根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)招生小班化的特點(diǎn)，將原仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)調(diào)整在理論課堂中進(jìn)行，在理論學(xué)習(xí)過程中及時搭建與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，幫助學(xué)生快速理解物理及工程概念，從而使學(xué)習(xí)重點(diǎn)從單純的公式、抽象的概念轉(zhuǎn)移到工程實(shí)際情景上。其次，為將醫(yī)學(xué)信號、信息工程技術(shù)與課程教學(xué)緊密結(jié)合，課題組對研討內(nèi)容與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)，建立本課程新的綜合實(shí)踐教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。選擇符合專業(yè)需求以及與競賽有關(guān)的實(shí)驗(yàn)題目，例如干擾心電信號處理分析、呼吸心率同步分離等。每個題目設(shè)置1～3個完成層次，其中第1層次目標(biāo)是每個學(xué)生都必須完成的，而第2、3層次目標(biāo)則由學(xué)生根據(jù)個人情況選擇完成。以心電信號分析處理為例，專業(yè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置包含3個層次，第1層次目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)心電信號的頻譜變換，與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生掌握生理信號的基本電學(xué)特征；第2個層次目標(biāo)聚焦于工頻干擾，學(xué)生可結(jié)合模電及本課程關(guān)于濾波器的基本知識，自主嘗試進(jìn)行心電提取；第3個層次目標(biāo)為能進(jìn)一步進(jìn)行心電特征的分析，如R波檢測等。

（三）完善教學(xué)考核，評價達(dá)成度

評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出是OBE理念實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，主要為檢驗(yàn)學(xué)生是否具備畢業(yè)所需要的課程學(xué)習(xí)成果。對學(xué)生學(xué)習(xí)課程考核采用多元和梯次的評價標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有課終評價基礎(chǔ)上，增加自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐考核環(huán)節(jié)，考核方式采取形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式。形成性考核成績包括實(shí)驗(yàn)成績、綜合素質(zhì)考核成績兩個部分，其中實(shí)驗(yàn)成績占總成績的15%，由實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報告兩個部分成績組成，考核學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用操作能力、邏輯思維、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性等；綜合素質(zhì)考核成績占總成績的20%，由平時成績與研討課成績組成，考核學(xué)生基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)及質(zhì)疑分析能力、課堂表現(xiàn)情況、文獻(xiàn)閱讀匯報情況等。終結(jié)性考核為課終考試，采取教考分離的方式，以閉卷考核為主，考核成績占總成績的65%，主要考查學(xué)生對信號與系統(tǒng)的基本概念、基本原理、基本分析方法等知識的理解程度和綜合計(jì)算分析能力。而針對課程達(dá)成度的評價，主要以教學(xué)班的課終成績作為樣本，計(jì)算考核成績中支撐課程實(shí)施指標(biāo)點(diǎn)的平均得分與試題總分之比，并根據(jù)畢業(yè)要求中指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的權(quán)重確定該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的評價值，形成課程達(dá)成自評結(jié)果[7]。課題組根據(jù)達(dá)成度自評結(jié)果、學(xué)生問卷建議、督導(dǎo)評價建議，對下一輪教學(xué)的授課內(nèi)容、教學(xué)方式和考核環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行相應(yīng)的改革。

三、總結(jié)

在OBE理念下，課題組對本課程教學(xué)進(jìn)行了改革。在以學(xué)生獲得成果為目標(biāo)的前提下開展教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分參與教學(xué)，以此培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、專業(yè)素養(yǎng)。通過教學(xué)改革，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的專業(yè)應(yīng)用型人才提供支撐。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 趙青云， 崔艷， 劉帥. 新工科理念下普通高校工科專業(yè)教與學(xué)的探索[J].大學(xué)教育，2020（5）： 40-42.

[2] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 張博. 項(xiàng)目式教學(xué)在《信號與系統(tǒng)》課程中的實(shí)踐與改革[J].讀與寫（教育教學(xué)刊），2019，16（11）：23.

[4] SPADY W G. Outcome-based Education：critical issues and answers[M]. Arlington：American association of? school administrators，1994.

[5] 李志義.成果導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2015（3）：32-39.

[6] 冀頤之，王暄，井圓圓，等.基于OBE理念生物工程專業(yè)畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)模式研究[J].生命的化學(xué)，2020，40（4）：633-636.

[7] 陶丹，胡健，黃琳琳，等.基于OBE理念的電子信息類課程改革與實(shí)踐：以“信號與系統(tǒng)”課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2018（30）：81-82.

[8] 張志美，程立英，李柳，等.基于OBE教學(xué)理念的《信號與系統(tǒng)》課程改革[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，37（3）：284-288.

[9] 劉淑玉，趙永輝，楊柳松.基于OBE理念的信號類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程改革的探索[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2019（9）：92-93.

[10] 馮菲，于青青.基于慕課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（6）：44-51.

［責(zé)任編輯：蘇祎穎］