基于產出導向的實驗課程教學方法的研究

［摘 要］ 為了使實驗課程有效地培養學生的實踐能力，從而滿足其畢業后從事相關工作的要求。基于產出導向的理念，以“醫學信號與數據分析”課程為依托，采用問卷調查、細化具體指標完成情況和分析實驗報告等方法，探索大學實驗課程教學改革的實施情況和效果。結果顯示，此次改革促使學生掌握了新的分析軟件和方法，提高了團隊協作能力和理論聯系實際的能力，提升了學生的學習主動性和實驗課的教學質量，為今后實驗課程教學提供了有益的借鑒和經驗。

［關鍵詞］ 產出導向；實驗課程；教學改革

［基金項目］ 2022年度重慶大學教改項目“基于產出導向（OBE）理念的‘醫學信號與數據分析’實驗課程教學改革”（2022Y22）；2023年度重慶大學大型儀器設備功能開發項目“便攜式細胞培養裝置的設計制作”（gnkf2023004）；2021年度重慶市教改項目“面向醫療健康信息智能感知與輔助決策的智能醫學工程專業課程體系構建與實踐”（213028）

［作者簡介］ 許 蓉（1984—），女，新疆哈密人，碩士，重慶大學生物工程學院實驗師（通信作者），主要從事醫學信息檢測與處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0155-04 ［收稿日期］ 2023-09-23

引言

醫生的醫學信號分析處理能力的強弱，決定了其在醫學診斷、疾病預測、治療方案選擇等方面的準確率。醫生的醫學信號分析處理能力的進步，不僅緩解了他們的工作壓力，還能為患者提供優質的醫療服務。醫學生學好“醫學信號與數據分析”實驗課程，不僅是個人職業生涯的需求，也是國家和社會對未來醫務工作者的期盼。

產出導向教育（outcomes-based education， OBE）是工程教育認證的核心理念，是全球流行的高等教育策略和教學方法［1］。國內很多高校已經基于OBE理念重新設計了實驗課程［2］。OBE理念以學習成果為導向，要求學生在學習過程中不僅要掌握理論知識，還要將所學知識應用于實踐，從而實現知識的轉化和技能的提升。OBE實驗課程教學改革就是把學生的學習過程從傳統的“教師演示、學生模仿”轉變為“學生做、教師輔助”。改革體現了以學生為中心的教學理念，圍繞產出成果來設計并實施教學，以提高實驗課程教學的效果和質量為目的，以實現學生能力與素質的雙進步為目標［3-5］。

一、OBE實驗課程設計

設定合理的教學目標是有效產出的基本前提之一，確定目標后再反推需要教授的內容以及所采用的形式［6］。采用合理的方式對實驗成效進行有效評價是OBE實驗課程的設計思路［7］。以學生為中心培養其職業素養需要考慮以下幾個方面。

（一）確定目標和任務

OBE的課程改革首先需要明確課程所支撐的專業預期成果指標。醫學信號處理技術在醫療診斷、治療和監測等領域有著廣泛的應用，如心電圖、腦電圖、醫學成像等。該課程旨在培養學生在醫學信號分析處理領域的專業綜合能力。這些能力涵蓋了以下方面：掌握先進的計算機語言；運用實際信號進行深度分析和解釋；深刻理解醫學信號分析在社會中的重要性和影響，樹立社會責任感；培養科學探究的精神和創新思維，激發持續改進的動力。通過這些目標的全面培養，學生將具備應對醫學信號分析領域挑戰的能力，為成為有能力和社會責任感的專業人才奠定堅實基礎。

（二）培養實踐能力

OBE實驗課程的設計應該突出對學生實踐能力的培養，讓學生了解醫學信號的類型和特點，使學生掌握各種生理參數的采集及分析、提取的基本理念和技術，從而具備解決實際問題的能力。教師鼓勵學生運用所學知識和技能開展創新性的實踐，培養學生的創新能力。

（三）團隊合作

團隊合作不但可以讓學生充分了解各自的優勢，知道在團隊中如何發揮自己的作用，還可以學習如何與其他同學一起從不同的角度思考問題，從而實現多方面的思考和創新。通過團隊合作還可以模擬實際工作環境，從而為學生做好工作預熱。

（四）評估和反饋

通過對學習進展的量化評估，教師可以精確掌控學生對實驗課程的核心概念和技能的掌握進度，并為進一步的教學調整提供依據。評估結果可以為學生提供有針對性的反饋，幫助他們了解自己在實驗課程中的表現、進展情況以及需要改進的方面。通過反饋，學生可以更好地了解自己的優勢和不足，并采取適當的措施來改進學習效果。學生及時把學習情況和體驗反饋給教師，可以幫助教師改進教學方法、優化教學資源，并提高實驗課程的教學效果，如圖1所示。

二、結果

此次OBE實驗課程改革基于本科“醫學信號與數據分析”課程。此課程為32學時的必修課程，適用于生物醫學、智能醫學等相關專業的本科生培養。在傳統教學模式下，該實驗課程主要基于Matlab語言，教師采用講解和演示的方式，學生跟隨教師進行實驗操作。基于上述改革的原則，取得了以下進展。

（一）掌握Python的使用，滿足醫學數據分析、應用的基礎要求

OBE實驗教學改革后，教學活動緊緊圍繞成果目標展開。基于課程目標，雖然Matlab語言使用時間更長，但是Python開源免費，擁有大量的第三方庫和工具，適用于多個領域的優點更加明顯，掌握Python語言對于學生今后的就業及個人發展都有很大的幫助。學生經過實驗課程能夠達到Python在醫學數據分析方面的要求，具體包括：不同格式的生理數據的讀取及數據類型轉換；數據預處理，提高信噪比；特征提取，如心率、最大自主收縮力（maximum volunteer contraction， MVC）對應不同肌肉的信號峰值等；數據可視化：將結果生動地展示出來。

為了培養學生的創新能力，在達成上述目標的同時，除了要求學生掌握使用Python提供的數據庫，還可以要求學生自己編寫處理函數并調用。例如，通過講述中值濾波的原理，要求學生自己編寫處理函數并調用。

在培養技術能力的同時，引導學生樹立正確的信息安全意識，避免因為數據泄露或濫用而帶來的負面影響。幫助學生樹立正確的社會責任觀念，認識醫學信號處理的重要性。分析的算法和技術仍有改進的空間，將數據處理當作一項為社會服務的事業，積極參與和推動數據處理的健康發展，將數據處理技術作為促進社會進步的有力工具，為社會發展和人民福祉做出更大的貢獻。

（二）采用豐富的課堂形式，適時推進課程進度

實際的生理信號因為個體差異以及采集的方法、環境等因素出現各種不同的情況，沒有一種萬能的方法處理所有的數據和情況。教師可以在授課中安排一次生理信號的采集實驗，讓學生采集自己的生理信號。采集和分析自己的生理信號不但能提高學生的興趣，也能教會學生如何利用結果判定是否屬于正常生理值范圍，從而了解醫院檢測報告的流程。

根據每次實驗課的內容和學生已經掌握的知識，采用不同的上課形式，如PPT講解、小組討論或者學生代表講解等方式。這不僅活躍了課堂的氣氛，也提高了學生的參與度和興趣。每節課設置三個小目標，在保證有九成的學生完成的情況下進行下一個小節課的內容。在這種課堂氛圍中，學生基本能完成每次實驗的目標。爭取讓每名學生都跟上內容推進，即使不能按時完成課堂內容，也能聽懂原理，從而在課后積極補習。對于實在有困難的學生除了線下輔導，還可以利用現有的網絡資源做好線上答疑。

（三）激勵學生展示才能，提高團隊協作和溝通能力

課前，按照學生意愿及能力均衡的原則分成5人左右的小組，以小組為單位并根據場地條件安排座位，安排組長協調小組成員的實驗進度。學生以小組的形式進行實驗。通過小組合作，學生鍛煉了競爭、協作、溝通與表達能力。每次實驗課都設定最低目標和提高要求。評定成績時，適當考慮學生的編程能力、理論基礎和努力程度，鼓勵學生展示自己。對于課堂上積極發言、勇于展示結果及同學間互助的情況，教師及時進行肯定并適當加分。考慮到學生的個性差異，教師采取因材施教和多元評估的策略。鼓勵學生在團隊中提出自己的想法和建議，充分發揮自己的創造力和想象力，從而促進團隊創新和進步。

（四）分析回收問卷，綜合評價成績

課前發放問卷，課后回收評估。問卷主要涵蓋以下三部分。

1.學生基礎知識：Python以及涉及理論知識掌握情況。

2.對內容及進度的意見：實驗內容安排、對于理論知識的應用、實驗進度與參與度的相關性、課程對數據分析能力的提高等。

3.建議包括：實驗內容的補充和刪減、進度安排的調整以及其他有利于課程效果的建議。

本研究共發放問卷400份，有效回收問卷368份，有效回收率為92%。問卷調查結果顯示：學生都（100%）對Python有了解也有學習的欲望，但是已經掌握基本語言的學生很少（17%）。82%的學生清楚涉及理論知識的原理，但對實際應用還有很多不清楚的地方。94%的學生對OBE實驗課程教學改革持積極態度，認為改革后的實驗課程更加有趣、富有挑戰和意義。但是也有37%的學生認為實驗課程有難度，需要更多的精力去完成每節課設置的要求和實驗報告。

課程總成績由課堂成績和實驗報告兩部分組成。課堂成績不但包含每次課堂小目標的完成情況，還包含加分項目。這是為了鼓勵基礎較薄弱的學生更積極地投入課堂活動中。實驗報告分為基礎部分（必須完成部分）和提高部分（自選完成部分）。各部分的占比如圖2所示。

結語

本文基于以學生為中心的OBE理念，以學生最終具備的能力為導向，首先確立課程應該達到的目標，再細分每次課程需要達到的效果和教師需要教授的內容以及課程進度。在行課之前先調查了學生的知識儲備和能力范圍，教師采用了多種教學方法和工具，適時調整實驗課程內容和進度的安排。行課過程中及時觀察，具體化課程目標，做到對每名學生心中有數。教師及時批改學生的實驗報告，從而盡快發現問題并糾正指出，對好的方法和結果及時肯定，從而激發學生的學習興趣和參與度。結果顯示，學生的學習狀態和實驗操作能力有了明顯的提高，能夠更加獨立地撰寫程序和實驗報告。實驗課的教學效果也得到了明顯的提升，學生的實驗成績分布更加均衡，總體成績有所提高。OBE理念的實驗課程教學改革在一定程度上提高了實驗課程的效果和質量，這對于今后實驗課程的開展提供了有益的參考價值。

參考文獻

［1］LUMIUS， ASLI. OBE insights： visual analytics design for predictive OBE knowledge generation［J］. International journal of advanced computer science and applications.2021，12（12）：895-901.

［2］聶鵬.基于產出導向法的軟件工程專業教學探索研究：以Web服務與RESTful技術課程為例［J］.電腦與電信，2020（6）：22-29.

［3］ 由從哲，邱駿達，范洪輝.基于OBE的《Python數據分析》教學模式研究［J］.電腦知識與技術，2023，19（2）：150-152.

［4］ 王永泉，胡改玲，段玉崗，等.產出導向的課程教學：設計、實施與評價［J］.高等工程教育研究，2019（3）：62-68+75.

［5］崔文超，鄒俊杰，汪方毅，等.OBE理念下項目驅動的數字圖像處理教學研究［J］.圖學學報，2020，41（6）：1031-1038.

［6］胡茉，李林.OBE導向下學習產出的影響因素研究：基于上海七所高校的問卷調查［J］.高等工程教育研究，2022（3）：139-144.

［7］張力.基于OBE理念的高校體育類在線課程建設研究［J］.體育學刊，2021，28（3）：106-111.

Research on Teaching Methods of Medical Signal and Data Analysis Experiment Course Based on Outcome-based Education

XU Rong， HOU Wen-sheng， WANG Jian-hua

（Bioengineering College， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： To ensure that the experimental courses can effectively cultivate students’ practical abilities and professional qualities to meet the requirements of relevant work after graduation， this study， based on the output-oriented concept， took the course “Medical Signal and Data Analysis” as the basis. Questionnaire surveys， detailed analysis of specific indicators， and analysis of experimental reports were used to explore the implementation and effects of the teaching reform of university experimental courses. The results showed that the reform enabled students to master new analysis software and methods， improved their teamwork and ability to link theory with practice， while enhancing students’ initiative in learning and the teaching quality of the experimental courses. This provides useful references and experiences for future experimental course teaching.

Key words： outcome-based; experiment course; teaching reform