劉敬華，任朝暉，全海英，鄧軍民

首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

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生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

劉敬華，任朝暉，全海英，鄧軍民

首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是當(dāng)前高校教育教學(xué)改革的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特色和優(yōu)勢(shì)，對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行了分析，并提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式優(yōu)化、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室及人員建設(shè)等方面的改革措施。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；生物醫(yī)學(xué)工程

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是理工類和生物醫(yī)學(xué)類相結(jié)合的學(xué)科。它運(yùn)用自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理與方法，研究生物體特別是人體的結(jié)構(gòu)、功能和其他生命現(xiàn)象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的材料、制品、裝置和系統(tǒng)。其根本任務(wù)在于保障人類健康，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)服務(wù)。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是目前國(guó)際上發(fā)展極為迅速的交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科［1-3］。

我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代開辦生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育以來，為該領(lǐng)域培養(yǎng)了大批的優(yōu)秀人才。40多年來不斷改革人才培養(yǎng)模式及培養(yǎng)方案，培養(yǎng)目標(biāo)也從最初的解決臨床工程急需的技術(shù)人員到現(xiàn)在培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程高端研發(fā)人才、生物醫(yī)學(xué)工程企業(yè)高級(jí)管理人才及臨床工程高級(jí)技術(shù)人才。首都醫(yī)科大學(xué)是全國(guó)最早開展生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育與研究的高校之一，專業(yè)具有“理工科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合、基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐緊密結(jié)合”的特色和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。其生工專業(yè)本科教育培養(yǎng)目標(biāo)比較具體，主要是培養(yǎng)學(xué)生能夠從事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中醫(yī)學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的開發(fā)、使用、指導(dǎo)、培訓(xùn)及管理工作；能夠和醫(yī)護(hù)人員合作或獨(dú)立開展醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的研究，等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)需求水平的不斷提高，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力越來越重要。生物醫(yī)學(xué)工程本科教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是培養(yǎng)學(xué)生形成良好的科學(xué)精神和科學(xué)方法等綜合素質(zhì)的重要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力的重要環(huán)節(jié)。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生科研實(shí)踐的興趣，必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的鍛煉和積累［4-5］。

1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用是以理論授課內(nèi)容為基礎(chǔ)，有針對(duì)性、目的性地給學(xué)生提供一個(gè)實(shí)際操作平臺(tái)，通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，使其獲得直接感性的認(rèn)識(shí)，并培養(yǎng)和鍛煉其動(dòng)手能力［6］。首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程包括電路、電子技術(shù)、醫(yī)用傳感器、醫(yī)學(xué)儀器原理、臨床工程學(xué)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式原理與應(yīng)用，等。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一般是由課程梯隊(duì)的教師根據(jù)教學(xué)大綱制定實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和步驟。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多是將課堂內(nèi)容搬到實(shí)驗(yàn)室，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行演示或驗(yàn)證性的操作。在這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生課上獨(dú)立思考的時(shí)間很少，只能機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成實(shí)驗(yàn)，有的甚至不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以至很難達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的目的，教學(xué)質(zhì)量難以提高。

為了克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的弊端，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了改革。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上，剔除陳舊的部分，增加當(dāng)前發(fā)展前沿；在開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，適當(dāng)增加開放性、創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)的比例；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓他們以個(gè)人或小組協(xié)作的方式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決辦法。力爭(zhēng)使學(xué)生在大學(xué)4年期間能夠不間斷地參與基礎(chǔ)驗(yàn)證型、綜合型、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新型等各種層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

近幾年，我們還嘗試逐步將部分專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)室實(shí)行部分或全部開放，根據(jù)教師科研項(xiàng)目以及各類學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)的需要，以第二課堂、學(xué)生科技活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和開放性、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的形式，供學(xué)有余力又有興趣的學(xué)生完成。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自主確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。但是，自主不等于隨意，開放不等于放任，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)行過程中，絕對(duì)不能忽視教師的跟蹤指導(dǎo)。因?yàn)椋瑢W(xué)生的學(xué)習(xí)水平和能力畢竟有限，如果一次次精心準(zhǔn)備的“天馬行空”設(shè)計(jì)總是不成功，會(huì)讓他們產(chǎn)生挫敗感和自卑心理。所以始終應(yīng)把教師的主導(dǎo)作用放在重要位置，適時(shí)地給予學(xué)生理論上的指導(dǎo)和建議，讓他們“有理可依”地自主實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的自信心和決心。針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)，有的放矢地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力起到了推動(dòng)作用。

2　專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室是高等院校人才培養(yǎng)的重要基地。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平不僅能體現(xiàn)出院校的辦學(xué)指導(dǎo)思想，還能反映出院校整體的教學(xué)質(zhì)量以及綜合管理水平［7］。為了適應(yīng)教學(xué)改革的不斷深化，讓有限的實(shí)驗(yàn)室資源得到充分利用，根據(jù)首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)自身特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也在不斷加強(qiáng)。

2.1硬件建設(shè)

硬件建設(shè)是實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的前提條件。近些年，為了配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，保障綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)，我們實(shí)驗(yàn)室對(duì)電路、電子技術(shù)、單片機(jī)、嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了更換，逐步更換了那些只能進(jìn)行驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)箱。以嵌入式課程為例，實(shí)驗(yàn)室淘汰了WinCE系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，購置了“基于arm 9、能夠進(jìn)行Linux和Android系統(tǒng)底層和應(yīng)用層開發(fā)”的新實(shí)驗(yàn)箱。Linux和Android系統(tǒng)是當(dāng)前嵌入式發(fā)展的主流，特別是后者，其涉及的智能手機(jī)領(lǐng)域與學(xué)生的日常生活非常貼近，實(shí)驗(yàn)過程猶如讓他們?cè)O(shè)置和開發(fā)自己的手機(jī)。毫無疑問，它將會(huì)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到滿意的教學(xué)效果。由于嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性強(qiáng)、技術(shù)發(fā)展快的前沿性、交叉性學(xué)科，針對(duì)其軟、硬件發(fā)展都很迅速的特點(diǎn)，我們還特別對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和管理，購置服務(wù)器和交換機(jī)等設(shè)備，組建了小型局域網(wǎng)，使得資源共享、軟件安裝、升級(jí)和維護(hù)都變得非常方便。

除了更換專業(yè)課程所需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以外，還對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的其他測(cè)量?jī)x器設(shè)備，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、電源、電壓表、電流表，等，也都進(jìn)行了更新?lián)Q代，以確保各個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以有效、順利地開展。

另外，實(shí)驗(yàn)室還購置了美國(guó)NI公司的教學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬儀器套件“NIELVIS”。該套件由基于LabView的虛擬儀器組成，是一套多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備與一個(gè)用戶自定義的工作臺(tái)。在一個(gè)平臺(tái)中包括12款最常用的儀器組合，包括示波器、數(shù)字萬用表（DMM）、函數(shù)發(fā)生器、可調(diào)數(shù)字電源、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析器（DSA）、波特分析器、2線/3線電流—電壓分析器、任意波形發(fā)生器、數(shù)字讀寫及阻抗分析器。這種緊湊且功能強(qiáng)大的儀器為我們專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的開放實(shí)驗(yàn)節(jié)省了成本，包括減少實(shí)驗(yàn)室空間及降低維護(hù)成本。NIELVIS儀器均由LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言設(shè)計(jì)，參與開放實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以根據(jù)需要對(duì)器件進(jìn)行靈活地自定義，比他們操作實(shí)際的測(cè)量設(shè)備要快捷、方便很多。

2.2應(yīng)用軟件建設(shè)

2.2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境（electronic design automation，EDA）

即使在實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施較完善的情況下，某些預(yù)期的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展起來也存在一定的困難［8］。比如電子技術(shù)課程的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，電路大概需要幾種甚至十幾種電子元器件，而學(xué)生在完成整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，使用的器件又各不相同，這就會(huì)給實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作帶來極大困難。但是如果限定學(xué)生使用器件范圍和設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)，又不利于他們的創(chuàng)造性發(fā)揮。所以，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（即EDA平臺(tái)）在生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中是必不可少的。計(jì)算機(jī)上安裝用于電路設(shè)計(jì)和仿真的EDA工具軟件Multisim，學(xué)生不僅可以將自己設(shè)計(jì)的電路通過軟件以虛擬的形式反映在計(jì)算機(jī)屏幕上，運(yùn)用Multisim提供的各種操作命令和元件箱、儀器庫，進(jìn)行電路的仿真和調(diào)試，并且可以與ELVIS平臺(tái)完美結(jié)合。仿真成功以后再進(jìn)行實(shí)際電路的搭建，這樣既能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，又可以有效提高實(shí)驗(yàn)效率、減少人力和物力的雙重浪費(fèi)。

2.2.2單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境 “單片機(jī)原理與應(yīng)用”是針對(duì)首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大三學(xué)生所開設(shè)的一門專業(yè)課。為了克服使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)中，學(xué)生很難體會(huì)電路設(shè)計(jì)和電路實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的弊端，我們實(shí)驗(yàn)室建立了Proteus和Keil軟件聯(lián)合的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。Proteus是英國(guó)Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的多種型號(hào)微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，它能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真［9］。Keil是德國(guó)開發(fā)的51單片機(jī)開發(fā)軟件平臺(tái)，支持匯編和C語言。學(xué)生可以在Proteus上完成單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)；在Keil軟件上進(jìn)行編程，最后將二者聯(lián)合起來進(jìn)行調(diào)試。這種方式提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力。

2.2.3嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境 與嵌入式實(shí)驗(yàn)箱配套的軟件開發(fā)環(huán)境是在Ubuntu 12.04 LTS64-bit操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建的。其內(nèi)安裝了編譯調(diào)試Bootloader、Linux內(nèi)核、Android系統(tǒng)所需要的工具和依賴的庫，使用VMware Player作為虛擬機(jī)工具軟件。整個(gè)環(huán)境構(gòu)建在DELL主機(jī)的Windows XP操作系統(tǒng)之上，具有良好的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

2.3人員建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室整體水平與實(shí)驗(yàn)室人員隊(duì)伍的狀況是密切相關(guān)的。一支素質(zhì)好、業(yè)務(wù)精，并相對(duì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的實(shí)驗(yàn)人員隊(duì)伍對(duì)于高校專業(yè)教學(xué)和科研水平提高都是非常重要的［10］。首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)副教授3人，技術(shù)人員4人，具有碩士以上學(xué)歷的人員占71.5%。實(shí)驗(yàn)室具有規(guī)范的人員管理制度及合理的績(jī)效考核方法。近些年，為了提高實(shí)驗(yàn)教師和技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)技能，實(shí)驗(yàn)室不僅與企業(yè)合作，舉辦各種專業(yè)培訓(xùn)，如嵌入式培訓(xùn)、ELVIS培訓(xùn)、在系統(tǒng)可編程培訓(xùn)，等，還鼓勵(lì)大家走出校門，開拓眼界，參與高質(zhì)量的相關(guān)培訓(xùn)和會(huì)議。實(shí)驗(yàn)室教師也都結(jié)合自己專業(yè)特長(zhǎng)和工作特點(diǎn)，積極主持和參與科學(xué)研究、教學(xué)改革工作，加強(qiáng)和提升自身的科研能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新水平。

通過對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革優(yōu)化，以及對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室資源和人員建設(shè)，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和項(xiàng)目設(shè)置也越來越合理，實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)行也越來越順暢，為培養(yǎng)綜合型人才起到了積極的推動(dòng)作用。

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Reform of experiment teaching of biomedical engineering

Liu Jinghua，Ren Zhaohui，Quan Haiying，Deng Junmin
Biomedical Engineering School，Capital Medical University，Beijing 100069，China

Experiment teaching reform is an important part of teaching reform of higher education at present.According to the characteristics and advantages of biomedical engineering specialty in Capital Medical University，we analyzed the reform in teaching model of specialized experiment courses and the construction of specialized laboratories.This paper proposes reformingmeasures to optimize themodel of experiment teaching and construct specialized laboratories and train staffmembers.

experiment teaching；teaching reform；biomedical engineering

G642.0

A

1004-5287（2016）03-0356-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603035