陸 強,田 娟,張兆臣,趙學良

(泰山醫(yī)學院醫(yī)學信息工程學院,山東 泰安 271016)

學科的交叉對于高校培育新興學科、尋求新的增長點、提升學校學科建設水平和核心競爭力具有重要意義。醫(yī)工學科交叉成為未來引領醫(yī)學創(chuàng)新的主導方向，醫(yī)學學科的發(fā)展迫切需要相關理學、工學學科的技術支撐，并且越來越多的著名高校已將醫(yī)工交叉發(fā)展列為其進入世界一流大學的戰(zhàn)略規(guī)劃中[1-2]。

培養(yǎng)醫(yī)工結合的復合型人才，就是以理工向醫(yī)學的滲透為主，通過系統(tǒng)的、有機結合的向學生傳授理工醫(yī)多學科知識和技能，把學生培養(yǎng)成為能夠綜合運用自然科學理論和工程技術方法，解決醫(yī)學實際問題的優(yōu)秀人才[3]。研究者們指出培養(yǎng)醫(yī)工結合的人才需要注重實踐教學，而實踐技能的教學和訓練，涉及計算機和電子等工程技術，需要大量的實驗設備[3-4]。但隨著高等教育改革的不斷深化，高等醫(yī)學院校都面臨招生規(guī)模急劇擴大引起的場地、設備、師資等教學資源的短缺的問題，醫(yī)學教學模式面臨教學手段和實驗項目單一、陳舊，不能與時俱進等問題[5]。 現(xiàn)代教育技術為這些問題的改善提供了方法，現(xiàn)代教育技術是以實現(xiàn)教學過程、教學資源、教學效果和教學效益最優(yōu)化為目的的。虛擬儀器技術是現(xiàn)代教育技術的一種，虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據分析、過程通訊及創(chuàng)建圖形用戶界面的軟件組成的系統(tǒng)，是美國國家儀器公司提出和構建的[6]。

虛擬儀器采用的軟件開發(fā)平臺是LabVIEW，LabVIEW采用圖形化編程語言，產生的程序是框圖的形式，具有強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據分析、數(shù)據顯示、數(shù)據存儲和網絡通信等，特別適合實驗室技術人員的學習和使用。

針對醫(yī)學信息工程和生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的DSP原理與應用課程，融合數(shù)字信號處理知識，利用虛擬儀器建立學科融合教學平臺，設計了教學方案，設置了教學內容，并將其應用于教學實踐中，取得了較好的教學效果。

一、DSP原理與應用課程的特點

DSP芯片是現(xiàn)代電子技術、大規(guī)模集成電路、計算機技術和數(shù)字信號處理技術結合的產物，適合于數(shù)字信號處理運算，主要用于實時快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP芯片已經廣泛應用到音視頻處理、通信、消費和軍事等諸多領域。DSP原理與應用就是針對DSP芯片而開設的課程。

DSP原理與應用是在學習完數(shù)字信號處理課程后開設的，是數(shù)字信號處理課程理論知識的具體實現(xiàn)和應用，該課程使學生初步掌握數(shù)字信號處理應用系統(tǒng)的設計流程，DSP芯片的硬件設計與軟件編程方法[5]。

該課程與微機原理與接口技術、單片機原理與應用和C語言程序設計課程相聯(lián)系的，課程典型的特點就是工程性和實踐性強。內容講授時，知識點廣泛，知識體系復雜，對于學生來說，不易于掌握。在教授DSP原理與應用過程中，如何融合各門課程的知識，提高講授知識的趣味性，促進學生掌握該課程的知識，是課程教學中需要研究的內容。

二、基于虛擬儀器的教學平臺

針對醫(yī)學信息工程和生物醫(yī)學工程專業(yè)醫(yī)工結合的特點和DSP原理與應用課程應用性強的特點，在教學過程中，應該具有較多學時的實驗和實踐教學，而大量采購儀器受到資金和場地的影響，短時間內不能實現(xiàn)。虛擬儀器具有“軟件就是儀器”的特點，因此設計和開發(fā)了基于虛擬儀器的DSP原理與應用教學平臺。

(一)教學平臺設計。

基于虛擬儀器的DSP原理與應用教學平臺包括三部分，第一部分為數(shù)字信號處理基本理論模塊，利用虛擬儀器設計程序實現(xiàn)快速傅里葉變換、IIR和FIR數(shù)字濾波器、Hilbert變換和功率譜分析；第二部分為應用部分，設計了語音處理模塊和心電處理模塊，語音信號數(shù)據庫為利用麥克采集的各種語音信號，心電數(shù)據庫采用MIT-BIH數(shù)據庫；第三部分是擴展模塊，鼓勵學生在掌握前兩個模塊的基礎上，設計各個程序并加到前兩個模塊中。在利用虛擬儀器設計程序時，因為虛擬儀器可以調用MATLAB，而MATLAB本身提供了數(shù)字信號處理的各種函數(shù)，這樣加快了開發(fā)過程。通過該教學平臺，融合了各門相關課程的知識，同時給學生提供了一個仿真平臺，使學生對知識有了一個感性的認識。

當學生通過教學平臺掌握DSP的知識后，再讓學生將所掌握的知識在DSP的開發(fā)環(huán)境CCS下，用C語言將其編寫出來，并燒寫到芯片里，然后去觀察各種算法處理效果。

(二)教學內容設置。

為了將該教學平臺應用于教學，對理論教學和實驗教學進行了一些相關設置。理論課教學中增加了虛擬儀器技術的教學內容，講解了虛擬儀器的知識和編寫技巧。針對課程的工程性、技術性和實踐性強的特點以及學生處于最佳知識創(chuàng)新階段，易于接受先進的技術的特點，通過學校網絡課程發(fā)布虛擬儀器編程任務給學生，激發(fā)學生的學習熱情。

實驗教學中引入了該教學平臺，增加了基于虛擬儀器的DSP原理與應用課程實驗，采用了先在教學平臺上仿真教學內容，有了感性認識后，再在CCS平臺上學習和驗證課程知識點。如信號發(fā)生器實驗、數(shù)字濾波器實驗和快速傅里葉變換實驗。

實踐表明，這種利用虛擬儀器開發(fā)的教學平臺，理論聯(lián)系實踐，先仿真再實踐的方式，能激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生自學能力，提高學生的創(chuàng)新能力。

三、應用系統(tǒng)的設計

在學生掌握了DSP原理與應用課程的理論知識和實驗技能的基礎上，學生可以利用教學平臺的應用模塊設計開發(fā)一個醫(yī)學信號處理系統(tǒng)，如肌電信號和腦電信號的分析處理，進行時域和頻域分析。設計過程中，充分融合學過課程的知識，如微機原理與接口技術、單片機原理與應用、數(shù)字信號處理、電路EDA、C語言程序設計、模擬電子技術和數(shù)字電子技術，硬件設計和軟件編程結合，充分鍛煉了學生的動手能力，激發(fā)了學生的創(chuàng)新能力。這個實踐環(huán)節(jié)要求學生利用課外和實驗室開放的時間，以小組為單位設計編寫程序，最終結果上傳到教學平臺里的擴展模塊。

實踐表明，這種以任務形式進行的實踐教學形式，融合了各門相關課程的知識，不僅促進了學生對知識的理解，而且激發(fā)學生的學習激情，提高學生的動手能力和綜合素質，同時使教學平臺不斷完善，成為專業(yè)課程的一個交流平臺。

四、結束語

在教授DSP原理與應用課程中，引入基于虛擬儀器的教學平臺，把多課程知識進行融合，采用先仿真再實踐的模式加深知識理解，并且通過實際應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)來掌握DSP的知識，通過抽樣調查得到了反饋意見，大多數(shù)學生反映很好，在理論知識的理解和動手能力方面都有很大的提高。因此通過實踐表明這種教學方法是行之有效的。

[1]譚 華,孫麗珍.高校醫(yī)工(理)交叉合作問題探究和對策分析[J].科技管理研究,2012,32(14):161-163.

[2]姚紅梅,馬 鋒,呂 毅，等.綜合性大學醫(yī)工理學科交叉發(fā)展SWOT分析[J].醫(yī)學與社會，2015,28(10):31-33.

[3]王鵬程,劉林祥,魯 雯，等.理工醫(yī)結合培養(yǎng)實用型、復合型高素質醫(yī)療技術人才[J].中國高等醫(yī)學教育，2008(4):31-32,45.

[4]段 磊,王 偉,朱松盛，等.培養(yǎng)“醫(yī)工結合、貼近臨床、注重創(chuàng)新”的復合型人才[J].南京醫(yī)科大學學報，2012(2):152-154.

[5]陸 強,張西學,王紅梅.醫(yī)學工程專業(yè)DSP課程教學方法的研究[J].中國高等醫(yī)學教育,2011(12):120-121

[6]于效宇,劉 艷.基于虛擬儀器的信號處理實驗室建設路徑[J].黑龍江教育(高教研究與評估)，2016(3):42-43.