“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”課程的項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李 華，梁永波，杜曉霞，肖文香，張 倩

（桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 廣西 桂林 541004）

新工科和大健康產(chǎn)業(yè)的興起，為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的發(fā)展提供了難得的機(jī)遇，同時(shí)也是極大的挑戰(zhàn)[1]。目前該專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量還不能很好地適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，沒(méi)有把專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)和特色完全展現(xiàn)出來(lái)，該專(zhuān)業(yè)還存在以下悲觀情緒：“雖然我們也學(xué)過(guò)電子和軟件相關(guān)課程，可電路設(shè)計(jì)能力不如電子工程學(xué)院的學(xué)生，編程能力不如計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生，我們專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)出的學(xué)生出路在哪里？”因此，如何構(gòu)建電子信息與專(zhuān)業(yè)特色緊密結(jié)合的課程，已是目前生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)急需解決的痛點(diǎn)問(wèn)題[2-5]。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)限選課。在以往的教學(xué)中，該課程主要講授單片機(jī)的一些基礎(chǔ)理論，和電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)、測(cè)控專(zhuān)業(yè)等講授的內(nèi)容沒(méi)有大的區(qū)別，且學(xué)生學(xué)完該課程后，動(dòng)手能力、實(shí)際的電路設(shè)計(jì)能力沒(méi)有大的提高，且以單片機(jī)為核心、與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)沒(méi)有涉及，影響了課程目標(biāo)達(dá)成度的完成[6-8]。同時(shí)，根據(jù)對(duì)一些醫(yī)療電子儀器行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)的走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生普遍存在著理論應(yīng)用于實(shí)踐的工程能力薄弱、電子信息特色與醫(yī)療電子儀器的結(jié)合不緊密、醫(yī)學(xué)倫理規(guī)范意識(shí)不強(qiáng)等問(wèn)題[9-10]。

綜上，本課程組在培養(yǎng)方案中將“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程調(diào)整為“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”課程。采用項(xiàng)目式教學(xué)方法。項(xiàng)目化教學(xué)是師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的“項(xiàng)目”工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，將教學(xué)大綱中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容和要求轉(zhuǎn)化為若干個(gè)有實(shí)用價(jià)值的工程項(xiàng)目。醫(yī)學(xué)電子儀器的核心是單片機(jī)，將單片機(jī)的學(xué)習(xí)與醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)很好地結(jié)合起來(lái)，是本門(mén)課程急需解決的關(guān)鍵核心問(wèn)題。

1 教學(xué)改革內(nèi)容

“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”針對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了教學(xué)改革和創(chuàng)新，具體體現(xiàn)在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容以及考核方式的改革上。

1.1 教學(xué)方法

貫徹“教師引導(dǎo)、學(xué)生跟進(jìn)、自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐”的教學(xué)思想，結(jié)合課堂講授、學(xué)生自學(xué)、輔導(dǎo)答疑、自主實(shí)踐等教學(xué)方式，靈活采用多種教學(xué)方法。

①啟發(fā)式教學(xué)方法。根據(jù)“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”課程的特點(diǎn)，理論課以課堂講授為主，為使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容有系統(tǒng)和全面的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)課程重點(diǎn)知識(shí)的認(rèn)識(shí)并牢固掌握其內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的學(xué)習(xí)方法和思維方式，以便理解課程難點(diǎn)。

②自主實(shí)踐式教學(xué)方法。根據(jù)“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”知識(shí)需要自主動(dòng)手的特點(diǎn)，在理論學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，介紹實(shí)際芯片和開(kāi)發(fā)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生在課后自主實(shí)踐。使學(xué)生能夠掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，并初步具備進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力。

③學(xué)導(dǎo)式教學(xué)方法。根據(jù)大學(xué)生具備自學(xué)能力、本門(mén)課程內(nèi)容中的一部分有可能通過(guò)自學(xué)掌握的特點(diǎn)，采取了教師提出學(xué)習(xí)提綱、給出查閱資料范圍、學(xué)生通過(guò)自主查閱資料、教師給出參考問(wèn)題供學(xué)生消化這樣一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)布置實(shí)踐強(qiáng)化訓(xùn)練大作業(yè)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握單片機(jī)的編程和調(diào)試能力。

④關(guān)聯(lián)式教學(xué)方法?！搬t(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”這門(mén)課程涉及許多其他學(xué)科的知識(shí)，如人體生理參數(shù)、模擬電子、數(shù)字邏輯、軟件設(shè)計(jì)等。這就要求教師對(duì)其他課程的知識(shí)有所了解，在講課時(shí)，從各門(mén)課程知識(shí)相互關(guān)聯(lián)的角度，根據(jù)不同的內(nèi)容有選擇地運(yùn)用其他學(xué)科的知識(shí)分析問(wèn)題。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容的選擇上體現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)統(tǒng)一?！搬t(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”課程共40個(gè)學(xué)時(shí)，其中前24個(gè)學(xué)時(shí)講授單片機(jī)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，后16個(gè)學(xué)時(shí)的內(nèi)容圍繞以單片機(jī)為核心的醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)展開(kāi)。通過(guò)精簡(jiǎn)部分理論學(xué)時(shí)，加大了實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學(xué)生不僅掌握單片機(jī)的相關(guān)理論知識(shí)，而且可以應(yīng)用到以單片機(jī)為核心的醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)中去。

同時(shí)，構(gòu)建了以紅外光電容積脈搏波采集系統(tǒng)為核心的項(xiàng)目式教學(xué)方法，完成從知識(shí)到能力的跨越。該門(mén)課程以四類(lèi)典型的人體生理參數(shù)（脈搏、血氧、血壓、心率）檢測(cè)儀器為工程應(yīng)用背景，將這四類(lèi)儀器需要用到的單片機(jī)知識(shí)概括為十五個(gè)模塊化學(xué)習(xí)資料，同時(shí)布置五個(gè)實(shí)踐強(qiáng)化訓(xùn)練作業(yè)，最后學(xué)生在掌握上述能力的基礎(chǔ)上，選擇相關(guān)的三個(gè)醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行大作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)從普通芯片到醫(yī)學(xué)電子儀器核心芯片的轉(zhuǎn)變。項(xiàng)目式教學(xué)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)框圖

1.3 考核方式

考核方式：平時(shí)考核（包括課堂到課率、課外作業(yè)及課外實(shí)踐作業(yè)）、期中考試（開(kāi)卷）、期末考試（閉卷）。

課程總成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)占50%，期末考試成績(jī)占50%。

平時(shí)成績(jī)構(gòu)成：由課堂表現(xiàn)、課外作業(yè)及大作業(yè)構(gòu)成，其中課堂表現(xiàn)占總成績(jī)10%、課外作業(yè)成績(jī)占總成績(jī)20%、大作業(yè)占總成績(jī)20%。

2 教學(xué)改革方案

本教學(xué)改革基于脈搏波采集設(shè)計(jì)不同難度的項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)自身的能力和水平選擇相應(yīng)的項(xiàng)目完成。

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)名稱(chēng)：紅外脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①傳感器：HKG-07B紅外脈搏傳感器；

②信號(hào)調(diào)理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號(hào)調(diào)理電路+單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④AD620+50Hz限波電路+帶通濾波電路（調(diào)試發(fā)放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機(jī)（將發(fā)放的PCB與單片機(jī)學(xué)習(xí)板連接調(diào)試、編程）；

⑥針對(duì)單片機(jī)采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件濾波算法（如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等），實(shí)現(xiàn)心率計(jì)算（每三秒更新一次心率），通過(guò)1602液晶實(shí)時(shí)顯示；VC++6.0上位機(jī)（提供基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)名稱(chēng)：光電容積脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①傳感器：醫(yī)用血氧飽和度標(biāo)準(zhǔn)探頭（7針，DB7）；

②信號(hào)調(diào)理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號(hào)調(diào)理電路+單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④紅光或紅外光單波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)電路+跨阻放大器+帶通濾波器（調(diào)試發(fā)放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機(jī)（將發(fā)放的PCB與單片機(jī)學(xué)習(xí)板連接調(diào)試、編程）；

⑥針對(duì)單片機(jī)采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件濾波算法（如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等），實(shí)現(xiàn)心率計(jì)算（每三秒更新一次心率），通過(guò)1602液晶實(shí)時(shí)顯示；VC++6.0上位機(jī)（提供基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法（如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)3名稱(chēng)：血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①傳感器：醫(yī)用血氧飽和度標(biāo)準(zhǔn)探頭（7針，DB7）；

②測(cè)量系統(tǒng)原理圖與PCB電路板（交工程文件）；

③自行打板實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量電路，調(diào)試通過(guò)所有功能模塊；

④單片機(jī)選擇不限制，ADC與DAC均可使用單片機(jī)內(nèi)置功能；

⑤針對(duì)單片機(jī)采集的脈搏波數(shù)據(jù)，在單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件濾波算法（如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等），實(shí)現(xiàn)心率計(jì)算（每三秒更新一次心率），通過(guò)1602液晶實(shí)時(shí)顯示；VC++6.0上位機(jī)（可參考提供的基礎(chǔ)版工程）+軟件濾波算法（如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

3 改革取得的初步成果

學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生均需完成本項(xiàng)目設(shè)計(jì)與調(diào)試內(nèi)容，通過(guò)本項(xiàng)目鍛煉能夠使學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)電子信號(hào)有更清晰的認(rèn)識(shí)，具備基本的醫(yī)學(xué)生理測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，能夠解決醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)中遇到的各類(lèi)常規(guī)設(shè)計(jì)與調(diào)試問(wèn)題。項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程部分如圖2―圖4所示。特別是生物電子創(chuàng)新基地的學(xué)生，進(jìn)行醫(yī)學(xué)電子儀器相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)，獲得“挑戰(zhàn)杯”廣西壯族自治區(qū)一等獎(jiǎng)、“全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖

圖3 焊接PCB板實(shí)物圖

圖4 項(xiàng)目總體連接實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

多學(xué)科交叉融合是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的重要特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)不同課程、不同知識(shí)點(diǎn)之間的融合，體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色，是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)改革的重要目標(biāo)。本文以“醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革為例，以項(xiàng)目式教學(xué)改革為抓手，將單片機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)與人體生理參數(shù)檢測(cè)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生在掌握單片機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)理論和知識(shí)的同時(shí)，也培養(yǎng)了生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)中人體生理生化參數(shù)的醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)和檢測(cè)能力，提高對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同度。本文不僅對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的改革提供了參考，對(duì)其他專(zhuān)業(yè)也具有借鑒意義。