融合信息技术的生物医学工程专业“电子技术基础”课程改革
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作者:周宇轩 段磊 胡克 吴昊 刘宾 胡本慧
[摘 要]电子技术基础是生物医学工程专业的必修专业课程，是成为一名合格的医疗器械电子工程师必须熟练掌握的基础科目。针对现阶段医科大学医工交叉专业课程体系中，电子技术专业课程仍大多采用传统工科教学模式，存在理论复杂、概念抽象和学科前沿及医学临床应用结合不紧密等问题，该文探讨了针对“临床导向型”医工交叉人才培养目标的电子技术专业基础课程改革方案，从教学内容改革、教学方法改革、实践技能改革、课程评价体系改革四方面入手，融合翻转课堂APP、电路仿真软件、远程实验等信息技术，旨在培养具备多学科基础知识和技能、具备良好创新实践能力的高素质医工融合人才。
[关键词]生物医学工程;新工科;新医科;课程改革;远程教育
[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）48-0-03 [收稿日期] 2020-10-06
一、研究背景分析
2018年以来教育部积极推进“新工科”和“新医科”建设，强调学科的实用性、交叉性与综合性，培养医工融合、突破学科壁垒的医工复合型人才，该计划是为落实健康中国战略，培养跨时代复合型人才的重要举措[1，2]。电子技术是生物医学工程、影像技术等医工交叉专业的重要必修课程，后期开设的专业课程对其有较强的依赖性。然而，现阶段医科院校的电子技术专业课仍多采用传统工科的教学模式，一定程度上存在“重工轻医”的问题。具体表现为：理论复杂、概念抽象，学生入门困难导致学习积极性下降;以课堂教学为主，缺乏与实际医学电子仪器紧密结合的实践环节，跟进学科前沿较慢，难以满足新工科和新医科建设的要求;评价方式单一，仍以考试评价为主。
现阶段关于电子技术课程的教学改革方向主要分为理论教学改革、实践教学改革、评价体系改革三方面。理论教学部分主要采用在传统原理电路的公式推导基础上，采用更易理解的动画演示、图解分析。某些研究团队还采用带电路实物进教室，以期增加学生兴趣[3]。南京航空航天大学研究团队，采用慕课网站增强与学生的互动[4]。实践教学改革方面，引入仿真软件，增强学生理解[5]。评价体系方面，传统的电子技术常采用期末考试为主要评价手段，但由于内容多理论学习时间长，容易陷入忽视实践环节，无法解决实际工程问题的困境。调研发现，上述改革措施大多仍集中在传统电子工程专业，医工交叉专业的多学科融合型教学改革鲜有报道，这就提出了如何结合医工结合的专业特色，做到能解决专业实际问题的教改需求。慕课网站虽可在课外达到课后答疑，作业评价等效果，但课堂互动仍是一个待解决的环节。评价体系还不够系统，能力培养和具体知识点、教学环节未曾匹配。本文针对上述问题探索如何从教学内容、教学方法、实践技能、课程评价体系四个方面入手进行电子技术课程改革。突出医工融合，强化实践能力，基于学习产出（Outcomes-Based Education，OBE）教育理念[6]的综合评价体系对学习效果进行系统性评价，为培养适合新工科、医科时代需求的复合型创新人才打下坚实基础。
二、生物医学工程专业电子技术基础课程设计
针对基于新工科和新医科的人才培养目标，我们在电子技术基础课程设计中提出了四个问题：一是如何在传统课程体系中融合医工交叉的教学内容;二是如何使用翻转课堂APP并根据课堂反馈动态调整教学内容;三是综合实验环节的设计，如何充分考虑学生知识体系结构，控制难度，在能保证大多数同学可以完成的情况下，增加题目弹性，鼓励学生查阅文献，进行创新拓展;四是如何构建理论掌握和实践能力兼容的科学评价体系。
（一）医工交叉的电子技术基础教学内容改革
电子技术基础教学内容往往集中于电子线路设计，实例多集中于电子工业领域，学生在学习的過程中很难建立和医疗应用的联系，再加上理论复杂，入门困难，导致学习积极性下降。因此这也是我们教学内容改革的重点所在。具体措施为，首先，对生物医学信号的类型、传感方式、产生原理、信号特性进行分类剖析。在此基础上，通过调研收集典型的医用电路，和教学大纲中要求的知识点进行紧密结合，例如，在差动放大器章节中讲解心电放大电路如何抑制共模噪声，达到微弱人体差模信号的放大。采用生物医学实用电路，部分取代其他专业应用领域的实例，精简教学内容。此外，在课程中融入学科前沿的新进展，比如柔性电子、有机集成电路在诊疗中的应用，让学生通过思考建立所学知识和前沿领域的相关性，开拓思路，提高学习兴趣。
（二）融合新信息技术的教学方法改革
在教学中充分发挥信息技术优势，随时掌握学生学习动态，做到难点的现场清除，是提高教学质量的有效途径。通过翻转课堂重建教学流程近年来被众多研究证实是一种行之有效的方法。改革中我们将传统以教师讲课为主的教学流程拆分为课前输入、课堂教学讨论及课后总结三个阶段。课前通过教学网站发布课程预告，让学生提前预习。课堂教学中使用翻转课堂APP，将教学内容融入PPT和微信，课堂上实时答题，通过软件互动，使老师能够动态实时获得学生的学习状态。课后可通过上课数据统计，了解学生的掌握情况。
在实验教学中，我们构建了“原理—仿真—实验”三段式实验课程模式。实验课是理解课程知识点的重要环节，但部分学生常在没有充分理解原理的情况下进行实验，使得效果大打折扣。因此，通过课前仿真实验，进行电路分析，达到对原理的充分理解，并提前了解应达到的预期结果，再通过实际演练达到实操水平的二次提升。2020年新冠肺炎疫情期间，由于实验室面积有限，无法保证安全社交距离，显著增加了实验课程开设难度。我们将一体化电工电子智慧实验平台Analog Discovery Studio和相关实验元器件借给学生，在宿舍进行分布式远程实验，采用腾讯会议进行实验内容讲解和答疑，课后对仪器进行回收和消毒，在疫情常态化防控的校园中安全开展实验教学（如下图所示）。同时由于该实验平台可以保存实验结果，方便教师了解学生实验内容掌握情况，保证了实验教学质量。 在宿舍中进行远程实验图
（三）基于项目的实践技能提升
基于项目的学习（Project based Learning，PBL）是一种教育方法论，在学习过程中让学生成为主角，直面项目问题，解决问题，在有组织的氛围中充分自治，而教师充当顾问的角色。我们通过调研，选取难度适当的医疗电子线路作为综合实践环节的选题，如微弱生物电信号放大电路、功能性电刺激电路等。学生分组后进行抽签选题，通过调研、性能指标分析、电路原理分析、电路仿真、电路搭建、功能测试。最终形成设计报告，并进行PPT展示汇报。此外，针对电子技术课程，增加常见医用电路设计、印制电路板设计、电路焊接调试技术的开放实验环节，让学生动手做，增加学习兴趣和动力，保证学生具备完成项目的基本实践技能。此外，我们积极鼓励学生参加全国大学生电子设计大赛，电子技术课程在该赛事中具有举足轻重的核心作用，进一步拓展学生电子信息类课程的综合创新实践能力。
（四）基于OBE理念的课程评价体系改革
OBE模式是近年來国际工程教育改革的新成果。在深入理解新工科和新医科培养目标要求的基础上，我们认为，电子技术基础课程的培养标准即学习产出为：具有电路设计与分析、器件性能分析、团队合作、表达展示、实践创新等从理论技术到创新实践的多方面能力。因此需要对这些能力构建细分教学内容和考核环节的综合评分体系，评定学习产出。该评分系统获得的评分结果，由于对应各方面能力，可对学生进行综合分析，在后续培养环节中，保持优势加强劣势，做到因材施教。下表为评分内容举例。
基于OBE培养模式的课程评价体系获取学习产出评价结果，统计各评分指标的正态性、方差齐性等统计指标，调整权重，不断优化评价体系。还可以OBE评分结果为基础，对学生各项能力进行分析，并跟踪学生后续学习动态，并和相关课程的成绩进行回归分析，研究教改实践对学生后续培养环节的作用。
三、结语
在国家推动医学和健康事业发展、智能技术突飞猛进的重要历史机遇，深化医工交叉融合是医工领域发展的必要内生动力。在这一“新工科”“新医科”的背景下，对医工融合，多学科背景交叉的生物医学工程等医工结合专业课程体系提出了更高的要求。
本研究以电子技术基础课程改革为抓手，初步探索该课程与“新工科”“新医科”相适应的教学内容、教学方法、实践技能提升方法及科学评价体系，从而从根本上提高教学质量和学习产出。在探索过程中，教研组采用翻转课堂和移动式智能实验平台等创新信息技术，做到教学信息与学习产出信息的实时同步，通畅的信息反馈保证了教师对于学生学习状态的实时了解，增强课后交流互动的闭环跟踪式教学，对于信息时代的工学、医学相关课程改革具有一定的借鉴和推广价值。
参考文献
[1]吴凡，汪玲.大健康视域下的医学人才培养“组合拳”[J].中国卫生资源，2020，23（01）：1-6.
[2]季振宇，周怡敏，杨滨，等.新工科和新医科背景下生物医学专业课程教学设计与实践[J].医学教育研究与实践，2020，28（03）： 374-376.
[3]马李刚.“新工科”背景下“模拟电子技术”课程的教学探索[J].无线互联科技，2018，15（12）：88-89+101.
[4]胡志忠，王成华.基于翻转课堂的“模拟电子技术”课程教学模式改革与实践初探[J].工业和信息化教育，2016（04）：63-67.
[5]孙建，邹欣，徐林，等.模拟电子技术设计性实验的探索与研究[J].电子世界，2014（15）：13.
[6]马秋芝.基于OBE理念的“模拟电子技术”课程教学改革探索[J].亚太教育，2016（19）：105.
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