本文作者：張妍 喬清理 單位：天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

在教育部《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》頒發(fā)后，全國掀起了深化本科教學(xué)改革的熱潮。但受原有教學(xué)模式和傳統(tǒng)教育觀念的影響，長期以來《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的課堂教學(xué)主要采取自下而上的教學(xué)模式，即從運(yùn)算放大器的工作原理開始，然后利用這些運(yùn)算放大器構(gòu)建一些基本電路，分析這些基本電路的功能，最后給出這些電路的應(yīng)用例子。但在這種教學(xué)模式中學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的，因此需要教師在課程內(nèi)容和講授方法上進(jìn)行改革。近年來，我們課程組采用自上而下的教學(xué)方法，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)考試方法，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生主動掌握如何設(shè)計(jì)具體電路，同時(shí)更早開始設(shè)計(jì)實(shí)用電路。本教學(xué)改革旨在把學(xué)生融入有意義的任務(wù)完成的過程中，讓學(xué)生積極地學(xué)習(xí)、自主地進(jìn)行知識建構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

1教學(xué)內(nèi)容改革

《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》的開設(shè)時(shí)間通常是在大三第二學(xué)期或大四第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了《電路分析》、《信號與系統(tǒng)》和《模擬電子技術(shù)》等課程。《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》既是電子學(xué)的后續(xù)和提高課程，又為今后能更好地從事生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)的研究打下技術(shù)基礎(chǔ)。我們使用的教材主要有《MedicalInstrumentation:ApplicationandDesign》，1997;李剛等編著的《現(xiàn)代測控電路》;蔡建新，張唯真編著的《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》，1997。本課程的主要內(nèi)容包括:生物醫(yī)學(xué)信號測量的特殊性及基本條件，信號的檢測、處理、變換和傳輸?shù)幕纠碚撆c方法，涉及的電子電路以半導(dǎo)體集成電路為主，注重新型、實(shí)用及通用性。通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生較深入地理解電子測量的基本概念、以及解決問題的基本思想方法，逐步掌握測量電路的設(shè)計(jì)。本課程的理論課共54學(xué)時(shí)，以生物電信號源為起點(diǎn)，分別介紹生物電檢測的基本方法，生物電信號放大、隔離、濾波和射頻傳輸中的基本理論與方法，使學(xué)生能使用放大器和模擬電子學(xué)設(shè)計(jì)我們要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能。

我們采用自上而下的講課方法，即先從整體考慮:系統(tǒng)的測量的精度與性能、被測量的量、被測量信號的大小與頻率。然后是測量系統(tǒng)的使用條件和所具有的功能，如信號的顯示、記錄、存儲及其它一些功能。再以信號增益和誤差分配，來確定前向信號通道(即從傳感器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號放大、處理部分電路)所需信號放大、濾波或變換電路的級數(shù)，各級的增益，濾波器的階數(shù)、形式和截止頻率等。最后確定各個(gè)組成部分的具體設(shè)計(jì)要求。在第一節(jié)課上，我們將從心電，血壓到超聲，CT儀器，再到醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室儀器和治療儀器的實(shí)際電路圖給學(xué)生看，找出儀器電路的共同點(diǎn)，得出一般儀器的一般框架。在此基礎(chǔ)上，將醫(yī)學(xué)儀器的一般框架與整個(gè)課程即將講授的內(nèi)容逐一聯(lián)系起來，讓學(xué)生從整體上知道學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目的。針對每一章，我們也是從一個(gè)生理量測量開始，提出技術(shù)指標(biāo)和原始設(shè)計(jì)要求，然后逐漸過渡到與實(shí)際醫(yī)學(xué)儀器中相關(guān)的電路。與此同時(shí)，結(jié)合各類大學(xué)生電子競賽題目，組織學(xué)生設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)不同功能的集成運(yùn)算放大器電路，給他們提供開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程，將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，有利于知識的鞏固與吸收。

2實(shí)驗(yàn)改革和手段創(chuàng)新

2．1實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課是為了配合生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課而設(shè)置的，實(shí)踐性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校教學(xué)和科研的重要基地，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作是衡量高校辦學(xué)實(shí)力和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。過去的實(shí)驗(yàn)課，采用電子實(shí)驗(yàn)箱，任課教師在課前把儀器設(shè)備及元器件準(zhǔn)備好，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)就是依照實(shí)驗(yàn)手冊在實(shí)驗(yàn)箱面板上插線，根本看不到電路，學(xué)生處于被動地位。采用實(shí)驗(yàn)箱在學(xué)生不斷增多情況下，不僅增加教學(xué)經(jīng)費(fèi)和占用空間，學(xué)生也依賴于實(shí)驗(yàn)室。改革后的實(shí)驗(yàn)課由三部分組成，一部分是用Mutisim(一個(gè)能Windows下運(yùn)行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件)仿真，另一部分是實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)，最后一部分是課程設(shè)計(jì)，即綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一部分實(shí)驗(yàn)采用國際流行的電子輔助設(shè)計(jì)軟件———美國國家儀器公司的Mu-tisim，它不僅是一個(gè)能在Windows下運(yùn)行的專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，也是一個(gè)能裝進(jìn)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室。它具有直觀的圖形界面，整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。它還有來自美國模擬器件公司(AnalogDevices)、德州儀器(TexasIn-struments)和凌力爾特公司(LinearTechnologies)豐富的元器件和模塊庫和從數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀到邏輯分析儀高性能的測試儀器。所設(shè)計(jì)出的電路除了可用于實(shí)驗(yàn)室的測量之外，還可以做直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)———零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析等定量分析。Multisim不僅提供了高指標(biāo)的虛擬儀器和充足的元器件資源，還彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)儀器及經(jīng)費(fèi)不足造成的缺憾。更為重要的是只要有一臺計(jì)算機(jī)就能擁有自己的實(shí)驗(yàn)室，打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并發(fā)展自己的興趣愛好。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問題。學(xué)生有機(jī)會按自己的思維開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使他們進(jìn)行研究性和探索性實(shí)驗(yàn)成為可能。在利用仿真軟件的同時(shí)，開展實(shí)際硬件的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室資源有:42臺連著計(jì)算機(jī)和測量儀表的實(shí)驗(yàn)臺。針對有限的實(shí)驗(yàn)臺資源，把學(xué)生分為14個(gè)小組，每組安排3人，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并考核。課程組教師同時(shí)擔(dān)任著每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)師，學(xué)生可以自由提問，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)他們測量問題、指正錯(cuò)誤，但不能給出設(shè)計(jì)思路和方案。通過這樣與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的接觸，了解他們的水平。在實(shí)驗(yàn)操作中，不給出任何具體的提前寫好的實(shí)驗(yàn)提綱，要求學(xué)生根據(jù)命題自己計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)中做什么。為了在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間更有效率，要求預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，通過仿真軟件來確定設(shè)計(jì)是否正確，并在實(shí)驗(yàn)箱面包板上將設(shè)計(jì)圖連線。在實(shí)驗(yàn)室沒有安排固定實(shí)驗(yàn)時(shí)，就對學(xué)生開放，讓學(xué)生可以自由準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作的重要環(huán)節(jié)是開展小組討論，其目的是使學(xué)生找出課堂給出的設(shè)計(jì)問題的解決方案，以便在實(shí)驗(yàn)期間做好準(zhǔn)備。約半個(gè)小時(shí)長的小組討論主要解決以下問題:①理解題目:每位學(xué)生都要發(fā)現(xiàn)自己有沒有不清楚和不理解的地方。②發(fā)表創(chuàng)造性意見:學(xué)生對問題能自由想象，展開討論。小組中的一個(gè)人記錄問題。③評估上述意見:學(xué)生把他們的觀點(diǎn)、意見組織好，把無關(guān)的分類出來，把和問題重點(diǎn)相關(guān)的記錄下來。④解決問題或計(jì)劃如何解決問題:提出具體設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐方案。這時(shí)，課程組的教師可以幫助他們弄清或解釋相關(guān)提問，但要讓學(xué)生自己組織施行，只有學(xué)生太偏離目標(biāo)的時(shí)候才出來指正。通過這樣的實(shí)驗(yàn)課訓(xùn)練，很多本科生都利用寒暑假，備戰(zhàn)各種電子大賽，自主設(shè)計(jì)智能模擬儀器等，在參賽的之余體會到利用運(yùn)算放大器的靈活性、趣味性及優(yōu)勢。