但 果，董 磊，劉子琛

(深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，廣東 深圳 518060)

隨著高校畢業(yè)生人數(shù)逐年增加，加上高校人才培養(yǎng)模式與社會需求有較大差距，高校畢業(yè)生的就業(yè)形勢變得越加復(fù)雜嚴(yán)峻，探索更加科學(xué)的教學(xué)模式、培養(yǎng)符合社會需求的高層次人才，就顯得尤為重要?；诖耍覀兪状卫肨DBU(Top-down & Botton-up)教學(xué)模式設(shè)計生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)實驗教學(xué)項目。學(xué)生通過引入TDBU模式的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”實驗課程的學(xué)習(xí)，能夠快速掌握VHDL程序設(shè)計理念、模塊化設(shè)計思想以及VHDL語言如何有效應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，并塑造出他們的團(tuán)隊協(xié)作精神。

1 TDBU教學(xué)模式提出的背景

當(dāng)前我國大學(xué)生就業(yè)難的問題主要體現(xiàn)在3個方面：一是大學(xué)畢業(yè)生找工作難；二是企業(yè)招聘合適人才難；三是高質(zhì)量人才短缺。這三難局面的癥結(jié)就在于高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)的需求嚴(yán)重脫鉤[1-3]。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的畢業(yè)生也同樣面臨著這樣的就業(yè)市場人才供需“怪象”[4]，另外，具有交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科特色的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)由于其實踐性強(qiáng)，在短短的4年時間，該專業(yè)的本科生不僅需要掌握醫(yī)學(xué)、生物電子、計算機(jī)等專業(yè)的理論知識，還需要結(jié)合理論知識不斷提升自己的實踐水平，這對于每個生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生來說都是一種巨大的挑戰(zhàn)[5-6]。

為了解決上述問題，培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的高質(zhì)量人才，教師需要在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實踐性課程設(shè)置上反復(fù)推敲，設(shè)計出合理的實驗教學(xué)模式，使得學(xué)生在剛剛接觸一門實踐性課程后，就能對其有一個宏觀的認(rèn)識，而且又能迅速融入到設(shè)計中，并在較短時間內(nèi)完成相應(yīng)的設(shè)計，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的自信心、在此基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以進(jìn)一步深入到實驗中，從而提高他們的實踐能力。另外，在實踐性課程設(shè)置上，還需要考慮到學(xué)生的層次性，每個實驗在難度上應(yīng)具有可伸縮性，學(xué)生可以根據(jù)自己的水平，選擇一個適合自己的難度級別，這樣就可以確保每個學(xué)生都能最終完成實驗?zāi)繕?biāo)。

TDBU教學(xué)模式恰好能滿足以上需求。該模式引入了項目化教學(xué)理念，即教師對項目進(jìn)行分解，并進(jìn)行必要的示范性指導(dǎo),然后讓學(xué)生分組圍繞各自的項目進(jìn)行討論、協(xié)作、實踐和探究性學(xué)習(xí),最后，以共同完成項目的情況來評估學(xué)生是否達(dá)到教學(xué)目的。所有教學(xué)活動都是圍繞著真實的項目展開的[7]。因此TDBU教學(xué)模式不是以一個簡單的實驗，而是以一個完整的項目作為實驗?zāi)繕?biāo)。該模式的主要特點是學(xué)生以小組形式參與并完成可以切分成若干模塊的完整項目，而且學(xué)生可以選擇項目的難易程度。由于該模式可以確保各個層次的學(xué)生完成項目，因此對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的自信心、提高學(xué)生的實踐能力，有著極其重大的意義。

2 TDBU教學(xué)模式介紹

TDBU就是將自頂向下設(shè)計方法和自底向上設(shè)計方法有機(jī)結(jié)合起來形成的教學(xué)理念。

自頂向下設(shè)計方法和自底向上設(shè)計方法的概念來自于電子設(shè)計領(lǐng)域。一般而言，電子設(shè)計人員需要掌握2種設(shè)計方法，分別是自頂向下設(shè)計方法和自底向上設(shè)計方法。傳統(tǒng)的硬件設(shè)計中，采用自底向上的設(shè)計方法，手工設(shè)計占了相當(dāng)大的比例。隨著強(qiáng)大的電子自動化設(shè)計工具的不斷出現(xiàn)，自頂向下設(shè)計方法成為了主要的設(shè)計手段，首先進(jìn)行系統(tǒng)化分析，確定相應(yīng)的算法，將系統(tǒng)劃分為若干子模塊，然后利用硬件描述語言實現(xiàn)每個子模塊，最后將所有的子模塊拼接在一起。

黑盒模塊和白盒模塊是TDBU教學(xué)模式中的2個重要概念。黑盒和白盒的概念來自于軟件測試。在軟件測試方法中，有白盒測試和黑盒測試之分。黑盒測試就是把系統(tǒng)看成一個“內(nèi)部不可見的盒子”，因此不需要明白它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一般關(guān)注的是對功能需求的測試，而白盒測試設(shè)計則允許觀察“盒子”內(nèi)部，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理，并運(yùn)用這些知識指導(dǎo)測試實例的設(shè)計[8]。白盒模塊和黑盒模塊具有相同的功能，但是白盒允許觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理，而黑盒則看不到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了比較清晰地介紹TDBU教學(xué)模式，用圖1的例子進(jìn)行說明。

圖1 TDBU教學(xué)模式應(yīng)用步驟

圖1(a)所示的項目由6個子模塊組成，所有的子模塊均為黑盒文件，這些黑盒文件即為加密文件，由教師事先準(zhǔn)備好。教師對項目進(jìn)行分解，并介紹各個模塊的工作原理，之后，學(xué)生可以分4步進(jìn)行項目實施：

(1) 組裝這6個子模塊，然后進(jìn)行仿真和調(diào)試，這一步的目的是為了讓學(xué)生對整個項目有個宏觀上的認(rèn)識，快速建立學(xué)生的自信心；

(2) 學(xué)生在這6個子模塊中選擇感興趣的若干個模塊，如圖1(b)所示的模塊2，根據(jù)教師的講解，并結(jié)合自己對這些模塊的理解，設(shè)計自己的白盒文件；

(3) 如圖1(c)所示，學(xué)生用自己設(shè)計的白盒文件替換黑盒文件，對同時含有白盒文件以及黑盒文件的項目進(jìn)行仿真和調(diào)試；

(4)重復(fù)第2步和第3步，直至將所有的黑盒文件轉(zhuǎn)化為白盒文件，如圖1(d)所示，并對最終的只有白盒文件的項目進(jìn)行仿真和調(diào)試。

3 TDBU教學(xué)模式在“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”實驗課程中的應(yīng)用

TDBU教學(xué)模式首先是應(yīng)用在我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程中。為了TDBU教學(xué)模式能夠有效應(yīng)用，將VHDL語言描述的模塊定義為白盒模塊，而將NGC文件定義為黑盒模塊。

NGC是綜合后產(chǎn)生的網(wǎng)表文件，包含邏輯設(shè)計數(shù)據(jù)和約束，是Xilinx自有文件格式，為二進(jìn)制文件，且被加密了。NGC文件可以像VHDL文件那樣，集成到其他模塊中，并對集成后的模塊進(jìn)行仿真和綜合。

下面以“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程的“生命體征參數(shù)解析與顯示”項目為例，進(jìn)一步對TDBU教學(xué)模式進(jìn)行更加深入的探討。

首先，“生命體征參數(shù)解析與顯示”項目的內(nèi)容是將UART采集到的生命體征參數(shù)(包括體溫、呼吸率和心率)進(jìn)行解析，并顯示在1602液晶屏上。該項目的頂層模塊生命體征參數(shù)解析與顯示模塊(hrrrtemp_decode_disp)由6個子模塊組成，包括UART模塊(uart)、時鐘分頻模塊(clk_div)、體溫參數(shù)解析模塊(tempdata_decoder)、呼吸率參數(shù)解析模塊(rrdata_decoder)、心率參數(shù)解析模塊(hrdata_decoder)以及1602液晶顯示模塊(lcd1602)。教師事先準(zhǔn)備好這6個模塊的NGC文件。教師需要在學(xué)生進(jìn)行項目設(shè)計前，向?qū)W生講授項目的分塊思想及各個模塊的工作原理，之后，學(xué)生可以分4步進(jìn)行項目設(shè)計：

(1) 如圖2(a)所示，將6個子模塊進(jìn)行組裝、仿真和調(diào)試。由于所有的NGC文件已經(jīng)過驗證，學(xué)生只需要花費很短的時間就可以在液晶顯示屏上讀出體溫值(第一路是35.0 ℃，第二路是34.8 ℃)、心率(20次/分鐘)和呼吸率(60次/分鐘)。第1步的目的是為了讓學(xué)生對整個項目有個宏觀上的認(rèn)識，并快速建立學(xué)生的自信心。

(2) 學(xué)生在這6個子模塊中選擇感興趣的若干個模塊，如圖2(b)所示的心率參數(shù)解析模塊，并根據(jù)自己對這2個模塊的理解，自己編寫VHDL文件。

(3) 如圖2(c)所示，學(xué)生用自己編寫的hrdata_decoder.vhd文件替換hrdata_decoder.ngc文件，對同時含有VHDL文件以及NGC文件的項目進(jìn)行仿真和調(diào)試。

(4) 重復(fù)第2步和第3步，直至將所有的NGC文件轉(zhuǎn)化為VHDL文件，如圖2(d)所示，并對最終的只有VHDL文件的項目進(jìn)行仿真和調(diào)試通過。

這樣，整個項目的頂層和底層就全部是學(xué)生自己設(shè)計的，而且，學(xué)生在第1步、第3步和第4步均可觀察到實驗結(jié)果。

圖2 TDBU教學(xué)模式在“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程的應(yīng)用步驟

4 TDBU教學(xué)模式的應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式和基于TDBU的實驗教學(xué)模式的對比如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式和基于TDBU實驗教學(xué)模式對比圖

深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系每年都開設(shè)“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程，每次參加實驗的學(xué)生人數(shù)限制在30名。引入TDBU教學(xué)模式前，學(xué)生只能獨立完成一些簡單的實驗，如“加法器設(shè)計”、“流水燈設(shè)計”、“七段數(shù)碼管顯示”、“矩陣鍵盤掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”。TDBU教學(xué)模式，學(xué)生以團(tuán)隊形式實施完整的項目，如“體溫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計”、“呼吸率的測量與顯示”、“血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計”和“心電的采集與解析”等，而且新的TDBU教學(xué)模式引入了模塊化設(shè)計理念。相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，基于TDBU的實驗教學(xué)模式的任務(wù)難度具有伸縮性，適合不同基礎(chǔ)的學(xué)生，而且能夠確保每個學(xué)生完成任務(wù)。

4.1 簡單實驗變?yōu)橥暾椖?/h3>

美國伍斯特理工學(xué)院的“基于項目的教學(xué)模式”被公認(rèn)為世界上最好的教學(xué)模式[9]。而基于TDBU的實驗教學(xué)模式也是通過實施完整項目而非傳統(tǒng)的簡單實驗來進(jìn)行實驗教學(xué)活動。當(dāng)然，在實驗課的項目選擇上，應(yīng)當(dāng)與學(xué)生的專業(yè)特點和興趣愛好相結(jié)合，與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要相結(jié)合，與實際生產(chǎn)、生活實踐相結(jié)合[10]，基于此點，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”實驗課程可以選擇的項目包括“體溫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計”、“呼吸率的測量與顯示”、“血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計”和“心電的采集與解析”。相對于以往的一系列簡單實驗，如“加法器設(shè)計”、“流水燈設(shè)計”、“七段數(shù)碼管顯示”、“矩陣鍵盤掃描”、“1602液晶顯示”和“串口通訊”，新的項目與企業(yè)實際更加貼近，因此，在培養(yǎng)人才方面，更加貼近企業(yè)的需求。另外，由于項目涵蓋所有簡單實驗的知識點，通過項目的實施，學(xué)生能夠掌握更多的知識點，并且能夠打消學(xué)生以往“學(xué)不知何處用”的困惑，讓學(xué)生將自己所做的項目與現(xiàn)實產(chǎn)品緊密結(jié)合起來。

4.2 獨立參與變?yōu)閳F(tuán)隊參與

如何才能讓大學(xué)生的行為習(xí)慣直接為社會所接受，最直接的辦法就是用社會所認(rèn)可的方式培養(yǎng)大學(xué)生的行為習(xí)慣。團(tuán)隊協(xié)作為企業(yè)文化的靈魂，高校應(yīng)將團(tuán)隊精神的培養(yǎng)作為重中之重。TDBU教學(xué)模式是以完整項目而非簡單實驗作為對象。雖然學(xué)生以往尚可獨立完成簡單實驗，但對于完整項目的實施，就需要團(tuán)隊參與。團(tuán)隊參與可以讓學(xué)生感受到團(tuán)隊的力量，讓學(xué)生通過實踐明白，一個看似不能完成的任務(wù)經(jīng)過大家的努力也能順利完成[11]。

4.3 一體化設(shè)計變?yōu)槟K化設(shè)計

模塊化設(shè)計是團(tuán)隊參與項目的保障和前提，模塊可直接用于新系統(tǒng)的設(shè)計中，只有新模塊的設(shè)計才會花費一些時間，一旦設(shè)計成功，新模塊又被收錄到模塊庫中，因此模塊化設(shè)計可以節(jié)省開發(fā)時間，提高開發(fā)效率[12]。由于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)均是基于簡單實驗，因此學(xué)生基本上可以獨立參與并完成實驗任務(wù)。另外，簡單的實驗很難劃分出單個子模塊，因此學(xué)生也沒有機(jī)會形成模塊化的設(shè)計思維。TDBU教學(xué)模式引入模塊化設(shè)計理念，學(xué)生可以在更短的時間內(nèi)高效完成一個項目，并且形成企業(yè)的模塊化設(shè)計思維，這對于畢業(yè)生就業(yè)來說，無疑是很好的助推劑。

4.4 難易程度固定變?yōu)殡y易程度可控

中國高校傳統(tǒng)的教學(xué)極少引入層次化教學(xué)理念，同一個班級的所有學(xué)生一般都采取同樣的教學(xué)方案、教學(xué)目的和考核標(biāo)準(zhǔn)，而非因人而異的層次化教學(xué)模式，這樣就會出現(xiàn)一個很大的問題，基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”，基礎(chǔ)弱的學(xué)生“吃不消”[13]。TDBU教學(xué)理念在每個項目的設(shè)置上都考慮到學(xué)生的個體差異，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇一個或若干個黑盒模塊進(jìn)行白盒化設(shè)計，基礎(chǔ)好的學(xué)生可以多選甚至全選，基礎(chǔ)弱的學(xué)生可以少選，甚至只選擇一個，但是每個學(xué)生都能完成最終的項目目標(biāo)。相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，難易程度可控的TDBU教學(xué)模式對于學(xué)生自信心的樹立以及興趣的培養(yǎng)具有深遠(yuǎn)的意義。

4.5 不一定能完成的簡單實驗變?yōu)橐欢芡瓿傻耐暾椖?/h3>

TDBU教學(xué)模式的實施步驟分為4步：

(1) 組裝所有黑盒模塊實現(xiàn)項目目標(biāo)；

(2) 選擇若干個黑盒模塊進(jìn)行白盒化設(shè)計；

(3) 將設(shè)計的白盒模塊與黑盒模塊進(jìn)行組裝實現(xiàn)項目目標(biāo)；

(4) 重復(fù)步驟B和C，直至將所有的黑盒轉(zhuǎn)化成白盒，實現(xiàn)項目目標(biāo)。

模塊組裝的能力是對每個學(xué)生最基本的要求，因此，學(xué)生在項目實施的第一步就可以完成整個項目，并觀察到項目的結(jié)果。而傳統(tǒng)實驗的設(shè)置，對于簡單的實驗，學(xué)生可以快速完成，而對于復(fù)雜的實驗則需要花費大量的時間進(jìn)行調(diào)試，基礎(chǔ)好有耐心的學(xué)生可以經(jīng)受住挫折完成實驗，但大多數(shù)基礎(chǔ)弱或者沒有耐心的學(xué)生在調(diào)試過程中遇到困難就不愿意向下進(jìn)行，從而無法確保實驗的順利完成。

5 結(jié)束語

通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)TDBU教學(xué)模式應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)“醫(yī)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程的效果，相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，有著顯著的提高，尤其是在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、樹立學(xué)生的自信心、提高學(xué)生的實踐能力、塑造學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神以及縮短高校人才和社會需求差距方面，這僅僅是TDBU教學(xué)模式的第一次嘗試。除了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，TDBU教學(xué)模式還可以應(yīng)用在其他專業(yè)，如電子類、計算機(jī)類和自動化類等，只有通過不斷的嘗試才能更深入地理解TDBU教學(xué)模式，揚(yáng)長避短，使得TDBU教學(xué)模式發(fā)揮出更加顯著的效果。

[1] 陳巒,馬小潔,姜波.基于工程項目開發(fā)實踐的專業(yè)課程教學(xué)改革[J].廣西輕工業(yè),2009(1):132-133.

[2] 喬鑫.淺析大學(xué)生就業(yè)難與企業(yè)用工難之間的矛盾[J].現(xiàn)代交際,2010(12):132-133.

[3] 劉肄倬,劉剛,殷柯欣.軟件學(xué)院基于校企聯(lián)合的教學(xué)模式探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2012，29(4):260-264.

[4] 教立營,趙越.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)現(xiàn)狀及對策分析：以東北大學(xué)為例[J].中國大學(xué)生就業(yè),2012(12):25-28.

[5] 郭圣文,吳效明.理工類院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索與實踐[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2013,30(2):4084-4088.

[6] 馮波,翁杰,黃楠,等.結(jié)合學(xué)科特點和自身優(yōu)勢建立生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)實驗教學(xué)體系[J].實驗技術(shù)與管理,2006，23(10):15-17.

[7] 張文忠.本土化依托項目外語教學(xué)的“教學(xué)”觀[J].中國大學(xué)教學(xué),2012(4):52-54.

[8] 張瑋.淺析白盒測試和黑盒測試[J].無線互聯(lián)科技,2013(6):136.

[9] 陳文彥,王栓宏.體驗美國大學(xué)的教學(xué)模式[J].中國大學(xué)教學(xué),2013(5):94-96.

[10] 王瓊,盛德策,陳雪梅.項目驅(qū)動下的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[J].實驗技術(shù)與管理,2013，30(6):99-101.

[11] 劉學(xué)云.企業(yè)行為管理在高校學(xué)生行為培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育科學(xué),2013(1):51-52.

[12] 郭兆正,尹作友.單片機(jī)系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法教學(xué)研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報,2013,31(1):112-114.

[13] 賈銀江,蘇中濱,趙語.高校計算機(jī)專業(yè)實驗教學(xué)改革與探索[J].教育教學(xué)論壇,2013(32):34-35.