趙德春 趙志強(qiáng) 田銀 王岫鑫 王偉

摘 要：創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是科技發(fā)展的源泉和動(dòng)力，為了提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有教學(xué)觀念陳舊、教學(xué)內(nèi)容滯后、教學(xué)手段落后、教學(xué)評價(jià)缺乏等問題，結(jié)合醫(yī)學(xué)類電子專業(yè)總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教改與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的相關(guān)研究，探索了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，同時(shí)優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和評價(jià)體制。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教改；創(chuàng)新人才；開放實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0082-03

Abstract： The cultivation of innovative talents is the source and driving force for the development of science and technology. In order to improve the innovation ability of college students， it is necessary to pay attention to the experimental teaching. However， the traditional experiment has the problems of obsolete concept， old content， backward methods and lack of teaching evaluation. It combines the medical electronic majors to summarize the research on the experimental teaching reform and innovation ability of embedded systems， and explores the open experimental teaching mode. At the same time， the teaching content and evaluation system of experimental teaching are optimized.

Keywords： embedded system； experimental teaching reform； innovative talents； open experiment

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校人才培養(yǎng)的重要組成部分，它有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，特別是培養(yǎng)創(chuàng)新精神[1，2]。創(chuàng)新是民族進(jìn)步、國家興旺發(fā)達(dá)的源動(dòng)力，同時(shí)也是大學(xué)生成才的關(guān)鍵[3]。因此，需要轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教育觀念，培養(yǎng)動(dòng)手能力，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，理解科學(xué)的研究方法，倡導(dǎo)創(chuàng)新素質(zhì)教育，樹立追求新知識的觀念，從而錘煉勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神[4]。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和弊端

（一）教學(xué)觀念陳舊

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以驗(yàn)證內(nèi)容為主，基本上是在實(shí)驗(yàn)箱或者開發(fā)板上驗(yàn)證理論知識和范例，學(xué)生總是跟著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，少有鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性、開發(fā)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5，6]。這導(dǎo)致兩個(gè)問題[7]：一是無法發(fā)揮學(xué)生的想象力和主觀能動(dòng)性，不思考，無創(chuàng)新；二是各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間互不聯(lián)系，綜合性少。這樣實(shí)驗(yàn)變成驗(yàn)證的手段，實(shí)驗(yàn)成了理論教學(xué)的附庸。這些完全是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的誤解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生解決科學(xué)問題的能力，這是靠驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的，必須借助于綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新精神。

（二）教學(xué)內(nèi)容滯后

實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間局限，內(nèi)容不可能面面俱到，很容易導(dǎo)致學(xué)生沒有主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)新性。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室只在固定的時(shí)間，向固定的人群，開放固定的內(nèi)容，并且實(shí)驗(yàn)儀器不能及時(shí)更新[8，9]。這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能及時(shí)吸收學(xué)科發(fā)展的新成果、新技術(shù)和新方法，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代發(fā)展的步伐。

（三）教學(xué)手段落后

實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然采用教師講解示范的方式，對相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理和方法詳細(xì)講解，再由學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師缺乏對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)、引導(dǎo)，忽視學(xué)生對知識的深入理解與掌握，抑制了學(xué)生對未知領(lǐng)域的探索熱情和創(chuàng)新能力的發(fā)揮[10]。

（四）教學(xué)評價(jià)方式缺乏

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以終結(jié)性考核為主，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評價(jià)，忽略實(shí)際操作，缺乏對學(xué)生實(shí)踐能力的綜合考核，特別是對創(chuàng)新能力考察不夠。

二、嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教改

嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性廣泛的課程[11]。它是醫(yī)學(xué)電子專業(yè)的核心課程，在教學(xué)過程中更應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，以及創(chuàng)新能力[12]。由于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)更新快，所涉及到的內(nèi)容新，基本上是電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)，使得嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教改課題的研究難度相對較大。醫(yī)學(xué)電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富。既有電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又有嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論；既有信號調(diào)理的硬件電路設(shè)計(jì)，又有模擬仿真技術(shù)；既有軟件算法的仿真技術(shù)，又有軟件的高級語言實(shí)現(xiàn)；既有常用的信號采集處理技術(shù)，又有微弱信號的處理，等等。對以上的技術(shù)需要按照以上的多層次劃分逐一歸納、分類，并且對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。

（一）轉(zhuǎn)變觀念，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維

采取“引、點(diǎn)、撥”的方式，讓學(xué)生獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)動(dòng)手能力，讓學(xué)生自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。所謂引，就是引導(dǎo)、指導(dǎo)。所謂點(diǎn)，就是指點(diǎn)迷津。所謂撥，就是點(diǎn)撥、提升。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到問題時(shí)，教師切忌把解決問題的方式方法統(tǒng)統(tǒng)端出來，要給學(xué)生留有思考的余地，讓學(xué)生在遇到問題時(shí)通過獨(dú)立思考和教師適當(dāng)引導(dǎo)和指點(diǎn)，找到解決問題的途徑，激發(fā)學(xué)生的思維，從而找到解決問題的方法，使學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮；在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行分析，搞清問題的實(shí)質(zhì)，這樣才可能培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，形成嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學(xué)信號的綜合實(shí)驗(yàn)

按照素質(zhì)教育的要求，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為主線，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)四個(gè)層次，形成一系列以嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學(xué)信號的綜合實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

1. 認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)

認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證為主，主要是常用儀器儀表（如萬用表、示波器等）的使用；常用電子電路（如差動(dòng)放大器電路、濾波器電路）的識別和參數(shù)的配置；常用數(shù)字信號處理算法（如時(shí)域算法求平均、頻域算法求傅里葉變換等）的認(rèn)識；常用工具軟件（如制圖軟件Altium Designer，編程軟件keil C、Quartus等）的使用；以及其他基本操作實(shí)驗(yàn)。認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)著重訓(xùn)練基礎(chǔ)理論和基本技能，培養(yǎng)分析、歸納實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，為以后的實(shí)驗(yàn)打下扎實(shí)的基本功。

2. 綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證和設(shè)計(jì)為主，主要有生理參數(shù)信號調(diào)理電路（如前級放大器、帶通濾波和陷波器以及后級放大器等）的分析和設(shè)計(jì)；生理信號（如心電的R-R間期提取，腦電信號的特征提取等）的分析和設(shè)計(jì)；醫(yī)學(xué)圖像處理算法（如圖像增強(qiáng)、邊沿識別、輪廓提取等）的分析和設(shè)計(jì)；綜合應(yīng)用仿真工具（如算法仿真matlab、電磁仿真XFDTD等）；以及其他綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)結(jié)合課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)科學(xué)精神和創(chuàng)新思維，以及分析和解決問題、團(tuán)結(jié)協(xié)作等能力。

3. 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)儀器或者醫(yī)學(xué)參數(shù)的采集為主。根據(jù)信號來源，將生理參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以分成將生理參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號（如體溫、血壓信號等）的采集與處理實(shí)驗(yàn)；直接電信號（如腦電、心電）的采集與處理實(shí)驗(yàn)；圖像（如電阻抗成像、X光成像、CT成像等）采集與處理實(shí)驗(yàn)；以及其他生理參數(shù)采集的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)需要由學(xué)生查閱相關(guān)資料，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。這有助于提高學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)分析和總結(jié)實(shí)驗(yàn)的能力。

4. 研究型實(shí)驗(yàn)

研究型實(shí)驗(yàn)以研究科學(xué)問題為主，主要針對信號采集方法、信號分析方法、電離輻射、電磁輻射等方面進(jìn)行深入研究。研究性實(shí)驗(yàn)結(jié)合老師的科研項(xiàng)目，對相關(guān)領(lǐng)域的前沿問題或熱點(diǎn)問題展開研究，一般是指從未做過或尚未完成的科學(xué)研究。學(xué)生查閱資料，提出問題，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案去實(shí)施。這類實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，通過科學(xué)研究，獲得新的結(jié)論，使他們大膽提出不同的觀點(diǎn)和見解，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，以及獨(dú)立研究能力和自主創(chuàng)新的能力。

通過由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到提高的實(shí)驗(yàn)課程體系，以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的素質(zhì)綜合發(fā)展為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特有的功能。在這種多層次、模塊化實(shí)驗(yàn)課程體系中，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能體現(xiàn)出通用性、綜合性特征，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)更加明確，有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特有功能。

（三）探索研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，探索開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)以嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新能力

探索采用“驗(yàn)證+設(shè)計(jì)+創(chuàng)新”的方法，使學(xué)生樂于思考、勤于設(shè)計(jì)，努力提高綜合能力，并掌握嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學(xué)生理參數(shù)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上，探索三個(gè)結(jié)合和三個(gè)轉(zhuǎn)化。三個(gè)結(jié)合，即堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，教學(xué)與科研相結(jié)合，課內(nèi)與課外相結(jié)合。三個(gè)轉(zhuǎn)化，即由被動(dòng)接受向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化，由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)向研究問題轉(zhuǎn)化，由模仿向自主設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。教學(xué)與科研密切結(jié)合，理論創(chuàng)新與工程應(yīng)用密切結(jié)合，創(chuàng)建以技能訓(xùn)練為基礎(chǔ)、以研究為核心、以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室開放的內(nèi)涵和形式是多元的。不僅是時(shí)間的開放，包括固定時(shí)間、開放時(shí)間，暑假時(shí)間和業(yè)余時(shí)間；更重要的是實(shí)驗(yàn)類別的開放，實(shí)驗(yàn)類別包括基礎(chǔ)、開放和前沿實(shí)驗(yàn)；特別是實(shí)驗(yàn)形式的開放，包括實(shí)驗(yàn)課程、設(shè)計(jì)競賽和創(chuàng)新計(jì)劃，如生物醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯等學(xué)科競賽以及科研班、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃等。因此，實(shí)驗(yàn)室開放不僅是管理模式的開放，更是教學(xué)模式的開放，教學(xué)方法和教學(xué)手段上的開放，是教學(xué)理念的開放，是實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)和主要形式。開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅是實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的開放，并且實(shí)驗(yàn)主體開放。實(shí)驗(yàn)主體合理利用時(shí)間，參與以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在多種形式實(shí)驗(yàn)中綜合培養(yǎng)創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新思維。

三、醫(yī)學(xué)電子專業(yè)創(chuàng)新人才的實(shí)踐

首先優(yōu)化和整合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對醫(yī)學(xué)電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)為核心的實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行整合和優(yōu)化，建立多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建立以嵌入式系統(tǒng)為核心的常用醫(yī)學(xué)信號如心電、血壓、血氧等生理參數(shù)的采集綜合型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系逐步向多層次、模塊化課程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。探索開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，搭建開放實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，為學(xué)生創(chuàng)新提供場所，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)中做，向做中學(xué)和做中思的轉(zhuǎn)變，由被動(dòng)實(shí)踐向主動(dòng)實(shí)踐轉(zhuǎn)變，從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)向研究實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，從而培養(yǎng)了學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)為核心的醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新能力。

最后通過研究型實(shí)驗(yàn)，吸引了一大批學(xué)生積極參與課外科技活動(dòng)，在生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯、智能車、3S杯等比賽中獲得全國一等獎(jiǎng)1次，全國二等獎(jiǎng)2次，全國三等獎(jiǎng)1次，重慶市一等獎(jiǎng)2次，同時(shí)還獲得全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目1次。

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