朱耿 伍秀玭 郝麗俊 司博宇

摘要“信號與系統(tǒng)”由于其課程理論性強(qiáng)、概念抽象等特點，在醫(yī)學(xué)院校中的教學(xué)效果欠佳。究其原因為醫(yī)學(xué)院校學(xué)生較理工或綜合性大學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)薄弱，對傳統(tǒng)教材中所舉例信號不熟悉，使得學(xué)習(xí)興趣不高，課堂上精力不集中。生理電信號蘊含了豐富的人體信息，是生物醫(yī)學(xué)工程中研究的重要對象，是醫(yī)學(xué)院校學(xué)生所熟悉的信號。為調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，筆者將生理電信號引入到“信號與系統(tǒng)”中，通過信號與系統(tǒng)課程分析和實現(xiàn)生理電信號的常見處理過程，使學(xué)生較為全面的掌握信號與系統(tǒng)的相關(guān)知識，并增強(qiáng)其實際分析和解決醫(yī)學(xué)問題的能力。與此同時，筆者還將PAD（Presentation Assimilation Discussion）教學(xué)應(yīng)用于“信號與系統(tǒng)”課程改革中，本文以連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示內(nèi)容為例，闡述實施案例。通過比較課改前后的學(xué)習(xí)效果，發(fā)現(xiàn)新方法使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力等方面有顯著提高。

關(guān)鍵詞 信號與系統(tǒng)；生理電信號；PAD課堂；學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.020

2015年，由教育部、國家發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，指明了高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，明確了應(yīng)用型本科高校的人才培養(yǎng)定位，確立應(yīng)用型的類型定位和培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才的職責(zé)使命。[1， 2]2018年教育部將新工科擴(kuò)容為“新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”。新醫(yī)科為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的要求，提出希望實現(xiàn)醫(yī)學(xué)從“生物醫(yī)學(xué)科學(xué)為主要支撐的醫(yī)學(xué)教育模式”向以“醫(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X交叉學(xué)科支撐的醫(yī)學(xué)教育新模式”的轉(zhuǎn)變。[3， 5]2021年上海市人民政府辦公廳印發(fā)《關(guān)于本市加快醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，指出加強(qiáng)交叉創(chuàng)新學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)，以培養(yǎng)醫(yī)學(xué)科學(xué)家、醫(yī)學(xué)工程師等高端醫(yī)學(xué)人才為目標(biāo)，促進(jìn)醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)文學(xué)科專業(yè)的深度融合。[5]上海健康醫(yī)學(xué)院是一所上海市屬應(yīng)用技術(shù)型本科醫(yī)學(xué)院校。在這個時代背景下，結(jié)合應(yīng)用型本科人才和新醫(yī)科高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索，以及疫情和后疫情時代的教育教學(xué)改革熱潮，作為一名生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的專業(yè)教師，也應(yīng)針對傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程作出創(chuàng)新和改革，以適應(yīng)時代的發(fā)展要求。

對分課堂是基于認(rèn)知心理學(xué)提出的課堂教學(xué)改革新模式，將課堂的時間一半給教師一半給學(xué)生，被證明適合于中國國情，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[6，7]“信號與系統(tǒng)”最早是高等學(xué)校電工程專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，歷史久遠(yuǎn)，理論內(nèi)容相當(dāng)成熟。目前很多高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”課程教材都是電氣專業(yè)的教授所編寫的，例如電子工業(yè)出版社出版的《信號與系統(tǒng)》（奧本海姆）。[8]本文將結(jié)合應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)定位，與學(xué)校背景和學(xué)生素質(zhì)的具體情況，探索適合于本校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的“信號與系統(tǒng)”教學(xué)改革。本文將以連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示的內(nèi)容為例，詳細(xì)闡述基于生理電信號的“信號與系統(tǒng)”課程改革，并分析課改效果。

1“信號與系統(tǒng)”課程改革思考

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科很重要的一個研究方向即是對生理電信號的獲取和處理。生理電信號是人體重要的信號之一，臨床上常見的生物電信號主要有：心電、腦電、肌電、胃電、視網(wǎng)膜電等。在臨床中需要這些電信號的特征來輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。生理電信號是不穩(wěn)定的微弱信號，常常伴隨著強(qiáng)噪聲，這使得其特征的提取變得不容易。因此需要借助信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等理工科的手段來進(jìn)行處理和分析。本校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生需要在大一大二時學(xué)習(xí)“正常人體學(xué)”“生理學(xué)”“臨床醫(yī)學(xué)概要”，在這些課堂上學(xué)生已經(jīng)熟悉了人體的各種生理電信號。“信號與系統(tǒng)”課程的授課對象是大三學(xué)生，包括32學(xué)時理論課和16學(xué)時實踐課。以往的授課方式遵循傳統(tǒng)的電氣專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”課程，由于理論性強(qiáng)，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，概念抽象，而所舉的例子對于本校學(xué)生來說又太生疏，導(dǎo)致學(xué)生上課積極性不高，對知識掌握不深入，對信號的理解不到位，給接下來的“數(shù)字信號處理”課程講授又增加了難度。[9]針對這些問題，本文結(jié)合電生理信號和PAD教學(xué)，一方面通過學(xué)生熟悉的電生理信號將抽象的概念具體化，從實際應(yīng)用出發(fā)激發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的興趣；另一方面通過自主學(xué)習(xí)、學(xué)生分享等環(huán)節(jié)培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)和分析的能力，真正做到學(xué)以致用。

下面以連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示的內(nèi)容為例，具體講述教學(xué)實施過程。

2連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示案例

2.1課程導(dǎo)入

首先引入課堂內(nèi)容，介紹傅里葉分析方法建立的歷史故事，在此過程中有前輩科學(xué)家支持，也有提出強(qiáng)烈反對的。但在日后的發(fā)展過程中，不斷得到驗證，不僅應(yīng)用于數(shù)學(xué)和物理學(xué)，形成了傅里葉光學(xué)學(xué)科，甚至幾乎存在于生活和科學(xué)的各個領(lǐng)域：預(yù)測地震、揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、指示脈搏信號、心電圖、腦電圖等生理信號的異常等等。引導(dǎo)學(xué)生對傅里葉變換學(xué)習(xí)的興趣，了解新事物的發(fā)展過程中都會遇到一定的困難，但正確的事情總會得到不斷驗證。

2.2連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示的導(dǎo)出及實現(xiàn)傅里葉級數(shù)表示的MATLAB程序框架講解

在成諧波關(guān)系的復(fù)指數(shù)信號的線性組合公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，以周期性方波為例講解信號的傅里葉級數(shù)表示的確定。如圖1（a）所示，頻率為1Hz的方波（上圖），可以由1Hz+3Hz+5Hz+7Hz+…的正弦信號疊加而無限逼近（下圖）。其中周期性方波傅里葉級數(shù)系數(shù)如圖1b所示。

2.4總結(jié)答疑與思考

總結(jié)本次課堂理論部分關(guān)鍵公式，結(jié)合腦電信號的分析，強(qiáng)化連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)的核心思想為任何周期信號都可以通過一系列不同頻率不同幅度的正弦信號表示。布置課后思考題，讓同學(xué)們課后進(jìn)一步消化本次課的內(nèi)容，并對下次課的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。

3教學(xué)效果評價

基于生理電信號的“信號與系統(tǒng)”課程改革將理論內(nèi)容與實踐內(nèi)容結(jié)合，在理論公式推導(dǎo)之后，通過同學(xué)們熟悉的生理電信號進(jìn)行實踐練習(xí)，充分激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，加深其對理論知識的理解和運用。為了了解課程改革效果，通過調(diào)查問卷的方式從教學(xué)滿意度、對工作的幫助、課堂專注度和學(xué)習(xí)能力提升等方面進(jìn)行調(diào)研。課改效果顯著，教學(xué)滿意度、對工作的幫助以及課堂專注度明顯提高，學(xué)習(xí)能力提升稍有改善?？梢钥吹接捎谝肓耸煜さ男盘柌⑶伊私獾剿鶎W(xué)的東西與以后的工作內(nèi)容密切相關(guān)，學(xué)生在課堂上的專注力集中了，對工作的幫助也有所提升。課改的效果不僅反應(yīng)在本課程上，對后續(xù)課程“數(shù)字信號處理”也有很大的幫助，比如濾波器設(shè)計時，列舉本文2.3所示的信號，學(xué)生就很容易理解濾波器的作用和原理。

但對于本課程，學(xué)生還是反映課程較難。雖然課改后能夠更好的理解如何在醫(yī)學(xué)中運用該課程的內(nèi)容，但理論推導(dǎo)部分不能夠深入學(xué)習(xí)。要改善這一問題，需要加強(qiáng)前期的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，也是本課程還需要進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

4結(jié)語與展望

本文針對醫(yī)學(xué)院校中“信號與系統(tǒng)”課程存在的問題進(jìn)行改革，引入醫(yī)學(xué)院校學(xué)生熟悉的電生理信號作為實踐的對象，在課堂上加入PAD教學(xué)方法，并以連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù)表示為例詳細(xì)講述了該課改的實施過程。調(diào)研結(jié)果表明，課改顯著提高了教學(xué)滿意度和課堂專注度，學(xué)生也深刻體會到課堂所學(xué)知識對工作的幫助。課改后仍然存在的問題是理論推導(dǎo)部分仍然是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。針對這一問題，未來將從兩方面改進(jìn)：（1）與大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)組溝通，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；（2）在本課程中結(jié)合混合式教學(xué)方法，通過多種形式的學(xué)習(xí)資料，全方位的展示理論推導(dǎo)過程，將有利于學(xué)生深入學(xué)習(xí)。

基金項目：2020年上海市教委高校青年教師培養(yǎng)資助計劃“課程思政改革要求下《信號與系統(tǒng)》線上教學(xué)資源建設(shè)的研究”（項目編號：ZZSHJKYXY20007）；2021年上海健康醫(yī)學(xué)院師資人才百人庫項目“音樂對大腦認(rèn)知功能的影響研究”（項目編號：A3-0200-21-311007）。

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