祝橋橋　周璐　李韙韜　高凡

［摘 要］ “生物醫(yī)學(xué)信號處理”作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用信號處理理論與技術(shù)解決具體生物醫(yī)學(xué)問題的能力。但是，現(xiàn)行“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程教學(xué)模式存在的問題，導(dǎo)致該課程的教學(xué)效果不佳。針對該門課程教學(xué)中存在的問題，進(jìn)行了教學(xué)模式的改革與探索，通過改革教學(xué)模式、優(yōu)化實驗教學(xué)方法及改革考核模式等措施，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與參與度，著重培養(yǎng)深厚理論功底、善于靈活運(yùn)用知識解決實際問題的專業(yè)人才。

［關(guān)鍵詞］ 生物醫(yī)學(xué)信號處理；生物醫(yī)學(xué)工程；教學(xué)模式改革；實驗教學(xué)改革；課程方式改革

［基金項目］ 2023年度南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院教材建設(shè)培育項目“生物學(xué)信號處理及應(yīng)用”（ZDH-YJSJG202304）；2021年度南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)項目“醫(yī)學(xué)生物物理學(xué)課程虛擬仿真實驗建設(shè)與應(yīng)用”（2021JG0328A）；2024年度國家自然科學(xué)基金面上項目“融合MRI影像和生物力學(xué)模型的椎間盤源性腰痛無創(chuàng)診斷方法基礎(chǔ)研究”（12372306）

［作者簡介］ 祝橋橋（1989—），女，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副研究員，主要從事生物力學(xué)研究；周 璐（1994—），女，江蘇泰州人，南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院2020級儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士研究生，研究方向為腦科學(xué)與功能；李韙韜（1979—），男，河南襄城人，博士，南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系專聘研究員，主要從事生物醫(yī)學(xué)儀器研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0073-04［收稿日期］ 2023-05-18

引言

黨的二十大報告提出，實施科教興國戰(zhàn)略，強(qiáng)化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐。教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐［1］。報告中的一大亮點是“教育、科技、人才三合一”。教育部于2019年啟動了一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”，也就是“金課建設(shè)”計劃。專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，教師是人才培養(yǎng)的決定力量。

“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程系統(tǒng)地介紹了生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)的基本原理和主要應(yīng)用，是近年來國內(nèi)外快速發(fā)展數(shù)字信號處理應(yīng)用的一種，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心課程之一［2］。主要包括經(jīng)典信號數(shù)字處理的理論和技術(shù)，以及現(xiàn)代信號數(shù)字處理的理論和技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字化處理技術(shù)的應(yīng)用有了較為全面的了解，從而系統(tǒng)地掌握了生物醫(yī)學(xué)信號處理的基本原理、算法和設(shè)計應(yīng)用技術(shù)。培養(yǎng)學(xué)生對獲取的各種原始生物醫(yī)學(xué)信息進(jìn)行有效的信號加工處理的技能，為醫(yī)療、生命科學(xué)等領(lǐng)域服務(wù)?！吧镝t(yī)學(xué)信號處理”課程的目的是為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)生物醫(yī)學(xué)信號工程方面的課程打下良好的理論基礎(chǔ)。生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)研究、保健、疾病的預(yù)防、治療以及醫(yī)療儀器產(chǎn)業(yè)中［3］。生物醫(yī)學(xué)信號是人體生理信息的量化數(shù)據(jù)，深刻理解和應(yīng)用“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程的理論與方法，對于認(rèn)識人體生命的規(guī)律、探索疾病預(yù)防與治療的新手段，以及發(fā)展醫(yī)療儀器的高新技術(shù)都具有極其重要的意義。如何在課程教學(xué)中有機(jī)融合知識、能力和素養(yǎng)，幫助學(xué)生構(gòu)建全面的知識體系，提高解決實際工程問題的應(yīng)用能力和思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的匠心精神和專業(yè)素養(yǎng)，是本課程教學(xué)改革的核心目標(biāo)。

一、“生物醫(yī)學(xué)信號處理”實踐教學(xué)存在的問題

（一）課堂教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的授課方式枯燥單一，主要以教師講授為主，“灌輸式”教學(xué)，學(xué)生被動接受，忽視了學(xué)生的主體地位，師生難以產(chǎn)生有效溝通和互動，易在教學(xué)中出現(xiàn)很多問題［4］。課堂氣氛較為沉悶，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。此外，教師在引導(dǎo)學(xué)生討論方面做得還不夠，學(xué)生不善于發(fā)現(xiàn)問題和思考問題，在課堂上不能進(jìn)行深入討論，對學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)很難達(dá)到預(yù)期效果。傳統(tǒng)的實操課大多是由授課教師事先準(zhǔn)備好實驗方案，學(xué)生只需按照教師的方案步驟程序化地完成實驗過程，對實驗中遇到的問題及相關(guān)原理難以深入思考，無法達(dá)成解決實際問題等綜合能力的培養(yǎng)目標(biāo)，缺乏對實驗方案自主設(shè)計的鍛煉。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，關(guān)鍵在于學(xué)生作為認(rèn)知主體，在學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性被忽視甚至被壓抑的教學(xué)過程中，知識的接受始終處于被動狀態(tài)。所以，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，構(gòu)建高效課堂，以適應(yīng)新課改的要求是當(dāng)務(wù)之急。

（二）學(xué)生實踐能力薄弱

“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程具有內(nèi)容體量大、知識點廣泛的特點，是一門理論性較強(qiáng)的課程［5］。本課程的理論教學(xué)應(yīng)使學(xué)生學(xué)會數(shù)字信號處理的理論、相應(yīng)的算法及算法軟件的使用。理論內(nèi)容較多，實驗實踐內(nèi)容較少，是教學(xué)過程中普遍面臨的問題。當(dāng)面對實際復(fù)雜的綜合性和應(yīng)用性問題時，學(xué)生無法自主解決。所以，在培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力方面仍是薄弱環(huán)節(jié)。學(xué)生缺乏較強(qiáng)的動手能力和實踐素養(yǎng)，這是應(yīng)用型專業(yè)教育之“痛”?！吧镝t(yī)學(xué)信號處理”屬應(yīng)用型課程，需理論與實踐相結(jié)合，且重在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。因此，如何在有限的時間里圍繞教學(xué)大綱要求，合理安排教學(xué)內(nèi)容，改革實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力，是“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程教學(xué)中需要不斷探索的課題。

（三）考核方式單一不全面

傳統(tǒng)考核方式以學(xué)業(yè)成績?yōu)橹饕u價指標(biāo)，評價方式單一，評價結(jié)果被簡單、機(jī)械、錯誤地使用，不利于學(xué)生全面發(fā)展和身心健康，不利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)思維能力，從而影響了學(xué)生才能和個性的發(fā)展、潛力的挖掘以及綜合素質(zhì)的發(fā)展［6］。學(xué)生能夠牢記知識點，掌握各種數(shù)學(xué)變換、理論推導(dǎo)，即可獲得不錯的成績。該方式的考核重知識點的記憶和理論公式的推導(dǎo)，輕知識的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化能力的培養(yǎng)，不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。因此，學(xué)生在面對實際的信號處理問題時，缺乏應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。該考核方式不能滿足新工科對能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)需求，無法衡量學(xué)生解決實際問題的能力以及對所遇到困難的探索與思考能力，也無法科學(xué)全面地對學(xué)生的探索思辨能力進(jìn)行評價。

二、“生物醫(yī)學(xué)信號處理”教學(xué)模式改革方案

（一）改變教學(xué)模式

學(xué)生的有效學(xué)習(xí)是教學(xué)的本位和原點所在，要自覺改變單純知識導(dǎo)向的教學(xué)模式，善于利用問題情境激發(fā)、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的動力源，拓展、推進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的問題源。針對當(dāng)前“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程授課方式單一的問題，可采用多樣化的教學(xué)方法，包括立體化教學(xué)方法［7］、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法［8］、探究式教學(xué)方法［9］、微格教學(xué)方法［10］、項目教學(xué)方法［11］和體驗式教學(xué)方法［12］等，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。針對“生物醫(yī)學(xué)信號處理”課程涉及基礎(chǔ)知識面廣、實踐性強(qiáng)的特點，教學(xué)方法重點體現(xiàn)“分層次、交互式、重探索、多樣性”的特征，貫穿于環(huán)節(jié)設(shè)置、步驟安排及評價體系等各環(huán)節(jié)建設(shè)中。課程內(nèi)容設(shè)置從信號處理應(yīng)用的不同層面建立知識體系，層層分解，例如信號的描述、信號的去噪和濾波、信號的特征提取等。以生動的案例引出項目式學(xué)習(xí)非常重要的一環(huán)是讓學(xué)生自發(fā)提出好的驅(qū)動性問題，引導(dǎo)教師在教育教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生提出驅(qū)動性問題的能力。在驅(qū)動性問題的帶領(lǐng)下，學(xué)生能夠?qū)υ搯栴}進(jìn)行持續(xù)性探索，逐步產(chǎn)生“從0到1”的原創(chuàng)性成果。在每個體系里引入案例教學(xué)，注重將實際生物醫(yī)學(xué)信號處理實例融入課堂教學(xué)，在枯燥的理論學(xué)習(xí)中穿插生物醫(yī)學(xué)信號處理的真實案例，吸引學(xué)生注意力，讓學(xué)生更直觀、深刻地了解相關(guān)信號處理技術(shù)的功能和優(yōu)缺點。具體案例如下：以基于運(yùn)動想象腦電信號的分類問題作為“生物醫(yī)學(xué)信號處理”項目式教學(xué)案例，通過對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理（降采樣、陷波濾波、帶通濾波、獨(dú)立成分分析等）、特征提取（時域特征、頻域特征、空間域特征等）及任務(wù)分類（決策樹、邏輯回歸、樸素貝葉斯、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等），加深學(xué)生對生物電信號處理中各環(huán)節(jié)的理解。

（二）優(yōu)化實驗教學(xué)方法

針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)操作過于標(biāo)準(zhǔn)程式化、實驗結(jié)果單一的問題，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，不斷探索實驗課程教學(xué)方法，可采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，將實驗內(nèi)容分解為若干子任務(wù)，明確任務(wù)目標(biāo)，鼓勵學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，以有效完成任務(wù)為考核目的的實驗教學(xué)方法。教學(xué)方法以“以任務(wù)為主線，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”［13］的構(gòu)建主義教學(xué)理論為基礎(chǔ)，以將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)相結(jié)合為基本特征，打造一個真實的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生帶著真實的任務(wù)去學(xué)習(xí)。在這個過程中，學(xué)生掌握了學(xué)習(xí)的主動權(quán)，教師通過該任務(wù)，不斷激勵學(xué)生向前走，使學(xué)生通過該任務(wù)，掌握所學(xué)內(nèi)容，做到舉一反三，學(xué)習(xí)效果更佳。該任務(wù)驅(qū)動的方式有利于學(xué)生將所學(xué)理論和技能進(jìn)行靈活運(yùn)用，有利于學(xué)生將所學(xué)知識與具體問題情景相聯(lián)系，有利于激發(fā)學(xué)生的實踐熱情和創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力并發(fā)散思維。以任務(wù)驅(qū)動的方式引領(lǐng)學(xué)生開展實驗，探索未知課題，在完成任務(wù)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，充分鍛煉學(xué)生的思辨能力、理論聯(lián)系實際的能力，以及學(xué)以致用的能力。這種方法在實踐性強(qiáng)、創(chuàng)造性強(qiáng)及時代發(fā)展特征明顯的生物醫(yī)學(xué)信號處理學(xué)科中非常實用，也非常有效。

2018年，教育部印發(fā)的《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作》指出，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，延伸實驗教學(xué)時間和空間，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措［14］。同時，要著力構(gòu)建新型教育教學(xué)模式、教育服務(wù)供給方式和教育治理新模式?；诖?，本課程著力于建設(shè)優(yōu)質(zhì)線上實驗平臺，如“神經(jīng)電生理信號采集與處理”虛擬仿真實驗平臺，打破了時間地點的限制，可以隨時隨地完成實驗。提高實驗內(nèi)容的直觀展示性和參與互動性，通過虛擬仿真技術(shù)、動畫技術(shù)及實物展示技術(shù)等多樣化的表現(xiàn)形式，學(xué)生能夠全面掌握生物醫(yī)學(xué)信號采集和處理方法，有效提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)熱情和專業(yè)素養(yǎng)。

（三）改革課程考核方法

為深化教育教學(xué)改革，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從以知識點考查為重心轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰疾闉橹匦?，這是課程考核方法設(shè)計的關(guān)鍵。在課程考核中，加大實驗成績和平時成績的比例，減少期末閉卷考試分值比例。課程考核改革要突出考核方式方法向多樣化轉(zhuǎn)變、考核內(nèi)容向注重能力考核的綜合化轉(zhuǎn)變以及成績評定向科學(xué)化（多元化、全程化）轉(zhuǎn)變等三個轉(zhuǎn)變。通過課程考核改革促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法手段的改革，提高教學(xué)質(zhì)量。如本課程中，將實驗成績和平時成績比例提升至40%，期末考試成績降為60%。同時，在期末考試的試題設(shè)置中，減少了知識點的機(jī)械記憶類型的客觀題，加大了信號處理方案設(shè)計的綜合題，更加側(cè)重考查學(xué)生對相應(yīng)知識點的理解和靈活應(yīng)用的能力，如本課程期末考試試卷中知識的記憶類型占40%，信號處理方案設(shè)計綜合類題目占60%。試卷更加強(qiáng)調(diào)知識的系統(tǒng)調(diào)用能力，以及解決問題的邏輯設(shè)計能力，弱化知識的機(jī)械記憶。課程考核改革對實現(xiàn)人才培養(yǎng)的教學(xué)質(zhì)量和目標(biāo)有很大的幫助，對增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、分析問題能力及解決問題能力等都有很大幫助，既有利于學(xué)習(xí)效果的反映，又有利于教學(xué)的客觀公正。

結(jié)語

針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的“生物醫(yī)學(xué)信號處理”教學(xué)和考核模式中存在培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力的問題，本文從教學(xué)改革與實踐方面進(jìn)行探討。通過教學(xué)改革模式，優(yōu)化實驗教學(xué)方法，改革課程考核方法，提升了學(xué)生在知識、能力和素養(yǎng)目標(biāo)中的達(dá)成度，學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識和技術(shù)解決生物醫(yī)學(xué)信號處理中的復(fù)雜實際問題。本課程改革取得了良好的教學(xué)效果，建立了新的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，并在實踐中不斷完善，對學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到了重要作用。培養(yǎng)學(xué)生如何應(yīng)用信號處理理論與技術(shù)去解決具體的生物醫(yī)學(xué)問題，掌握生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)最新發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)的興趣和愛好，激發(fā)學(xué)生為人民健康、民族昌盛和祖國富強(qiáng)貢獻(xiàn)自己的才華和智慧。教學(xué)改革和實踐為培養(yǎng)高素質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)復(fù)合型人才奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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Reform and Practice of Biomedical Signal Processing Teaching Mode

ZHU Qiao-qiao， ZHOU Lu， LI Wei-tao， GAO Fan

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 211106， China）

Abstract： As an important basic course in biomedical engineering， “Biomedical Signal Processing” cultivates students ability to apply signal processing theory and technology to solve specific biomedical problems. However， there are problems with the current teaching mode of the “Biomedical Signal Processing” course， which leads to the unsatisfactory teaching effect of the course. This paper addresses the problems in the teaching of “biomedical signal processing”， and carries out reform and exploration of the teaching mode. By reforming the teaching mode， optimizing the experimental teaching methods and reforming the assessment methods， the initiative and participation of students learning are improved， and the focus is on cultivating professional talents with solid theoretical knowledge， strong ability to apply knowledge flexibly and comprehensive ability to solve practical problems.

Key words： Biomedical Signal Processing; biomedical engineering; reform of teaching mode; reform of experimental teaching; reform of curriculum approach