“医学电子仪器原理与设计”实验教学改革的探索

陆慧琴 周晶 沈晓燕

【摘要】介绍了南通大学生物医学工程专业“医学电子仪器原理与设计”实验教学的开展情况，讨论了如何结合生物医学工程学科的特点及医学电子仪器快速的技术发展状况，以培养学生实践动手能力、全面提升综合素质，提高教学质量为教学目的，在教学内容、教学方法等方面对“医学电子仪器原理与设计”实验教学进行改革的探索。

【关键词】医学电子仪器 生物医学工程 教学改革

【基金项目】南通大学教学研究项目（2013B031、2011B38），江苏省现代教育技术研究立项课题（2013-R-24812），江苏省高等教育教学改革课题（2013JSJG232）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）12-0202-02

生物医学工程是生物医学电子学、生物化学、生物材料、人工器官、生物医学信号处理、医学成像等多个领域交叉结合而形成的一门边缘性学科，是现代工程技术向生物、医学渗透并相互作用的必然结果。生物医学工程主要是应用工程技术的手段，研究和解决人类疾病诊断、预防、监护、治疗、康复等方面的问题，并为医学提供高技术含量的现代医疗仪器设备。生物医学工程专业培养的主要是复合型的工程人才，强调培养学生自主学习能力，实践动手能力和创新能力。因此，在人才培养训练中必须重视实践教学环节，引导学生在实践训练中主动学习，培养较强的观察能力，分析、解决问题的能力，全面提升综合素质。

“医学电子仪器原理与设计”是生物医学工程专业本科生的一门核心的专业技术课程，内容涉及到电路、电子技术、计算机原理、单片机、生理学、医学传感器、信号与图像处理等相关课程，具有知识面广、难度大、综合性强的特点。在实验教学过程中，如何结合专业特点以及课程本身的发展现状，将医学电子仪器的原理与设计方法系统地呈现给学生，在实践训练中培养学生的创新意识和科研能力，是我们任课教师经常思考的问题，也是迫切需要解决的问题。

一、南通大学“医学电子仪器原理与设计”实验教学的现状

南通大学于2010年起开始招收并承担工程类生物医学工程专业本科学生的教育任务，由于专业成立的时间不长，专业的教学体系也不很成熟、不很完善，尚缺乏足够的教学经验。在生物医学工程专业“医学电子仪器原理与设计”实验教学方面，目前主要以验证性实验的开设为主，注重培养学生的以下能力：（1）进一步巩固医学电子仪器原理的理论基础知识，熟悉各种常用医学电子仪器的性能特点并对电路进行分析的能力；（2）常见生理参数检测电路以及常规医学传感器的使用和调试能力；（3）利用所学的理论知识，设计简单的生理参数检测电路，掌握实验方法，提高实验分析能力和排除故障的能力；（4）实验结果分析、总结和撰写实验报告的能力。

“医学电子仪器原理与设计”实验共16学时的教学时间，是在理论课后开设的实践环节，实验方式为一人一组，独立完成要求的实验。实验内容的安排是四个具体实验，分别是：（1）常用医学电子仪器工作原理及使用，主要了解脑电图仪、肌电图仪、数字超声诊断仪、监护仪等常用大型医疗检测仪器的组成原理及性能指标，学习常用医学仪器设备的使用方法；（2）血压计的工作原理与实践，要求学生掌握血压直接测量法-导管术和几种血压间接测量方法及工作原理；（3）心电导联及心电图机使用，熟悉心电图导联及其电极连接方式，对ECG-6511型心电图机的电路原理进行分析；（4）生物电放大器前置级的设计，了解设计过程中器件的选择、电阻的匹配、前置级增益及增益分配，放大器总的噪声系数。通过上述实验，学生对于医学电子仪器的基本原理、结构、电路的理解得到了加深，巩固了理论教学内容，也提高了分析问题、解决问题的能力。但由于实验以验证性实验为主，学生在电路设计和调试方法方面的了解较少，这在一定程度上限制了学生实践动手能力和创新思维能力的培养。

二、教学内容的优化

实验教学是“医学电子仪器原理与设计”课程教学中非常重要的环节，通过对常见医学电子仪器中典型电路、信号检测的分析、处理和设计，全面提高学生的动手能力和综合分析解决问题的能力。鉴于实验开展的重要性，我们对实验内容的优化进行了探索。

“医学电子仪器原理与设计”实验的开设，必须与专业教学密切相关，配合专业发展并能够适应专业的发展。而随着电子技术和计算机技术、信号与图像处理技术等的迅速发展，医学电子仪器更新换代也逐步加快，各种智能化、多功能化的仪器不断问世，目前的教学内容已不能完全满足当前技术发展的需要。在实验内容方面，原有的实验题目仅有四个，内容较少，且多为验证性实验。为激发学生的主动学习兴趣，可以结合生物医学工程的专业特点拓展题目范围，改变单一的按照实验指导书做实验的模式，增加设计性实验和综合性实验。例如：（1）进行人体脉搏测量系统的设计实验，引导学生掌握数字电路系统进行电路设计的方法；（2）进行心电放大电路的设计，使学生了解高共模抑制比、高输入阻抗差动运算放大器的主要技术指标，通过仿真调试电路，分析改变电路中某些参数对共模抑制比的影响；（3）进行多功能脉冲理疗仪制作的综合性实验，通过分析电路原理，制作理疗仪的电路板、调试电路并在示波器上显示，熟悉医学电子仪器设计的整个流程。由于这些实验的实用性较强，能充分调动学生的学习积极性。

但由于课时有限，所有实验题目不可能全部完成，可以按照课程需要，将题目分为必做和选做两类。对于基础性、验证性的实验，可设为必做题目，要求所有学生都必须完成；而对于设计性、综合性较强的题目，可设为选做，学生可从中选取一到两个题目，深入的开展实践研究。这样不仅保证学生能掌握基础的实验方法和技术，也将极大的锻炼学生的电路设计，分析问题、解决问题的能力。

三、教学方法的改革

（一）优化实验环境，改进实验手段

实验教学手段和实验环境、设备的相对落后将在一定程度上制约实验教学的质量，为提高实验教学质量，必须积极优化教学环境，改善实验方法。作为任课教师，应积极关注计算机技术、通信技术和电子仪器技术发展的时代背景，把先进的知识引入到“医学电子仪器原理与设计”实验教学的环节中来，使学生把握电子仪器技术领域国际国内最新发展动态和研究方向，开拓学生的视野。我校生物医学工程专业在“医学电子仪器原理与设计”实验教学中引入了美国国家仪器公司（NI，National Instrument）生物医电教学平台，它是一个将硬件和软件组合成一体的完整的虚拟仪器实验教学套件，主要包括数据采集硬件和LabVIEW虚拟仪器软件。该平台集成了多个实验室常有的通用仪器的功能，包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特分析仪等，实现了教学仪器、数据采集和实验设計一体化，可以进行电子线路设计、信号处理及系统分析与设计。NI还提供了一套生物医电教学传感器套件，包含7种传感器用于生物医电教学实验设备，有：血压传感器、手持式心率计传感器、心电图传感器、氧气气体传感器、肺活量传感器、体表温度传感器和握力传感器，帮助学生方便的认识、采集和处理生物信号，有效的掌握生物医电教学中的知识信息。

（二）开展多样化的分组模式

在实验教学过程中，可以按照原有的教学方式，一人一组独立完成规定的实验内容。但在某些设计性、综合性较强的题目上也可以开展多人一组的小组学习模式，一个小组一般由3到5人组成，在实验过程中共同讨论，互帮互学，既有分工，又有合作，一起设计电路方案，制定电路和元器件选定，进行电路实现和调试，这样可以充分调动每位学生参与设计的积极性，培养学生的动手能力和团结协作的精神。实验完毕后，要求每位学生及时总结设计和实验过程中的出现的问题、解决方法和设计体会，并每人提交一份实验报告，在报告中除了写清整个设计的实验流程，还要求重点突出自己承担的实验部分。

（三）采用多媒体教学

可针对实验内容开发“医学电子仪器原理与设计”实验教学的电子教案，并根据需要录制实验的教学视频，在实验前利用网络条件将电子教案及教学视频等资源上网，学生可以在校园网上提前下载教学资源加以预习，观看教师的讲解和演示。这样可以充分发挥学生的学习主动性，提高教学质量和教学效率，也解决了课时紧张与教学内容多、难度大、更新快的矛盾。

（四）改革考核方式，增强考核灵活性

对学生实验实施成绩考核，是对实验教学成效的基本认定，同时也是调动学生积极性的重要手段。考核不单单是实验报告的书面成绩考核，更是理论与技能的综合考评。因此，指导老师必须全面了解学生在整个实验过程中的表现，要随时掌握学生的实践情况，在记录学生平时成绩时，不单纯看其实验结果，还要注重督导基本操作技能，鼓励他们多思考，多总结。在实验过程中增加与学生的互动交流，全面了解学生的综合能力。

为了全面评价学习效果，我们可建立实验报告成绩权重为60%，实验过程及日常素质表现权重为40%的成绩评定体系，不仅考查知识的掌握，也考查能力和综合素质，使考核真正成为检测和促进教与学的有效手段。

四、结语

生物医学工程专业的特点是多学科交叉，医工结合，工程性和实践性很强，要求所培养的学生具备比较强的实践能力和创新能力。

“医学电子仪器原理与设计”是我校生物医学工程专业的一门核心专业课，其内容抽象复杂、实践性也很强。高质量的实验教学对学生掌握医学电子仪器的原理、结构和设计原则，科研能力的培养和综合素质的提高都有着重要的作用。随着科学研究的發展和教学条件的改善，我们将不断地改进课程的实验教学，提高教学质量，为学生打下良好的专业基础，从而培养出理论基础扎实、实际工作能力也强的高素质生物医学工程专业人才。

参考文献：

[1]卢文婷.生物医学工程概论.课程设置与教学初探[J].中国科技信息，2011.

[2]宁旭，金贵，许佳等.生物医学工程专业电子信息类课程实践教学体系的探索[J].现代医药卫生，2011，27.

作者简介：

陆慧琴（1982-），女，江苏吴江人，讲师，研究方向：生物电子学方面的教学和研究工作。