生物医学工程专业实验教学改革探讨

刘敬华，任朝晖，全海英，邓军民

首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069



生物医学工程专业实验教学改革探讨

刘敬华，任朝晖，全海英，邓军民

首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069

实验教学改革是当前高校教育教学改革的一个重要组成部分。根据首都医科大学生物医学工程专业的特色和优势，对专业实验课程教学模式改革和实验室建设进行了分析，并提出了实验教学模式优化、专业实验室及人员建设等方面的改革措施。

实验教学；教学改革；生物医学工程

生物医学工程学是理工类和生物医学类相结合的学科。它运用自然科学和工程技术的原理与方法，研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的材料、制品、装置和系统。其根本任务在于保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。生物医学工程专业是目前国际上发展极为迅速的交叉学科和边缘学科［1-3］。

我国自上个世纪70年代开办生物医学工程专业教育以来，为该领域培养了大批的优秀人才。40多年来不断改革人才培养模式及培养方案，培养目标也从最初的解决临床工程急需的技术人员到现在培养生物医学工程高端研发人才、生物医学工程企业高级管理人才及临床工程高级技术人才。首都医科大学是全国最早开展生物医学工程专业教育与研究的高校之一，专业具有“理工科学与生物医学紧密结合、基础研究与临床实践紧密结合”的特色和发展优势。其生工专业本科教育培养目标比较具体，主要是培养学生能够从事医学领域中医学仪器、医学影像技术和电子计算机的开发、使用、指导、培训及管理工作；能够和医护人员合作或独立开展医学和生物医学工程学科的研究，等。

随着科学技术的发展及市场需求水平的不断提高，培养学生综合素质和创新能力越来越重要。生物医学工程本科教育的实验教学不仅是培养学生形成良好的科学精神和科学方法等综合素质的重要途径，也是培养学生动手能力和创新思维能力的重要环节。为了调动学生在校期间学习的积极性、主动性和创造性，激发学生科研实践的兴趣，必须重视实验教学环节的锻炼和积累［4-5］。

1　实验教学模式优化

实验教学的作用是以理论授课内容为基础，有针对性、目的性地给学生提供一个实际操作平台，通过整个实验过程，加深学生对知识的理解，使其获得直接感性的认识，并培养和锻炼其动手能力［6］。首都医科大学医学仪器与设备实验室承担的生物医学工程专业的专业实验课程包括电路、电子技术、医用传感器、医学仪器原理、临床工程学、单片机原理与应用、嵌入式原理与应用，等。在传统的实验教学中，一般是由课程梯队的教师根据教学大纲制定实验的目的、内容和步骤。实验教学内容多是将课堂内容搬到实验室，要求学生在规定的时间内进行演示或验证性的操作。在这种实验教学模式下，学生课上独立思考的时间很少，只能机械地按照实验指导书的步骤完成实验，有的甚至不能在规定的时间内完成实验任务，以至很难达到培养学生综合创新能力的目的，教学质量难以提高。

为了克服传统实验教学中的弊端，我们对实验教学模式进行了改革。在实验教学内容上，剔除陈旧的部分，增加当前发展前沿；在开设的实验项目上，适当增加开放性、创新性、综合性实验的比例；在实验教学方法上，充分发挥学生的主观能动性，让他们以个人或小组协作的方式，进行实验设计、实验设备操作、实验数据统计与分析，并完成实验报告，总结实验中出现的问题及解决办法。力争使学生在大学4年期间能够不间断地参与基础验证型、综合型、设计和创新型等各种层次的实验项目。

近几年，我们还尝试逐步将部分专业课程实验室实行部分或全部开放，根据教师科研项目以及各类学科竞赛活动的需要，以第二课堂、学生科技活动、毕业设计和开放性、综合设计型实验的形式，供学有余力又有兴趣的学生完成。学生可以根据实验要求，自主确定实验时间和实验内容，控制实验进度。但是，自主不等于随意，开放不等于放任，实验项目的进行过程中，绝对不能忽视教师的跟踪指导。因为，学生的学习水平和能力毕竟有限，如果一次次精心准备的“天马行空”设计总是不成功，会让他们产生挫败感和自卑心理。所以始终应把教师的主导作用放在重要位置，适时地给予学生理论上的指导和建议，让他们“有理可依”地自主实验和设计，增强学生进一步学习的自信心和决心。针对学生特点，有的放矢地推进实验室开放，对培养学生的创新思想和创新能力起到了推动作用。

2　专业实验室建设

实验室是高等院校人才培养的重要基地。实验室建设水平不仅能体现出院校的办学指导思想，还能反映出院校整体的教学质量以及综合管理水平［7］。为了适应教学改革的不断深化，让有限的实验室资源得到充分利用，根据首都医科大学生物医学工程专业自身特点，医学仪器与设备实验室的建设也在不断加强。

2.1硬件建设

硬件建设是实验室运行的前提条件。近些年，为了配合实验教学改革，保障综合性、设计性、创新性实验项目的开设，我们实验室对电路、电子技术、单片机、嵌入式课程的实验系统进行了更换，逐步更换了那些只能进行验证性、基础性实验的实验箱。以嵌入式课程为例，实验室淘汰了WinCE系统实验箱，购置了“基于arm 9、能够进行Linux和Android系统底层和应用层开发”的新实验箱。Linux和Android系统是当前嵌入式发展的主流，特别是后者，其涉及的智能手机领域与学生的日常生活非常贴近，实验过程犹如让他们设置和开发自己的手机。毫无疑问，它将会充分调动学生的主观能动性和学习兴趣，达到满意的教学效果。由于嵌入式系统是一门综合性强、技术发展快的前沿性、交叉性学科，针对其软、硬件发展都很迅速的特点，我们还特别对嵌入式实验室进行了网络化建设和管理，购置服务器和交换机等设备，组建了小型局域网，使得资源共享、软件安装、升级和维护都变得非常方便。

除了更换专业课程所需要的实验平台以外，还对实验相关的其他测量仪器设备，如示波器、信号发生器、电源、电压表、电流表，等，也都进行了更新换代，以确保各个层次的实验项目都可以有效、顺利地开展。

另外，实验室还购置了美国NI公司的教学实验虚拟仪器套件“NIELVIS”。该套件由基于LabView的虚拟仪器组成，是一套多功能数据采集设备与一个用户自定义的工作台。在一个平台中包括12款最常用的仪器组合，包括示波器、数字万用表（DMM）、函数发生器、可调数字电源、动态信号分析器（DSA）、波特分析器、2线/3线电流—电压分析器、任意波形发生器、数字读写及阻抗分析器。这种紧凑且功能强大的仪器为我们专业实验室的开放实验节省了成本，包括减少实验室空间及降低维护成本。NIELVIS仪器均由LabVIEW图形化系统设计语言设计，参与开放实验的学生可以根据需要对器件进行灵活地自定义，比他们操作实际的测量设备要快捷、方便很多。

2.2应用软件建设

2.2.1实验环境（electronic design automation，EDA）

即使在实验室硬件设施较完善的情况下，某些预期的实验项目开展起来也存在一定的困难［8］。比如电子技术课程的设计性实验，电路大概需要几种甚至十几种电子元器件，而学生在完成整个设计的过程中，使用的器件又各不相同，这就会给实验的准备工作带来极大困难。但是如果限定学生使用器件范围和设计电路的结构，又不利于他们的创造性发挥。所以，电子设计自动化（即EDA平台）在生物医学工程的专业实验室中是必不可少的。计算机上安装用于电路设计和仿真的EDA工具软件Multisim，学生不仅可以将自己设计的电路通过软件以虚拟的形式反映在计算机屏幕上，运用Multisim提供的各种操作命令和元件箱、仪器库，进行电路的仿真和调试，并且可以与ELVIS平台完美结合。仿真成功以后再进行实际电路的搭建，这样既能够培养学生的动手能力，又可以有效提高实验效率、减少人力和物力的双重浪费。

2.2.2单片机虚拟实验环境 “单片机原理与应用”是针对首都医科大学生物医学工程专业大三学生所开设的一门专业课。为了克服使用单片机实验箱教学中，学生很难体会电路设计和电路实际运行状态的弊端，我们实验室建立了Proteus和Keil软件联合的虚拟实验环境。Proteus是英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件，是目前世界上最先进、最完整的多种型号微控制器系统的设计与仿真平台，它能够实现单片机代码级调试与仿真［9］。Keil是德国开发的51单片机开发软件平台，支持汇编和C语言。学生可以在Proteus上完成单片机硬件电路设计；在Keil软件上进行编程，最后将二者联合起来进行调试。这种方式提高了学生对知识的运用能力。

2.2.3嵌入式实验环境 与嵌入式实验箱配套的软件开发环境是在Ubuntu 12.04 LTS64-bit操作系统的基础上搭建的。其内安装了编译调试Bootloader、Linux内核、Android系统所需要的工具和依赖的库，使用VMware Player作为虚拟机工具软件。整个环境构建在DELL主机的Windows XP操作系统之上，具有良好的实用性和稳定性。

2.3人员建设

实验室整体水平与实验室人员队伍的状况是密切相关的。一支素质好、业务精，并相对稳定、结构合理的实验人员队伍对于高校专业教学和科研水平提高都是非常重要的［10］。首都医科大学医学仪器与设备实验室现有专业实验教学副教授3人，技术人员4人，具有硕士以上学历的人员占71.5%。实验室具有规范的人员管理制度及合理的绩效考核方法。近些年，为了提高实验教师和技术人员的专业素质和实验技能，实验室不仅与企业合作，举办各种专业培训，如嵌入式培训、ELVIS培训、在系统可编程培训，等，还鼓励大家走出校门，开拓眼界，参与高质量的相关培训和会议。实验室教师也都结合自己专业特长和工作特点，积极主持和参与科学研究、教学改革工作，加强和提升自身的科研能力和实验创新水平。

通过对生物医学工程专业实验教学模式的改革优化，以及对专业实验室资源和人员建设，实验的内容和项目设置也越来越合理，实验课程的进行也越来越顺畅，为培养综合型人才起到了积极的推动作用。

［1］董秀珍，邹慧玲，杨国胜.我国生物医学工程学教育有关问题的探讨［J］.中国高等医学教育，2002（5）：6-9

［2］宫照军，顾宁，梅汉成.中美生物医学工程专业本科教育的比较与启示［J］.现代教育科学，2011（5）：132-136

［3］朱翠玲.现代生物医学工程［M］.北京：中国科学技术出版社，1992：12

［4］顾佳辉.关于生命科学本科实验教学改革的思考［J］.江苏高教，2006（1）：155

［5］李天钢，马春排，李自毅.生物医学工程创新实验室建设和实践教学改革［J］.实验室研究与探索，2008，27（7）：21-22

［6］赖晓晨，刘文杰.高校嵌入式实验室建设探索［J］.实验室研究与探索，2007，26（6）：52-54

［7］黄跃才.开放式实验室建设与管理研究［J］.中国现代教育装备，2008（3）：13-14

［8］何晓利，张利，江兰，等.论高校实验室软件建设［J］.实验室建设与管理，2007，5（2）：115-116

［9］张靖武，周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真［M］.北京：电子工业出版社，2007：4

［10］李林法.加强实验技术人员的队伍建设［J］.实验技术与管理，2004，21（14）：122-125

Reform of experiment teaching of biomedical engineering

Liu Jinghua，Ren Zhaohui，Quan Haiying，Deng Junmin
Biomedical Engineering School，Capital Medical University，Beijing 100069，China

Experiment teaching reform is an important part of teaching reform of higher education at present.According to the characteristics and advantages of biomedical engineering specialty in Capital Medical University，we analyzed the reform in teaching model of specialized experiment courses and the construction of specialized laboratories.This paper proposes reformingmeasures to optimize themodel of experiment teaching and construct specialized laboratories and train staffmembers.

experiment teaching；teaching reform；biomedical engineering

G642.0

A

1004-5287（2016）03-0356-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603035