《医学信号处理》课程教学探索与改进

黄丹，杜玲艳，曾伟，文宇桥，丁菊容

（四川轻化工大学 自动化与信息技术学院生物医学工程系，四川 宜宾）

一 引言

利用现代科学技术的理论及方法，研究新的材料和技术，发明新的仪器设备，应用于疾病的预防、诊断、治疗和康复，以保障人们的身体健康，就形成了生物医学工程（Biomedical engineering, BME）这门由生物、医学和工科等多学科高度综合的交叉前沿科学。上世纪20世纪50年代，生物医学工程就作为一门新的学科在国际上出现。自1978年我国将生物医学工程确定为独立的学科并制定了相应的学科发展规划后，这个学科得到了日新月异的发展。据不完全统计，国内目前总共约127所学校开设了生物医学工程专业。可见这个电子、医学、计算机交叉的新兴专业得到了人们的广泛认可与重视，社会对此领域人才具有强烈的需求。社会的发展和科技的进步也对高校生物医学工程专业学生的培养提出了更高的要求，也带来了新的挑战[1-2]。

在各高校生物医学工程专业的培养方案中，《医学信号处理》都是一门不可或缺的核心专业课。其课程大都安排在大三下学期或者大四上学期，其教学内容包括生物医学信号的特点、检测方法及数学描述，生物医学信号处理系统的设计、数学描述及系统输入信号与输出信号之间的关系。学生通过此课程的学习要掌握处理生物医学信号的基本原理和方法，了解当前此领域的前沿技术和发展趋势，并且具备获取、处理和分析常见生理信号（如脑电、心电信号）的能力。《医学信号处理》这门课程在高校生物医学工程专业整个培养体系中占据了重要的一环。基于此，深入考察其课程特征并在其特征基础上探究适合此课程的教学模式并对传统的教学方法进行改革就是大势所趋，也是教授这门课程的教师思考的重点[3-5]。只有在此基础上改进教学才能提高《医学信号处理》这门课程的教学质量和效果，提升学生学习兴趣，达到培养创新性和实践性人才的目的。

二 《医学信号处理》课程特点

和其他专业课程不同，《医学信号处理》具有其自身的特性，包括综合性强、数学公式和相关推导多且繁杂、课题性与实践性强的特点。下面分别对其特点进行阐述。

《医学信号处理》课程的一个显著特点就是这一门课程的内容涉及到很多其他课程的知识，内容多且较为庞杂（图1）。数学方面就涉及到高等数学、线性代数、随机信号、概率论与数理统计、复变函数等多个学科的知识。信号信息处理方面则必须具有信号与系统、数字信号处理等基本知识。医学方面则需要生理学、医学仪器原理、医学成像原理等相关知识的前期储备。同时课程还需要计算机和编程方面的基础知识，需要学生掌握相关的编程语言（如Matlab）并具有一定的编程能力。这种综合性决定了这门课程安排在大三下学期或者大四上学期其他相关课程完成后的阶段，同时也提升了教师讲授和学生学习这门课程的难度。教师讲授时必须注意学生前期课程的基础情况，学生学习课程的时候也需要充分调动已学过的其他课程的相关知识才能更好地理解本门课程的内容。

图1 《医学信号处理》课程与其他课程之间的关系

《医学信号处理》课程的另外一个特点是课程内容中涉及到大量的数学公式、变量和相关的数学推导，这意味着本课程对数学功底、抽象思维及逻辑推理能力要求较高。例如在维纳滤波、自适应滤波等部分的教学内容中，几十行的数学推导、几十个数学公式、几十个变量的情况并不少见。在这样的情况下，教师如何在有限的教学时间内将公式推导过程讲解清楚，学生如何在课堂上准确理解和掌握这些公式和推导的意义均是不小的挑战。大量的数学公式、变量和数学推导容易使教师和学生出现公式混淆、计算细节错误的情况，也容易使学生产生教学内容枯燥、不容易理解的情绪，直接影响最终的教学效果。

《医学信号处理》课程具有明显的实践性和课题性。其课程内容介绍的是常见生物医学信号如脑电、心电、胃电的检测和处理的基本原则和方法，和现实生活密切相关。这些信号都是学生实际接触和体验过的，并且在实际生活中也非常容易采集，这就使得学生将课本上的理论知识转化为实践来处理现实的生物医学信号非常便利。同时实际的生物医学信号多种多样，不同情况下生物医学信号也会发生改变。这意味着在处理实际生物医学信号的过程中会遇到很多具体的问题，需要根据实际情况选择合适的方法才能解决问题。这些具体的问题和相应解决方案自然地形成了课程中一系列完整的小课题。《医学信号处理》课程的这种实践性和课题性也意味着除了理论知识之外，实践和课题研究部分也是课程的重要构成部分，在课程教学和学习过程中不可忽视。

三 《医学信号处理》教学改进

正是因为《医学信号处理》课程具有上述所列的一系列特点，传统的教师讲、学生听的教学模式并不能满足课程的教学要求，不能取得良好的教学效果。这就需要对课程的教学进行适当的改进。

针对《医学信号处理》课程的内容多，和其他课程关联性强的特点，教授这门课的教师所起的作用非常关键。授课教师需要非常熟悉信号处理的相关课程，要具备较高的数学水平和软件编程能力，即授课教师需要具备多个相关学科的综合知识，这样才能在《医学信号处理》课程教授过程中应付自如。同时授课教师应该多和其他课程的教师交流，对学生各方面的知识基础水平有全面的认识和评估，并根据学生的基础情况对教学方法和教学手段进行适当地调整以匹配所教学生的情况。同时在教学过程中教师要不断提示学生注意课程的内容和他们以前学过其他课程的知识之间的关联，必要时在教学过程中需要穿插介绍其他课程的相关内容，提醒他们对以前学过的其他课程的相关知识进行复习，以更好地理解本课程的内容。

《医学信号处理》课程教学内容中涉及大量数学公式、变量和数学推导，容易让学生产生畏难和枯燥的情绪。不管具体的数学推导有多繁复，其推导过程是具有逻辑性的。不管数学公式和变量有多复杂，其最后说明的结论是清晰简洁的。教师在教学过程中应该抓住数学推导的逻辑性和公式说明的结论的简洁性这两个原则来介绍课程中的数学公式、变量和数学推导部分。这样会使得教学内容条理清晰，更容易被学生理解。同时提醒学生无论数学公式多么复杂，要关注的应该是参数的含义、推导的逻辑过程以及公式说明的结论，并不需要对一些具体的计算细节和推导方法关注过多。这样可以降低学生学习数学公式和数学推导的难度，提高他们课程学习的效率。

《医学信号处理》课程的实践性和课题性使得传统讲授形式的授课方式不能满足需求。而基于问题的学习（Problem based learning），即先进的PBL教学法，其以实际问题为导向，以项目式学习为手段，以学生为中心，非常适合具有实践课和课题性的《医学信号处理》课程的教学[6-8]。PLB教学方法最早起源于20世纪50年代的医学教育，《医学信号处理》课程的PBL教学具体过程主要包括：教师在介绍完相应知识点后提出包含所教知识点的有针对性的开放性的问题；学生对要解决的问题进行思考和集体讨论，即对问题进行界定并探究其可能的假设或解释，在此基础上提出解决问题的方案、界定个人的学习目标；学生根据确定的方案进行信息收集和自主学习；最后通过小组报告和讨论的形式共享学习成果。在整个过程中，学生由学习的被动参与者变成主动实施者，其文献检索、查阅资料的能力、归纳总结、综合理解的能力、逻辑推理、口头表达的能力、团队协作和沟通交流能力等一系列能力均得到了锻炼，同时因为学生在整个过程中是自主学习的，其对理论知识的掌握也会牢固。

还需注意的是随着科技的发展和社会的进步，人们处理生物医学信号的工具和手段也在不断改进。教师在教授《医学信号处理》课程的过程中也要不断将最新的科技文献中的相关知识和当前最前沿的技术介绍加入到教学内容中去，让学生对当前此领域最新的发展状况和最先进的技术有所了解。计算机是当前处理生物医学信号最常用的工具，随着计算机技术的发展，其在生物医学信号处理中所起的作用也越来越重要。教师在《医学信号处理》课程的教授过程中，不仅要介绍相关理论知识例如数学公式、推导等，也要注意介绍如何将这些理论知识变成计算机可执行的程序，将计算机技术融入进去，让学生能够满足这个以计算机技术为支撑的信息化社会的要求[9-11]。

四 教学改进的具体措施及效果

根据前述《医学信号处理》课程的改进思路，我们对此课程的教学团队、教学方法、考核内容和方式进行了调整。

教学团队方面，我们给《医学信号处理》课程的上课教师提出了具体的标准，要求必须具有与这门课程密切相关的其他课程的多年教学经验且教学效果良好。这就保障了这门课程的上课教师的教学水平。同时因为教师本身具有相关课程的教学经验，意味着其对学生的相关课程基础有非常清楚地认识，就能够根据学生的基础采用合适的教学方法完成课程教学。再者，教师所教授课程知识的连贯性也能使其在讲授《医学信号处理》课程时能更好地体现整个生物医学工程专业课程整体性和关联性。

教学方法方面，我们对教学使用的资料包括教案、PPT课件等进行了系统地梳理和改进，删除了较为陈旧的教学内容，添加了最新知识及前沿科技进展的介绍。同时建设好课程网站，不断更新网站上的内容，使得学生能够利用课程网站进行课外的自主学习，加强和教师的互动。我们还收集了大量适用于《医学信号处理》课程教学的科研训练项目课题，让学生完成，以此辅助课程的PBL教学。

考核内容和方式方面，课程的考核除了最后的理论考试成绩之外，我们还重点强调对学生课程项目课题完成情况的考核，考核学生综合应用所学的知识解决一个实际问题的能力，考核方式包括完成符合内容和格式要求的报告并在课堂展示其取得的成果。这样就避免了仅仅以期末考试和所取得的成绩来考核和评定学生。

通过这一系列的具体措施， 我们《医学信号处理》课程的教学质量得到了明显的提升。学生理论学得更扎实，期末考试成绩更高。学生平时上课的积极性和课程参与度都有显著提高。这说明我们的课程教学的改进思路和具体的改进措施是行之有效的。

五 结语

《医学信号处理》课程对高校生物医学工程专业的学生而言是一门非常重要的专业课程。根据多年从事该课程教学的经验，我们总结出此课程交叉性强和内容多、数学公式和推导多、实践性和课题性强的特点，以及这些特点会对课程教学和学习造成的影响。根据课程自身的特点，我们提出了相应的教学改进方案。课程交叉性强和内容多，在教学中要强调本课程和其他课程的关联并根据学生具体情况补充讲解其他课程相关的知识点。数学公式和推导多，教学中要强调内部逻辑性和结论的简洁性，不要求学生耗费精力于具体的计算细节。在课程教学过程中使用PBL教学法使学生用课题研究的方式自主学习以满足《医学信号处理》课程在实践性和课题性方面的要求。同时，教师也要把最新的科技和计算机技术融合在教课内容当中以适应社会的发展。通过这样的方式，提高学生自主学习和实践创新的能力，使学生的综合素质得到提高，满足社会对相关领域人才的需求。