新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学探索与实践

卢莉蓉 牛晓东 陈俊梅

摘  要：文章在分析生物医学传感器课程教学的现状与存在问题的基础上，结合新工科人才培养目标，提出基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学方式，改进课程的理论教学内容、实验教学的教学过程与考核方式。教师围绕一些常用非电量的测量来设计理论教学内容;教师以EIP-CDIO模式来组织实验教学，在整个教学过程中训练学生处处以EIP要求自己;教学中采用过程性评价和终结性评价相结合的方法对学生进行考核，实验考核内容涉及EIP-CDIO的每一个方面。通过教学改革实践表明学生学习的自主能力、实践能力、创新能力与职业素养都得到显著提高。

关键词：新工科;EIP-CDIO;生物医学传感器;课程教学

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）20-0112-04

Abstract： Based on the analysis of the current situation and problems of the teaching of biomedical sensor course， combined with the training objectives of new engineering talents， this paper proposes a teaching method of biomedical sensor based on EIP-CDIO mode， which improves the teaching content of the course， the teaching process and the assessment method of experimental teaching. Teachers design the teaching content of theory around some commonly used non electric quantity measurement; teachers organize experimental teaching in EIP-CDIO mode， and train students to ask themselves by EIP in the whole teaching process; the teaching method of process evaluation and final evaluation is used to evaluate the students. The experimental assessment content involves every aspect of EIP-CDIO. Through the practice of teaching reform， it shows that students' autonomous ability， practical ability， innovation ability and professional quality have been improved significantly.

Keywords： new Engineering; EIP-CDIO; biomedical sensors; course teaching

新工科是我國基于国际与国内形势而提出工程教育改革方向[1-2]。它是以立德树人为引领，目标为培养具备更强实践能力、创新创业能力、跨界整合能力的工程科技人才[3-5]。

长治医学院生物医学工程专业包括医疗设备管理维护、医学物理、康复器械工程三个学科方向，面向这三个学科方向开设的生物医学传感器课程是一门专业基础课。近年来，本课程组一直致力于生物医学传感器课程的教学改革，2014年申请并建设了校级的生物医学传感器精品资源共享课，实现了课程资源上网;2017年申请并建设了校级生物医学传感器混合式教学课程;2018年申请了校级教学改革创新项目“以学生为中心的生物医学传感器混合式教学平台的建设与实践”等。经过这几年的研究与实践，改革取得了一些成效，但本课程的教学中仍存在一些弊端：教学内容相对社会和产业需求滞后;实验教学方式单一陈旧，教学效果较差;课程成绩考核方式有待改进，实验课仍以签到和实验报告等对学生进行“大体”评价，忽视了对学生实践能力的考核，造成学生实践能力目标未能达成;学生的职业道德、团队意识、责任感等职业素养不足，不符合现代企业的用人标准。现阶段的课程教学已不能满足新工科的人才培养需求，因此在此背景下对生物医学传感器课程教学进行改革具有较强的理论价值与现实意义。

鉴于生物医学传感器课程的重要性，国内很多院校对生物医学传感器的教学进行了改革。首都医科大学生物医学工程学院刘加峰等教师实施了“PBL教学方法在医用传感器课程中的应用”，认为PBL教学方法比传统教学方法提高了学生学习的主动性[6]。首都医科大学生物医学工程学院段元民等教师在生物医学传感器的教学中引入了第二课堂实践活动，该方法的实施培养了学生的自主学习能力、实践能力和创新能力[7]。除此之外，国内还有多所院校均对生物医学传感器课程的教学进行了改革，如网络课程建设[8]、层次化实践教学[9]等。近年来，国外各发达国家也在积极对工程教育模式进行改革。2004年，麻省理工学院等著名大学提出了CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate， 简称CDIO）教育模式，CDIO即构思、设计、实施与运行。CDIO教学模式就是在教学中以学生为主体参与到产品从构思到运行的整个过程[10-11]。国内外所进行的各种CDIO教学改革在一定程度上提高了学生学习的自主能力、实践能力与创新能力，但由于各种原因，学生的诚信、道德与团队意识等职业素养较为匮乏，已经不能满足新工科对人才培养目标所提出的要求。基于此，我国汕头大学提出了将职业道德、诚信、职业素质（Ethics，Integrity，Professionalisme，简称EIP）与CDIO有机结合，即EIP-CDIO教学模式[12]。

本文就是在新工科建设的理念指导下，利用EIP-CDIO教学模式对生物医学传感器课程教学进行探索与实践，改进课程内容与考核方式，从而提高学生学习的自主能力、实践能力与创新能力，培养有道德、讲诚信、具有良好职业素质的工程科技人才。

一、新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学改革措施

新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学改革主要是从改进理论教学内容、改进课程实验教学的教学过程与改进课程实验教学的考核方式三方面进行的。

（一）改进理论教学内容

传统的课程理论教学是首先将传感器按照工作原理进行分类，然后针对不同原理的传感器从其工作原理、测量电路与典型应用等方面进行教学。这些教学内容的选择将知识从整个工程的流程中割裂出来，而没有从实际工程中整个业务流程的角度对教学内容进行处理和组织。改革后，课程组就是围绕一些常用非电量的测量来设计教学项目，主要包括：温度、压力、位移、厚度、速度与加速度的测量等。这样当学生在实际中遇到问题时（需要对某些参量进行测量时），可以迅速進行传感器的选择，毕业后也可快速胜任岗位需求。理论教学内容的改进也为EIP-CDIO教学模式的开展奠定了良好的理论基础。

（二）改进课程实验教学的教学过程

实验教学模块是整个课程的重点，课程组就是在实验教学中采用EIP-CDIO模式。教学分为教师的教与学生的学，教师的教采用项目化教学，学生的学采用小组学习。具体过程如下。

第一阶段：布置任务

教师模拟实际工程项目为学生布置任务。要求学生设计并制作一传感器电子产品，此产品需利用传感器元件来实现某些功能。这些功能可以是实现对温度、脉搏、血压等物理量的测量。教师对传感器电子产品需要使用的元器件与达成的指标提出具体要求。

第二阶段：构思（C）

学生对教师所布置的任务进行构思，每3人自由组成项目小组并完成设计。项目小组根据成员的特点进行分工并模拟实际工程中项目经理、硬件工程师和软件工程师的角色。项目经理需对项目的整体做把控，硬件工程师偏重硬件设计，软件工程师偏重软件的设计。

第三阶段：设计（D）

以小组为单位进行产品的设计并确定产品的最终方案。在设计的过程中，3位成员之间的工作并不是完全割离的，而是互助互利的。比如硬件工程师在对产品硬件部分进行设计时，项目经理与软件工程师需要对自己的需求提出诉求并评估硬件部分设计方案的可行性。

第四阶段：实施（I）

制作产品线路板、焊接装配产品、软件编程与产品调试。在此步骤中，硬件工程师需要制作产品线路板、焊接装配产品并进行硬件调试。制作产品线路板即设计PCB并制作PCB板。软件工程师需要进行软件编程并进行软件调试。最后小组再进行软件、硬件联调。

第五阶段：运行（O）

产品现场演示与维护，小组汇报。首先由项目经理对产品的整体设计、实现以及优势进行介绍;然后小组成员对产品进行现场演示与维护;最后课题组老师与同学针对产品进行提问，小组成员回答，以此来模拟与客户的服务与沟通。

教师以EIP-CDIO模式来组织实验教学，在整个教学过程中训练学生处处以EIP要求自己，主要体现在以下几个方面。

（1）教学中始终对学生强调作品的原创性，一旦出现抄袭等现象，将对其作品进行一票否决，培养学生做有道德、讲诚信的人。

（2）学生通过团队合作、小组分工、资源共享来集体面对、克服困难，锻炼了学生解决问题、独立思考的能力，加强对学生实践能力、创新能力、交流沟通能力和团队合作能力等职业能力培养。

（3）运行阶段要求学生制作PPT对产品进行介绍并回答教师提问，加强对学生交流沟通能力和团队合作能力等职业能力培养。

采用EIP-CDIO模式开展实验教学的教学过程如图1所示。

（三）改进课程实验教学的考核方式

本课程理论考核方式将继续沿用混合式教学课程的考核方式，即最终成绩=平时成绩（60%）+期末闭卷考试成绩（40%）。实验考核内容涉及EIP-CDIO的每一个方面，教学中采用过程性评价和终结性评价相结合的方法对学生进行考核，由个人自我评价、组内互评、他组评价、教师评价综合评分。考核内容包括实验过程考核、实验产品验收考核、职业素养考核和论文考核四方面。

（1）实验过程考核成绩，占总成绩的20%。主要从电路原理图的设计、PCB图的制作、焊接装配产品的规范性、小组讨论记录四方面进行考核。

（2）实验产品验收考核成绩，占总成绩的40%。主要从选题的难易度、产品质量、汇报答辩三方面进行考核。

（3）职业素养考核成绩，占总成绩的20%。主要从道德、诚信、学习态度、交流沟通能力、团队合作能力五方面进行考核。

（4）论文考核成绩，占总成绩的20%。主要从方案设计与论证、电路图与设计文件、测试方法、结果及分析、报告的完整与工整性五方面进行考核。

二、教学改革效果

通过对学生的问卷调查和实习单位的反馈，新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学改革取得了良好的效果，主要体现在：

（1）学生学习自主性得到了提高。在教学中，学生需要通过查阅资料、小组讨论、动手实践自主解决问题。

（2）学生的实践能力得到了提高。在新的教学模式下，构思、设计、实施与运行的每一步骤都需要学生亲自动手实践，这使得学生的实践能力得到了很大提高。

（3）学生的创新能力得到了提高。在新的教学模式下，教师并不提供具体的方案，每组的设计方案需要通过查阅资料与小组讨论自主确定，这给了学生很大的思考空间，使得学生的创新能力得到了很大提高。在教师团队的指导下，学生累计完成实物制作与项目设计报告400余项。在此基础上，选拔项目设计优秀学生组织申请高等学校大学生创新创业训练项目，参加全国大学生生物医学工程创新设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛与山西省“互联网+”大学生创新创业大赛等科技竞赛。自2018年至今，教师团队指导参加过课程学习的本科生获得各级高等学校大学生创新创业训练项目14项，其中国家级4项。获得省级以上科技竞赛奖励36项。这也从侧面反映学生的实践能力与创新能力得到了很大提高。

（4）学生的道德意识与诚信意识得到了明显增强。教师以EIP-CDIO模式来组织实验教学，在整个教学过程中训练学生处处以EIP要求自己，比如教学中始终对学生强调作品的原创性，一旦出现抄袭等现象，将对其作品进行一票否决，培养学生做有道德、讲诚信的人。

（5）学生的职业素养得到了提高。学生通过小组分工、团队合作共同完成作品的设计与制作，运行阶段要求学生制作PPT对产品进行介绍并回答教师提问，学生的交流沟通能力和团队合作能力等职业素养得到了提高。

三、结束语

新工科背景下，将EIP-CDIO模式引入生物医学传感器课程教学改革中，就是将职业道德、诚信、职业素质与构思、设计、实现、运作的有机融合，改进理论教学内容、课程实验教学的教学过程与课程实验教学的考核方式。通过基于EIP-CDIO模式的生物医学传感器课程教学改革实践证明：将EIP-CDIO模式引入生物医学传感器课程教学改革中，可有效提高学生学习自主能力、实践能力和创新能力，同时学生的道德意识、誠信意识与职业素养都得到了明显增强。

参考文献：

[1]顾佩华.新工科与新范式：实践探索和思考[J].高等工程教育研究，2020（4）：1-19.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]林健.新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版[J].高等工程教育研究，2017（3）：7-14.

[4]徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017（6）：6-10.

[5]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[6]刘加峰，薄雪峰，陶蔷，等.PBL教学方法在《医用传感器》课程中的应用[J].北京生物医学工程，2015，34（6）：630-632.

[7]段元民，袁陈安，宇袁，等.浅谈《医用传感器》课程第二课堂实践活动[J].医学信息，2015，28（17）：7-8.

[8]陆慧琴，沈晓燕.基于Blackboard平台的生物医学传感器网络课程建设探索[J].中国教育技术装备，2018（2）：50-52.

[9]周静，吴凯.医学传感器课程的教学改革探索[J].医疗卫生装备，2018，39（1）：91-93+103.

[10]顾佩华，胡文龙，陆小华，等.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

[1]杨素敏，陈静，谢志英，等.基于CDIO的“计算机硬件技术基础”课程教学进程设计[J].电气电子教学学报，2019，41（4）：73-75+85.

[12]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.