基于OBE理念的医学院校生物医学工程专业信号与系统课程改革

许佳　　王凤　　宁旭　　徐林　　陈明生

［摘 要］为满足新形势下医学院校生物医学工程专业应用型人才的培养需求，课题组针对目前课程存在的理论教学体系陈旧、专业结合性差、实践应用性不够等问题，采用OBE作为课程改革理念，对信号与系统课程进行教学改革，进一步明确课程的学习成果目标，达到课程教学设计优化、教学内容重构的目的，并获得确保学习成果产出的有效教学方法以及客观评价方法。

［关键词］成果导向教育；信号与系统；课程改革；生物医学工程

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）17-0047-04

近年来，教育部积极推进新工科建设 [1]。2018年，教育部发布了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》，其原则和理念是以学生为中心，在成果导向下，对教育教学进行持续改进，这一标准及理念对高等院校专业应用型人才培养起到指导作用。陆军军医大学（以下简称我校）自2018年来面向地方招收生物医学工程专业学生，基于贴近实战、满足军队卫生装备任职的需求，培养服务企业和行业并推动社会经济发展的创新型专业应用型人才[2]。信号与系统课程（以下简称本课程）作为生物医学工程专业学生的专业基础课程，在教学环节中起到承上启下的作用，能够有效提高本课程教学质量，为后续课程的学习和专业应用型人才的培养奠定基础。

一、当前课程教学的主要问题

（一）课程内容多，学时有限，课程理论性强

本课程的特点是理论性强，这与课程本身学科特点有关[3]， 其涉及大量的数学公式和理论推导研究，课堂教学中多以理论教学为主，这在一定程度上造成学生对抽象概念理解困难，影响学生学习的积极性和主动性，不利于学生工程、信息思维的培养。

（二）教学内容新颖性不足，专业结合不紧密

课程教学主要依托教材进行，医学工程的前沿技术问题引入课堂较少。由于本课程传统开设对象为电子信息技术、通信专业学生，现有课程内容案例多是为这类专业设置，与我校生物医学工程专业需要不符，缺少医学及军事特色的应用实例，导致学生学习目标不够明确，不了解课程的具体应用价值，学习动力不足。

（三）研讨流于形式，实践应用性训练缺乏

在前期教学改革中，为提升学生自主学习能力，培养学生分析问题的能力，课题组增加了研讨环节，但在课程教学实际情况中，学生多自行选择某一文献，以完成汇报任务为目的进行阅读讲解，由于研讨内容不够凝练，实施过程不能充分引发学生思考讨论，多为教师自问自答，甚至存在少数学生“浑水摸鱼”的现象。同时，实验设置多为验证性实验，尽管有助于学生理解和掌握该课程的基本理论知识，但学生未能对实际的医学信号及系统进行自主分析研究，无法实现培养学生解决实际问题能力、形成创新思维的目标，不利于专业应用型人才培养。

二、课程改革措施

成果导向教育（Outcome?Based Education，OBE）是一種以学生的学习成果为导向的教育理念 [4]。OBE强调成果导向，重视学生学习效果，明确学生能力目标，强调专业与课程的建设要从学生的获得结果来反向设计[5]。目前OBE理念已应用于我国高等院校工程人才教育培养，国内各大高校的生物医学工程专业也开始开展OBE理念指导下的教育改革实践[6]。基于OBE理念，通过明确课程教学成果目标、优化教学设计、重构内容体系，实现教学资源整合，能够为多种教学模式的灵活运用提供条件，同时有助于有效地开展学生成果评价，提高学生的学习效率、学习兴趣，培养学生的应用实践能力[7-9]。课题组基于OBE理念，对本课程进行了教学改革。在OBE反向设计思路指导下，由学生需求和任职需求所决定的培养目标来确定课程培养目标，并基于此开展课程教学，通过优化教学内容、教学方法、教学考核各个环节，促进成果目标达成，最终实现课程与成果、理论和应用、医学与工程的有机结合，满足应用型人才的培养需求。

（一）明确课程目标，优化教学内容

基于OBE理念，课程设计的理论及实践教学内容均要对学生能力培养有明确的支撑贡献，即学生完成课程学习后能具备预期的能力。根据专业人才培养方案以及对学生的军队任职、地方就业需求的调研情况，课题组对本课程的支撑作用进行了剖析，明确了“信号表示、系统描述”的课程内涵，从知识、能力、素质三个方面对课程教学目标重新进行了细化。根据细化的课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系（见表1），进行教学内容的优化。

生物医学工程专业培养目标侧重于医学信息检测分析、医疗仪器设备研发，因此本课程内容以连续时间信号与线性系统分析为重点。同时通过在绪论中总体概述离散时间信号与系统的相关内容，在信号采样中搭建从连续信号到离散信号的桥梁，并以阅读讨论奥本海姆英文教材的方式，让学生自主学习离散信号与系统时域分析的内容。一方面，使学生能够把握课程整体结构，理解其与后续课程的关联性；另一方面，避免与后续数字信号处理课程内容过多重叠。通过实施分层教学策略，对每个层次学生的教学目标进行不同阶段划分，让学生了解培养方向、明确学习目的，有效地调动学生学习的内驱力，强调学习成果，使每个学生都能学有所获。

（二）使用多样化的教学方法，确保“成果获得”

为保证教学目标的实现，课题组对现有教学形式进行了改革。从讲授课堂向交互课堂转变、从理论课堂向能力课堂转变、从单向课堂向双向课堂转变，核心目的为有效地帮助学生获得课程学习成果。课题组从以下三个方面进行教学方法改革。

1.课内课外结合，调动学生参与教学的积极性。根据教学要求，预先设计预习任务，学生根据预习任务结合教师提供的教学资源进行自主学习。教师筛选出对课程重难点内容有支撑作用的微课、MOOC等网络资源，使这些资源与教材等其他教学资源形成互补，充分发挥各类资源的优势。课前两周下发预习任务单，在预习任务单的开发中要明确阶段知识、技能教学目标，学习任务的总量和难度要适中，根据各部分内容灵活设计具体的任务。在课堂上，通过智慧化教室、雨课堂等形式开展互动交流、问题解答、重难点提升、应用与实践的拓展及反馈评价等教学活动。教师需要根据上课前两天的预习反馈效果，调整课程教学内容并布置强化练习。在课堂讲授中，教师在讲解课程理论内容的同时，要通过案例、项目引导学生结合数学模型、物理及工程概念等去分析问题、解决问题。通过线上教学平台的课后交流答疑环节，帮助学生进一步巩固所学知识。教师线上通过过程性评价，向学生反馈学习情况，为学生提供个性化资源，布置相应的强化练习，激励学生进行后续的学习。教学过程设计思路如图1所示。

2.将前沿研究转化为课堂特色专业案例。课题组对现有的教学案例进行更新优化，使案例贴近军事医学、生物医学工程。通过案例教学，使学生掌握信号与系统基本理论在生物医学工程专业的应用，激发学生的科研兴趣。部分教学案例与理论对应关系如图2所示。同时，以生物医学信号实践应用问题为载体，以小组为单位，针对信号与系统传统时域、频谱和复频谱分析内容以及新发展的信息科学技术内容，设置专题研讨，从而增强学生的学习兴趣以及理论与实际相结合的能力。在研究性学习交流中，采用学术对话型翻转课堂模式[10]，让学生以汇报、讨论的形式展示小组的研究成果，重视交流答辩过程，以学生的互动点评为主，教师组织、答疑为辅，锻炼学生的语言表达和思辨交流能力。

3.结合专业设计，优化实践形式。为提升学生的应用能力，课题组对现有仿真验证实验内容进行了改革，结合生物医学工程实际应用问题，开设设计性实验项目，开展专题研讨，使学生的知识、能力、素质获得综合提升。首先，根据生物医学工程专业招生小班化的特点，将原仿真验证实验调整在理论课堂中进行，在理论学习过程中及时搭建与实际应用的联系，帮助学生快速理解物理及工程概念，从而使学习重点从单纯的公式、抽象的概念转移到工程实际情景上。其次，为将医学信号、信息工程技术与课程教学紧密结合，课题组对研讨内容与设计性实验内容进行了重构，建立本课程新的综合实践教学方法，强化学生解决实际问题的能力，提升学生综合素质。选择符合专业需求以及与竞赛有关的实验题目，例如干扰心电信号处理分析、呼吸心率同步分离等。每个题目设置1～3个完成层次，其中第1层次目标是每个学生都必须完成的，而第2、3层次目标则由学生根据个人情况选择完成。以心电信号分析处理为例，专业设计性实验设置包含3个层次，第1层次目标为实现心电信号的频谱变换，与医学基础课程所学内容进行结合，使学生掌握生理信号的基本电学特征；第2个层次目标聚焦于工频干扰，学生可结合模电及本课程关于滤波器的基本知识，自主尝试进行心电提取；第3个层次目标为能进一步进行心电特征的分析，如R波检测等。

（三）完善教学考核，评价达成度

评估学习产出是OBE理念实施的重要环节，主要为检验学生是否具备毕业所需要的课程学习成果。对学生学习课程考核采用多元和梯次的评价标准，在现有课终评价基础上，增加自主学习、实践考核环节，考核方式采取形成性考核和终结性考核相结合的方式。形成性考核成绩包括实验成绩、综合素质考核成绩两个部分，其中实验成绩占总成绩的15%，由实验操作和实验报告两个部分成绩组成，考核学生的实际应用操作能力、逻辑思维、科学严谨性等；综合素质考核成绩占总成绩的20%，由平时成绩与研讨课成绩组成，考核学生基础理论的学习及质疑分析能力、课堂表现情况、文献阅读汇报情况等。终结性考核为课终考试，采取教考分离的方式，以闭卷考核为主，考核成绩占总成绩的65%，主要考查学生对信号与系统的基本概念、基本原理、基本分析方法等知识的理解程度和综合计算分析能力。而针对课程达成度的评价，主要以教学班的课终成绩作为样本，计算考核成绩中支撑课程实施指标点的平均得分与试题总分之比，并根据毕业要求中指标点达成度的权重确定该指标点达成度的评价值，形成课程达成自评结果[7]。课题组根据达成度自评结果、学生问卷建议、督导评价建议，对下一轮教学的授课内容、教学方式和考核环节等方面进行相应的改革。

三、总结

在OBE理念下，課题组对本课程教学进行了改革。在以学生获得成果为目标的前提下开展教学设计，使学生充分参与教学，以此培养学生的应用能力、专业素养。通过教学改革，为培养具有创新能力的专业应用型人才提供支撑。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 赵青云， 崔艳， 刘帅. 新工科理念下普通高校工科专业教与学的探索[J].大学教育，2020（5）： 40-42.

[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] 张博. 项目式教学在《信号与系统》课程中的实践与改革[J].读与写（教育教学刊），2019，16（11）：23.

[4] SPADY W G. Outcome-based Education：critical issues and answers[M]. Arlington：American association of  school administrators，1994.

[5] 李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（3）：32-39.

[6] 冀颐之，王暄，井圆圆，等.基于OBE理念生物工程专业毕业实习教学模式研究[J].生命的化学，2020，40（4）：633-636.

[7] 陶丹，胡健，黄琳琳，等.基于OBE理念的电子信息类课程改革与实践：以“信号与系统”课程为例[J].教育教学论坛，2018（30）：81-82.

[8] 张志美，程立英，李柳，等.基于OBE教学理念的《信号与系统》课程改革[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2019，37（3）：284-288.

[9] 刘淑玉，赵永辉，杨柳松.基于OBE理念的信号类专业“信号与系统”课程改革的探索[J].科技创新与生产力，2019（9）：92-93.

[10] 冯菲，于青青.基于慕课的翻转课堂教学模式研究[J].中国大学教学，2019（6）：44-51.

［责任编辑：苏祎颖］