“生物醫學信號處理”教學模式改革與實踐

祝橋橋　周璐　李韙韜　高凡

［摘 要］ “生物醫學信號處理”作為生物醫學工程專業的重要基礎課程，培養了學生應用信號處理理論與技術解決具體生物醫學問題的能力。但是，現行“生物醫學信號處理”課程教學模式存在的問題，導致該課程的教學效果不佳。針對該門課程教學中存在的問題，進行了教學模式的改革與探索，通過改革教學模式、優化實驗教學方法及改革考核模式等措施，提升了學生學習的主動性與參與度，著重培養深厚理論功底、善于靈活運用知識解決實際問題的專業人才。

［關鍵詞］ 生物醫學信號處理；生物醫學工程；教學模式改革；實驗教學改革；課程方式改革

［基金項目］ 2023年度南京航空航天大學自動化學院教材建設培育項目“生物學信號處理及應用”（ZDH-YJSJG202304）；2021年度南京航空航天大學本科教學建設項目“醫學生物物理學課程虛擬仿真實驗建設與應用”（2021JG0328A）；2024年度國家自然科學基金面上項目“融合MRI影像和生物力學模型的椎間盤源性腰痛無創診斷方法基礎研究”（12372306）

［作者簡介］ 祝橋橋（1989—），女，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大學自動化學院生物醫學工程系副研究員，主要從事生物力學研究；周 璐（1994—），女，江蘇泰州人，南京航空航天大學自動化學院2020級儀器科學與技術專業博士研究生，研究方向為腦科學與功能；李韙韜（1979—），男，河南襄城人，博士，南京航空航天大學自動化學院生物醫學工程系專聘研究員，主要從事生物醫學儀器研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0073-04［收稿日期］ 2023-05-18

引言

黨的二十大報告提出，實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐。教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐［1］。報告中的一大亮點是“教育、科技、人才三合一”。教育部于2019年啟動了一流本科專業建設“雙萬計劃”，也就是“金課建設”計劃。專業是人才培養的基本單元，課程是人才培養的核心要素，教師是人才培養的決定力量。

“生物醫學信號處理”課程系統地介紹了生物醫學信號處理技術的基本原理和主要應用，是近年來國內外快速發展數字信號處理應用的一種，是生物醫學工程專業的核心課程之一［2］。主要包括經典信號數字處理的理論和技術，以及現代信號數字處理的理論和技術。通過本課程的學習，使學生對生物醫學信號數字化處理技術的應用有了較為全面的了解，從而系統地掌握了生物醫學信號處理的基本原理、算法和設計應用技術。培養學生對獲取的各種原始生物醫學信息進行有效的信號加工處理的技能，為醫療、生命科學等領域服務?！吧镝t學信號處理”課程的目的是為學生進一步學習有關生物醫學信號工程方面的課程打下良好的理論基礎。生物醫學信號處理技術廣泛應用于生命科學研究、保健、疾病的預防、治療以及醫療儀器產業中［3］。生物醫學信號是人體生理信息的量化數據，深刻理解和應用“生物醫學信號處理”課程的理論與方法，對于認識人體生命的規律、探索疾病預防與治療的新手段，以及發展醫療儀器的高新技術都具有極其重要的意義。如何在課程教學中有機融合知識、能力和素養，幫助學生構建全面的知識體系，提高解決實際工程問題的應用能力和思維能力，培養學生的匠心精神和專業素養，是本課程教學改革的核心目標。

一、“生物醫學信號處理”實踐教學存在的問題

（一）課堂教學模式單一

傳統的授課方式枯燥單一，主要以教師講授為主，“灌輸式”教學，學生被動接受，忽視了學生的主體地位，師生難以產生有效溝通和互動，易在教學中出現很多問題［4］。課堂氣氛較為沉悶，難以調動學生的學習興趣和主動性。此外，教師在引導學生討論方面做得還不夠，學生不善于發現問題和思考問題，在課堂上不能進行深入討論，對學生的創新思維培養很難達到預期效果。傳統的實操課大多是由授課教師事先準備好實驗方案，學生只需按照教師的方案步驟程序化地完成實驗過程，對實驗中遇到的問題及相關原理難以深入思考，無法達成解決實際問題等綜合能力的培養目標，缺乏對實驗方案自主設計的鍛煉。因此，傳統教學模式存在的問題，關鍵在于學生作為認知主體，在學生學習的主動性被忽視甚至被壓抑的教學過程中，知識的接受始終處于被動狀態。所以，改變傳統教學模式，構建高效課堂，以適應新課改的要求是當務之急。

（二）學生實踐能力薄弱

“生物醫學信號處理”課程具有內容體量大、知識點廣泛的特點，是一門理論性較強的課程［5］。本課程的理論教學應使學生學會數字信號處理的理論、相應的算法及算法軟件的使用。理論內容較多，實驗實踐內容較少，是教學過程中普遍面臨的問題。當面對實際復雜的綜合性和應用性問題時，學生無法自主解決。所以，在培養學生解決實際問題的能力方面仍是薄弱環節。學生缺乏較強的動手能力和實踐素養，這是應用型專業教育之“痛”?！吧镝t學信號處理”屬應用型課程，需理論與實踐相結合，且重在培養學生的實踐能力。因此，如何在有限的時間里圍繞教學大綱要求，合理安排教學內容，改革實驗教學模式，培養學生的知識應用能力，是“生物醫學信號處理”課程教學中需要不斷探索的課題。

（三）考核方式單一不全面

傳統考核方式以學業成績為主要評價指標，評價方式單一，評價結果被簡單、機械、錯誤地使用，不利于學生全面發展和身心健康，不利于調動學生的學習積極性和培養思維能力，從而影響了學生才能和個性的發展、潛力的挖掘以及綜合素質的發展［6］。學生能夠牢記知識點，掌握各種數學變換、理論推導，即可獲得不錯的成績。該方式的考核重知識點的記憶和理論公式的推導，輕知識的應用和轉化能力的培養，不利于學生創新精神和實踐能力的培養。因此，學生在面對實際的信號處理問題時，缺乏應用理論知識解決實際問題的能力。該考核方式不能滿足新工科對能力和素養的培養需求，無法衡量學生解決實際問題的能力以及對所遇到困難的探索與思考能力，也無法科學全面地對學生的探索思辨能力進行評價。

二、“生物醫學信號處理”教學模式改革方案

（一）改變教學模式

學生的有效學習是教學的本位和原點所在，要自覺改變單純知識導向的教學模式，善于利用問題情境激發、調動學生學習數學的動力源，拓展、推進學生數學學習的問題源。針對當前“生物醫學信號處理”課程授課方式單一的問題，可采用多樣化的教學方法，包括立體化教學方法［7］、任務驅動式教學方法［8］、探究式教學方法［9］、微格教學方法［10］、項目教學方法［11］和體驗式教學方法［12］等，充分調動學生學習的積極性和主動性。針對“生物醫學信號處理”課程涉及基礎知識面廣、實踐性強的特點，教學方法重點體現“分層次、交互式、重探索、多樣性”的特征，貫穿于環節設置、步驟安排及評價體系等各環節建設中。課程內容設置從信號處理應用的不同層面建立知識體系，層層分解，例如信號的描述、信號的去噪和濾波、信號的特征提取等。以生動的案例引出項目式學習非常重要的一環是讓學生自發提出好的驅動性問題，引導教師在教育教學中培養學生提出驅動性問題的能力。在驅動性問題的帶領下，學生能夠對該問題進行持續性探索，逐步產生“從0到1”的原創性成果。在每個體系里引入案例教學，注重將實際生物醫學信號處理實例融入課堂教學，在枯燥的理論學習中穿插生物醫學信號處理的真實案例，吸引學生注意力，讓學生更直觀、深刻地了解相關信號處理技術的功能和優缺點。具體案例如下：以基于運動想象腦電信號的分類問題作為“生物醫學信號處理”項目式教學案例，通過對腦電信號進行預處理（降采樣、陷波濾波、帶通濾波、獨立成分分析等）、特征提?。〞r域特征、頻域特征、空間域特征等）及任務分類（決策樹、邏輯回歸、樸素貝葉斯、隨機森林、支持向量機、神經網絡等），加深學生對生物電信號處理中各環節的理解。

（二）優化實驗教學方法

針對傳統實驗教學操作過于標準程式化、實驗結果單一的問題，強調以學生為中心，不斷探索實驗課程教學方法，可采用任務驅動式教學法，將實驗內容分解為若干子任務，明確任務目標，鼓勵學生自行設計實驗方案，以有效完成任務為考核目的的實驗教學方法。教學方法以“以任務為主線，以教師為主導，以學生為主體”［13］的構建主義教學理論為基礎，以將學生的學習興趣和學習動機相結合為基本特征，打造一個真實的教學環境，讓學生帶著真實的任務去學習。在這個過程中，學生掌握了學習的主動權，教師通過該任務，不斷激勵學生向前走，使學生通過該任務，掌握所學內容，做到舉一反三，學習效果更佳。該任務驅動的方式有利于學生將所學理論和技能進行靈活運用，有利于學生將所學知識與具體問題情景相聯系，有利于激發學生的實踐熱情和創造力，有利于培養學生的綜合能力并發散思維。以任務驅動的方式引領學生開展實驗，探索未知課題，在完成任務過程中發現問題、分析問題和解決問題，充分鍛煉學生的思辨能力、理論聯系實際的能力，以及學以致用的能力。這種方法在實踐性強、創造性強及時代發展特征明顯的生物醫學信號處理學科中非常實用，也非常有效。

2018年，教育部印發的《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作》指出，國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目，拓展實驗教學內容廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，提升實驗教學質量和水平的重要舉措［14］。同時，要著力構建新型教育教學模式、教育服務供給方式和教育治理新模式?；诖?，本課程著力于建設優質線上實驗平臺，如“神經電生理信號采集與處理”虛擬仿真實驗平臺，打破了時間地點的限制，可以隨時隨地完成實驗。提高實驗內容的直觀展示性和參與互動性，通過虛擬仿真技術、動畫技術及實物展示技術等多樣化的表現形式，學生能夠全面掌握生物醫學信號采集和處理方法，有效提升學生的綜合應用能力，培養學生的專業熱情和專業素養。

（三）改革課程考核方法

為深化教育教學改革，充分調動學生學習的積極性和主動性，從以知識點考查為重心轉變為以能力考查為重心，這是課程考核方法設計的關鍵。在課程考核中，加大實驗成績和平時成績的比例，減少期末閉卷考試分值比例。課程考核改革要突出考核方式方法向多樣化轉變、考核內容向注重能力考核的綜合化轉變以及成績評定向科學化（多元化、全程化）轉變等三個轉變。通過課程考核改革促進教學內容和教學方法手段的改革，提高教學質量。如本課程中，將實驗成績和平時成績比例提升至40%，期末考試成績降為60%。同時，在期末考試的試題設置中，減少了知識點的機械記憶類型的客觀題，加大了信號處理方案設計的綜合題，更加側重考查學生對相應知識點的理解和靈活應用的能力，如本課程期末考試試卷中知識的記憶類型占40%，信號處理方案設計綜合類題目占60%。試卷更加強調知識的系統調用能力，以及解決問題的邏輯設計能力，弱化知識的機械記憶。課程考核改革對實現人才培養的教學質量和目標有很大的幫助，對增強學生自主學習能力、創新能力、分析問題能力及解決問題能力等都有很大幫助，既有利于學習效果的反映，又有利于教學的客觀公正。

結語

針對生物醫學工程專業的“生物醫學信號處理”教學和考核模式中存在培養實踐能力和創新能力的問題，本文從教學改革與實踐方面進行探討。通過教學改革模式，優化實驗教學方法，改革課程考核方法，提升了學生在知識、能力和素養目標中的達成度，學生能夠運用所學的理論知識和技術解決生物醫學信號處理中的復雜實際問題。本課程改革取得了良好的教學效果，建立了新的課程體系和教學內容，并在實踐中不斷完善，對學生的創新能力培養起到了重要作用。培養學生如何應用信號處理理論與技術去解決具體的生物醫學問題，掌握生物醫學信號處理技術最新發展動態和發展趨勢，培養學生對生物醫學的興趣和愛好，激發學生為人民健康、民族昌盛和祖國富強貢獻自己的才華和智慧。教學改革和實踐為培養高素質的生物醫學工程專業復合型人才奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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Reform and Practice of Biomedical Signal Processing Teaching Mode

ZHU Qiao-qiao， ZHOU Lu， LI Wei-tao， GAO Fan

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 211106， China）

Abstract： As an important basic course in biomedical engineering， “Biomedical Signal Processing” cultivates students ability to apply signal processing theory and technology to solve specific biomedical problems. However， there are problems with the current teaching mode of the “Biomedical Signal Processing” course， which leads to the unsatisfactory teaching effect of the course. This paper addresses the problems in the teaching of “biomedical signal processing”， and carries out reform and exploration of the teaching mode. By reforming the teaching mode， optimizing the experimental teaching methods and reforming the assessment methods， the initiative and participation of students learning are improved， and the focus is on cultivating professional talents with solid theoretical knowledge， strong ability to apply knowledge flexibly and comprehensive ability to solve practical problems.

Key words： Biomedical Signal Processing; biomedical engineering; reform of teaching mode; reform of experimental teaching; reform of curriculum approach