以項目驅動為導向的專業綜合實驗課程設計與實踐

周秦武，張 博，張大龍，趙永席，馮 怡

(西安交通大學 生物醫學工程系，陜西 西安 710048)

我校生物醫學工程專業2005年開始設置的專業綜合實驗課程，是針對目前本科教學偏重專業理論課程，綜合多門基礎理論課程的應用能力、獨立設計創新能力培養不足的情況[1-3]，重點設計打造的綜合創新設計類課程。實驗內容參照美國霍普金斯大學實踐教學經驗，以項目驅動為導向，提供多種包含不同學科方向內容的專題項目，由學生獨立完成選題、方案設計、方案實施、提交報告等過程，是本科生人才培養過程中最接近科研實際的綜合設計實驗課程，對學生綜合運用多學科知識解決實際工程問題的能力和自主學習能力培養具有重要作用。

1 實驗內容設計

1.1 教學目標

生物醫學工程專業綜合實驗是本專業唯一單獨設課的實驗課程，為大學4年級本科生開設，2學分64課時，以培養具有初步科研能力、富有創新意識的復合型高水平人才為教學目標。實驗內容包括醫學信號采集、處理，醫學儀器設計，專業前沿問題研究等方面，采取分工協作、文獻檢索、問題分析、自主研究的方式，從整體上綜合運用所學過的專業理論課程，學習了解現代生物醫學儀器設計過程、生物醫學交叉學科研究方向所涉及技術問題的解決方案，增強學生對生物醫學工程領域的研究興趣，培養學生解決實際科研問題的能力以及團隊精神和協作精神。

1.2 專題項目的設置和要求

生物醫學工程專業綜合實驗是一門以項目驅動為導向、以教師為主導、以學生為主體的開放性專業綜合實驗課程，實驗內容包括4個研究方向，即嵌入式生物醫學信號檢測分析、生物醫學超聲前沿問題研究、生物醫學傳感器專題研究以及大學生創新實驗項目，每個方向的研究都有不同的研究目標和要求。

(1) 嵌入式生物醫學信號檢測分析系統[4-6]。選擇一種處理器作為中央控制器，構建一種可測量處理生物醫學信號的儀器系統。可供選擇的處理器包括51單片機、MSP430單片機、ARM單片機、DSP處理器、PC計算機系統等主流控制系統。完成檢測的系統包括對血氧飽和度、心電、心音、血壓、人體形態信號等生物醫學信號的檢測和分析儀器系統。

(2) 生物醫學超聲前沿問題研究[7-8]。以本專業優勢方向，選擇合適的研究項目作為綜合實驗項目，如超聲駐波場的微粒控制、聲致發光的實現與檢測、超聲誘導細胞凋亡的實驗研究等，要求學生學習和了解醫學超聲場對生物粒子及細胞的生物效應作用原理，利用學科優勢實驗資源，自主設計實驗和設計程序軟件仿真，進行觀察、檢測和分析聲場作用效果，學習超聲微粒控制、聲致發光、生物效應等超聲前沿問題研究方法。

(3) 生物醫學傳感器專題設計研究[9-10]。研究生物材料應用于食品衛生、環境污染、疾病監測等生物醫學問題的信號檢測和分析處理問題，如交互響應的化學發光傳感器陣列系統、基于光電同時檢測的傳感器陣列系統、重金屬污染的高靈敏熒光生物傳感檢測系統、基于信號放大的肺癌早期預警生物傳感系統等專題研究項目，以專題實驗手段研究基于生物化學原理的生物傳感器設計使用方法。

(4) 創新實驗類。選擇合適的學科競賽項目和大學生創新性實驗計劃項目作為綜合實驗項目，這些項目都是以學生為主導的小型研究項目，非常適合于以項目驅動為導向的綜合實驗選題，以此為題可以調動學生學習主動性、積極性和創造性，實現綜合實驗與創新實驗的兼顧，是對綜合實驗的有益補充。

1.3 實驗要求與考核機制

本課程實驗項目很多，因而針對不同實驗類別提出了不同的實驗要求。對于以儀器設備為主的項目施行項目結果控制，實驗初期就提出明確的實驗要求，即設計完成模擬應用電路，實現檢測信號的前端調理和后端顯示，采用處理器完成信號的實時采樣和數據處理，最后對系統進行聯調和電路板制作等步驟和要求；對于前沿研究項目和理論仿真項目，以過程控制為主，注重訓練學生的科學思維方法，培養學生的創新意識、團隊協作精神和創新能力，將考核重點放在分析方法和科學解釋，不以最終結果的正確與否作為唯一考核要求；對于創新實驗則進行目標控制，一個項目一個要求，由指導教師在與項目組成員充分討論分析的基礎上，對實驗內容進行切割劃分，共同制定階段目標和最終實現目標。考核實驗完成質量的評價體系是對專業綜合實驗改革的重要保障，我們的評價體系按照評價內容的多元化和評價主體的多元化2個方面構建科學的綜合實驗評價體系。

評價內容的多元化是指不同的實驗項目采用不同的評價方法，既注重學生的實踐過程培養，又關注學生的興趣、動機、主動性、合作與交流的意識、團隊合作精神；既要求學生提交詳細的研究報告，也允許學生以研究論文、發明專利、創新小產品作為評價指標，充分允許學生以自己的興趣組隊，自主開展項目研究。

評價主體的多元化則是對最后的項目驗收采取多名教師與項目小組共同討論，一對一地現場驗收，充分考慮聽取學生的自主評價，避免傳統的教師主觀評價方式，綜合運用學生自評、小組互評、教師點評等方式，促進學生知識、能力、素質的協調發展。

2 作用與保障

2.1 對人才培養的促進作用

針對以往教學中存在較為普遍的學生融會貫通能力差、難以將幾個實驗內容有機聯系、數據處理分析能力差、動手能力差、對工程問題無從入手等共性問題，我們提出了以項目驅動為導向的專業綜合實驗改革，對提高教學效果、培養創新復合型人才發揮了重要作用。

(1) 激勵學生自主學習的能力。綜合實驗在方案、設備、器件及時間安排等方面都存在著很大的不確定性。在以教師為主導、學生為主體的背景下，教師只對各個項目提出設計目標，所有項目沒有一個是可以在教科書中找到答案的，學生只有通過自主學習，充分利用圖書館、實驗室、網絡等教學科研資源，才能獨立完成專題項目的研究。提出項目需求、組織建設開發環境、采購設計硬件電路、請教教師和團隊討論，項目的每一點進展都能激發出學生極大的成就感，進而激發出更大的學習熱情。

(2) 培養綜合應用多學科知識的工作能力。綜合實驗內容涉及醫學、生物學、物理、化學、工程技術等多學科知識，涵蓋了專業主要研究方向，匯集了多門課程和交叉學科的知識。例如“人體心電信號產生、射頻無線收發以及PC顯示”項目就涉及人體心電信號模擬、電子線路設計、無線數據發送、PC機Labview程序設計等內容。通過對多學科知識的綜合應用，保證了實驗內容在綜合性、設計性、創新性等方面的拓展，培養了學生濃厚的專業興趣，提升了專業整體教學水平。

(3) 培養設計實驗，測量、分析和解釋實驗數據的能力。實驗室是綜合實驗實現的基本平臺，本專業為專業綜合實驗課專門建立了綜合與創新實驗室，實驗室具備完善的設備條件。依托良好的硬件配置，學生需要完成系統設計、電路調試、電路板制作、實驗數據分析等工作。以綜合應用知識和綜合實踐能力為著眼點，使學生充分發揮主觀思維和想象能力，調動其從方案設計到目標實現的全過程的主觀能動性，從而得到對實踐動手能力的全方位綜合訓練。

(4) 培養學生的創新能力和團隊工作能力。開放性意味著每一個項目只有研究目標，具體的方案設計是一個獨立運用多種專門知識的過程，方案實施和目標的實現是一個嘗試與創新的過程。在這一過程中需要小組成員同心協力、分工合作解決眾多富于挑戰的難題和技術細節，能夠激發學生的創新熱情，提高學生的主觀能動性，鍛煉學生的團隊合作能力。以項目為導向的綜合實驗是架設在教學與科研之間的橋梁。

2.2 實踐教學保障

我校生物醫學工程專業作為教育部和陜西省重點實驗室，其實踐教學環境通過多年建設已有了巨大進步，可以為綜合實驗提供優良的實驗條件。針對本實驗課程，主要在具有強烈工程背景的教師隊伍建設和開放性專題研究內容建設方面進行了重點建設。

2.1.1 教學隊伍建設

專業綜合實驗不僅僅是一門專業必修課程，所開設的實驗項目涵蓋本學科的所有研究方向，涉及多個學科內容，與教師的科研方向和承擔的各類課題緊密相關，既是對教學大綱主線的展開，又要按照不同教師能力和研究方向進行必要的更新。因此，為了解決學生在實踐過程中可能遇到的問題或疑問，必須加強實驗教學隊伍的建設和培養。我們在全專業進行選拔，選擇具備扎實的相關學科知識和良好實際科研能力，并熟悉各種儀器設計原理的骨干教師進行培養，提高教學隊伍的整體素質，使其在學生實驗過程中能夠解答各種疑難問題，指導學生完成實驗項目，在知識結構和能力結構等各方面確保實驗項目的順利進行。

2.1.2 教學內容保障

為了保證專業綜合實驗的順利實施，充分發揮其在培養學生創新精神和實踐能力中的作用，還必須加強實驗內容的選擇優化，確保每一個實驗項目的新穎性、綜合性和實用性。

(1) 力求使實驗內容與交叉學科相結合、與教師相關科研課題相結合、與醫療儀器工程實際相結合。

(2) 充分發揮綜合與創新實驗室在開放性綜合實驗教學過程中的作用，協調處理好開課時間和空間的問題、儀器設備完好率問題、實驗耗材充分配備問題。

(3) 積極吸收學科競賽、大學生創新實驗項目內容，選擇合適的創新實驗納入綜合實驗，既保證了創新實驗內容的順利完成，又能夠吐故納新，從內容上吸引學生積極參與，保證實驗內容的創新性和實用性。

3 結束語

專業綜合實驗作為本專業唯一單獨設課的實踐類實驗課程，通過多年的開課實踐和不斷的改革完善，課程的教學內容和師資力量日臻完善。每年都能夠提供20個以上的專題項目供學生選擇，并吸納5個左右的學生創新實驗項目，學生實際選擇25項左右的題目完成。實驗場地以綜合與創新實驗室為主，涵蓋本專業的幾個主要研究單位實驗室。在師資力量配備方面，保證參與實驗指導的教師隊伍保持在5名左右。通過幾年的教學實踐，使學生在自主學習能力、工程實踐能力、創新能力等方面都有了很大提高，綜合實驗課程獲得了學校“985工程”重點扶持建設。

改革過程中也遇到了很多困難，如有些項目規模控制問題、項目設置的新穎性問題、評價系統如何確立問題等。有些項目難度較大，在有限的時間里難以完成，而有些項目涉及專業諸多研究方向，內容繁雜，需要工程背景扎實的優秀教師指導，這些問題都要在前進中逐漸改進克服。

[1] 陳吉明.創新實踐課程教學中科學思維能力的培養[J].實驗室研究與探索, 2011,30(2): 85-87.

[2] 朱忠喜,張迎進,夏宏南,等.大學生創新能力培養模式研究[J].高校實驗室工作研究, 2012(1): 104-105.

[3] 陳名紅.關于提高實驗教學質量的探索和思考高[J].高校實驗室工作研究, 2009(4): 66-68.

[4] 周秦武,陳俊虹,蔣鵬程.通用復合數據巡檢網絡的構建[J].中國體視學與圖像分析, 2009, 14(2): 222-226.

[5] Zhou Qinwu, Lin Ziwei, Chen Junhong, et al.The Study of Portable Remote Multi-life-parameter Monitoring Network[C].USA: 2011 IEEE 13th International Conference on e-Health Networking, Applications and Services,2011:130-133.

[6] Zhou Qinwu, Jiang Pengcheng, Qu Zixiong, et al.Design and Implementation of Portable Multi-Parameter Tele-Monitor Terminal Based on S3C2410a[C].China:BMEI ′09.2nd International Conference on Biomedical Engineering and Informatics.2009: 981-984.

[7] Feng Yi , Tian Zhongmin, Wan Mingxi.Bioeffects of low-intensity ultrasound in vitro: Apoptosis, protein profile alteration, and potential molecular mechanism[J].Journal of Ultrasound in Medicine, 2010, 29(6): 963-974.

[8] Feng Yi, Wan MingXi.Bio-effects of ultrasound: Inhibitory effects on ultrasound induced apoptosis by cyclosporin A and fructose supplementation[C].3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, iCBBE, 2009.

[9] 趙永席, 齊林, 楊衛軍,等.基于核酸切割酶與脫氧核酶的熒光循環放大系統檢測鉛(Ⅱ)[J].分析化學研究報告, 2012, 40(8): 1236-1240.

[10] 孔宇,趙永席.高效液相色譜法測定糖尿病腎病患者血液中的非蛋白氮[J].分析試驗室, 2006, 25(4): 20-24.