醫學電子專業嵌入式系統實驗教改與創新人才的實踐

趙德春 趙志強 田銀 王岫鑫 王偉

摘 要：創新人才的培養是科技發展的源泉和動力，為了提高大學生的創新能力，必須重視實驗教學。但傳統實驗教學具有教學觀念陳舊、教學內容滯后、教學手段落后、教學評價缺乏等問題，結合醫學類電子專業總結了嵌入式系統實驗教改與創新能力培養的相關研究，探索了開放式實驗教學模式，同時優化了實驗教學的教學內容和評價體制。

關鍵詞：嵌入式系統；實驗教改；創新人才；開放實驗

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0082-03

Abstract： The cultivation of innovative talents is the source and driving force for the development of science and technology. In order to improve the innovation ability of college students， it is necessary to pay attention to the experimental teaching. However， the traditional experiment has the problems of obsolete concept， old content， backward methods and lack of teaching evaluation. It combines the medical electronic majors to summarize the research on the experimental teaching reform and innovation ability of embedded systems， and explores the open experimental teaching mode. At the same time， the teaching content and evaluation system of experimental teaching are optimized.

Keywords： embedded system； experimental teaching reform； innovative talents； open experiment

實驗教學是高校人才培養的重要組成部分，它有助于提高學生的綜合素質，特別是培養創新精神[1，2]。創新是民族進步、國家興旺發達的源動力，同時也是大學生成才的關鍵[3]。因此，需要轉變實驗教育觀念，培養動手能力，加強基礎理論學習，理解科學的研究方法，倡導創新素質教育，樹立追求新知識的觀念，從而錘煉勇于創新的科學精神[4]。

一、實驗教學的現狀和弊端

（一）教學觀念陳舊

傳統實驗教學大多以驗證內容為主，基本上是在實驗箱或者開發板上驗證理論知識和范例，學生總是跟著實驗指導書，少有鼓勵學生創新性、開發性的實驗內容[5，6]。這導致兩個問題[7]：一是無法發揮學生的想象力和主觀能動性，不思考，無創新；二是各實驗內容之間互不聯系，綜合性少。這樣實驗變成驗證的手段，實驗成了理論教學的附庸。這些完全是對實驗教學的誤解。實驗教學旨在培養學生解決科學問題的能力，這是靠驗證性實驗無法實現的，必須借助于綜合性實驗和研究性實驗培養學生分析、解決問題的能力以及創新精神。

（二）教學內容滯后

實驗教學受時間局限，內容不可能面面俱到，很容易導致學生沒有主動性、積極性和創新性。同時，由于實驗室只在固定的時間，向固定的人群，開放固定的內容，并且實驗儀器不能及時更新[8，9]。這導致實驗教學中不能及時吸收學科發展的新成果、新技術和新方法，最終導致實驗教學內容遠遠落后于時代發展的步伐。

（三）教學手段落后

實驗教學依然采用教師講解示范的方式，對相關實驗內容、原理和方法詳細講解，再由學生按照實驗指導書完成實驗。另外，在實驗教學中教師缺乏對學生進行啟發、引導，忽視學生對知識的深入理解與掌握，抑制了學生對未知領域的探索熱情和創新能力的發揮[10]。

（四）教學評價方式缺乏

傳統的實驗教學以終結性考核為主，依據實驗結果和實驗報告進行評價，忽略實際操作，缺乏對學生實踐能力的綜合考核，特別是對創新能力考察不夠。

二、嵌入式系統實驗教改

嵌入式系統是一門實踐性強、應用性廣泛的課程[11]。它是醫學電子專業的核心課程，在教學過程中更應重視實驗教學環節，培養學生分析問題和解決問題的能力，以及創新能力[12]。由于嵌入式系統技術更新快，所涉及到的內容新，基本上是電子領域的前沿技術，使得嵌入式系統實驗教改課題的研究難度相對較大。醫學電子專業嵌入式系統實驗教學內容豐富。既有電子技術的理論基礎，又有嵌入式系統的相關理論；既有信號調理的硬件電路設計，又有模擬仿真技術；既有軟件算法的仿真技術，又有軟件的高級語言實現；既有常用的信號采集處理技術，又有微弱信號的處理，等等。對以上的技術需要按照以上的多層次劃分逐一歸納、分類，并且對實驗內容進行優化。

（一）轉變觀念，讓學生在實驗中發揮主觀能動性，培養創新性思維

采取“引、點、撥”的方式，讓學生獨立地進行實驗，培養動手能力，讓學生自主地進行實驗，培養創新思維。所謂引，就是引導、指導。所謂點，就是指點迷津。所謂撥，就是點撥、提升。學生實驗中遇到問題時，教師切忌把解決問題的方式方法統統端出來，要給學生留有思考的余地，讓學生在遇到問題時通過獨立思考和教師適當引導和指點，找到解決問題的途徑，激發學生的思維，從而找到解決問題的方法，使學生的主觀能動性得到充分發揮；在此基礎上引導學生查閱資料，鼓勵學生運用所學知識進行分析，搞清問題的實質，這樣才可能培養和提高學生的創新能力。

（二）優化實驗教學內容，形成嵌入式系統為核心的常用醫學信號的綜合實驗

按照素質教育的要求，以培養創新能力為主線，優化實驗教學內容，建立認識型實驗、綜合型實驗、設計型實驗和創新型實驗四個層次，形成一系列以嵌入式系統為核心的常用醫學信號的綜合實驗，如圖1所示。

1. 認識型實驗

認識型實驗以驗證為主，主要是常用儀器儀表（如萬用表、示波器等）的使用；常用電子電路（如差動放大器電路、濾波器電路）的識別和參數的配置；常用數字信號處理算法（如時域算法求平均、頻域算法求傅里葉變換等）的認識；常用工具軟件（如制圖軟件Altium Designer，編程軟件keil C、Quartus等）的使用；以及其他基本操作實驗。認識型實驗著重訓練基礎理論和基本技能，培養分析、歸納實驗數據和實驗現象的能力，為以后的實驗打下扎實的基本功。

2. 綜合型實驗

綜合型實驗以驗證和設計為主，主要有生理參數信號調理電路（如前級放大器、帶通濾波和陷波器以及后級放大器等）的分析和設計；生理信號（如心電的R-R間期提取，腦電信號的特征提取等）的分析和設計；醫學圖像處理算法（如圖像增強、邊沿識別、輪廓提取等）的分析和設計；綜合應用仿真工具（如算法仿真matlab、電磁仿真XFDTD等）；以及其他綜合應用型實驗。綜合性實驗結合課程設計，培養科學精神和創新思維，以及分析和解決問題、團結協作等能力。

3. 設計型實驗

設計型實驗以設計醫學儀器或者醫學參數的采集為主。根據信號來源，將生理參數設計實驗可以分成將生理參數轉化為電信號（如體溫、血壓信號等）的采集與處理實驗；直接電信號（如腦電、心電）的采集與處理實驗；圖像（如電阻抗成像、X光成像、CT成像等）采集與處理實驗；以及其他生理參數采集的設計型實驗。設計型實驗需要由學生查閱相關資料，獨立設計實驗方案并進行實驗研究，分析實驗數據得出實驗結果及結論。這有助于提高學生的分析問題和解決問題的能力，培養分析和總結實驗的能力。

4. 研究型實驗

研究型實驗以研究科學問題為主，主要針對信號采集方法、信號分析方法、電離輻射、電磁輻射等方面進行深入研究。研究性實驗結合老師的科研項目，對相關領域的前沿問題或熱點問題展開研究，一般是指從未做過或尚未完成的科學研究。學生查閱資料，提出問題，并設計實驗方案去實施。這類實驗能充分發揮學生的主觀能動性，通過科學研究，獲得新的結論，使他們大膽提出不同的觀點和見解，從而培養學生創造性思維，以及獨立研究能力和自主創新的能力。

通過由簡單到復雜、由基礎到提高的實驗課程體系，以增強學生的實踐能力和創新能力，促進學生的素質綜合發展為目標，從而實現實驗教學特有的功能。在這種多層次、模塊化實驗課程體系中，其實驗設計、實驗方法、實驗技能體現出通用性、綜合性特征，使得實驗教學的目標更加明確，有助于實現實驗教學的特有功能。

（三）探索研究型實驗教學模式，探索開放實驗教學模式，培養以嵌入式系統為核心的醫學電子創新能力

探索采用“驗證+設計+創新”的方法，使學生樂于思考、勤于設計，努力提高綜合能力，并掌握嵌入式系統為核心的醫學生理參數設計和創新能力。在實驗教學模式上，探索三個結合和三個轉化。三個結合，即堅持理論與實踐相結合，教學與科研相結合，課內與課外相結合。三個轉化，即由被動接受向主動學習轉化，由驗證實驗向研究問題轉化，由模仿向自主設計轉化。教學與科研密切結合，理論創新與工程應用密切結合，創建以技能訓練為基礎、以研究為核心、以綜合素質培養為目標的開放性實驗教學模式，如圖2所示。

實驗室開放的內涵和形式是多元的。不僅是時間的開放，包括固定時間、開放時間，暑假時間和業余時間；更重要的是實驗類別的開放，實驗類別包括基礎、開放和前沿實驗；特別是實驗形式的開放，包括實驗課程、設計競賽和創新計劃，如生物醫學電子創新設計大賽、挑戰杯等學科競賽以及科研班、大學生創新創業訓練計劃等。因此，實驗室開放不僅是管理模式的開放，更是教學模式的開放，教學方法和教學手段上的開放，是教學理念的開放，是實施開放式實驗教學模式的基礎和主要形式。開放性實驗教學模式，不僅是實驗時間和實驗內容上的開放，并且實驗主體開放。實驗主體合理利用時間，參與以創新為基礎的實驗項目，在多種形式實驗中綜合培養創新能力、創新精神和創新思維。

三、醫學電子專業創新人才的實踐

首先優化和整合了實驗教學內容，對醫學電子專業嵌入式系統為核心的實驗體系進行整合和優化，建立多層次的實驗教學體系，建立以嵌入式系統為核心的常用醫學信號如心電、血壓、血氧等生理參數的采集綜合型實驗、設計型實驗。優化實驗內容，實驗教學體系逐步向多層次、模塊化課程結構轉變。探索開放性實驗教學模式，搭建開放實驗和創新實驗平臺，為學生創新提供場所，培養學生綜合能力。

同時引導學生從學中做，向做中學和做中思的轉變，由被動實踐向主動實踐轉變，從驗證實驗向研究實驗轉變，從而培養了學生的嵌入式系統為核心的醫學電子創新能力。

最后通過研究型實驗，吸引了一大批學生積極參與課外科技活動，在生物醫學電子設計大賽、挑戰杯、智能車、3S杯等比賽中獲得全國一等獎1次，全國二等獎2次，全國三等獎1次，重慶市一等獎2次，同時還獲得全國大學生創新創業訓練計劃項目1次。

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