新工科背景下數字信號處理課程實驗教學設計

李曉歐，張 欣，白寶丹，司博宇，嚴加勇

（上海健康醫學院醫療器械學院，上海 201318）

數字信號處理是針對生物醫學工程專業本科生開設的一門重要專業課程，主要介紹數字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術。該課程教學目標是培養學生思維能力和綜合應用知識解決數字化工程問題的能力，并為進一步學習有關生物醫學信息處理方面的課程打下良好基礎。我們在教學中發現，學生完成該課程理論學習后，面對實際問題還是無從下手，例如，不能理解抽樣的意義以及FFT算法，不知如何設計IIR和FIR數字濾波器，不清楚如何處理電生理信號，這都不利于學習生物醫學信號的處理方法和設計流程。因此，要進行基于醫工結合的實驗教學設計，理實融合引導學生掌握數字信號處理課程的內容[1-2]。

根據教育部“六卓越一拔尖”計劃以及《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函 [2017]6號）等文件精神，貫穿“智能醫療”宗旨，對數字信號處理課程進行探究性實驗教學設計，補充智能醫學信號處理實驗內容[3-4]，探索融知識傳授、能力進階、職業核心素養培養為一體的實驗教學方案，實現以“教”為主向以“學”和“練”為主的教學模式轉變，激發學生興趣和潛能，增加學生實戰信號處理體驗。使學生在數字化醫療實踐中完成從基礎理論到綜合提高的過渡、從書本知識到拓展創新的實現、從典型信號到醫學信號的應用。

1 教學內容

以問題為導向進行學習，針對課程內容設計了6個實驗項目（見圖1），分別為連續時間信號抽樣及抽樣信號還原、快速傅里葉變換FFT、濾波器設計及實現、心電信號實驗、血氧信號實驗和便攜式腦電信號處理實驗。

所有實驗項目均在硬件平臺上完成。學生分組練習，在項目任務引導下拓展提高、交流討論，既可以在硬件平臺上實驗，也可以自行設計信號處理算法，完成智能分析與控制。

1.1 基礎訓練實驗內容設計

圖1 數字信號處理課程實驗內容

基礎訓練實驗內容是從理論教學內容中提煉的重點，指導學生在實驗的同時，利用數字信號處理技術實現對連續時間信號的處理，將模擬信號轉為數字信號，利用數字技術對其進行加工[2，5-6]。

（1）連續時間信號抽樣及抽樣信號還原。采樣是從連續到離散的橋梁，主要分析時域采樣對信號頻譜產生的影響及不失真條件。我們設計了連續時間信號抽樣及抽樣信號還原實驗（見圖2），以使學生掌握從連續到離散信號處理的采樣原理。

（2）快速傅里葉變換FFT。按時間抽取的基-2 FFT算法，加深學生對離散傅里葉變換定義和基本性質的理解，學會計算離散傅里葉變換，實驗內容如圖3。

（3）濾波器設計及實現。通過實驗使學生掌握巴特沃斯模擬低通濾波器、窗函數法數字濾波器的基本步驟，比較分析IIR和FIR數字濾波器，熟悉數字濾波器設計的基本步驟。

1.2 綜合提高實驗內容設計

綜合提高實驗要求學生在掌握數字信號處理理論的基礎上，對實驗方法進行綜合提高訓練[7-8]。我們設計了心電信號和血氧信號采集分析實驗，讓學生了解心電信號和血氧信號的概念，熟悉心率、血氧飽和度的計算方法，進行光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy，PPG）測量。

圖2 連續時間信號采樣實驗

圖3 快速傅里葉變換實驗

圖4 心電信號實驗

圖5 血氧信號實驗

（1）心電信號實驗。該實驗采集電路主要包括傳感電路、放大電路、濾波電路、調制和解調電路。將從人體體表采集的心電信號放大、濾波，再進行調制與解調，由STM32F103VCT6微控制器處理后通過顯示屏顯示出來。該實驗可以計算心率，并在各種特殊心電波形下識別R峰，可實現系統低功耗運行，預留的電流測試端口可用于功耗測量；心電波形和心率相關信息可通過藍牙發送至手機或其他設備，實驗內容見圖4。

（2）血氧信號實驗。該實驗電路可進行雙波長PPG測量，包括LED的驅動與光電傳感器接口電路、交直流信號采集電路、雙波長信號分離電路，還可以計算血氧飽和度。主要實驗過程是微控制器發出周期脈沖信號，切換紅光與紅外光發光管狀態，血氧探頭采集數字信號，通過定時器捕獲通道上升沿，計算數字信號頻率，帶入計算公式求得血氧值與脈率值。實驗內容見圖5。

1.3 拓展創新實驗內容設計

拓展創新實驗要求學生運用已有知識解決實際電生理信號識別問題[9]。本文設計了腦電信號處理實驗（即腦機接口），通過便攜式腦電信號采集設備，提取腦電信號特征，分析其狀態。具體內容是讓被試者觀察某個數字重復的次數，通過分析腦電信號，判斷被試者處于注意狀態還是非注意狀態。學生利用巴特沃斯濾波器去除干擾信號，利用快速傅里葉變換分析腦電信號各個頻段（α、β、θ、δ4個節律），然后求解4個節律的平均值、均方差，發現δ/α、δ/β特征最明顯，拓寬生物醫學信號分析思路。

2 教學方法

整合生物醫學信號和數字處理教學過程，形成“醫用導向思維工程訓練體系一體化構建”方案，使學生從以理論教學為主的課堂學習階段進入以實踐教學為主的探究式學習階段，實現掌握生物醫學信號處理→如何應用這些理論→動手驗證鞏固所學內容→實現生物醫學系統設計→完成醫療器械創意實踐的過渡。

采用設置實例、提出問題、引導學生自主和協作學習、學生設計方案、引導學生通過實驗驗證、效果評價六步法。這個過程是學生提升能力的過程，學生在不斷的認識沖突中學習，將以往所學的理論通過實踐不斷強化，在自我評價和反思中加以鞏固。實踐機會的增加，提高了學生實戰能力。學生在實踐中，掌握了職業技能，從而構建自身知識體系。

拓展創新實驗營造了良好的創新氛圍，嚴謹的科研理念被融入真實情境，增加了學生自主探究與合作交流的機會，而自我學習及提高能力、人際溝通技巧、職業精神等都有助于學生職業核心素養培養。

3 考核方法

學生需要撰寫詳細的實驗報告，內容涵蓋實驗目的及原理、完成實驗所需的源程序、繪制實驗中涉及的波形、報告實驗結果。最終成績不僅僅由實驗考核成績決定，而是突出實驗表現，強調過程性評價。實驗總成績由實驗考核和過程性評價成績組成，各占50%，見表1。

表1 實驗總成績構成

4 結語

通過啟發、探究的方式，使學生從被動學習向探究式學習轉變，主動參與課堂教學，真正成為課堂的主人，改變了教師“滿堂灌”、學生被動學的局面。本文堅持以學生為主體、教師為主導教育理念，結合數字信號處理課程實驗教學特點，優化教學內容和模式，促使學生主動參與課堂教學，培養了學生探究意識，提升了學生探究能力。