基于TDBU教學(xué)模式的工程實(shí)踐教學(xué)改革

唐 滸，萬(wàn)其偉，董 磊，陳 昕，汪天富

（1. 深圳大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學(xué) 廣東省生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 深圳 518060）

生物醫(yī)學(xué)工程是工程學(xué)、醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科，致力于將工程技術(shù)引入醫(yī)療領(lǐng)域以解決生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及健康領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。從教學(xué)難度上來(lái)看，該學(xué)科實(shí)踐性很強(qiáng)，一名合格的生物醫(yī)學(xué)工程本科生不僅需要在四年的時(shí)間里掌握電子、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)等方面的專業(yè)知識(shí)，還要學(xué)以致用，利用工程學(xué)思維為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的疑難問(wèn)題設(shè)計(jì)解決方案，并統(tǒng)籌各學(xué)科專業(yè)知識(shí)進(jìn)行項(xiàng)目的完整實(shí)現(xiàn)，這對(duì)學(xué)生而言都是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

不同于傳統(tǒng)專業(yè)培養(yǎng)的“專才”，生物醫(yī)學(xué)工程著力于培養(yǎng)全面發(fā)展型系統(tǒng)工程師，專注于各學(xué)科的關(guān)聯(lián)和應(yīng)用[2]。然而，相比于國(guó)外，我國(guó)系統(tǒng)工程師的培養(yǎng)體系還處于探索階段，許多學(xué)生在本科階段的學(xué)習(xí)中廣泛涉獵而沒(méi)有精于一項(xiàng)，這就導(dǎo)致了畢業(yè)后學(xué)生找不到合適的工作，企業(yè)招聘不到合適的人才，學(xué)生被動(dòng)升學(xué)比例偏高等問(wèn)題[3-4]。

2019年9月，教育部發(fā)布了《深化本科教育教學(xué)改革相關(guān)意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），本次本科教育改革旨在讓學(xué)生忙起來(lái)、管理嚴(yán)起來(lái)、教學(xué)活起來(lái)，讓中國(guó)的高等教育、特別是本科教育質(zhì)量實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升?！兑庖?jiàn)》的出臺(tái)體現(xiàn)出了國(guó)家對(duì)于優(yōu)秀大學(xué)生培養(yǎng)的重視，亟需進(jìn)一步改革培養(yǎng)模式以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，將TDBU教學(xué)模式應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)踐課程之中，搭配三位一體教學(xué)輔助系統(tǒng)，在實(shí)踐教學(xué)中逐步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的自信心，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程能力和動(dòng)手能力，為學(xué)生的升學(xué)和就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 背景

當(dāng)前我國(guó)大學(xué)生就業(yè)困難，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是畢業(yè)生群體龐大，競(jìng)爭(zhēng)激烈；二是高質(zhì)量人才缺乏，企業(yè)招聘不到合適的人才。伴隨著中國(guó)大學(xué)近年來(lái)的不斷擴(kuò)招和嚴(yán)進(jìn)寬出的篩選模式，畢業(yè)生人數(shù)從2001年的114萬(wàn)激增到2019年的834萬(wàn)，擴(kuò)增了約7倍。然而，量變未引發(fā)預(yù)期的質(zhì)變，普通院校本科生的就業(yè)質(zhì)量沒(méi)有明顯提升。這兩難局面的癥結(jié)在于高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)的需求脫節(jié)，無(wú)法達(dá)到企業(yè)對(duì)于員工專業(yè)水平的要求[5-7]。

反觀當(dāng)今大學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，許多交叉學(xué)科都難以達(dá)到其預(yù)計(jì)的培養(yǎng)目標(biāo)，生物醫(yī)學(xué)工程亦是如此。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生培養(yǎng)有別于計(jì)算機(jī)、電子信息等純工科專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)模式，尤其要重視科研能力的培養(yǎng)，而優(yōu)秀的科研能力恰恰必須建立在扎實(shí)的工程能力之上[8]。由于長(zhǎng)期接受應(yīng)試教育，許多應(yīng)屆畢業(yè)生的項(xiàng)目能力偏弱，一些學(xué)生只能被動(dòng)升學(xué)以求進(jìn)一步發(fā)展，這無(wú)形中延長(zhǎng)了人才的培養(yǎng)周期。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)存的問(wèn)題，包括以下方面：

（1）碎片化教學(xué)，缺乏宏觀概念。實(shí)驗(yàn)課和理論課體系較為分散，未能系統(tǒng)、宏觀地將理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用相互結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生很難學(xué)以致用，對(duì)自己專業(yè)缺乏興趣和信心。

（2）知識(shí)體系比較陳舊，趕不上業(yè)界發(fā)展速度。教學(xué)體系過(guò)于重視基礎(chǔ)理論而忽視了實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生久居象牙塔之中，無(wú)法滿足企業(yè)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)合作、規(guī)范化要求。

（3）實(shí)踐教學(xué)中缺乏硬件條件和配套資源。國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)普遍缺少完整體系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教材、實(shí)驗(yàn)視頻資源）。多數(shù)高校都采用了與電子類專業(yè)相同的教學(xué)設(shè)備，或者自制部分課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，總體還不夠完善。

為了解決這些問(wèn)題，將TDBU教學(xué)模式應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，同時(shí)，通過(guò)體系化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備、教材、資料體系建設(shè)，提供一體化的生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐教學(xué)解決方案。

2 TDBU教學(xué)模式

2.1 核心思路

TDBU教學(xué)模式是將自上而下設(shè)計(jì)方法（topdown）和自下而上設(shè)計(jì)方法（bottom-up）應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新教學(xué)理念。這兩種設(shè)計(jì)方法最早都來(lái)自于電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，前者重視項(xiàng)目的具體實(shí)現(xiàn)，后者重視從宏觀角度對(duì)項(xiàng)目的模塊化分割關(guān)聯(lián)[9]。不同于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，TDBU引入了項(xiàng)目化教學(xué)理念，教師僅負(fù)責(zé)分解項(xiàng)目和進(jìn)行必要的示范性指導(dǎo)，學(xué)生在課余時(shí)間借助“三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，按照感興趣的順序完成各模塊的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，最終達(dá)成項(xiàng)目的完整實(shí)現(xiàn)。TDBU教學(xué)模式是一個(gè)可以把離散、獨(dú)立的教學(xué)環(huán)節(jié)通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目貫穿成一個(gè)完整、連貫的教學(xué)培養(yǎng)體系的創(chuàng)新教學(xué)模式。它不僅可以提高學(xué)習(xí)效率、減輕教師工作量，還能夠解決課程內(nèi)容冗雜、課堂時(shí)間不足等問(wèn)題[10-11]。

2.2 “三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)

“三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)是TDBU教學(xué)模式在實(shí)踐過(guò)程中的得力助手，是學(xué)生能夠自行完成學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要保證。該系統(tǒng)由教材、教學(xué)網(wǎng)盤、軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三大模塊構(gòu)成，如圖1所示。

在這個(gè)系統(tǒng)中，教學(xué)網(wǎng)盤包括各類產(chǎn)品的技術(shù)資料和技術(shù)說(shuō)明文檔，用以幫助學(xué)生系統(tǒng)地了解項(xiàng)目結(jié)構(gòu)、理論算法推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)；教材和視頻是自行編寫、錄制的用于闡述實(shí)驗(yàn)原理、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的資料；軟硬件平臺(tái)是針對(duì)教材和視頻中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)，可以用于驗(yàn)證、設(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目。值得注意的是，除了教材和硬件平臺(tái)，教學(xué)網(wǎng)盤可以直接通過(guò)鏈接下載，使教學(xué)不僅僅局限于課堂。

3 TDBU教學(xué)模式課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

“生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”課程旨在培養(yǎng)學(xué)生在醫(yī)療電子領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力、項(xiàng)目管理能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，整個(gè)課程的授課完全采用了 TDBU教學(xué)模式，將課時(shí)劃分為6大模塊和多個(gè)培訓(xùn)目標(biāo)（見(jiàn)表 1）。

6大模塊及其子模塊構(gòu)建了一個(gè)完整項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)流程，同時(shí)為了匹配學(xué)生項(xiàng)目能力的平均水平，對(duì)每一步驟都進(jìn)行了一定程度的精簡(jiǎn)，保證學(xué)生能按時(shí)、按量完成實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 “三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K和項(xiàng)目

4 TDBU教學(xué)模式的應(yīng)用

白盒和黑盒是 TDBU教學(xué)模式中非常重要的概念。對(duì)于學(xué)生而言，黑盒相當(dāng)于尚未掌握的模塊或知識(shí)，白盒表示已經(jīng)掌握的知識(shí)。一個(gè)完整的項(xiàng)目包含若干黑盒，相互之間通過(guò)輸入輸出關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，學(xué)生所需要做的是將任意黑盒取出，借助“三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)將其白盒化后，再放回原有的項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證學(xué)習(xí)，最后通過(guò)不斷地重復(fù)該步驟，完成整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)。這種將已破解的模塊代入原有項(xiàng)目體系進(jìn)行分析，并在不同的學(xué)生與學(xué)習(xí)資源之間創(chuàng)建聯(lián)系，通過(guò)創(chuàng)建知識(shí)節(jié)點(diǎn)從而構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的方法，來(lái)自于關(guān)聯(lián)主義理論[12]，是整合碎片化知識(shí)的有效方法。

值得注意的是，TDBU教學(xué)模式并沒(méi)有限制學(xué)生必須從某個(gè)黑盒開始自己的學(xué)習(xí)，而是賦予了學(xué)生相當(dāng)寬泛的選擇空間，可以跟據(jù)自己的興趣愛(ài)好選擇合適的順序。從項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)上看，越處于中心的黑盒與其他盒子的關(guān)聯(lián)性就越強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度自然也就越大。對(duì)于初學(xué)者，建議從外圍、關(guān)聯(lián)較少的模塊入手，再逐步拓展到核心模塊。為了比較清晰地介紹TDBU教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，用圖2中的應(yīng)用示例進(jìn)行說(shuō)明。

根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課必須包含六個(gè)流程，任何一個(gè)流程都可以看作是一個(gè)黑盒。

第一步，通過(guò)提供的資料，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行宏觀的分析，并將其劃分為多個(gè)模塊。這一步的目的是為了讓學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，快速建立學(xué)生的自信心。在這一過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)PCB是連接最為緊密的模塊，需要后期重點(diǎn)掌握。驅(qū)動(dòng)模塊緊隨其后，屬于外設(shè)簡(jiǎn)單而內(nèi)部連接復(fù)雜的模塊，對(duì)于初學(xué)者，一般選擇簡(jiǎn)單的焊接模塊入手，見(jiàn)圖2(a)。

圖2 TDBU教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

第二步，學(xué)生從整體中選出若干個(gè)黑盒模塊，借助“三位一體”教學(xué)輔助系統(tǒng)將其白盒化，并在理解原理的同時(shí)嘗試建立自己的白盒模塊，見(jiàn)圖2(b)。

第三步，將自己建立的白盒歸位，替換原有黑盒后進(jìn)行驗(yàn)證，再根據(jù)該模塊和其他模塊的接口關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。例如，當(dāng)完成了焊接的學(xué)習(xí)后，就可以進(jìn)一步了解工業(yè)化的焊接（打樣貼片），以及PCB的設(shè)計(jì)機(jī)理與芯片引腳對(duì)照，見(jiàn)圖2(c)。

第四步，重復(fù)上述的方法，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性學(xué)習(xí)，將所有黑盒都轉(zhuǎn)化為白盒。隨著白盒數(shù)量的不斷增多，學(xué)習(xí)者掌握的技能也更加豐富，學(xué)習(xí)速度和實(shí)驗(yàn)成功率也會(huì)顯著提高，見(jiàn)圖2(d)。

在項(xiàng)目進(jìn)行的過(guò)程中，每一步的結(jié)果都可以通過(guò)軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人能力和興趣，對(duì)原有模塊進(jìn)行功能拓展，使其增添額外的功能。從管理方式來(lái)看，TDBU接近于微型化企業(yè)管理模式的移植體，與業(yè)界結(jié)合更為緊密，可從中了解到許多企業(yè)管理方式和技巧，二者教學(xué)效果對(duì)比如圖 3所示。

圖3 教學(xué)模式效果對(duì)比

深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院每年開設(shè)諸如醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理、硬件描述語(yǔ)言等課程的配套實(shí)驗(yàn)課程，每班大約在30人上下。根據(jù)學(xué)院的排課安排，一門課平均下來(lái)大約有10～15節(jié)實(shí)驗(yàn)課，且間隔時(shí)間較長(zhǎng)。在引入TDBU教學(xué)模式之前，學(xué)生只能完成一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如流水燈、獨(dú)立按鍵、ADC等，對(duì)整個(gè)知識(shí)體系幾乎沒(méi)有宏觀的認(rèn)知。引入TDBU教學(xué)模式后，學(xué)生以小組的方式實(shí)現(xiàn)完整的醫(yī)療電子項(xiàng)目，如“五參”的測(cè)量實(shí)驗(yàn)（體溫、心電、呼吸、血壓、血氧）等，接觸到醫(yī)療電子最為基礎(chǔ)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。由于TDBU教學(xué)模式引入了模塊化設(shè)計(jì)的理念，而每名學(xué)生對(duì)于模塊的選擇又是多樣化的，這在一定程度上促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)之間的交流合作，使不同層次水平的學(xué)生可以在分享知識(shí)中提升自己的水平。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的工程實(shí)踐教學(xué)證明，TDBU教學(xué)模式極大地提高了教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)在培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、樹立自信心、提高實(shí)踐能力方面也有很好的作用。在形式上，符合第三代大學(xué)教學(xué)模式的特征[13]，以完整項(xiàng)目實(shí)踐作為教學(xué)核心，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)自信心、提高實(shí)踐能力、塑造團(tuán)隊(duì)合作精神等方面效果顯著，提高了教學(xué)質(zhì)量。TDBU教學(xué)模式可以適用于工科類交叉學(xué)科的人才培養(yǎng)，只需稍加修改其中的一些教學(xué)內(nèi)容即可快速移植，是一種快速而高效的教學(xué)模式。隨著教學(xué)改革的不斷深入，TDBU教學(xué)模式必將取得更好的實(shí)踐效果。