醫(yī)學(xué)院校基于生理電信號(hào)的信號(hào)與系統(tǒng)課程改革

朱耿 伍秀玭 郝麗俊 司博宇

摘要“信號(hào)與系統(tǒng)”由于其課程理論性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)院校中的教學(xué)效果欠佳。究其原因?yàn)獒t(yī)學(xué)院校學(xué)生較理工或綜合性大學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)薄弱，對(duì)傳統(tǒng)教材中所舉例信號(hào)不熟悉，使得學(xué)習(xí)興趣不高，課堂上精力不集中。生理電信號(hào)蘊(yùn)含了豐富的人體信息，是生物醫(yī)學(xué)工程中研究的重要對(duì)象，是醫(yī)學(xué)院校學(xué)生所熟悉的信號(hào)。為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，筆者將生理電信號(hào)引入到“信號(hào)與系統(tǒng)”中，通過信號(hào)與系統(tǒng)課程分析和實(shí)現(xiàn)生理電信號(hào)的常見處理過程，使學(xué)生較為全面的掌握信號(hào)與系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，并增強(qiáng)其實(shí)際分析和解決醫(yī)學(xué)問題的能力。與此同時(shí)，筆者還將PAD（Presentation Assimilation Discussion）教學(xué)應(yīng)用于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革中，本文以連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示內(nèi)容為例，闡述實(shí)施案例。通過比較課改前后的學(xué)習(xí)效果，發(fā)現(xiàn)新方法使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力等方面有顯著提高。

關(guān)鍵詞 信號(hào)與系統(tǒng)；生理電信號(hào)；PAD課堂；學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.020

2015年，由教育部、國家發(fā)展改革委、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，指明了高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，明確了應(yīng)用型本科高校的人才培養(yǎng)定位，確立應(yīng)用型的類型定位和培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才的職責(zé)使命。[1， 2]2018年教育部將新工科擴(kuò)容為“新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”。新醫(yī)科為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的要求，提出希望實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)從“生物醫(yī)學(xué)科學(xué)為主要支撐的醫(yī)學(xué)教育模式”向以“醫(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X交叉學(xué)科支撐的醫(yī)學(xué)教育新模式”的轉(zhuǎn)變。[3， 5]2021年上海市人民政府辦公廳印發(fā)《關(guān)于本市加快醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》，指出加強(qiáng)交叉創(chuàng)新學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，以培養(yǎng)醫(yī)學(xué)科學(xué)家、醫(yī)學(xué)工程師等高端醫(yī)學(xué)人才為目標(biāo)，促進(jìn)醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)文學(xué)科專業(yè)的深度融合。[5]上海健康醫(yī)學(xué)院是一所上海市屬應(yīng)用技術(shù)型本科醫(yī)學(xué)院校。在這個(gè)時(shí)代背景下，結(jié)合應(yīng)用型本科人才和新醫(yī)科高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索，以及疫情和后疫情時(shí)代的教育教學(xué)改革熱潮，作為一名生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的專業(yè)教師，也應(yīng)針對(duì)傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程作出創(chuàng)新和改革，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求。

對(duì)分課堂是基于認(rèn)知心理學(xué)提出的課堂教學(xué)改革新模式，將課堂的時(shí)間一半給教師一半給學(xué)生，被證明適合于中國國情，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[6，7]“信號(hào)與系統(tǒng)”最早是高等學(xué)校電工程專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，歷史久遠(yuǎn)，理論內(nèi)容相當(dāng)成熟。目前很多高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教材都是電氣專業(yè)的教授所編寫的，例如電子工業(yè)出版社出版的《信號(hào)與系統(tǒng)》（奧本海姆）。[8]本文將結(jié)合應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)定位，與學(xué)校背景和學(xué)生素質(zhì)的具體情況，探索適合于本校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)改革。本文將以連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示的內(nèi)容為例，詳細(xì)闡述基于生理電信號(hào)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革，并分析課改效果。

1“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革思考

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科很重要的一個(gè)研究方向即是對(duì)生理電信號(hào)的獲取和處理。生理電信號(hào)是人體重要的信號(hào)之一，臨床上常見的生物電信號(hào)主要有：心電、腦電、肌電、胃電、視網(wǎng)膜電等。在臨床中需要這些電信號(hào)的特征來輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。生理電信號(hào)是不穩(wěn)定的微弱信號(hào)，常常伴隨著強(qiáng)噪聲，這使得其特征的提取變得不容易。因此需要借助信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等理工科的手段來進(jìn)行處理和分析。本校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生需要在大一大二時(shí)學(xué)習(xí)“正常人體學(xué)”“生理學(xué)”“臨床醫(yī)學(xué)概要”，在這些課堂上學(xué)生已經(jīng)熟悉了人體的各種生理電信號(hào)。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的授課對(duì)象是大三學(xué)生，包括32學(xué)時(shí)理論課和16學(xué)時(shí)實(shí)踐課。以往的授課方式遵循傳統(tǒng)的電氣專業(yè)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程，由于理論性強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，概念抽象，而所舉的例子對(duì)于本校學(xué)生來說又太生疏，導(dǎo)致學(xué)生上課積極性不高，對(duì)知識(shí)掌握不深入，對(duì)信號(hào)的理解不到位，給接下來的“數(shù)字信號(hào)處理”課程講授又增加了難度。[9]針對(duì)這些問題，本文結(jié)合電生理信號(hào)和PAD教學(xué)，一方面通過學(xué)生熟悉的電生理信號(hào)將抽象的概念具體化，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)激發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的興趣；另一方面通過自主學(xué)習(xí)、學(xué)生分享等環(huán)節(jié)培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)和分析的能力，真正做到學(xué)以致用。

下面以連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示的內(nèi)容為例，具體講述教學(xué)實(shí)施過程。

2連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示案例

2.1課程導(dǎo)入

首先引入課堂內(nèi)容，介紹傅里葉分析方法建立的歷史故事，在此過程中有前輩科學(xué)家支持，也有提出強(qiáng)烈反對(duì)的。但在日后的發(fā)展過程中，不斷得到驗(yàn)證，不僅應(yīng)用于數(shù)學(xué)和物理學(xué)，形成了傅里葉光學(xué)學(xué)科，甚至幾乎存在于生活和科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域：預(yù)測地震、揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、指示脈搏信號(hào)、心電圖、腦電圖等生理信號(hào)的異常等等。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)傅里葉變換學(xué)習(xí)的興趣，了解新事物的發(fā)展過程中都會(huì)遇到一定的困難，但正確的事情總會(huì)得到不斷驗(yàn)證。

2.2連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示的導(dǎo)出及實(shí)現(xiàn)傅里葉級(jí)數(shù)表示的MATLAB程序框架講解

在成諧波關(guān)系的復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性組合公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，以周期性方波為例講解信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示的確定。如圖1（a）所示，頻率為1Hz的方波（上圖），可以由1Hz+3Hz+5Hz+7Hz+…的正弦信號(hào)疊加而無限逼近（下圖）。其中周期性方波傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)如圖1b所示。

2.4總結(jié)答疑與思考

總結(jié)本次課堂理論部分關(guān)鍵公式，結(jié)合腦電信號(hào)的分析，強(qiáng)化連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)的核心思想為任何周期信號(hào)都可以通過一系列不同頻率不同幅度的正弦信號(hào)表示。布置課后思考題，讓同學(xué)們課后進(jìn)一步消化本次課的內(nèi)容，并對(duì)下次課的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。

3教學(xué)效果評(píng)價(jià)

基于生理電信號(hào)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革將理論內(nèi)容與實(shí)踐內(nèi)容結(jié)合，在理論公式推導(dǎo)之后，通過同學(xué)們熟悉的生理電信號(hào)進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)，充分激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，加深其對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。為了了解課程改革效果，通過調(diào)查問卷的方式從教學(xué)滿意度、對(duì)工作的幫助、課堂專注度和學(xué)習(xí)能力提升等方面進(jìn)行調(diào)研。課改效果顯著，教學(xué)滿意度、對(duì)工作的幫助以及課堂專注度明顯提高，學(xué)習(xí)能力提升稍有改善。可以看到由于引入了熟悉的信號(hào)并且了解到所學(xué)的東西與以后的工作內(nèi)容密切相關(guān)，學(xué)生在課堂上的專注力集中了，對(duì)工作的幫助也有所提升。課改的效果不僅反應(yīng)在本課程上，對(duì)后續(xù)課程“數(shù)字信號(hào)處理”也有很大的幫助，比如濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，列舉本文2.3所示的信號(hào)，學(xué)生就很容易理解濾波器的作用和原理。

但對(duì)于本課程，學(xué)生還是反映課程較難。雖然課改后能夠更好的理解如何在醫(yī)學(xué)中運(yùn)用該課程的內(nèi)容，但理論推導(dǎo)部分不能夠深入學(xué)習(xí)。要改善這一問題，需要加強(qiáng)前期的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，也是本課程還需要進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

4結(jié)語與展望

本文針對(duì)醫(yī)學(xué)院校中“信號(hào)與系統(tǒng)”課程存在的問題進(jìn)行改革，引入醫(yī)學(xué)院校學(xué)生熟悉的電生理信號(hào)作為實(shí)踐的對(duì)象，在課堂上加入PAD教學(xué)方法，并以連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示為例詳細(xì)講述了該課改的實(shí)施過程。調(diào)研結(jié)果表明，課改顯著提高了教學(xué)滿意度和課堂專注度，學(xué)生也深刻體會(huì)到課堂所學(xué)知識(shí)對(duì)工作的幫助。課改后仍然存在的問題是理論推導(dǎo)部分仍然是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。針對(duì)這一問題，未來將從兩方面改進(jìn)：（1）與大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)組溝通，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；（2）在本課程中結(jié)合混合式教學(xué)方法，通過多種形式的學(xué)習(xí)資料，全方位的展示理論推導(dǎo)過程，將有利于學(xué)生深入學(xué)習(xí)。

基金項(xiàng)目：2020年上海市教委高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃“課程思政改革要求下《信號(hào)與系統(tǒng)》線上教學(xué)資源建設(shè)的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZZSHJKYXY20007）；2021年上海健康醫(yī)學(xué)院師資人才百人庫項(xiàng)目“音樂對(duì)大腦認(rèn)知功能的影響研究”（項(xiàng)目編號(hào)：A3-0200-21-311007）。

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