新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學探索與實踐

盧莉蓉 牛曉東 陳俊梅

摘? 要：文章在分析生物醫學傳感器課程教學的現狀與存在問題的基礎上，結合新工科人才培養目標，提出基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學方式，改進課程的理論教學內容、實驗教學的教學過程與考核方式。教師圍繞一些常用非電量的測量來設計理論教學內容;教師以EIP-CDIO模式來組織實驗教學，在整個教學過程中訓練學生處處以EIP要求自己;教學中采用過程性評價和終結性評價相結合的方法對學生進行考核，實驗考核內容涉及EIP-CDIO的每一個方面。通過教學改革實踐表明學生學習的自主能力、實踐能力、創新能力與職業素養都得到顯著提高。

關鍵詞：新工科;EIP-CDIO;生物醫學傳感器;課程教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）20-0112-04

Abstract： Based on the analysis of the current situation and problems of the teaching of biomedical sensor course， combined with the training objectives of new engineering talents， this paper proposes a teaching method of biomedical sensor based on EIP-CDIO mode， which improves the teaching content of the course， the teaching process and the assessment method of experimental teaching. Teachers design the teaching content of theory around some commonly used non electric quantity measurement; teachers organize experimental teaching in EIP-CDIO mode， and train students to ask themselves by EIP in the whole teaching process; the teaching method of process evaluation and final evaluation is used to evaluate the students. The experimental assessment content involves every aspect of EIP-CDIO. Through the practice of teaching reform， it shows that students' autonomous ability， practical ability， innovation ability and professional quality have been improved significantly.

Keywords： new Engineering; EIP-CDIO; biomedical sensors; course teaching

新工科是我國基于國際與國內形勢而提出工程教育改革方向[1-2]。它是以立德樹人為引領，目標為培養具備更強實踐能力、創新創業能力、跨界整合能力的工程科技人才[3-5]。

長治醫學院生物醫學工程專業包括醫療設備管理維護、醫學物理、康復器械工程三個學科方向，面向這三個學科方向開設的生物醫學傳感器課程是一門專業基礎課。近年來，本課程組一直致力于生物醫學傳感器課程的教學改革，2014年申請并建設了校級的生物醫學傳感器精品資源共享課，實現了課程資源上網;2017年申請并建設了校級生物醫學傳感器混合式教學課程;2018年申請了校級教學改革創新項目“以學生為中心的生物醫學傳感器混合式教學平臺的建設與實踐”等。經過這幾年的研究與實踐，改革取得了一些成效，但本課程的教學中仍存在一些弊端：教學內容相對社會和產業需求滯后;實驗教學方式單一陳舊，教學效果較差;課程成績考核方式有待改進，實驗課仍以簽到和實驗報告等對學生進行“大體”評價，忽視了對學生實踐能力的考核，造成學生實踐能力目標未能達成;學生的職業道德、團隊意識、責任感等職業素養不足，不符合現代企業的用人標準。現階段的課程教學已不能滿足新工科的人才培養需求，因此在此背景下對生物醫學傳感器課程教學進行改革具有較強的理論價值與現實意義。

鑒于生物醫學傳感器課程的重要性，國內很多院校對生物醫學傳感器的教學進行了改革。首都醫科大學生物醫學工程學院劉加峰等教師實施了“PBL教學方法在醫用傳感器課程中的應用”，認為PBL教學方法比傳統教學方法提高了學生學習的主動性[6]。首都醫科大學生物醫學工程學院段元民等教師在生物醫學傳感器的教學中引入了第二課堂實踐活動，該方法的實施培養了學生的自主學習能力、實踐能力和創新能力[7]。除此之外，國內還有多所院校均對生物醫學傳感器課程的教學進行了改革，如網絡課程建設[8]、層次化實踐教學[9]等。近年來，國外各發達國家也在積極對工程教育模式進行改革。2004年，麻省理工學院等著名大學提出了CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate， 簡稱CDIO）教育模式，CDIO即構思、設計、實施與運行。CDIO教學模式就是在教學中以學生為主體參與到產品從構思到運行的整個過程[10-11]。國內外所進行的各種CDIO教學改革在一定程度上提高了學生學習的自主能力、實踐能力與創新能力，但由于各種原因，學生的誠信、道德與團隊意識等職業素養較為匱乏，已經不能滿足新工科對人才培養目標所提出的要求。基于此，我國汕頭大學提出了將職業道德、誠信、職業素質（Ethics，Integrity，Professionalisme，簡稱EIP）與CDIO有機結合，即EIP-CDIO教學模式[12]。

本文就是在新工科建設的理念指導下，利用EIP-CDIO教學模式對生物醫學傳感器課程教學進行探索與實踐，改進課程內容與考核方式，從而提高學生學習的自主能力、實踐能力與創新能力，培養有道德、講誠信、具有良好職業素質的工程科技人才。

一、新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學改革措施

新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學改革主要是從改進理論教學內容、改進課程實驗教學的教學過程與改進課程實驗教學的考核方式三方面進行的。

（一）改進理論教學內容

傳統的課程理論教學是首先將傳感器按照工作原理進行分類，然后針對不同原理的傳感器從其工作原理、測量電路與典型應用等方面進行教學。這些教學內容的選擇將知識從整個工程的流程中割裂出來，而沒有從實際工程中整個業務流程的角度對教學內容進行處理和組織。改革后，課程組就是圍繞一些常用非電量的測量來設計教學項目，主要包括：溫度、壓力、位移、厚度、速度與加速度的測量等。這樣當學生在實際中遇到問題時（需要對某些參量進行測量時），可以迅速進行傳感器的選擇，畢業后也可快速勝任崗位需求。理論教學內容的改進也為EIP-CDIO教學模式的開展奠定了良好的理論基礎。

（二）改進課程實驗教學的教學過程

實驗教學模塊是整個課程的重點，課程組就是在實驗教學中采用EIP-CDIO模式。教學分為教師的教與學生的學，教師的教采用項目化教學，學生的學采用小組學習。具體過程如下。

第一階段：布置任務

教師模擬實際工程項目為學生布置任務。要求學生設計并制作一傳感器電子產品，此產品需利用傳感器元件來實現某些功能。這些功能可以是實現對溫度、脈搏、血壓等物理量的測量。教師對傳感器電子產品需要使用的元器件與達成的指標提出具體要求。

第二階段：構思（C）

學生對教師所布置的任務進行構思，每3人自由組成項目小組并完成設計。項目小組根據成員的特點進行分工并模擬實際工程中項目經理、硬件工程師和軟件工程師的角色。項目經理需對項目的整體做把控，硬件工程師偏重硬件設計，軟件工程師偏重軟件的設計。

第三階段：設計（D）

以小組為單位進行產品的設計并確定產品的最終方案。在設計的過程中，3位成員之間的工作并不是完全割離的，而是互助互利的。比如硬件工程師在對產品硬件部分進行設計時，項目經理與軟件工程師需要對自己的需求提出訴求并評估硬件部分設計方案的可行性。

第四階段：實施（I）

制作產品線路板、焊接裝配產品、軟件編程與產品調試。在此步驟中，硬件工程師需要制作產品線路板、焊接裝配產品并進行硬件調試。制作產品線路板即設計PCB并制作PCB板。軟件工程師需要進行軟件編程并進行軟件調試。最后小組再進行軟件、硬件聯調。

第五階段：運行（O）

產品現場演示與維護，小組匯報。首先由項目經理對產品的整體設計、實現以及優勢進行介紹;然后小組成員對產品進行現場演示與維護;最后課題組老師與同學針對產品進行提問，小組成員回答，以此來模擬與客戶的服務與溝通。

教師以EIP-CDIO模式來組織實驗教學，在整個教學過程中訓練學生處處以EIP要求自己，主要體現在以下幾個方面。

（1）教學中始終對學生強調作品的原創性，一旦出現抄襲等現象，將對其作品進行一票否決，培養學生做有道德、講誠信的人。

（2）學生通過團隊合作、小組分工、資源共享來集體面對、克服困難，鍛煉了學生解決問題、獨立思考的能力，加強對學生實踐能力、創新能力、交流溝通能力和團隊合作能力等職業能力培養。

（3）運行階段要求學生制作PPT對產品進行介紹并回答教師提問，加強對學生交流溝通能力和團隊合作能力等職業能力培養。

采用EIP-CDIO模式開展實驗教學的教學過程如圖1所示。

（三）改進課程實驗教學的考核方式

本課程理論考核方式將繼續沿用混合式教學課程的考核方式，即最終成績=平時成績（60%）+期末閉卷考試成績（40%）。實驗考核內容涉及EIP-CDIO的每一個方面，教學中采用過程性評價和終結性評價相結合的方法對學生進行考核，由個人自我評價、組內互評、他組評價、教師評價綜合評分。考核內容包括實驗過程考核、實驗產品驗收考核、職業素養考核和論文考核四方面。

（1）實驗過程考核成績，占總成績的20%。主要從電路原理圖的設計、PCB圖的制作、焊接裝配產品的規范性、小組討論記錄四方面進行考核。

（2）實驗產品驗收考核成績，占總成績的40%。主要從選題的難易度、產品質量、匯報答辯三方面進行考核。

（3）職業素養考核成績，占總成績的20%。主要從道德、誠信、學習態度、交流溝通能力、團隊合作能力五方面進行考核。

（4）論文考核成績，占總成績的20%。主要從方案設計與論證、電路圖與設計文件、測試方法、結果及分析、報告的完整與工整性五方面進行考核。

二、教學改革效果

通過對學生的問卷調查和實習單位的反饋，新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學改革取得了良好的效果，主要體現在：

（1）學生學習自主性得到了提高。在教學中，學生需要通過查閱資料、小組討論、動手實踐自主解決問題。

（2）學生的實踐能力得到了提高。在新的教學模式下，構思、設計、實施與運行的每一步驟都需要學生親自動手實踐，這使得學生的實踐能力得到了很大提高。

（3）學生的創新能力得到了提高。在新的教學模式下，教師并不提供具體的方案，每組的設計方案需要通過查閱資料與小組討論自主確定，這給了學生很大的思考空間，使得學生的創新能力得到了很大提高。在教師團隊的指導下，學生累計完成實物制作與項目設計報告400余項。在此基礎上，選拔項目設計優秀學生組織申請高等學校大學生創新創業訓練項目，參加全國大學生生物醫學工程創新設計競賽、全國大學生電子設計競賽與山西省“互聯網+”大學生創新創業大賽等科技競賽。自2018年至今，教師團隊指導參加過課程學習的本科生獲得各級高等學校大學生創新創業訓練項目14項，其中國家級4項。獲得省級以上科技競賽獎勵36項。這也從側面反映學生的實踐能力與創新能力得到了很大提高。

（4）學生的道德意識與誠信意識得到了明顯增強。教師以EIP-CDIO模式來組織實驗教學，在整個教學過程中訓練學生處處以EIP要求自己，比如教學中始終對學生強調作品的原創性，一旦出現抄襲等現象，將對其作品進行一票否決，培養學生做有道德、講誠信的人。

（5）學生的職業素養得到了提高。學生通過小組分工、團隊合作共同完成作品的設計與制作，運行階段要求學生制作PPT對產品進行介紹并回答教師提問，學生的交流溝通能力和團隊合作能力等職業素養得到了提高。

三、結束語

新工科背景下，將EIP-CDIO模式引入生物醫學傳感器課程教學改革中，就是將職業道德、誠信、職業素質與構思、設計、實現、運作的有機融合，改進理論教學內容、課程實驗教學的教學過程與課程實驗教學的考核方式。通過基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學改革實踐證明：將EIP-CDIO模式引入生物醫學傳感器課程教學改革中，可有效提高學生學習自主能力、實踐能力和創新能力，同時學生的道德意識、誠信意識與職業素養都得到了明顯增強。

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