“生物醫學電子學”在線課程的設計

李 剛 林 凌

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院， 天津 300072)

“生物醫學電子學”是生物醫學工程(生物醫學儀器類，包括醫學電子與信息類)專業核心骨干課程，在《生物醫學工程類專業本科教學質量國家標準》[1]中明確規定各專業方向技術基礎知識：“生物醫學儀器類(包括醫學電子與信息類)專業應包括電子技術、計算機技術、信號與系統、生物醫學信息獲取、處理和調控、醫學成像、醫學圖像處理、光子學基礎、生物醫學傳感、生物力學、生物醫學系統建模與仿真、醫學與健康互聯網、云計算與大數據、嵌入式微機系統、數理統計等中至少6個核心內容。”其中7個黑體字的核心內容被包括或涉及“生物醫學電子學”的教學內容，對生物醫學工程(生物醫學儀器類，包括醫學電子與信息類)專業而言，“生物醫學電子學”課程的重要性可見一斑。

顧名思義，“生物醫學電子學”的核心內容就是“電子學”，但要加上針對“生物醫學信息獲取、處理和調控”等具有特殊性的內容。“電子學”課程既具有高深的理論又有具有極強的實踐性，從知識的角度：元器件的性能、單元電路的性能與特點、電路系統的構建與單元電路之間的關系，從器件到電路，進而到系統的測量與調試，內容龐大而復雜，集中于一門課程有難以想象的困難，而分割到多門課程又容易出現“缺位”“越位”或“割裂”的現象，這些也是目前高等工程教學中的難點之一。

MOOC(Massive Open Online Course，慕課)將傳統的課堂教學與新的網絡通訊、計算技術相結合，成功地解決了制約教育普及、發展的技術問題，無疑是教學模式上的一項重要創新與巨大進步，必將對教育尤其是高等教育與職業教育培訓領域產生深遠的影響[2]。慕課相較傳統的班級制教學模式，在一些方面存在優勢，可以很好地適應學生學習活動的個別化和差異性。慕課的主陣地應該是校內常態化的學歷教育，慕課可以成為主體的教學模式，能使公共課和基礎課受益更大[3]。基于MOOC的一系列優勢，很多大學和老師建設了MOOC或SPOC的課程，如電氣電子類課程：張強[4]等利用學堂在線平臺和清華大學電路原理慕課資源，在青海大學水電學院大二本科生教學中實施了基于SPOC翻轉課堂的教學模式；劉亞[5]等進行了MOOC時代電路課程的翻轉課堂教學探索與實踐，朱桂萍[6]等探討了“電路原理”MOOC資源的多種應用形式實踐，孟晉[7]等基于慕課的高職電工電子課程建設探究，閆鵬[8]等進行基于慕課理念的醫學電子學教學改革研究，李婉萍[9]等探索了基于慕課“電路”翻轉課堂教學改革，謝娜[10]對“電路分析基礎”慕課課程建設初探，鞏學梅[11]探討了慕課在高等教育中的應用現狀及發展前景。

然后，隨著MOOC的蓬勃發展，其不足之處和適應性也逐漸顯露出來，對其精確、全面的評價和準確、到位的運用已經得到共識：祁濤[12]等從宏觀的視野全面分析了慕課的利弊，指出慕課有可能嚴重降低教學質量，且慕課通過社會化大生產的方式提供教育產品，無法支持真正意義上的個性化學習，智能化與大數據分析技術自身存在諸多障礙，難以在慕課中普遍應用。何克抗[13]從“MOOCs的內涵與特征”“MOOCs的指導理論與實施方式”“關于MOOCs的冰與火巔峰對決”“關于MOOCs的冷靜思考與科學分析”以及“MOOCs在我國的未來發展”五個方面對MOOCs的本質、特征、實施方式以及兩種對立觀點的核心內容予以闡述。李曼麗[14]等以“電路原理”課程為例，發現大量MOOC學習者中途退出，課程完成率非常低，這個現象一直困擾著MOOC授課教師和MOOC平臺所有者，低課程完成率不是期望的目標，也不利于MOOC的持續發展。汪基德[15]等在MOOC熱背后的冷思考，認為既不能因為把MOOC理論上所具有的優越性當作現實的優點而盲目樂觀，也不要因為MOOC在發展中遇到的挑戰而對其失去信心。要正視MOOC在發展中所遇到的學習者學習持續性不強、退學率高、交流互動不足以及網絡教學難以適應實踐教學需要、教學模式單一、學分認證遭到質疑等問題。

因而，祝智庭[16]等介紹了“后MOOC”時期的在線學習新樣式，如SPOC、MOOL、DOCC、MOOR等，從問題視角、教育假設、教育理念、學習范式等方面對這些新樣式進行了對比分析，提出了關于MOOCs的發展展望。康葉欽[17]回顧了MOOC的成就與問題，解析了SPOC的理念及實踐，指出SPOC在四個方面的優勢:既推動了大學的對外品牌效應，也提升了校內的教學質量；成本較低且能用來創收，提供了MOOC的一種可持續發展模式；重新定義了教師的作用，創新了教學模式；賦予學生完整、深入的學習體驗，提高了課程的完成率。

現有的研究或在頂層視野做出卓有見識的分析，或在MOOC建設中進行有益的探索，但沒能針對工科專業課程和MOOC的特點進行到位的分析，也未就課堂教學、實踐教學以及其他教學手段，如仿真等，進行統籌分析，綜合、系統地配置各種教學手段和資源。在建設“生物醫學電子學”在線課程時，花費近2年的時間從培養方案到教學大綱，從課堂教學、實驗教學到在線課程，從教材、實驗指導書到在線課程進行思考，在已建設的課程資源[18-19]基礎上，以全局的視野建設和完善包括在線課程在內的“生物醫學電子學”課程的多維度的立體支撐教學體系[20-21]。在上述背景和思考下，就建設“生物醫學電子學”在線課程[22]的思路和方法做出簡要的介紹。

1 課程與教學手段的分析

1.1 “生物醫學電子學”課程的特點

“生物醫學電子學”作為工科特色鮮明的課程，其教學目的也必定與工程教育一樣，即“學以致用”，也就是能夠設計、制造和維護生物醫學中的電子系統，達到此目的必定要求受教育者既具備深厚的電子學的理論基礎，又具備寬廣扎實的專業知識面和很強的工程實踐能力。因此，除常規“電子學”課程既具有高深的理論又有具有極強的實踐性外，但需要具備“生物醫學信息獲取、處理和調控”的知識與能力。

而“電子學”課程本身的教學就是其他課程難以比擬的龐雜：從知識的角度，元器件的性能、單元電路的性能與特點、電路系統的構建與單元電路之間的關系，從器件到電路，進而到系統的測量與調試；從與其他課程的聯系來看，有“電路原理”“模擬電子技術”和“數字電子技術”等基礎課程，有“信號與系統”“自動控制理論”“傳感器(技術)”“單片機與嵌入式系統”“測試技術”“誤差理論與數據處理”等并行課程。

足夠的工程實踐(實驗)是實現“學以致用”的必由之路，所謂“(生物醫學)電子學”課程極強的實踐性也就體現在此。這也是MOOC不可能是“生物醫學電子學”的唯一教學形式，也不能是“生物醫學電子學”的主要教學形式的理由之一。

綜上所述，“生物醫學電子學”的教學內容多，課堂教學和實踐教學并重，既需要在理論上有深度，又需要與其他課程融會貫通，還需要學生有足夠的實踐獲得體驗和驗證自己的理解，證明設計與制作的可行性和正確性，這導致教授和學習該課程所需要學時與精力遠遠超出現有教學大綱的規定數，是目前教學實踐的難點之一。

1.2 在線課程的優勢與不足

從教學的角度分析在線課程的優勢與不足，如表1所列。

表1 在線課程的優勢與不足

1.3 傳統教學手段的優勢與不足

這里所述的傳統教學手段主要指課堂教學，也包括實驗教學，傳統教學的優勢與不足，如表2所列。

表2 在線課程的優勢與不足

1.4 “生物醫學電子學”在線課程(微課)的定位

前文的分析清晰地表明：

(1)MOOC(或在線課程)不可能作為“生物醫學電子學”課程的唯一教學手段，即便作為主要的教學手段也是不可取的。

(2)MOOC(或在線課程)作為“生物醫學電子學”課程的教學手段又是很有必要的，可以解決“生物醫學電子學”課程的學時數有限，很多課程難以顧及的問題，同時可以使優質的教學資源得到充分、高效的利用。

因此，把“生物醫學電子學”在線課程定位在：

(1)校內：與課堂教學、實踐教學相輔相成，揚長避短，構成“生物醫學電子學”教學的有機組成部分。

(2)校外：為外校涉電專業的類似課程提供優質的輔助教學資源。

2 在線課程內容的設計

在明確“生物醫學電子學”在線課程的定位后，由于在線課程的各個微課可以相對獨立，內容不受系統性和連續性的約束，可以靈活安排。只要內容覆蓋面廣，并按一定的規律組團(章)，更方便教學老師指定學生必看、推薦、選看或自由觀看的微課單元。

目前，“生物醫學電子學”在線課程分為5“章”：

(1)從實驗到運算放大器參數的理解

(2)基礎知識與原理

(3)電路的設計

(4)綜合知識與能力

(5)測量

換一個角度也將“生物醫學電子學”在線課程的內容分為以下幾類。

1)作為課堂教學必要補充的知識

正如“第1章 從實驗到運算放大器參數的理解”的解說詞：不知道器件參數怎能說學過電路？通過實驗可以更深刻地掌握“漁”：實踐提供鮮活的感性認識、所學的知識有何用、如何去學習……。這里表達了以下幾個意思：

(1)理解器件參數是掌握電子學的前提，其重要性是不言而喻的；

(2)通過實驗可以獲得感性認識和與應用相關聯；

(3)學到“學習的方法”，掌握“漁”是十分重要的。

2)課堂教學難以顧及的知識

如3-1節微課“三極管放大電路的設計”，可能在“模擬電子技術”中不會去學習，因為該課程現有的教學基本上是教“三極管的原理”和“三極管電路的分析”，而專業的“電子學”或“電路”類課程又專注在濾波器、傳感器接口電路和PID調節器等專業性很強的電路分析上(極少涉及設計的內容)。

在這一章中有12個“設計”內容的微課， “三極管放大電路的設計”等看似簡單，但實際上意義非凡：

(1)理解“理論”“理想”與實際的區別；

(2)把繁雜的“實際”抽象成“三極管微變等效電路”“深度負反饋”理論，這就是科學；

(3)用理論指導和實現實際的電路，這就是“工程”；

(4)電路是“抄”不來的，只能是依據需求和理論“設計”出來的；

(5)設計(綜合)是分析的逆過程；通過分析應該掌握電路的基本原理掌握不同電路的特性，但掌握了“分析”的方法和能力不是“電子學”學習的唯一目的。

3)“邊邊角角”的知識

這個分類下面的內容更多，如(前面數字是在線課程的章節序號，破折號后面是解說詞，下同)。

2-1.電路(系統)噪聲的來源與性質——如何設計電路(系統)：重要的不僅僅是“放大”，而是抑制噪聲和提高信噪比。本課實際上提供系統設計的原則與思路。

3-5.低壓單電源電路——絕對不是僅僅節能和簡化電源這樣的簡單目的，也絕對不是“一想就明白”的理解過程。

4-7.電源：內阻、退耦與“星”地——教科書難以涉及的知識。

4-8.電源退耦電容——一枚小小的退耦電容也有大學問。電路的“地”與重慶的“樓”——搞懂了重慶的“樓”，也就容易理解電路的“地”。

4-9.信號“地”是不是電源？——“地”電路的“地”蘊含很豐富的內容。

4-10.有多少種“地”？為什么？——為滿足各種要求，實際上有很多種類的“地”。

4-11.dB：需要了解的秘密有多少？——dB可不簡單，有豐富的內涵。

4-13.靜電的來源、危害與防范——靜電無處不在，隨時讓人吃苦頭，甚至導致難以承受的災難！

4)與其他“課程”相互關聯的知識

現在各個電子信息類專業在編制培養方案時，如同家徒四壁的人家去做出旅游計劃和一年四季的菜譜一樣困難，更遑論把各門課程的邊界畫清楚，或者把一門專業課程與基礎課、并行的專業課的內容相關聯，在線課程就為解決這一難題提供了可能：

2-6.線性疊加定理及其在電路分析與設計中的應用——作為電子學的基石，本課可以讓大家更加體會線性疊加定理的偉大。

2-7.正交、正交信號及其意義——在數學和信號兩個維度思考“正交”，深深體會信號處理的奧秘之處。

2-8.測量與電路——測量就是科學、測量就是診斷。而對于電路，測量就是一切。在電路設計、調試和產生的每個環節都必須有測量：元器件的選擇與測量、單元電路的調試與測量、系統的調試與測量，以至電子測量系統，如各種各類醫學儀器本身就是用于測量。測量對于電子學有絕對的意義。

4-14.麥克勞林展開式(級數)在工程分析與設計中的應用——離開數學的電路不會具有好的性能，熟知麥克勞林展開式(級數)才能在電路的設計與分析中“進退有度、游刃有余”。

4-15.神奇的密勒定律——具有想象不到的意義和應用：意料之外，情理之中。

5)不易理解的知識

在30多年的教學中，發現很多問題是學生容易誤解的，其實質是學生只停留字表面的理解上，沒能深入思考，結果就是并不理解這些知識。

如1-3.高頻與高速——理解電路的速度也是有限的，你的電路水平提高了一大塊；理解了“高頻與高速”的異同，你的電路水平又提高了一大塊；能夠在電路的設計和調試中正確地處理“高頻與高速”。

1-4.輸入幅值范圍與輸出幅值范圍及其驅動能力——對“輸入幅值范圍與輸出幅值范圍及其驅動能力”沒有感覺，必定不能入門！要在實踐中游刃有余，本課已經給出了思考和實踐的方向。

1-5.輸入偏置電流——運算放大器也是晶體管“集成”出來的，想想晶體管是需要一定的工作條件的，也就理解了運算放大器的很多參數。

6)更適合信息技術表達的知識

如在2-9.非線性電阻、靜態電阻與動態電阻——非線性才是普遍存在的！非線性是線性電路中最難纏斗的敵人！非線性又是電路不可或缺的一種特性！

這一課中，不僅介紹了非線性的知識，還介紹了非線性在正弦波振蕩器穩幅中的應用，運用仿真軟件直觀地展示了正反饋系數對振蕩器的影響，以及利用二極管的“非線性”伏安曲線實現柔性、自動地穩幅效果。

3 在線課程6輪教學的總結

至今“生物醫學電子學”在線課程已經完成6輪的教學，多達120所大學的1.6萬名本科生、研究生和高職生完成了學習，還有700多名的工程師或其他人員完成在線課程的學習，2000多名教師觀摩了課程，累計2.217萬人次參加了課程互動。以上數據足以證明“生物醫學電子學”在線課程得到廣大師生們的認可。

4 結語

在對MOOC充分調研和分析的基礎上，結合從事30多年“生物醫學電子學”課程教學的經驗，從工程教育的“學以致用”的目的出發，以專業和課程教學的全局視野對“生物醫學電子學”在線課程進行了規劃和建設，6輪的教學已充分、有力地證明“生物醫學電子學”在線課程的優秀。