“醫學電子儀器設計”課程的項目化教學設計與實踐

李 華，梁永波，杜曉霞，肖文香，張 倩

（桂林電子科技大學生命與環境科學學院 廣西 桂林 541004）

新工科和大健康產業的興起，為生物醫學工程專業的發展提供了難得的機遇，同時也是極大的挑戰[1]。目前該專業的人才培養質量還不能很好地適應產業發展的要求，沒有把專業的優勢和特色完全展現出來，該專業還存在以下悲觀情緒：“雖然我們也學過電子和軟件相關課程，可電路設計能力不如電子工程學院的學生，編程能力不如計算機學院的學生，我們專業培養出的學生出路在哪里？”因此，如何構建電子信息與專業特色緊密結合的課程，已是目前生物醫學工程專業急需解決的痛點問題[2-5]。

“單片機原理及應用”課程是電子信息類專業開設的一門專業基礎課，也是生物醫學工程專業的一門專業限選課。在以往的教學中，該課程主要講授單片機的一些基礎理論，和電子信息類專業、測控專業等講授的內容沒有大的區別，且學生學完該課程后，動手能力、實際的電路設計能力沒有大的提高，且以單片機為核心、與專業相關的醫學電子儀器的設計沒有涉及，影響了課程目標達成度的完成[6-8]。同時，根據對一些醫療電子儀器行業重點企業的走訪調研發現，生物醫學工程專業的畢業生普遍存在著理論應用于實踐的工程能力薄弱、電子信息特色與醫療電子儀器的結合不緊密、醫學倫理規范意識不強等問題[9-10]。

綜上，本課程組在培養方案中將“單片機原理及應用”課程調整為“醫學電子儀器設計”課程。采用項目式教學方法。項目化教學是師生通過共同實施一個完整的“項目”工作而進行的教學活動，將教學大綱中規定的教學內容和要求轉化為若干個有實用價值的工程項目。醫學電子儀器的核心是單片機，將單片機的學習與醫學電子儀器的設計很好地結合起來，是本門課程急需解決的關鍵核心問題。

1 教學改革內容

“醫學電子儀器設計”針對目前存在的問題進行了教學改革和創新，具體體現在教學方法、教學內容以及考核方式的改革上。

1.1 教學方法

貫徹“教師引導、學生跟進、自主學習、自主實踐”的教學思想，結合課堂講授、學生自學、輔導答疑、自主實踐等教學方式，靈活采用多種教學方法。

①啟發式教學方法。根據“醫學電子儀器設計”課程的特點，理論課以課堂講授為主，為使學生對課程內容有系統和全面的認識，加深對課程重點知識的認識并牢固掌握其內容，引導學生樹立正確的學習方法和思維方式，以便理解課程難點。

②自主實踐式教學方法。根據“醫學電子儀器設計”知識需要自主動手的特點，在理論學習內容的基礎上，介紹實際芯片和開發環境，引導學生在課后自主實踐。使學生能夠掌握單片機的基礎知識，并初步具備進行系統開發的能力。

③學導式教學方法。根據大學生具備自學能力、本門課程內容中的一部分有可能通過自學掌握的特點，采取了教師提出學習提綱、給出查閱資料范圍、學生通過自主查閱資料、教師給出參考問題供學生消化這樣一個環環相扣的方法，調動學生的學習積極性。在此基礎上，通過布置實踐強化訓練大作業，使學生進一步掌握單片機的編程和調試能力。

④關聯式教學方法。“醫學電子儀器設計”這門課程涉及許多其他學科的知識，如人體生理參數、模擬電子、數字邏輯、軟件設計等。這就要求教師對其他課程的知識有所了解，在講課時，從各門課程知識相互關聯的角度，根據不同的內容有選擇地運用其他學科的知識分析問題。

1.2 教學內容

教學內容的選擇上體現了理論和實踐的有機統一。“醫學電子儀器設計”課程共40個學時，其中前24個學時講授單片機的理論基礎知識，后16個學時的內容圍繞以單片機為核心的醫學電子儀器的設計展開。通過精簡部分理論學時，加大了實踐環節的訓練，使學生不僅掌握單片機的相關理論知識，而且可以應用到以單片機為核心的醫學電子儀器的設計中去。

同時，構建了以紅外光電容積脈搏波采集系統為核心的項目式教學方法，完成從知識到能力的跨越。該門課程以四類典型的人體生理參數（脈搏、血氧、血壓、心率）檢測儀器為工程應用背景，將這四類儀器需要用到的單片機知識概括為十五個模塊化學習資料，同時布置五個實踐強化訓練作業，最后學生在掌握上述能力的基礎上，選擇相關的三個醫學電子儀器設計項目進行大作業，從而實現了單片機從普通芯片到醫學電子儀器核心芯片的轉變。項目式教學的整體設計如圖1所示。

圖1 項目式教學設計框圖

1.3 考核方式

考核方式：平時考核（包括課堂到課率、課外作業及課外實踐作業）、期中考試（開卷）、期末考試（閉卷）。

課程總成績構成：平時成績占50%，期末考試成績占50%。

平時成績構成：由課堂表現、課外作業及大作業構成，其中課堂表現占總成績10%、課外作業成績占總成績20%、大作業占總成績20%。

2 教學改革方案

本教學改革基于脈搏波采集設計不同難度的項目，學生可根據自身的能力和水平選擇相應的項目完成。

2.1 項目設計名稱：紅外脈搏波采集系統設計

①傳感器：HKG-07B紅外脈搏傳感器；

②信號調理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號調理電路+單片機系統電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④AD620+50Hz限波電路+帶通濾波電路（調試發放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機（將發放的PCB與單片機學習板連接調試、編程）；

⑥針對單片機采集的脈搏波數據，在單片機內設計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（提供基礎版工程）+軟件濾波算法+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.2 項目設計名稱：光電容積脈搏波采集系統設計

①傳感器：醫用血氧飽和度標準探頭（7針，DB7）；

②信號調理電路Protues仿真（交工程文件）；

③信號調理電路+單片機系統電路原理圖及PCB電路板（交工程文件）；

④紅光或紅外光單波長驅動電路+跨阻放大器+帶通濾波器（調試發放的空PCB板）；

⑤ADC0809+51單片機（將發放的PCB與單片機學習板連接調試、編程）；

⑥針對單片機采集的脈搏波數據，在單片機內設計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（提供基礎版工程）+軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

2.3 項目設計3名稱：血氧飽和度測量系統設計

①傳感器：醫用血氧飽和度標準探頭（7針，DB7）；

②測量系統原理圖與PCB電路板（交工程文件）；

③自行打板實現整個測量電路，調試通過所有功能模塊；

④單片機選擇不限制，ADC與DAC均可使用單片機內置功能；

⑤針對單片機采集的脈搏波數據，在單片機內設計軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等），實現心率計算（每三秒更新一次心率），通過1602液晶實時顯示；VC++6.0上位機（可參考提供的基礎版工程）+軟件濾波算法（如滑動均值濾波，中值濾波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。

3 改革取得的初步成果

學習本課程的學生均需完成本項目設計與調試內容，通過本項目鍛煉能夠使學生對醫學電子信號有更清晰的認識，具備基本的醫學生理測量系統設計能力，能夠解決醫學電子儀器設計中遇到的各類常規設計與調試問題。項目開展過程部分如圖2―圖4所示。特別是生物電子創新基地的學生，進行醫學電子儀器相關裝置的設計，獲得“挑戰杯”廣西壯族自治區一等獎、“全國大學生生物醫學工程創新設計大賽”一等獎等獎項。

圖2 信號調理電路設計圖

圖3 焊接PCB板實物圖

圖4 項目總體連接實物圖

4 結語

多學科交叉融合是生物醫學工程專業的重要特點，如何實現不同課程、不同知識點之間的融合，體現專業特色，是生物醫學工程專業課程教學改革的重要目標。本文以“醫學電子儀器設計”課程教學改革為例，以項目式教學改革為抓手，將單片機的相關基礎知識與人體生理參數檢測有機結合，使學生在掌握單片機相關基礎理論和知識的同時，也培養了生物醫學工程專業中人體生理生化參數的醫學電子儀器的設計和檢測能力，提高對專業的認同度。本文不僅對生物醫學工程專業相關課程的改革提供了參考，對其他專業也具有借鑒意義。