基于產(chǎn)出導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法的研究

［摘 要］ 為了使實(shí)驗(yàn)課程有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，從而滿足其畢業(yè)后從事相關(guān)工作的要求。基于產(chǎn)出導(dǎo)向的理念，以“醫(yī)學(xué)信號與數(shù)據(jù)分析”課程為依托，采用問卷調(diào)查、細(xì)化具體指標(biāo)完成情況和分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方法，探索大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的實(shí)施情況和效果。結(jié)果顯示，此次改革促使學(xué)生掌握了新的分析軟件和方法，提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，為今后實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供了有益的借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

［關(guān)鍵詞］ 產(chǎn)出導(dǎo)向；實(shí)驗(yàn)課程；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度重慶大學(xué)教改項(xiàng)目“基于產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）理念的‘醫(yī)學(xué)信號與數(shù)據(jù)分析’實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革”（2022Y22）；2023年度重慶大學(xué)大型儀器設(shè)備功能開發(fā)項(xiàng)目“便攜式細(xì)胞培養(yǎng)裝置的設(shè)計(jì)制作”（gnkf2023004）；2021年度重慶市教改項(xiàng)目“面向醫(yī)療健康信息智能感知與輔助決策的智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程體系構(gòu)建與實(shí)踐”（213028）

［作者簡介］ 許 蓉（1984—），女，新疆哈密人，碩士，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師（通信作者），主要從事醫(yī)學(xué)信息檢測與處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0155-04 ［收稿日期］ 2023-09-23

引言

醫(yī)生的醫(yī)學(xué)信號分析處理能力的強(qiáng)弱，決定了其在醫(yī)學(xué)診斷、疾病預(yù)測、治療方案選擇等方面的準(zhǔn)確率。醫(yī)生的醫(yī)學(xué)信號分析處理能力的進(jìn)步，不僅緩解了他們的工作壓力，還能為患者提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。醫(yī)學(xué)生學(xué)好“醫(yī)學(xué)信號與數(shù)據(jù)分析”實(shí)驗(yàn)課程，不僅是個(gè)人職業(yè)生涯的需求，也是國家和社會(huì)對未來醫(yī)務(wù)工作者的期盼。

產(chǎn)出導(dǎo)向教育（outcomes-based education， OBE）是工程教育認(rèn)證的核心理念，是全球流行的高等教育策略和教學(xué)方法［1］。國內(nèi)很多高校已經(jīng)基于OBE理念重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)課程［2］。OBE理念以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅要掌握理論知識，還要將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)知識的轉(zhuǎn)化和技能的提升。OBE實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革就是把學(xué)生的學(xué)習(xí)過程從傳統(tǒng)的“教師演示、學(xué)生模仿”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生做、教師輔助”。改革體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，圍繞產(chǎn)出成果來設(shè)計(jì)并實(shí)施教學(xué)，以提高實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的效果和質(zhì)量為目的，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力與素質(zhì)的雙進(jìn)步為目標(biāo)［3-5］。

一、OBE實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

設(shè)定合理的教學(xué)目標(biāo)是有效產(chǎn)出的基本前提之一，確定目標(biāo)后再反推需要教授的內(nèi)容以及所采用的形式［6］。采用合理的方式對實(shí)驗(yàn)成效進(jìn)行有效評價(jià)是OBE實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)思路［7］。以學(xué)生為中心培養(yǎng)其職業(yè)素養(yǎng)需要考慮以下幾個(gè)方面。

（一）確定目標(biāo)和任務(wù)

OBE的課程改革首先需要明確課程所支撐的專業(yè)預(yù)期成果指標(biāo)。醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)在醫(yī)療診斷、治療和監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如心電圖、腦電圖、醫(yī)學(xué)成像等。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生在醫(yī)學(xué)信號分析處理領(lǐng)域的專業(yè)綜合能力。這些能力涵蓋了以下方面：掌握先進(jìn)的計(jì)算機(jī)語言；運(yùn)用實(shí)際信號進(jìn)行深度分析和解釋；深刻理解醫(yī)學(xué)信號分析在社會(huì)中的重要性和影響，樹立社會(huì)責(zé)任感；培養(yǎng)科學(xué)探究的精神和創(chuàng)新思維，激發(fā)持續(xù)改進(jìn)的動(dòng)力。通過這些目標(biāo)的全面培養(yǎng)，學(xué)生將具備應(yīng)對醫(yī)學(xué)信號分析領(lǐng)域挑戰(zhàn)的能力，為成為有能力和社會(huì)責(zé)任感的專業(yè)人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）培養(yǎng)實(shí)踐能力

OBE實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)應(yīng)該突出對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生了解醫(yī)學(xué)信號的類型和特點(diǎn)，使學(xué)生掌握各種生理參數(shù)的采集及分析、提取的基本理念和技術(shù)，從而具備解決實(shí)際問題的能力。教師鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和技能開展創(chuàng)新性的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（三）團(tuán)隊(duì)合作

團(tuán)隊(duì)合作不但可以讓學(xué)生充分了解各自的優(yōu)勢，知道在團(tuán)隊(duì)中如何發(fā)揮自己的作用，還可以學(xué)習(xí)如何與其他同學(xué)一起從不同的角度思考問題，從而實(shí)現(xiàn)多方面的思考和創(chuàng)新。通過團(tuán)隊(duì)合作還可以模擬實(shí)際工作環(huán)境，從而為學(xué)生做好工作預(yù)熱。

（四）評估和反饋

通過對學(xué)習(xí)進(jìn)展的量化評估，教師可以精確掌控學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的核心概念和技能的掌握進(jìn)度，并為進(jìn)一步的教學(xué)調(diào)整提供依據(jù)。評估結(jié)果可以為學(xué)生提供有針對性的反饋，幫助他們了解自己在實(shí)驗(yàn)課程中的表現(xiàn)、進(jìn)展情況以及需要改進(jìn)的方面。通過反饋，學(xué)生可以更好地了解自己的優(yōu)勢和不足，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀倪M(jìn)學(xué)習(xí)效果。學(xué)生及時(shí)把學(xué)習(xí)情況和體驗(yàn)反饋給教師，可以幫助教師改進(jìn)教學(xué)方法、優(yōu)化教學(xué)資源，并提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，如圖1所示。

二、結(jié)果

此次OBE實(shí)驗(yàn)課程改革基于本科“醫(yī)學(xué)信號與數(shù)據(jù)分析”課程。此課程為32學(xué)時(shí)的必修課程，適用于生物醫(yī)學(xué)、智能醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)的本科生培養(yǎng)。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，該實(shí)驗(yàn)課程主要基于Matlab語言，教師采用講解和演示的方式，學(xué)生跟隨教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。基于上述改革的原則，取得了以下進(jìn)展。

（一）掌握Python的使用，滿足醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用的基礎(chǔ)要求

OBE實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，教學(xué)活動(dòng)緊緊圍繞成果目標(biāo)展開。基于課程目標(biāo)，雖然Matlab語言使用時(shí)間更長，但是Python開源免費(fèi)，擁有大量的第三方庫和工具，適用于多個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)更加明顯，掌握Python語言對于學(xué)生今后的就業(yè)及個(gè)人發(fā)展都有很大的幫助。學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)課程能夠達(dá)到Python在醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析方面的要求，具體包括：不同格式的生理數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)預(yù)處理，提高信噪比；特征提取，如心率、最大自主收縮力（maximum volunteer contraction， MVC）對應(yīng)不同肌肉的信號峰值等；數(shù)據(jù)可視化：將結(jié)果生動(dòng)地展示出來。

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，在達(dá)成上述目標(biāo)的同時(shí)，除了要求學(xué)生掌握使用Python提供的數(shù)據(jù)庫，還可以要求學(xué)生自己編寫處理函數(shù)并調(diào)用。例如，通過講述中值濾波的原理，要求學(xué)生自己編寫處理函數(shù)并調(diào)用。

在培養(yǎng)技術(shù)能力的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的信息安全意識，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)泄露或?yàn)E用而帶來的負(fù)面影響。幫助學(xué)生樹立正確的社會(huì)責(zé)任觀念，認(rèn)識醫(yī)學(xué)信號處理的重要性。分析的算法和技術(shù)仍有改進(jìn)的空間，將數(shù)據(jù)處理當(dāng)作一項(xiàng)為社會(huì)服務(wù)的事業(yè)，積極參與和推動(dòng)數(shù)據(jù)處理的健康發(fā)展，將數(shù)據(jù)處理技術(shù)作為促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的有力工具，為社會(huì)發(fā)展和人民福祉做出更大的貢獻(xiàn)。

（二）采用豐富的課堂形式，適時(shí)推進(jìn)課程進(jìn)度

實(shí)際的生理信號因?yàn)閭€(gè)體差異以及采集的方法、環(huán)境等因素出現(xiàn)各種不同的情況，沒有一種萬能的方法處理所有的數(shù)據(jù)和情況。教師可以在授課中安排一次生理信號的采集實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生采集自己的生理信號。采集和分析自己的生理信號不但能提高學(xué)生的興趣，也能教會(huì)學(xué)生如何利用結(jié)果判定是否屬于正常生理值范圍，從而了解醫(yī)院檢測報(bào)告的流程。

根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容和學(xué)生已經(jīng)掌握的知識，采用不同的上課形式，如PPT講解、小組討論或者學(xué)生代表講解等方式。這不僅活躍了課堂的氣氛，也提高了學(xué)生的參與度和興趣。每節(jié)課設(shè)置三個(gè)小目標(biāo)，在保證有九成的學(xué)生完成的情況下進(jìn)行下一個(gè)小節(jié)課的內(nèi)容。在這種課堂氛圍中，學(xué)生基本能完成每次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。爭取讓每名學(xué)生都跟上內(nèi)容推進(jìn)，即使不能按時(shí)完成課堂內(nèi)容，也能聽懂原理，從而在課后積極補(bǔ)習(xí)。對于實(shí)在有困難的學(xué)生除了線下輔導(dǎo)，還可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源做好線上答疑。

（三）激勵(lì)學(xué)生展示才能，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力

課前，按照學(xué)生意愿及能力均衡的原則分成5人左右的小組，以小組為單位并根據(jù)場地條件安排座位，安排組長協(xié)調(diào)小組成員的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。學(xué)生以小組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過小組合作，學(xué)生鍛煉了競爭、協(xié)作、溝通與表達(dá)能力。每次實(shí)驗(yàn)課都設(shè)定最低目標(biāo)和提高要求。評定成績時(shí)，適當(dāng)考慮學(xué)生的編程能力、理論基礎(chǔ)和努力程度，鼓勵(lì)學(xué)生展示自己。對于課堂上積極發(fā)言、勇于展示結(jié)果及同學(xué)間互助的情況，教師及時(shí)進(jìn)行肯定并適當(dāng)加分。考慮到學(xué)生的個(gè)性差異，教師采取因材施教和多元評估的策略。鼓勵(lì)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中提出自己的想法和建議，充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，從而促進(jìn)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新和進(jìn)步。

（四）分析回收問卷，綜合評價(jià)成績

課前發(fā)放問卷，課后回收評估。問卷主要涵蓋以下三部分。

1.學(xué)生基礎(chǔ)知識：Python以及涉及理論知識掌握情況。

2.對內(nèi)容及進(jìn)度的意見：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排、對于理論知識的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度與參與度的相關(guān)性、課程對數(shù)據(jù)分析能力的提高等。

3.建議包括：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的補(bǔ)充和刪減、進(jìn)度安排的調(diào)整以及其他有利于課程效果的建議。

本研究共發(fā)放問卷400份，有效回收問卷368份，有效回收率為92%。問卷調(diào)查結(jié)果顯示：學(xué)生都（100%）對Python有了解也有學(xué)習(xí)的欲望，但是已經(jīng)掌握基本語言的學(xué)生很少（17%）。82%的學(xué)生清楚涉及理論知識的原理，但對實(shí)際應(yīng)用還有很多不清楚的地方。94%的學(xué)生對OBE實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革持積極態(tài)度，認(rèn)為改革后的實(shí)驗(yàn)課程更加有趣、富有挑戰(zhàn)和意義。但是也有37%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課程有難度，需要更多的精力去完成每節(jié)課設(shè)置的要求和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程總成績由課堂成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分組成。課堂成績不但包含每次課堂小目標(biāo)的完成情況，還包含加分項(xiàng)目。這是為了鼓勵(lì)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生更積極地投入課堂活動(dòng)中。實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為基礎(chǔ)部分（必須完成部分）和提高部分（自選完成部分）。各部分的占比如圖2所示。

結(jié)語

本文基于以學(xué)生為中心的OBE理念，以學(xué)生最終具備的能力為導(dǎo)向，首先確立課程應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)，再細(xì)分每次課程需要達(dá)到的效果和教師需要教授的內(nèi)容以及課程進(jìn)度。在行課之前先調(diào)查了學(xué)生的知識儲備和能力范圍，教師采用了多種教學(xué)方法和工具，適時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和進(jìn)度的安排。行課過程中及時(shí)觀察，具體化課程目標(biāo)，做到對每名學(xué)生心中有數(shù)。教師及時(shí)批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，從而盡快發(fā)現(xiàn)問題并糾正指出，對好的方法和結(jié)果及時(shí)肯定，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。結(jié)果顯示，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)操作能力有了明顯的提高，能夠更加獨(dú)立地撰寫程序和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果也得到了明顯的提升，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績分布更加均衡，總體成績有所提高。OBE理念的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)課程的效果和質(zhì)量，這對于今后實(shí)驗(yàn)課程的開展提供了有益的參考價(jià)值。

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Research on Teaching Methods of Medical Signal and Data Analysis Experiment Course Based on Outcome-based Education

XU Rong， HOU Wen-sheng， WANG Jian-hua

（Bioengineering College， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： To ensure that the experimental courses can effectively cultivate students’ practical abilities and professional qualities to meet the requirements of relevant work after graduation， this study， based on the output-oriented concept， took the course “Medical Signal and Data Analysis” as the basis. Questionnaire surveys， detailed analysis of specific indicators， and analysis of experimental reports were used to explore the implementation and effects of the teaching reform of university experimental courses. The results showed that the reform enabled students to master new analysis software and methods， improved their teamwork and ability to link theory with practice， while enhancing students’ initiative in learning and the teaching quality of the experimental courses. This provides useful references and experiences for future experimental course teaching.

Key words： outcome-based; experiment course; teaching reform