生物医学工程专业综合实验室建设的实践研究

2012-04-29翁苏湘霍旭阳

计算机时代 2012年7期

翁苏湘霍旭阳

摘要：生物医学工程专业的实践教学很重要，但现有各门课程的实验通常是验证性实验，且通过试验箱进行，难以让学生真正提升能力。为此，探讨了开展综合性、设计性实验的必要性和综合实验室建设的意义，并对该专业综合实验室建设进行了具体实践，为生物医学工程专业的实践教学改革探索了一条可行之路。

关键词：生物医学工程；实践教学；综合实验室；设计性试验

中图分类号：G642.0文献标志码：A 文章编号：1006-8228(2012)07-55-02

0 引言

生物医学工程是一门将工程技术与医学相结合，综合运用工程学相关原理和方法，解决医学问题的交叉学科。自上个世纪六十年代以来，生物医学工程已逐步演变为全球发展最快的产业之一。

该专业的本科人才培养目标定位为：具备生命科学、电子技术、计算机与信息科学的基础知识，具有将现代物理学、电子技术、计算机技术与医学相结合的科研能力，并突出应用型特色；掌握开发设计、研究医学仪器的基本方法和技能，毕业后能够从事医学仪器的应用、管理、维修、开发、研制等工作[1]。

按照培养应用型人才的要求和目标，生物医学工程专业学生的电子设计、研发和计算机应用能力被认为是最重要的专业技能。高等学校的专业教育应该将培养学生的这些技能作为教学的重中之重。而学生实践动手能力的培养是学生整体素质和能力提高的一个重要组成部分，也是培养适应社会经济发展的复合型人才的根本需要[2]。

1 生物医学工程专业实践教学存在的问题及原因

实践教学环节不仅仅可以验证学生所掌握的理论知识，同时还可以训练、培养学生的观察能力、思维能力、实际操作能力和严谨的科学态度[3]。有效的实践教学不仅仅是理论课教学的必要补充，而且学生的分析、解决实际问题能力和动手能力只有在实践教学中才能够得到根本提升。但是在目前实践教学中存在的一些问题，影响了课程教学的最终实效，也抑制了学生创新能力的提升，主要表现在以下几个方面。

⑴ 受传统的“重学轻术”观念的影响，长期重理论教学，轻实践能力培养[4]。另外，扩招带来的学校规模急剧增大，实践教学设施建设滞后，加之“双师型”教师严重匮乏，造成实践教学、尤其是工程训练严重不足。

⑵ 单科验证性实验内容多而综合性自主设计实验内容少。目前生工专业各门学科的实验课程中，绝大多数实验项目是针对单一课程某一理论教学内容的验证性实验，这种实验是封闭式的，将学生的思维局限在某一门课程中[5]。而实际上，生物医学工程专业各门课程，特别是其主干课程电子学各门课程之间有着紧密的联系，学生缺少学科开放的实验训练，会导致知识的割裂，难以形成完整的知识体系。因此，当要求学生完成综合性实验项目或自行设计性实验项目时，学生甚至不知道如何查阅资料、制定实验方案、选择实验设备等。

⑶ 使用实验箱协助实验，学生仅仅需要进行简单的线路连接就完成了实验，实验课成为了课堂教学内容正确性的验证。这种实验使得学生很少深究实验原理，难以培养学生的钻研精神和自主创新意识，久而久之，学生对实验课也丧失了兴趣。

⑷ 实践教学基地建设滞后，校企联合还远远不够。这是制约实践教学向着学以致用目标迈进的障碍之一。本科层次的生物医学工程专业毕业生的直接去向之一就是企业，为培养企业用得上、留得住的人才，应该使得学生在实训过程中始终保持与企业的密切联系，才能使学生在生产实际操作中掌握职业岗位所需的技能及相关工作经验，了解应用技术领域的前沿知识，完成由学校到生产岗位的过渡[6]。只有这样，才能使得学生在学习中有明确的职场目标和方向，进而提高学习的主观能动性。

2 建立生物医学工程专业综合实验室的意义

有文献显示，通过对采样数据的因子分析和回归方程的计算，实践教学在学生对教学质量满意度的影响因素中位置显著且影响程度最大[4]。

生物医学工程专业除了机械设计和信号处理等课程之外，其核心课程包括电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理与接口技术、单片机应用技术等电子学相关课程。这些课程的实践教学环节在一定程度上相互渗透，且共同构筑了综合性设计实验的各个知识环节。因此，整合各学科实验教学设备和实验教学师资，构建综合实验室，可以有效提升设备利用率和实验室利用率，对培养学生实验设计、科研设计能力，提高学生主动学习意识，打造学生自主创新能力有着十分重要的意义。

⑴ 综合实验室作为生物医学工程专业实验教学平台，可用于形成由单一到综合，由相对独立到科学融合的实践教学体系[1]。这个体系，可以对学生的工程技术实践能力进行强化训练，以提高学生的科研素质和专业应用技能，提高学生分析问题和解决实际问题的能力，真正做到学以致用。

⑵ 综合实验室可用于形成以自学为主，将理论与实践融为一体的启发式“教”与“学”体系。文献显示，中国和美国大学工程技术专业培养模式最大的区别在于，中国大学的教育以课堂“填鸭式”为主导，而美国大学生的主要学习过程不是在课堂上，而是在课外时间完成的[7]。通过综合实验室，教师可以在实验前交给学生实验内容概要，让学生明确实验目的、步骤及需要取得的结果，鼓励学生进入实验室通过查阅文献，自行完成实验设计，自主进行实验，并分析和解决实验中出现的问题，最终取得满意实验结果。而教师，在实验中不再是主导地位，而仅仅起到答疑和辅助实验的作用，充分锻炼学生的动手能力，提升学科技能。

⑶ 构建开放式的综合实验室，可让学生充分利用业余时间进行创造性的学习。通过电子类课程的学习，学生的知识体系日渐丰满，会产生自己动手制作实物的想法，综合实验室可以为学生提供实验环境和设备，在动手的过程中，学生会将知识融会贯通，并学会在失败中积累经验，这不仅锻炼了自主创新能力，也增强了克服困难的意志。

⑷ 借助综合实验室可以建设一支实践能力强、业务素质高的教师队伍。长期以来，我国高校人为地将教师分成教学和实验两个系列，致使教师“耻”于动手参加实验室的工作。在美国等西方国家，许多著名教授、学者的专利项目第一件成品都是自己亲手制作的[7]。生工专业综合实验室可以将相关学科教师集中在一起，打破学科边界，使得教师可以获得实际工作经验和能力，真正成为“双师型”教师。

3 我院生物医学工程专业综合实验室建设初探

我院的生物医学工程专业2004年开始招生，是学院惟一的工科专业，教学体系相对独立，教学模式经过多年不断探索，逐步完善。学院搭建生工专业综合实践教学平台的设想，经过了多年的论证、分析、尝试，于2011年形成草案，并逐渐付诸实施。

生物医学工程专业的实践课程包含机械设计实践课程，主要通过金工实习完成；信号处理、图像处理实践课程，主要通过计算机仿真软件完成；医学仪器检测维修实践课程，主要通过医院医疗仪器设备见习等环节完成。而构成生工专业主干课程体系的电路分析、模电、数电、微机原理与接口技术和单片机应用等电子学课程，因其实践教学环节互相渗透，经整合电子类课程的实践教学人员和资源，组建综合实验室。

⑴ 将专业综合实验室分为硬件和软件两大体系平台

生物医学工程专业旨在培养具备医疗仪器设计、研发、修理等能力的工程技术人员，故学生的动手能力应该从硬件和软件两个方面进行训练。实际上，生物医学工程各门课程的实验课程，也包括了对学生软硬件能力的要求。在实习手册中，部分控制程序已经给出，可以引导学生完成验证性实验的软件设计；实验箱中有完整的实验内容电路，学生通过线路连接可完成对实验教学内容的验证。对于综合设计实验，则要求学生综合软硬件两大部分，自行完成对电路的设计并驱动和控制，同时要求具备一定的调试能力，这就需要为学生提供综合实验室。

同时，考虑到学生个人能力有限，且对硬件学习和软件学习的敏感度不同，综合实验室也提倡团队合作，合理分工，通过团队工作更有效的将软件体系和硬件体系相结合，共同完成综合设计性实验。

⑵ 硬件实验平台的搭建

进行综合设计性实验时，首先由老师和学生一起研讨实验要求、目的、内容和结果，根据实验要求完成实验方案设计。设计模块，并进行器件选型，然后完成模拟电路和数字电路设计，使用Protel等软件进行电路图绘制，并完成电路仿真实验。通过仿真实验的电路，再完成制版、焊接，最终制成电路板并进行电路调试。

当进行分科实验时，由实验教师带领学生按照教学大纲的要求完成验证性实验内容。可以通过实验箱验证实验结果，也可以通过分解综合实验的步骤，进行相关件内容实验。

⑶ 软件实验平台的搭建

软件实验主要包括上位机、应用、和下位机实验等。上位机就是PC机上层的控制程序，比如图形显示程序等。在分科实验中，例如微机原理与接口技术课程，上位机的程序可以给定，让学生输入程序并验证实验结果；在综合实验中，也可以引导和鼓励学生自己开发上层控制程序。应用主要包括模块功能的开发和嵌入；而下位机程序，通常就是单片机控制程序了。在单片机应用课程中，往往也给出控制程序，以便验证课程教学实验中的某个问题。而在综合设计性实验中，要求学生自己完成全部或部分单片机控制程序，以提升学生的主动思考能力。

总之，我们所建设的综合实验室，既能完成各门课程的分科验证性实验，又为课程设计、毕业设计和各学科综合实验提供了场地、设备和基础。

4 结束语

生物医学工程专业旨在培养创新型应用人才，而实践教学是提升学生应用能力的最关键环节。

生物医学工程专业的主干支撑学科内在联系紧密，这使得构建生工专业综合实验室成为可能。

纵观国内各高校生物医学工程专业的培养模式，有关实践教学改革的探讨十分普遍，但是尚未见构建专业综合实验室的先例。我们期待通过我院生工专业综合实验室的建设，可以为生物医学工程专业实践教学改革走出一条新路子，为培养具有较强科研能力、动手实践能力、自主创新能力的生物医学工程人才贡献微薄之力。

参考文献：

[1] 王能河,邹卫东,李义兵.生物医学工程专业应用型本科人才培养体

系的研究与实践[J].数理医药学杂志,2008.5:627-629

[2] 龚维,丁彤,何颖,郑环,何力.关于如何培养高校理工科学生实践动手

能力的探索与实践[J].高等教育研究,2010.12:64-66

[3] 邓洪达,赵美玉.从工科学生本科毕业论文问题看实验教学改革[J].

重庆科技学院学报(社会科学版),2010.22:168-170