TDBU教学模式在生物医学工程专业实验教学中的应用

但 果，董 磊，刘子琛

(深圳大学 医学院，广东 深圳 518060)

随着高校毕业生人数逐年增加，加上高校人才培养模式与社会需求有较大差距，高校毕业生的就业形势变得越加复杂严峻，探索更加科学的教学模式、培养符合社会需求的高层次人才，就显得尤为重要。基于此，我们首次利用TDBU(Top-down & Botton-up)教学模式设计生物医学工程的专业实验教学项目。学生通过引入TDBU模式的“医用数字系统设计”实验课程的学习，能够快速掌握VHDL程序设计理念、模块化设计思想以及VHDL语言如何有效应用在生物医学工程专业，并塑造出他们的团队协作精神。

1 TDBU教学模式提出的背景

当前我国大学生就业难的问题主要体现在3个方面：一是大学毕业生找工作难；二是企业招聘合适人才难；三是高质量人才短缺。这三难局面的症结就在于高校培养的人才与企业的需求严重脱钩[1-3]。

生物医学工程专业的毕业生也同样面临着这样的就业市场人才供需“怪象”[4]，另外，具有交叉学科和边缘学科特色的生物医学工程专业由于其实践性强，在短短的4年时间，该专业的本科生不仅需要掌握医学、生物电子、计算机等专业的理论知识，还需要结合理论知识不断提升自己的实践水平，这对于每个生物医学工程专业的本科生来说都是一种巨大的挑战[5-6]。

为了解决上述问题，培养出符合企业需求的高质量人才，教师需要在生物医学工程专业的实践性课程设置上反复推敲，设计出合理的实验教学模式，使得学生在刚刚接触一门实践性课程后，就能对其有一个宏观的认识，而且又能迅速融入到设计中，并在较短时间内完成相应的设计，从而激发学生的学习兴趣、建立学生的自信心、在此基础上，学生就可以进一步深入到实验中，从而提高他们的实践能力。另外，在实践性课程设置上，还需要考虑到学生的层次性，每个实验在难度上应具有可伸缩性，学生可以根据自己的水平，选择一个适合自己的难度级别，这样就可以确保每个学生都能最终完成实验目标。

TDBU教学模式恰好能满足以上需求。该模式引入了项目化教学理念，即教师对项目进行分解，并进行必要的示范性指导,然后让学生分组围绕各自的项目进行讨论、协作、实践和探究性学习,最后，以共同完成项目的情况来评估学生是否达到教学目的。所有教学活动都是围绕着真实的项目展开的[7]。因此TDBU教学模式不是以一个简单的实验，而是以一个完整的项目作为实验目标。该模式的主要特点是学生以小组形式参与并完成可以切分成若干模块的完整项目，而且学生可以选择项目的难易程度。由于该模式可以确保各个层次的学生完成项目，因此对于激发学生的学习兴趣、建立学生的自信心、提高学生的实践能力，有着极其重大的意义。

2 TDBU教学模式介绍

TDBU就是将自顶向下设计方法和自底向上设计方法有机结合起来形成的教学理念。

自顶向下设计方法和自底向上设计方法的概念来自于电子设计领域。一般而言，电子设计人员需要掌握2种设计方法，分别是自顶向下设计方法和自底向上设计方法。传统的硬件设计中，采用自底向上的设计方法，手工设计占了相当大的比例。随着强大的电子自动化设计工具的不断出现，自顶向下设计方法成为了主要的设计手段，首先进行系统化分析，确定相应的算法，将系统划分为若干子模块，然后利用硬件描述语言实现每个子模块，最后将所有的子模块拼接在一起。

黑盒模块和白盒模块是TDBU教学模式中的2个重要概念。黑盒和白盒的概念来自于软件测试。在软件测试方法中，有白盒测试和黑盒测试之分。黑盒测试就是把系统看成一个“内部不可见的盒子”，因此不需要明白它的内部结构，一般关注的是对功能需求的测试，而白盒测试设计则允许观察“盒子”内部，了解其内部结构和运作原理，并运用这些知识指导测试实例的设计[8]。白盒模块和黑盒模块具有相同的功能，但是白盒允许观察其内部结构和运作原理，而黑盒则看不到其内部结构。

为了比较清晰地介绍TDBU教学模式，用图1的例子进行说明。

图1 TDBU教学模式应用步骤

图1(a)所示的项目由6个子模块组成，所有的子模块均为黑盒文件，这些黑盒文件即为加密文件，由教师事先准备好。教师对项目进行分解，并介绍各个模块的工作原理，之后，学生可以分4步进行项目实施：

(1) 组装这6个子模块，然后进行仿真和调试，这一步的目的是为了让学生对整个项目有个宏观上的认识，快速建立学生的自信心；

(2) 学生在这6个子模块中选择感兴趣的若干个模块，如图1(b)所示的模块2，根据教师的讲解，并结合自己对这些模块的理解，设计自己的白盒文件；

(3) 如图1(c)所示，学生用自己设计的白盒文件替换黑盒文件，对同时含有白盒文件以及黑盒文件的项目进行仿真和调试；

(4)重复第2步和第3步，直至将所有的黑盒文件转化为白盒文件，如图1(d)所示，并对最终的只有白盒文件的项目进行仿真和调试。

3 TDBU教学模式在“医用数字系统设计”实验课程中的应用

TDBU教学模式首先是应用在我校生物医学工程专业的“医用数字系统设计”课程中。为了TDBU教学模式能够有效应用，将VHDL语言描述的模块定义为白盒模块，而将NGC文件定义为黑盒模块。

NGC是综合后产生的网表文件，包含逻辑设计数据和约束，是Xilinx自有文件格式，为二进制文件，且被加密了。NGC文件可以像VHDL文件那样，集成到其他模块中，并对集成后的模块进行仿真和综合。

下面以“医用数字系统设计”课程的“生命体征参数解析与显示”项目为例，进一步对TDBU教学模式进行更加深入的探讨。

首先，“生命体征参数解析与显示”项目的内容是将UART采集到的生命体征参数(包括体温、呼吸率和心率)进行解析，并显示在1602液晶屏上。该项目的顶层模块生命体征参数解析与显示模块(hrrrtemp_decode_disp)由6个子模块组成，包括UART模块(uart)、时钟分频模块(clk_div)、体温参数解析模块(tempdata_decoder)、呼吸率参数解析模块(rrdata_decoder)、心率参数解析模块(hrdata_decoder)以及1602液晶显示模块(lcd1602)。教师事先准备好这6个模块的NGC文件。教师需要在学生进行项目设计前，向学生讲授项目的分块思想及各个模块的工作原理，之后，学生可以分4步进行项目设计：

(1) 如图2(a)所示，将6个子模块进行组装、仿真和调试。由于所有的NGC文件已经过验证，学生只需要花费很短的时间就可以在液晶显示屏上读出体温值(第一路是35.0 ℃，第二路是34.8 ℃)、心率(20次/分钟)和呼吸率(60次/分钟)。第1步的目的是为了让学生对整个项目有个宏观上的认识，并快速建立学生的自信心。

(2) 学生在这6个子模块中选择感兴趣的若干个模块，如图2(b)所示的心率参数解析模块，并根据自己对这2个模块的理解，自己编写VHDL文件。

(3) 如图2(c)所示，学生用自己编写的hrdata_decoder.vhd文件替换hrdata_decoder.ngc文件，对同时含有VHDL文件以及NGC文件的项目进行仿真和调试。

(4) 重复第2步和第3步，直至将所有的NGC文件转化为VHDL文件，如图2(d)所示，并对最终的只有VHDL文件的项目进行仿真和调试通过。

这样，整个项目的顶层和底层就全部是学生自己设计的，而且，学生在第1步、第3步和第4步均可观察到实验结果。

图2 TDBU教学模式在“医用数字系统设计”课程的应用步骤

4 TDBU教学模式的应用效果

传统的实验教学模式和基于TDBU的实验教学模式的对比如图3所示。

图3 传统实验教学模式和基于TDBU实验教学模式对比图

深圳大学生物医学工程系每年都开设“医用数字系统设计”课程，每次参加实验的学生人数限制在30名。引入TDBU教学模式前，学生只能独立完成一些简单的实验，如“加法器设计”、“流水灯设计”、“七段数码管显示”、“矩阵键盘扫描”、“1602液晶显示”和“串口通讯”。TDBU教学模式，学生以团队形式实施完整的项目，如“体温监测系统的设计”、“呼吸率的测量与显示”、“血氧饱和度测量系统的设计”和“心电的采集与解析”等，而且新的TDBU教学模式引入了模块化设计理念。相对于传统的实验教学模式，基于TDBU的实验教学模式的任务难度具有伸缩性，适合不同基础的学生，而且能够确保每个学生完成任务。

4.1 简单实验变为完整项目

美国伍斯特理工学院的“基于项目的教学模式”被公认为世界上最好的教学模式[9]。而基于TDBU的实验教学模式也是通过实施完整项目而非传统的简单实验来进行实验教学活动。当然，在实验课的项目选择上，应当与学生的专业特点和兴趣爱好相结合，与经济社会发展需要相结合，与实际生产、生活实践相结合[10]，基于此点，生物医学工程专业的“医用数字系统设计”实验课程可以选择的项目包括“体温监测系统的设计”、“呼吸率的测量与显示”、“血氧饱和度测量系统的设计”和“心电的采集与解析”。相对于以往的一系列简单实验，如“加法器设计”、“流水灯设计”、“七段数码管显示”、“矩阵键盘扫描”、“1602液晶显示”和“串口通讯”，新的项目与企业实际更加贴近，因此，在培养人才方面，更加贴近企业的需求。另外，由于项目涵盖所有简单实验的知识点，通过项目的实施，学生能够掌握更多的知识点，并且能够打消学生以往“学不知何处用”的困惑，让学生将自己所做的项目与现实产品紧密结合起来。

4.2 独立参与变为团队参与

如何才能让大学生的行为习惯直接为社会所接受，最直接的办法就是用社会所认可的方式培养大学生的行为习惯。团队协作为企业文化的灵魂，高校应将团队精神的培养作为重中之重。TDBU教学模式是以完整项目而非简单实验作为对象。虽然学生以往尚可独立完成简单实验，但对于完整项目的实施，就需要团队参与。团队参与可以让学生感受到团队的力量，让学生通过实践明白，一个看似不能完成的任务经过大家的努力也能顺利完成[11]。

4.3 一体化设计变为模块化设计

模块化设计是团队参与项目的保障和前提，模块可直接用于新系统的设计中，只有新模块的设计才会花费一些时间，一旦设计成功，新模块又被收录到模块库中，因此模块化设计可以节省开发时间，提高开发效率[12]。由于传统的实验教学均是基于简单实验，因此学生基本上可以独立参与并完成实验任务。另外，简单的实验很难划分出单个子模块，因此学生也没有机会形成模块化的设计思维。TDBU教学模式引入模块化设计理念，学生可以在更短的时间内高效完成一个项目，并且形成企业的模块化设计思维，这对于毕业生就业来说，无疑是很好的助推剂。

4.4 难易程度固定变为难易程度可控

中国高校传统的教学极少引入层次化教学理念，同一个班级的所有学生一般都采取同样的教学方案、教学目的和考核标准，而非因人而异的层次化教学模式，这样就会出现一个很大的问题，基础好的学生“吃不饱”，基础弱的学生“吃不消”[13]。TDBU教学理念在每个项目的设置上都考虑到学生的个体差异，学生可以根据自己的兴趣和能力选择一个或若干个黑盒模块进行白盒化设计，基础好的学生可以多选甚至全选，基础弱的学生可以少选，甚至只选择一个，但是每个学生都能完成最终的项目目标。相对于传统的教学模式，难易程度可控的TDBU教学模式对于学生自信心的树立以及兴趣的培养具有深远的意义。

4.5 不一定能完成的简单实验变为一定能完成的完整项目

TDBU教学模式的实施步骤分为4步：

(1) 组装所有黑盒模块实现项目目标；

(2) 选择若干个黑盒模块进行白盒化设计；

(3) 将设计的白盒模块与黑盒模块进行组装实现项目目标；

(4) 重复步骤B和C，直至将所有的黑盒转化成白盒，实现项目目标。

模块组装的能力是对每个学生最基本的要求，因此，学生在项目实施的第一步就可以完成整个项目，并观察到项目的结果。而传统实验的设置，对于简单的实验，学生可以快速完成，而对于复杂的实验则需要花费大量的时间进行调试，基础好有耐心的学生可以经受住挫折完成实验，但大多数基础弱或者没有耐心的学生在调试过程中遇到困难就不愿意向下进行，从而无法确保实验的顺利完成。

5 结束语

通过上面的分析，可以发现TDBU教学模式应用于生物医学工程专业“医用数字系统设计”课程的效果，相对于传统的教学模式，有着显著的提高，尤其是在培养学生的学习兴趣、树立学生的自信心、提高学生的实践能力、塑造学生的团队协作精神以及缩短高校人才和社会需求差距方面，这仅仅是TDBU教学模式的第一次尝试。除了生物医学工程专业，TDBU教学模式还可以应用在其他专业，如电子类、计算机类和自动化类等，只有通过不断的尝试才能更深入地理解TDBU教学模式，扬长避短，使得TDBU教学模式发挥出更加显著的效果。

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