以项目驱动为导向的专业综合实验课程设计与实践

周秦武，张 博，张大龙，赵永席，冯 怡

(西安交通大学 生物医学工程系，陕西 西安 710048)

我校生物医学工程专业2005年开始设置的专业综合实验课程，是针对目前本科教学偏重专业理论课程，综合多门基础理论课程的应用能力、独立设计创新能力培养不足的情况[1-3]，重点设计打造的综合创新设计类课程。实验内容参照美国霍普金斯大学实践教学经验，以项目驱动为导向，提供多种包含不同学科方向内容的专题项目，由学生独立完成选题、方案设计、方案实施、提交报告等过程，是本科生人才培养过程中最接近科研实际的综合设计实验课程，对学生综合运用多学科知识解决实际工程问题的能力和自主学习能力培养具有重要作用。

1 实验内容设计

1.1 教学目标

生物医学工程专业综合实验是本专业唯一单独设课的实验课程，为大学4年级本科生开设，2学分64课时，以培养具有初步科研能力、富有创新意识的复合型高水平人才为教学目标。实验内容包括医学信号采集、处理，医学仪器设计，专业前沿问题研究等方面，采取分工协作、文献检索、问题分析、自主研究的方式，从整体上综合运用所学过的专业理论课程，学习了解现代生物医学仪器设计过程、生物医学交叉学科研究方向所涉及技术问题的解决方案，增强学生对生物医学工程领域的研究兴趣，培养学生解决实际科研问题的能力以及团队精神和协作精神。

1.2 专题项目的设置和要求

生物医学工程专业综合实验是一门以项目驱动为导向、以教师为主导、以学生为主体的开放性专业综合实验课程，实验内容包括4个研究方向，即嵌入式生物医学信号检测分析、生物医学超声前沿问题研究、生物医学传感器专题研究以及大学生创新实验项目，每个方向的研究都有不同的研究目标和要求。

(1) 嵌入式生物医学信号检测分析系统[4-6]。选择一种处理器作为中央控制器，构建一种可测量处理生物医学信号的仪器系统。可供选择的处理器包括51单片机、MSP430单片机、ARM单片机、DSP处理器、PC计算机系统等主流控制系统。完成检测的系统包括对血氧饱和度、心电、心音、血压、人体形态信号等生物医学信号的检测和分析仪器系统。

(2) 生物医学超声前沿问题研究[7-8]。以本专业优势方向，选择合适的研究项目作为综合实验项目，如超声驻波场的微粒控制、声致发光的实现与检测、超声诱导细胞凋亡的实验研究等，要求学生学习和了解医学超声场对生物粒子及细胞的生物效应作用原理，利用学科优势实验资源，自主设计实验和设计程序软件仿真，进行观察、检测和分析声场作用效果，学习超声微粒控制、声致发光、生物效应等超声前沿问题研究方法。

(3) 生物医学传感器专题设计研究[9-10]。研究生物材料应用于食品卫生、环境污染、疾病监测等生物医学问题的信号检测和分析处理问题，如交互响应的化学发光传感器阵列系统、基于光电同时检测的传感器阵列系统、重金属污染的高灵敏荧光生物传感检测系统、基于信号放大的肺癌早期预警生物传感系统等专题研究项目，以专题实验手段研究基于生物化学原理的生物传感器设计使用方法。

(4) 创新实验类。选择合适的学科竞赛项目和大学生创新性实验计划项目作为综合实验项目，这些项目都是以学生为主导的小型研究项目，非常适合于以项目驱动为导向的综合实验选题，以此为题可以调动学生学习主动性、积极性和创造性，实现综合实验与创新实验的兼顾，是对综合实验的有益补充。

1.3 实验要求与考核机制

本课程实验项目很多，因而针对不同实验类别提出了不同的实验要求。对于以仪器设备为主的项目施行项目结果控制，实验初期就提出明确的实验要求，即设计完成模拟应用电路，实现检测信号的前端调理和后端显示，采用处理器完成信号的实时采样和数据处理，最后对系统进行联调和电路板制作等步骤和要求；对于前沿研究项目和理论仿真项目，以过程控制为主，注重训练学生的科学思维方法，培养学生的创新意识、团队协作精神和创新能力，将考核重点放在分析方法和科学解释，不以最终结果的正确与否作为唯一考核要求；对于创新实验则进行目标控制，一个项目一个要求，由指导教师在与项目组成员充分讨论分析的基础上，对实验内容进行切割划分，共同制定阶段目标和最终实现目标。考核实验完成质量的评价体系是对专业综合实验改革的重要保障，我们的评价体系按照评价内容的多元化和评价主体的多元化2个方面构建科学的综合实验评价体系。

评价内容的多元化是指不同的实验项目采用不同的评价方法，既注重学生的实践过程培养，又关注学生的兴趣、动机、主动性、合作与交流的意识、团队合作精神；既要求学生提交详细的研究报告，也允许学生以研究论文、发明专利、创新小产品作为评价指标，充分允许学生以自己的兴趣组队，自主开展项目研究。

评价主体的多元化则是对最后的项目验收采取多名教师与项目小组共同讨论，一对一地现场验收，充分考虑听取学生的自主评价，避免传统的教师主观评价方式，综合运用学生自评、小组互评、教师点评等方式，促进学生知识、能力、素质的协调发展。

2 作用与保障

2.1 对人才培养的促进作用

针对以往教学中存在较为普遍的学生融会贯通能力差、难以将几个实验内容有机联系、数据处理分析能力差、动手能力差、对工程问题无从入手等共性问题，我们提出了以项目驱动为导向的专业综合实验改革，对提高教学效果、培养创新复合型人才发挥了重要作用。

(1) 激励学生自主学习的能力。综合实验在方案、设备、器件及时间安排等方面都存在着很大的不确定性。在以教师为主导、学生为主体的背景下，教师只对各个项目提出设计目标，所有项目没有一个是可以在教科书中找到答案的，学生只有通过自主学习，充分利用图书馆、实验室、网络等教学科研资源，才能独立完成专题项目的研究。提出项目需求、组织建设开发环境、采购设计硬件电路、请教教师和团队讨论，项目的每一点进展都能激发出学生极大的成就感，进而激发出更大的学习热情。

(2) 培养综合应用多学科知识的工作能力。综合实验内容涉及医学、生物学、物理、化学、工程技术等多学科知识，涵盖了专业主要研究方向，汇集了多门课程和交叉学科的知识。例如“人体心电信号产生、射频无线收发以及PC显示”项目就涉及人体心电信号模拟、电子线路设计、无线数据发送、PC机Labview程序设计等内容。通过对多学科知识的综合应用，保证了实验内容在综合性、设计性、创新性等方面的拓展，培养了学生浓厚的专业兴趣，提升了专业整体教学水平。

(3) 培养设计实验，测量、分析和解释实验数据的能力。实验室是综合实验实现的基本平台，本专业为专业综合实验课专门建立了综合与创新实验室，实验室具备完善的设备条件。依托良好的硬件配置，学生需要完成系统设计、电路调试、电路板制作、实验数据分析等工作。以综合应用知识和综合实践能力为着眼点，使学生充分发挥主观思维和想象能力，调动其从方案设计到目标实现的全过程的主观能动性，从而得到对实践动手能力的全方位综合训练。

(4) 培养学生的创新能力和团队工作能力。开放性意味着每一个项目只有研究目标，具体的方案设计是一个独立运用多种专门知识的过程，方案实施和目标的实现是一个尝试与创新的过程。在这一过程中需要小组成员同心协力、分工合作解决众多富于挑战的难题和技术细节，能够激发学生的创新热情，提高学生的主观能动性，锻炼学生的团队合作能力。以项目为导向的综合实验是架设在教学与科研之间的桥梁。

2.2 实践教学保障

我校生物医学工程专业作为教育部和陕西省重点实验室，其实践教学环境通过多年建设已有了巨大进步，可以为综合实验提供优良的实验条件。针对本实验课程，主要在具有强烈工程背景的教师队伍建设和开放性专题研究内容建设方面进行了重点建设。

2.1.1 教学队伍建设

专业综合实验不仅仅是一门专业必修课程，所开设的实验项目涵盖本学科的所有研究方向，涉及多个学科内容，与教师的科研方向和承担的各类课题紧密相关，既是对教学大纲主线的展开，又要按照不同教师能力和研究方向进行必要的更新。因此，为了解决学生在实践过程中可能遇到的问题或疑问，必须加强实验教学队伍的建设和培养。我们在全专业进行选拔，选择具备扎实的相关学科知识和良好实际科研能力，并熟悉各种仪器设计原理的骨干教师进行培养，提高教学队伍的整体素质，使其在学生实验过程中能够解答各种疑难问题，指导学生完成实验项目，在知识结构和能力结构等各方面确保实验项目的顺利进行。

2.1.2 教学内容保障

为了保证专业综合实验的顺利实施，充分发挥其在培养学生创新精神和实践能力中的作用，还必须加强实验内容的选择优化，确保每一个实验项目的新颖性、综合性和实用性。

(1) 力求使实验内容与交叉学科相结合、与教师相关科研课题相结合、与医疗仪器工程实际相结合。

(2) 充分发挥综合与创新实验室在开放性综合实验教学过程中的作用，协调处理好开课时间和空间的问题、仪器设备完好率问题、实验耗材充分配备问题。

(3) 积极吸收学科竞赛、大学生创新实验项目内容，选择合适的创新实验纳入综合实验，既保证了创新实验内容的顺利完成，又能够吐故纳新，从内容上吸引学生积极参与，保证实验内容的创新性和实用性。

3 结束语

专业综合实验作为本专业唯一单独设课的实践类实验课程，通过多年的开课实践和不断的改革完善，课程的教学内容和师资力量日臻完善。每年都能够提供20个以上的专题项目供学生选择，并吸纳5个左右的学生创新实验项目，学生实际选择25项左右的题目完成。实验场地以综合与创新实验室为主，涵盖本专业的几个主要研究单位实验室。在师资力量配备方面，保证参与实验指导的教师队伍保持在5名左右。通过几年的教学实践，使学生在自主学习能力、工程实践能力、创新能力等方面都有了很大提高，综合实验课程获得了学校“985工程”重点扶持建设。

改革过程中也遇到了很多困难，如有些项目规模控制问题、项目设置的新颖性问题、评价系统如何确立问题等。有些项目难度较大，在有限的时间里难以完成，而有些项目涉及专业诸多研究方向，内容繁杂，需要工程背景扎实的优秀教师指导，这些问题都要在前进中逐渐改进克服。

[1] 陈吉明.创新实践课程教学中科学思维能力的培养[J].实验室研究与探索, 2011,30(2): 85-87.

[2] 朱忠喜,张迎进,夏宏南,等.大学生创新能力培养模式研究[J].高校实验室工作研究, 2012(1): 104-105.

[3] 陈名红.关于提高实验教学质量的探索和思考高[J].高校实验室工作研究, 2009(4): 66-68.

[4] 周秦武,陈俊虹,蒋鹏程.通用复合数据巡检网络的构建[J].中国体视学与图像分析, 2009, 14(2): 222-226.

[5] Zhou Qinwu, Lin Ziwei, Chen Junhong, et al.The Study of Portable Remote Multi-life-parameter Monitoring Network[C].USA: 2011 IEEE 13th International Conference on e-Health Networking, Applications and Services,2011:130-133.

[6] Zhou Qinwu, Jiang Pengcheng, Qu Zixiong, et al.Design and Implementation of Portable Multi-Parameter Tele-Monitor Terminal Based on S3C2410a[C].China:BMEI ′09.2nd International Conference on Biomedical Engineering and Informatics.2009: 981-984.

[7] Feng Yi , Tian Zhongmin, Wan Mingxi.Bioeffects of low-intensity ultrasound in vitro: Apoptosis, protein profile alteration, and potential molecular mechanism[J].Journal of Ultrasound in Medicine, 2010, 29(6): 963-974.

[8] Feng Yi, Wan MingXi.Bio-effects of ultrasound: Inhibitory effects on ultrasound induced apoptosis by cyclosporin A and fructose supplementation[C].3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, iCBBE, 2009.

[9] 赵永席, 齐林, 杨卫军,等.基于核酸切割酶与脱氧核酶的荧光循环放大系统检测铅(Ⅱ)[J].分析化学研究报告, 2012, 40(8): 1236-1240.

[10] 孔宇,赵永席.高效液相色谱法测定糖尿病肾病患者血液中的非蛋白氮[J].分析试验室, 2006, 25(4): 20-24.