虚拟仪器技术在医工结合专业教学中应用的研究

陆 强,田 娟,张兆臣,赵学良

(泰山医学院医学信息工程学院,山东 泰安 271016)

学科的交叉对于高校培育新兴学科、寻求新的增长点、提升学校学科建设水平和核心竞争力具有重要意义。医工学科交叉成为未来引领医学创新的主导方向，医学学科的发展迫切需要相关理学、工学学科的技术支撑，并且越来越多的著名高校已将医工交叉发展列为其进入世界一流大学的战略规划中[1-2]。

培养医工结合的复合型人才，就是以理工向医学的渗透为主，通过系统的、有机结合的向学生传授理工医多学科知识和技能，把学生培养成为能够综合运用自然科学理论和工程技术方法，解决医学实际问题的优秀人才[3]。研究者们指出培养医工结合的人才需要注重实践教学，而实践技能的教学和训练，涉及计算机和电子等工程技术，需要大量的实验设备[3-4]。但随着高等教育改革的不断深化，高等医学院校都面临招生规模急剧扩大引起的场地、设备、师资等教学资源的短缺的问题，医学教学模式面临教学手段和实验项目单一、陈旧，不能与时俱进等问题[5]。 现代教育技术为这些问题的改善提供了方法，现代教育技术是以实现教学过程、教学资源、教学效果和教学效益最优化为目的的。虚拟仪器技术是现代教育技术的一种，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及创建图形用户界面的软件组成的系统，是美国国家仪器公司提出和构建的[6]。

虚拟仪器采用的软件开发平台是LabVIEW，LabVIEW采用图形化编程语言，产生的程序是框图的形式，具有强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示、数据存储和网络通信等，特别适合实验室技术人员的学习和使用。

针对医学信息工程和生物医学工程本科专业的DSP原理与应用课程，融合数字信号处理知识，利用虚拟仪器建立学科融合教学平台，设计了教学方案，设置了教学内容，并将其应用于教学实践中，取得了较好的教学效果。

一、DSP原理与应用课程的特点

DSP芯片是现代电子技术、大规模集成电路、计算机技术和数字信号处理技术结合的产物，适合于数字信号处理运算，主要用于实时快速的实现各种数字信号处理算法。DSP芯片已经广泛应用到音视频处理、通信、消费和军事等诸多领域。DSP原理与应用就是针对DSP芯片而开设的课程。

DSP原理与应用是在学习完数字信号处理课程后开设的，是数字信号处理课程理论知识的具体实现和应用，该课程使学生初步掌握数字信号处理应用系统的设计流程，DSP芯片的硬件设计与软件编程方法[5]。

该课程与微机原理与接口技术、单片机原理与应用和C语言程序设计课程相联系的，课程典型的特点就是工程性和实践性强。内容讲授时，知识点广泛，知识体系复杂，对于学生来说，不易于掌握。在教授DSP原理与应用过程中，如何融合各门课程的知识，提高讲授知识的趣味性，促进学生掌握该课程的知识，是课程教学中需要研究的内容。

二、基于虚拟仪器的教学平台

针对医学信息工程和生物医学工程专业医工结合的特点和DSP原理与应用课程应用性强的特点，在教学过程中，应该具有较多学时的实验和实践教学，而大量采购仪器受到资金和场地的影响，短时间内不能实现。虚拟仪器具有“软件就是仪器”的特点，因此设计和开发了基于虚拟仪器的DSP原理与应用教学平台。

(一)教学平台设计。

基于虚拟仪器的DSP原理与应用教学平台包括三部分，第一部分为数字信号处理基本理论模块，利用虚拟仪器设计程序实现快速傅里叶变换、IIR和FIR数字滤波器、Hilbert变换和功率谱分析；第二部分为应用部分，设计了语音处理模块和心电处理模块，语音信号数据库为利用麦克采集的各种语音信号，心电数据库采用MIT-BIH数据库；第三部分是扩展模块，鼓励学生在掌握前两个模块的基础上，设计各个程序并加到前两个模块中。在利用虚拟仪器设计程序时，因为虚拟仪器可以调用MATLAB，而MATLAB本身提供了数字信号处理的各种函数，这样加快了开发过程。通过该教学平台，融合了各门相关课程的知识，同时给学生提供了一个仿真平台，使学生对知识有了一个感性的认识。

当学生通过教学平台掌握DSP的知识后，再让学生将所掌握的知识在DSP的开发环境CCS下，用C语言将其编写出来，并烧写到芯片里，然后去观察各种算法处理效果。

(二)教学内容设置。

为了将该教学平台应用于教学，对理论教学和实验教学进行了一些相关设置。理论课教学中增加了虚拟仪器技术的教学内容，讲解了虚拟仪器的知识和编写技巧。针对课程的工程性、技术性和实践性强的特点以及学生处于最佳知识创新阶段，易于接受先进的技术的特点，通过学校网络课程发布虚拟仪器编程任务给学生，激发学生的学习热情。

实验教学中引入了该教学平台，增加了基于虚拟仪器的DSP原理与应用课程实验，采用了先在教学平台上仿真教学内容，有了感性认识后，再在CCS平台上学习和验证课程知识点。如信号发生器实验、数字滤波器实验和快速傅里叶变换实验。

实践表明，这种利用虚拟仪器开发的教学平台，理论联系实践，先仿真再实践的方式，能激发学生的学习兴趣，培养学生自学能力，提高学生的创新能力。

三、应用系统的设计

在学生掌握了DSP原理与应用课程的理论知识和实验技能的基础上，学生可以利用教学平台的应用模块设计开发一个医学信号处理系统，如肌电信号和脑电信号的分析处理，进行时域和频域分析。设计过程中，充分融合学过课程的知识，如微机原理与接口技术、单片机原理与应用、数字信号处理、电路EDA、C语言程序设计、模拟电子技术和数字电子技术，硬件设计和软件编程结合，充分锻炼了学生的动手能力，激发了学生的创新能力。这个实践环节要求学生利用课外和实验室开放的时间，以小组为单位设计编写程序，最终结果上传到教学平台里的扩展模块。

实践表明，这种以任务形式进行的实践教学形式，融合了各门相关课程的知识，不仅促进了学生对知识的理解，而且激发学生的学习激情，提高学生的动手能力和综合素质，同时使教学平台不断完善，成为专业课程的一个交流平台。

四、结束语

在教授DSP原理与应用课程中，引入基于虚拟仪器的教学平台，把多课程知识进行融合，采用先仿真再实践的模式加深知识理解，并且通过实际应用系统的设计与开发来掌握DSP的知识，通过抽样调查得到了反馈意见，大多数学生反映很好，在理论知识的理解和动手能力方面都有很大的提高。因此通过实践表明这种教学方法是行之有效的。

[1]谭 华,孙丽珍.高校医工(理)交叉合作问题探究和对策分析[J].科技管理研究,2012,32(14):161-163.

[2]姚红梅,马 锋,吕 毅，等.综合性大学医工理学科交叉发展SWOT分析[J].医学与社会，2015,28(10):31-33.

[3]王鹏程,刘林祥,鲁 雯，等.理工医结合培养实用型、复合型高素质医疗技术人才[J].中国高等医学教育，2008(4):31-32,45.

[4]段 磊,王 伟,朱松盛，等.培养“医工结合、贴近临床、注重创新”的复合型人才[J].南京医科大学学报，2012(2):152-154.

[5]陆 强,张西学,王红梅.医学工程专业DSP课程教学方法的研究[J].中国高等医学教育,2011(12):120-121

[6]于效宇,刘 艳.基于虚拟仪器的信号处理实验室建设路径[J].黑龙江教育(高教研究与评估)，2016(3):42-43.