医学电子专业嵌入式系统实验教改与创新人才的实践

赵德春 赵志强 田银 王岫鑫 王伟

摘 要：创新人才的培养是科技发展的源泉和动力，为了提高大学生的创新能力，必须重视实验教学。但传统实验教学具有教学观念陈旧、教学内容滞后、教学手段落后、教学评价缺乏等问题，结合医学类电子专业总结了嵌入式系统实验教改与创新能力培养的相关研究，探索了开放式实验教学模式，同时优化了实验教学的教学内容和评价体制。

关键词：嵌入式系统；实验教改；创新人才；开放实验

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）22-0082-03

Abstract： The cultivation of innovative talents is the source and driving force for the development of science and technology. In order to improve the innovation ability of college students， it is necessary to pay attention to the experimental teaching. However， the traditional experiment has the problems of obsolete concept， old content， backward methods and lack of teaching evaluation. It combines the medical electronic majors to summarize the research on the experimental teaching reform and innovation ability of embedded systems， and explores the open experimental teaching mode. At the same time， the teaching content and evaluation system of experimental teaching are optimized.

Keywords： embedded system； experimental teaching reform； innovative talents； open experiment

实验教学是高校人才培养的重要组成部分，它有助于提高学生的综合素质，特别是培养创新精神[1，2]。创新是民族进步、国家兴旺发达的源动力，同时也是大学生成才的关键[3]。因此，需要转变实验教育观念，培养动手能力，加强基础理论学习，理解科学的研究方法，倡导创新素质教育，树立追求新知识的观念，从而锤炼勇于创新的科学精神[4]。

一、实验教学的现状和弊端

（一）教学观念陈旧

传统实验教学大多以验证内容为主，基本上是在实验箱或者开发板上验证理论知识和范例，学生总是跟着实验指导书，少有鼓励学生创新性、开发性的实验内容[5，6]。这导致两个问题[7]：一是无法发挥学生的想象力和主观能动性，不思考，无创新；二是各实验内容之间互不联系，综合性少。这样实验变成验证的手段，实验成了理论教学的附庸。这些完全是对实验教学的误解。实验教学旨在培养学生解决科学问题的能力，这是靠验证性实验无法实现的，必须借助于综合性实验和研究性实验培养学生分析、解决问题的能力以及创新精神。

（二）教学内容滞后

实验教学受时间局限，内容不可能面面俱到，很容易导致学生没有主动性、积极性和创新性。同时，由于实验室只在固定的时间，向固定的人群，开放固定的内容，并且实验仪器不能及时更新[8，9]。这导致实验教学中不能及时吸收学科发展的新成果、新技术和新方法，最终导致实验教学内容远远落后于时代发展的步伐。

（三）教学手段落后

实验教学依然采用教师讲解示范的方式，对相关实验内容、原理和方法详细講解，再由学生按照实验指导书完成实验。另外，在实验教学中教师缺乏对学生进行启发、引导，忽视学生对知识的深入理解与掌握，抑制了学生对未知领域的探索热情和创新能力的发挥[10]。

（四）教学评价方式缺乏

传统的实验教学以终结性考核为主，依据实验结果和实验报告进行评价，忽略实际操作，缺乏对学生实践能力的综合考核，特别是对创新能力考察不够。

二、嵌入式系统实验教改

嵌入式系统是一门实践性强、应用性广泛的课程[11]。它是医学电子专业的核心课程，在教学过程中更应重视实验教学环节，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及创新能力[12]。由于嵌入式系统技术更新快，所涉及到的内容新，基本上是电子领域的前沿技术，使得嵌入式系统实验教改课题的研究难度相对较大。医学电子专业嵌入式系统实验教学内容丰富。既有电子技术的理论基础，又有嵌入式系统的相关理论；既有信号调理的硬件电路设计，又有模拟仿真技术；既有软件算法的仿真技术，又有软件的高级语言实现；既有常用的信号采集处理技术，又有微弱信号的处理，等等。对以上的技术需要按照以上的多层次划分逐一归纳、分类，并且对实验内容进行优化。

（一）转变观念，让学生在实验中发挥主观能动性，培养创新性思维

采取“引、点、拨”的方式，让学生独立地进行实验，培养动手能力，让学生自主地进行实验，培养创新思维。所谓引，就是引导、指导。所谓点，就是指点迷津。所谓拨，就是点拨、提升。学生实验中遇到问题时，教师切忌把解决问题的方式方法统统端出来，要给学生留有思考的余地，让学生在遇到问题时通过独立思考和教师适当引导和指点，找到解决问题的途径，激发学生的思维，从而找到解决问题的方法，使学生的主观能动性得到充分发挥；在此基础上引导学生查阅资料，鼓励学生运用所学知识进行分析，搞清问题的实质，这样才可能培养和提高学生的创新能力。

（二）优化实验教学内容，形成嵌入式系统为核心的常用医学信号的综合实验

按照素质教育的要求，以培养创新能力为主线，优化实验教学内容，建立认识型实验、综合型实验、设计型实验和创新型实验四个层次，形成一系列以嵌入式系统为核心的常用医学信号的综合实验，如图1所示。

1. 认识型实验

认识型实验以验证为主，主要是常用仪器仪表（如万用表、示波器等）的使用；常用电子电路（如差动放大器电路、滤波器电路）的识别和参数的配置；常用数字信号处理算法（如时域算法求平均、频域算法求傅里叶变换等）的认识；常用工具软件（如制图软件Altium Designer，编程软件keil C、Quartus等）的使用；以及其他基本操作实验。认识型实验着重训练基础理论和基本技能，培养分析、归纳实验数据和实验现象的能力，为以后的实验打下扎实的基本功。

2. 综合型实验

综合型实验以验证和设计为主，主要有生理参数信号调理电路（如前级放大器、带通滤波和陷波器以及后级放大器等）的分析和设计；生理信号（如心电的R-R间期提取，脑电信号的特征提取等）的分析和设计；医学图像处理算法（如图像增强、边沿识别、轮廓提取等）的分析和设计；综合应用仿真工具（如算法仿真matlab、电磁仿真XFDTD等）；以及其他综合应用型实验。综合性实验结合课程设计，培养科学精神和创新思维，以及分析和解决问题、团结协作等能力。

3. 设计型实验

设计型实验以设计医学仪器或者医学参数的采集为主。根据信号来源，将生理参数设计实验可以分成将生理参数转化为电信号（如体温、血压信号等）的采集与处理实验；直接电信号（如脑电、心电）的采集与处理实验；图像（如电阻抗成像、X光成像、CT成像等）采集与处理实验；以及其他生理参数采集的设计型实验。设计型实验需要由学生查阅相关资料，独立设计实验方案并进行实验研究，分析实验数据得出实验结果及结论。这有助于提高学生的分析问题和解决问题的能力，培养分析和总结实验的能力。

4. 研究型实验

研究型实验以研究科学问题为主，主要针对信号采集方法、信号分析方法、电离辐射、电磁辐射等方面进行深入研究。研究性实验结合老师的科研项目，对相关领域的前沿问题或热点问题展开研究，一般是指从未做过或尚未完成的科学研究。学生查阅资料，提出问题，并设计实验方案去实施。这类实验能充分发挥学生的主观能动性，通过科学研究，获得新的结论，使他们大胆提出不同的观点和见解，从而培养学生创造性思维，以及独立研究能力和自主创新的能力。

通过由简单到复杂、由基础到提高的实验课程体系，以增强学生的实践能力和创新能力，促进学生的素质综合发展为目标，从而实现实验教学特有的功能。在这种多层次、模块化实验课程体系中，其实验设计、实验方法、实验技能体现出通用性、综合性特征，使得实验教学的目标更加明确，有助于实现实验教学的特有功能。

（三）探索研究型实验教学模式，探索开放实验教学模式，培养以嵌入式系统为核心的医学电子创新能力

探索采用“验证+设计+创新”的方法，使学生乐于思考、勤于设计，努力提高综合能力，并掌握嵌入式系统为核心的医学生理参数设计和创新能力。在实验教学模式上，探索三个结合和三个转化。三个结合，即坚持理论与实践相结合，教学与科研相结合，课内与课外相结合。三个转化，即由被动接受向主动学习转化，由验证实验向研究问题转化，由模仿向自主设计转化。教学与科研密切结合，理论创新与工程应用密切结合，创建以技能训练为基础、以研究为核心、以综合素质培养为目标的开放性实验教学模式，如图2所示。

实验室开放的内涵和形式是多元的。不仅是时间的开放，包括固定时间、开放时间，暑假时间和业余时间；更重要的是实验类别的开放，实验類别包括基础、开放和前沿实验；特别是实验形式的开放，包括实验课程、设计竞赛和创新计划，如生物医学电子创新设计大赛、挑战杯等学科竞赛以及科研班、大学生创新创业训练计划等。因此，实验室开放不仅是管理模式的开放，更是教学模式的开放，教学方法和教学手段上的开放，是教学理念的开放，是实施开放式实验教学模式的基础和主要形式。开放性实验教学模式，不仅是实验时间和实验内容上的开放，并且实验主体开放。实验主体合理利用时间，参与以创新为基础的实验项目，在多种形式实验中综合培养创新能力、创新精神和创新思维。

三、医学电子专业创新人才的实践

首先优化和整合了实验教学内容，对医学电子专业嵌入式系统为核心的实验体系进行整合和优化，建立多层次的实验教学体系，建立以嵌入式系统为核心的常用医学信号如心电、血压、血氧等生理参数的采集综合型实验、设计型实验。优化实验内容，实验教学体系逐步向多层次、模块化课程结构转变。探索开放性实验教学模式，搭建开放实验和创新实验平台，为学生创新提供场所，培养学生综合能力。

同时引导学生从学中做，向做中学和做中思的转变，由被动实践向主动实践转变，从验证实验向研究实验转变，从而培养了学生的嵌入式系统为核心的医学电子创新能力。

最后通过研究型实验，吸引了一大批学生积极参与课外科技活动，在生物医学电子设计大赛、挑战杯、智能车、3S杯等比赛中获得全国一等奖1次，全国二等奖2次，全国三等奖1次，重庆市一等奖2次，同时还获得全国大学生创新创业训练计划项目1次。

参考文献：

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[3]潘宏利，卢超，赵登攀.应用型本科院校创新实验教学体系的构建与实践[J].实验技术与管理，2011，28（9）：28-30+34.

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