基于TDBU教学模式的工程实践教学改革

唐 浒，万其伟，董 磊，陈 昕，汪天富

（1. 深圳大学 生物医学工程学院，广东 深圳 518060；2. 深圳大学 广东省生物医学工程实验教学示范中心，广东 深圳 518060）

生物医学工程是工程学、医学与生命科学紧密相关的交叉学科，致力于将工程技术引入医疗领域以解决生命科学、医学及健康领域的关键问题[1]。从教学难度上来看，该学科实践性很强，一名合格的生物医学工程本科生不仅需要在四年的时间里掌握电子、计算机、生物医学等方面的专业知识，还要学以致用，利用工程学思维为生物医学领域的疑难问题设计解决方案，并统筹各学科专业知识进行项目的完整实现，这对学生而言都是一项巨大的挑战。

不同于传统专业培养的“专才”，生物医学工程着力于培养全面发展型系统工程师，专注于各学科的关联和应用[2]。然而，相比于国外，我国系统工程师的培养体系还处于探索阶段，许多学生在本科阶段的学习中广泛涉猎而没有精于一项，这就导致了毕业后学生找不到合适的工作，企业招聘不到合适的人才，学生被动升学比例偏高等问题[3-4]。

2019年9月，教育部发布了《深化本科教育教学改革相关意见》（以下简称《意见》），本次本科教育改革旨在让学生忙起来、管理严起来、教学活起来，让中国的高等教育、特别是本科教育质量实现质的提升。《意见》的出台体现出了国家对于优秀大学生培养的重视，亟需进一步改革培养模式以提高人才培养质量。针对这一问题，将TDBU教学模式应用于生物医学工程专业的实践课程之中，搭配三位一体教学辅助系统，在实践教学中逐步激发学生的学习兴趣、建立学生的自信心，培养学生的系统工程能力和动手能力，为学生的升学和就业打下坚实的基础。

1 背景

当前我国大学生就业困难，主要体现在两个方面：一是毕业生群体庞大，竞争激烈；二是高质量人才缺乏，企业招聘不到合适的人才。伴随着中国大学近年来的不断扩招和严进宽出的筛选模式，毕业生人数从2001年的114万激增到2019年的834万，扩增了约7倍。然而，量变未引发预期的质变，普通院校本科生的就业质量没有明显提升。这两难局面的症结在于高校培养的人才与企业的需求脱节，无法达到企业对于员工专业水平的要求[5-7]。

反观当今大学教学现状，许多交叉学科都难以达到其预计的培养目标，生物医学工程亦是如此。生物医学工程专业的本科生培养有别于计算机、电子信息等纯工科专业学生的培养模式，尤其要重视科研能力的培养，而优秀的科研能力恰恰必须建立在扎实的工程能力之上[8]。由于长期接受应试教育，许多应届毕业生的项目能力偏弱，一些学生只能被动升学以求进一步发展，这无形中延长了人才的培养周期。生物医学工程专业教学存的问题，包括以下方面：

（1）碎片化教学，缺乏宏观概念。实验课和理论课体系较为分散，未能系统、宏观地将理论、实验和应用相互结合，导致学生很难学以致用，对自己专业缺乏兴趣和信心。

（2）知识体系比较陈旧，赶不上业界发展速度。教学体系过于重视基础理论而忽视了实践，导致学生久居象牙塔之中，无法满足企业面向产品设计的团队合作、规范化要求。

（3）实践教学中缺乏硬件条件和配套资源。国内生物医学工程专业普遍缺少完整体系的实验教学平台（包括实验设备、实验教材、实验视频资源）。多数高校都采用了与电子类专业相同的教学设备，或者自制部分课程的实验设备，总体还不够完善。

为了解决这些问题，将TDBU教学模式应用于生物医学工程应用实验课程设计，同时，通过体系化、模块化、标准化的设备、教材、资料体系建设，提供一体化的生物医学工程实践教学解决方案。

2 TDBU教学模式

2.1 核心思路

TDBU教学模式是将自上而下设计方法（topdown）和自下而上设计方法（bottom-up）应用于实践教学领域的创新教学理念。这两种设计方法最早都来自于电子设计领域，前者重视项目的具体实现，后者重视从宏观角度对项目的模块化分割关联[9]。不同于传统的教学模式，TDBU引入了项目化教学理念，教师仅负责分解项目和进行必要的示范性指导，学生在课余时间借助“三位一体”教学辅助系统进行研究性学习，按照感兴趣的顺序完成各模块的项目学习，最终达成项目的完整实现。TDBU教学模式是一个可以把离散、独立的教学环节通过实践项目贯穿成一个完整、连贯的教学培养体系的创新教学模式。它不仅可以提高学习效率、减轻教师工作量，还能够解决课程内容冗杂、课堂时间不足等问题[10-11]。

2.2 “三位一体”教学辅助系统

“三位一体”教学辅助系统是TDBU教学模式在实践过程中的得力助手，是学生能够自行完成学习内容的重要保证。该系统由教材、教学网盘、软硬件实验平台三大模块构成，如图1所示。

在这个系统中，教学网盘包括各类产品的技术资料和技术说明文档，用以帮助学生系统地了解项目结构、理论算法推导和实验注意事项；教材和视频是自行编写、录制的用于阐述实验原理、指导实验进程的资料；软硬件平台是针对教材和视频中的相关实验专门设计，可以用于验证、设计相关项目。值得注意的是，除了教材和硬件平台，教学网盘可以直接通过链接下载，使教学不仅仅局限于课堂。

3 TDBU教学模式课程实验设计

“生物医学工程应用实验”课程旨在培养学生在医疗电子领域的工程实践能力、项目管理能力和团队合作精神，整个课程的授课完全采用了 TDBU教学模式，将课时划分为6大模块和多个培训目标（见表 1）。

6大模块及其子模块构建了一个完整项目的实现流程，同时为了匹配学生项目能力的平均水平，对每一步骤都进行了一定程度的精简，保证学生能按时、按量完成实验要求。

图1 “三位一体”教学辅助系统

表1 实验模块和项目

4 TDBU教学模式的应用

白盒和黑盒是 TDBU教学模式中非常重要的概念。对于学生而言，黑盒相当于尚未掌握的模块或知识，白盒表示已经掌握的知识。一个完整的项目包含若干黑盒，相互之间通过输入输出关系相互关联，学生所需要做的是将任意黑盒取出，借助“三位一体”教学辅助系统将其白盒化后，再放回原有的项目中进行验证学习，最后通过不断地重复该步骤，完成整个项目的实现。这种将已破解的模块代入原有项目体系进行分析，并在不同的学生与学习资源之间创建联系，通过创建知识节点从而构建知识网络的方法，来自于关联主义理论[12]，是整合碎片化知识的有效方法。

值得注意的是，TDBU教学模式并没有限制学生必须从某个黑盒开始自己的学习，而是赋予了学生相当宽泛的选择空间，可以跟据自己的兴趣爱好选择合适的顺序。从项目的整体结构上看，越处于中心的黑盒与其他盒子的关联性就越强，学习难度自然也就越大。对于初学者，建议从外围、关联较少的模块入手，再逐步拓展到核心模块。为了比较清晰地介绍TDBU教学模式的实现机理，用图2中的应用示例进行说明。

根据课程实验设计，一个标准的生物医学工程实验课必须包含六个流程，任何一个流程都可以看作是一个黑盒。

第一步，通过提供的资料，对项目进行宏观的分析，并将其划分为多个模块。这一步的目的是为了让学生对整个项目有个宏观的认识，快速建立学生的自信心。在这一过程中，可以发现PCB是连接最为紧密的模块，需要后期重点掌握。驱动模块紧随其后，属于外设简单而内部连接复杂的模块，对于初学者，一般选择简单的焊接模块入手，见图2(a)。

图2 TDBU教学模式的实现机理

第二步，学生从整体中选出若干个黑盒模块，借助“三位一体”教学辅助系统将其白盒化，并在理解原理的同时尝试建立自己的白盒模块，见图2(b)。

第三步，将自己建立的白盒归位，替换原有黑盒后进行验证，再根据该模块和其他模块的接口关系进行关联学习。例如，当完成了焊接的学习后，就可以进一步了解工业化的焊接（打样贴片），以及PCB的设计机理与芯片引脚对照，见图2(c)。

第四步，重复上述的方法，进行关联性学习，将所有黑盒都转化为白盒。随着白盒数量的不断增多，学习者掌握的技能也更加丰富，学习速度和实验成功率也会显著提高，见图2(d)。

在项目进行的过程中，每一步的结果都可以通过软硬件实验平台进行验证。学生可以根据个人能力和兴趣，对原有模块进行功能拓展，使其增添额外的功能。从管理方式来看，TDBU接近于微型化企业管理模式的移植体，与业界结合更为紧密，可从中了解到许多企业管理方式和技巧，二者教学效果对比如图 3所示。

图3 教学模式效果对比

深圳大学生物医学工程学院每年开设诸如医学数字信号处理、硬件描述语言等课程的配套实验课程，每班大约在30人上下。根据学院的排课安排，一门课平均下来大约有10～15节实验课，且间隔时间较长。在引入TDBU教学模式之前，学生只能完成一些简单的实验，如流水灯、独立按键、ADC等，对整个知识体系几乎没有宏观的认知。引入TDBU教学模式后，学生以小组的方式实现完整的医疗电子项目，如“五参”的测量实验（体温、心电、呼吸、血压、血氧）等，接触到医疗电子最为基础的项目设计。由于TDBU教学模式引入了模块化设计的理念，而每名学生对于模块的选择又是多样化的，这在一定程度上促进了团队之间的交流合作，使不同层次水平的学生可以在分享知识中提升自己的水平。

5 结语

经过几年的工程实践教学证明，TDBU教学模式极大地提高了教学质量，同时在培养学习兴趣、树立自信心、提高实践能力方面也有很好的作用。在形式上，符合第三代大学教学模式的特征[13]，以完整项目实践作为教学核心，在培养学生学习自信心、提高实践能力、塑造团队合作精神等方面效果显著，提高了教学质量。TDBU教学模式可以适用于工科类交叉学科的人才培养，只需稍加修改其中的一些教学内容即可快速移植，是一种快速而高效的教学模式。随着教学改革的不断深入，TDBU教学模式必将取得更好的实践效果。