生物医学信号处理综合实验体系设计与实践教学探索*

◆秦对 贺中华 钟先华 李欣蔚

0 引言

生物医学信号处理主要介绍医学信号处理的原理、方法和发展趋势，是生物医学工程专业核心专业课程之一，旨在重点培养学生掌握生物医学信号处理分析的理论与方法，使学生具备独立进行医疗仪器设备的运维、设计和研究等工作的能力[1-2]。生物医学信号包括电/非电生理信号、人体特征信号、生化信号等，具有多样性和复杂性的特点，因此，生物医学信号处理是一门多学科交叉性课程，课程内容涉及生物学、医学和信息科学等[1-2]。生物医学信号是人体生命信息、疾病信息的重要体现，应用于生命科学、临床医学和生物医学工程等学科教学与研究领域。此外，生物医学信号处理与分析已成为智能健康装备、医学成像系统和智能医疗仪器等的重要组成部分。经过多年发展，经典的生物医学信号处理已相对成熟，但随着信息理论与处理技术、人工智能和大数据分析技术的高速发展，现有的实验课程教学尚存在一些问题。为了适应新时代的新形势与新变化，课程教学必须相应地进行教学改革探索，以提高生物医学信号处理课程的教学成效。

1 教学现状与问题分析

生物医学信号处理是一门理论性与实践性都较强的课程，不仅理论知识点多、理论难度较大，而且要求学生能够利用计算机等工具实现各类生物医学信号的处理与分析。通过分析近年来的教学工作，发现课程教学主要存在以下问题。

1.1 重视理论教学，轻视实验实践教学

生物医学信号处理课程教学内容多、理论性强，对本科生来说，课程内容较为晦涩难懂，加上课程教学的课时有限，当前课程教学重点基本都是放在基本概念、理论原理与算法原理的讲解上，缺乏深入的综合实验教学环节，学生难以获得实际解决问题的能力，达不到学以致用的效果。

1.2 实验教学体系不完善，实验内容设计缺乏综合性与前沿性

当前实验设计不合理，教学体系不完善，实验内容大多为生物医学信号采集、频谱分析、滤波处理以及特征分析等经典实验内容，与实际问题脱节严重，缺乏综合性，并且实验内容更新速度相对较慢，缺乏前沿性与创新性。

1.3 教学模式与教学方法固化，学生创新性严重受限

当前的实验课程教学主要是教师讲解实验过程、学生依照指导书进行实验的模式，学生积极性不高，很少主动思考，无法养成创新性思维。

2 教学改革内容与教学实践

生物医学信号处理课程要求学生在扎实掌握相关理论的基础上，必须同样注重提升实践能力和创新能力，因此必须重视生物医学信号处理实验教学。在对现有实验教学问题分析的基础上，从完善课程体系、优化教学内容、运用启发式教学模式和实施过程性—多元化考核方式这四方面出发，对生物医学信号处理综合实验体系设计与实践教学进行探索研究。

2.1 以学科特色为基础，完善综合实验课程体系，优化内容设计

坚持科教结合原则，以重庆邮电大学生物医学工程学科研究方向为基础，结合国际前沿热点，坚持基础性与创新性、趣味性与研究性并重的原则，完善升级生物医学信号处理实验课程体系。在实验教学内容设计方面，综合考虑生物医学信号处理课程特点、学校生物医学工程学科学生培养目标和社会对生物医学信号处理相关人才的要求，坚持实验教学有特色、有广度和有深度，采取“基础—综合—设计性”实验的多层次设计方案。以主流实验教材上的经典实验作为基础实验，帮助学生巩固理论知识，强化动手能力；以学科研究方向为基础，按照生物医学信号处理基本流程，以处理不同类生物医学信号为专题，设计综合性专题实验；以学生兴趣为出发点，结合国际前沿热点，鼓励学生组成团队，安排设计性实验，让学生自主设计实验方案和实验内容，综合培养学生发现、解决科学问题的研究性思维与能力。

收集整理国内外相关实验教材，并根据学科的研究方向优化更新实验教学内容，自编实验指导书，设计三个基础性实验（自适应滤波器设计、信号频谱分析和主成分分析）、四个综合性专题实验（超声信号采集、自适应滤波、功率谱分析和特征参数提取）和一个开放性设计实验。实验内容设计按照生物医学信号处理的基本流程，以解决生物医学信号处理与分析的关键问题为主要目标，由易到难依次递进，内容设计丰富且具有明显层次，同时安排开放性设计实验，以培养学生利用原创性思维解决问题的能力。

2.2 以“学生为主体、教师为主导”的启发式教学模式

启发式教学认为学生是学习主体，教师引导学生主动学习、积极思考，融会贯通地掌握知识[3-4]。启发式教学包括激、启、发、疏[4]，具体包括：教师提出问题，激发学生学习兴趣；启发引导学生利用所学知识尝试解决问题，由此及彼、由表及里，引导学生逐步接近问题的某一个解决方案；进一步引导学生发散性、多向思维，从中获取解决问题的经验（知识与思维方法），然后对前述问题进一步深化，如此反复，逐步解决问题；最后梳理学生的认识结果，推导出结论，从而整合形成整体经验[5-6]。

在实践教学过程中，教师以本学科研究方向为基础，结合国际前沿热点，坚持科教结合原则，实验内容设计具有新颖性，特别是开放性设计实验，可有效激发学生学习兴趣；从指导学生查阅文献开始，启发学生以创新性思维思考问题，逐渐引导学生设计实验方案并运用所需理论完成实验内容；随后以翻转课堂的教学模式让学生汇报、分享实验过程与实验心得，进一步对内容进行扩展，针对具体问题引导学生形成发散性思维，让学生了解问题解决思路和方法的多样性；最后，对实验内容、过程和结果进行总结梳理，学生在此基础上可进一步改进实验设计与实验方法。上述方式实现生物医学信号处理实验课程从重复验证为主到主动学习、培养创新性思维和能力并重的重大转变，学生成为学习主体，极大地调动学习的积极性。

2.3 实行过程性—多元化考核方式

针对当前实验课程考核方式单一的问题，进行多方尝试，增加实验讲解环节、开放性实验的汇报等以学生为主体的“过程性—多元化”考核环节，不再以实验报告作为考核主要素，而是以学生实验操作、实验规范、实验汇报等实验过程作为考核的主要素，并加大过程性考核成绩在总成绩中的占比。课程考核成绩最终基于学生出勤情况（10%）、课堂表现（50%）、开放性实验设计汇报（10%）以及实验结果和分析报告（30%）等方面来综合评定。这种以过程评价为中心的多元化考核方式可引导学生注重实验实施过程，关注实验中如何解决具体问题，有利于培养学生独立思考的能力和创新思维。

3 教学改革的经验总结

3.1 坚持经典与前沿结合

生物医学信号发展至今，既具有厚重的经典性，又具有崭新的前沿性。本课程坚持经典与前沿结合，实验内容设计包含经典理论与方法的基础性实验、综合能力培养的综合性实验和前沿的开放性设计实验三个递进层次，有利于全面培养学生的综合能力和创新思维。

3.2 坚持问题与算法结合

生物医学信号处理是采用现代信号处理技术对复杂的生物医学信号进行分析与处理，主要包含问题与算法两个方面。生物医学信号处理综合实验教学以临床医学应用中存在的问题为导向，以实验设计和算法实现为主线，重在培养学生掌握如何解决问题。把问题与算法紧密联系起来，使得实验更具实效性和针对性，避免学生实验时茫然无措。

3.3 坚持科研与教学结合

生物医学信号处理既具有深入的理论性，又具有广泛的应用性。结合本学科教师科研方向，将科研理念、相关研究方法以及本领域的最新研究成果引入实验课堂教学中，实现科教结合，不仅能使实验内容丰富多样，更能极大地激发学生兴趣，提高学生学习的主动性与积极性。

4 结束语

生物医学信号处理是一门理论与实践并重的课程，实验教学与理论教学相辅相成、互为补充。通过对重庆邮电大学生物医学信号处理综合实验体系设计与实践教学进行探索研究，优化实验课程体系，改进完善教学内容，运用启发式教学模式，采用过程性—多元化考核方式，突出学生是实验教学主体的教学思想，显著增强了实验实践教学效果。生物医学信号处理课程教学改革和探索任重道远，加快教学改革实践才能更好地培养兼具国际视野、前瞻思维、专业知识和技能的新时代创新型与实用型人才。