医学院校基于生理电信号的信号与系统课程改革

朱耿 伍秀玭 郝丽俊 司博宇

摘要“信号与系统”由于其课程理论性强、概念抽象等特点，在医学院校中的教学效果欠佳。究其原因为医学院校学生较理工或综合性大学数理基础薄弱，对传统教材中所举例信号不熟悉，使得学习兴趣不高，课堂上精力不集中。生理电信号蕴含了丰富的人体信息，是生物医学工程中研究的重要对象，是医学院校学生所熟悉的信号。为调动学生学习的积极性，笔者将生理电信号引入到“信号与系统”中，通过信号与系统课程分析和实现生理电信号的常见处理过程，使学生较为全面的掌握信号与系统的相关知识，并增强其实际分析和解决医学问题的能力。与此同时，笔者还将PAD（Presentation Assimilation Discussion）教学应用于“信号与系统”课程改革中，本文以连续时间周期信号的傅里叶级数表示内容为例，阐述实施案例。通过比较课改前后的学习效果，发现新方法使学生学习兴趣和学习能力等方面有显著提高。

关键词 信号与系统；生理电信号；PAD课堂；学习兴趣

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.020

2015年，由教育部、国家发展改革委、财政部联合发布《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》，指明了高校转型发展的方向，明确了应用型本科高校的人才培养定位，确立应用型的类型定位和培养应用型技术技能型人才的职责使命。[1， 2]2018年教育部将新工科扩容为“新工科、新医科、新农科、新文科”。新医科为适应新一轮科技革命和产业变革的要求，提出希望实现医学从“生物医学科学为主要支撑的医学教育模式”向以“医文、医工、医理、医X交叉学科支撑的医学教育新模式”的转变。[3， 5]2021年上海市人民政府办公厅印发《关于本市加快医学教育创新发展的实施意见》，指出加强交叉创新学科教学团队建设，以培养医学科学家、医学工程师等高端医学人才为目标，促进医工、医理、医文学科专业的深度融合。[5]上海健康医学院是一所上海市属应用技术型本科医学院校。在这个时代背景下，结合应用型本科人才和新医科高层次创新人才培养的探索，以及疫情和后疫情时代的教育教学改革热潮，作为一名生物医学工程学科的专业教师，也应针对传统的专业基础课程作出创新和改革，以适应时代的发展要求。

对分课堂是基于认知心理学提出的课堂教学改革新模式，将课堂的时间一半给教师一半给学生，被证明适合于中国国情，有利于激发学生的学习兴趣。[6，7]“信号与系统”最早是高等学校电工程专业的一门重要基础课程，历史久远，理论内容相当成熟。目前很多高校生物醫学工程专业的“信号与系统”课程教材都是电气专业的教授所编写的，例如电子工业出版社出版的《信号与系统》（奥本海姆）。[8]本文将结合应用型本科院校的人才培养定位，与学校背景和学生素质的具体情况，探索适合于本校生物医学工程专业学生的“信号与系统”教学改革。本文将以连续时间周期信号的傅里叶级数表示的内容为例，详细阐述基于生理电信号的“信号与系统”课程改革，并分析课改效果。

1“信号与系统”课程改革思考

生物医学工程学科很重要的一个研究方向即是对生理电信号的获取和处理。生理电信号是人体重要的信号之一，临床上常见的生物电信号主要有：心电、脑电、肌电、胃电、视网膜电等。在临床中需要这些电信号的特征来辅助医生进行诊断。生理电信号是不稳定的微弱信号，常常伴随着强噪声，这使得其特征的提取变得不容易。因此需要借助信号与系统、数字信号处理等理工科的手段来进行处理和分析。本校生物医学工程专业学生需要在大一大二时学习“正常人体学”“生理学”“临床医学概要”，在这些课堂上学生已经熟悉了人体的各种生理电信号。“信号与系统”课程的授课对象是大三学生，包括32学时理论课和16学时实践课。以往的授课方式遵循传统的电气专业的“信号与系统”课程，由于理论性强，对数学基础要求高，概念抽象，而所举的例子对于本校学生来说又太生疏，导致学生上课积极性不高，对知识掌握不深入，对信号的理解不到位，给接下来的“数字信号处理”课程讲授又增加了难度。[9]针对这些问题，本文结合电生理信号和PAD教学，一方面通过学生熟悉的电生理信号将抽象的概念具体化，从实际应用出发激发学生理论学习的兴趣；另一方面通过自主学习、学生分享等环节培养主动学习和分析的能力，真正做到学以致用。

下面以连续时间周期信号的傅里叶级数表示的内容为例，具体讲述教学实施过程。

2连续时间周期信号的傅里叶级数表示案例

2.1课程导入

首先引入课堂内容，介绍傅里叶分析方法建立的历史故事，在此过程中有前辈科学家支持，也有提出强烈反对的。但在日后的发展过程中，不断得到验证，不仅应用于数学和物理学，形成了傅里叶光学学科，甚至几乎存在于生活和科学的各个领域：预测地震、揭示蛋白质结构、指示脉搏信号、心电图、脑电图等生理信号的异常等等。引导学生对傅里叶变换学习的兴趣，了解新事物的发展过程中都会遇到一定的困难，但正确的事情总会得到不断验证。

2.2连续时间周期信号的傅里叶级数表示的导出及实现傅里叶级数表示的MATLAB程序框架讲解

在成谐波关系的复指数信号的线性组合公式推导的基础上，以周期性方波为例讲解信号的傅里叶级数表示的确定。如图1（a）所示，频率为1Hz的方波（上图），可以由1Hz+3Hz+5Hz+7Hz+…的正弦信号叠加而无限逼近（下图）。其中周期性方波傅里叶级数系数如图1b所示。

2.4总结答疑与思考

总结本次课堂理论部分关键公式，结合脑电信号的分析，强化连续时间周期信号的傅里叶级数的核心思想为任何周期信号都可以通过一系列不同频率不同幅度的正弦信号表示。布置课后思考题，让同学们课后进一步消化本次课的内容，并对下次课的内容进行预习。

3教学效果评价

基于生理电信号的“信号与系统”课程改革将理论内容与实践内容结合，在理论公式推导之后，通过同学们熟悉的生理电信号进行实践练习，充分激发学生们的学习兴趣，加深其对理论知识的理解和运用。为了了解课程改革效果，通过调查问卷的方式从教学满意度、对工作的帮助、课堂专注度和学习能力提升等方面进行调研。课改效果显著，教学满意度、对工作的帮助以及课堂专注度明显提高，学习能力提升稍有改善。可以看到由于引入了熟悉的信号并且了解到所学的东西与以后的工作内容密切相关，学生在课堂上的专注力集中了，对工作的帮助也有所提升。课改的效果不仅反应在本课程上，对后续课程“数字信号处理”也有很大的帮助，比如滤波器设计时，列举本文2.3所示的信号，学生就很容易理解滤波器的作用和原理。

但对于本课程，学生还是反映课程较难。虽然课改后能够更好的理解如何在医学中运用该课程的内容，但理论推导部分不能够深入学习。要改善这一问题，需要加强前期的数学基础学习，也是本课程还需要进一步改进的方向。

4结语与展望

本文针对医学院校中“信号与系统”课程存在的问题进行改革，引入医学院校学生熟悉的电生理信号作为实践的对象，在课堂上加入PAD教学方法，并以连续时间周期信号的傅里叶级数表示为例详细讲述了该课改的实施过程。调研结果表明，课改显著提高了教学满意度和课堂专注度，学生也深刻体会到课堂所学知识对工作的帮助。课改后仍然存在的问题是理论推导部分仍然是学生学习的难点。针对这一问题，未来将从两方面改进：（1）与大学数学教学组沟通，提高学生的数学基础；（2）在本课程中结合混合式教学方法，通过多种形式的学习资料，全方位的展示理论推导过程，将有利于学生深入学习。

基金项目：2020年上海市教委高校青年教师培养资助计划“课程思政改革要求下《信号与系统》线上教学资源建设的研究”（项目编号：ZZSHJKYXY20007）；2021年上海健康医学院师资人才百人库项目“音乐对大脑认知功能的影响研究”（项目编号：A3-0200-21-311007）。

参考文献

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[2]教育部发展改革委财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见[J].中华人民共和国国务院公报，2016（06）： 60-64.

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