OBE教育理念下生物医学电子学“四维融合”教学策略的探索及实践

查雨彤，王 选，司博宇，李晓欧，严加勇

（上海健康医学院医疗器械学院，上海 201318）

生物医学电子学是利用电子学去解决生命科学问题的一门课程，在深化电子基础知识的同时，将生物医学与工程紧密结合在一起。该课程作为生物医学工程专业课程体系中非常重要的一门专业必修课，学生在学习过程中不仅要熟练运用与医学诊疗仪器相关的电子学知识，更要在设计实践中提升团队协作能力、建立产品开发和运营的体系意识。因此，学生既需要通过理论课构建模块化的知识框架，又需要利用实验巩固理论知识体系。基于此，本文提出以基于学习产出的教育理念（OBE）指导的生物医学电子学的课程设计，探索其在混合式教学过程中的实践方法。课程设计实现“四维融合”，即生命科学和电子学的融合、理论与实践的融合、线上SPOC与线下设计课的融合、虚拟仿真实验与动手实践的融合，使学生建立对医疗仪器系统的认知，提高工程技能。

1 混合式教学的背景和意义

随着互联网技术和教育技术的发展，教学方式逐步丰富，传统的课堂教学演变成理实融合、虚拟仿真、线上线下混合等多种多样的教学方式。利用网络、依托计算机或其他移动终端开展的线上教学活动，能让学生更合理地安排学习任务，灵活支配学习时间，适当选取学习方法，充分地激发学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。而线下教学活动更多的是对于线上学习知识的巩固和深化，通过实践、实验、实操检验基础知识的牢固度和知识体系的完整度，依托面授过程完成查缺补漏和深度研讨，进而实现更加高级的教学目标，让学生有更多机会在感性认知层面参与学习。在此过程中学生通过协作解决驱动任务，其学习的主动性与创造性得到发挥，从而实现知识的意义建构，而教师是意义构建的帮助者和促进者[1]。

在疫情常态化背景下，对线上线下两种学习形式中的各种学习要素进行有机融合，并运用各种教学理论协调各个要素，充分发挥混合式学习的优势，实现教学效果的最优化[2]。

2 OBE理念对于生物医学电子学课程建设的指导意义

OBE理念的引入不仅使生物医学电子学这门课的课程建设关注于知识的输入和教学过程的设计，更注重教学成果的产出、学生学习效果的改善以及持续改进的机制，具体体现在以下几方面。

2.1 课程目标与人才培养目标的统一

作为一所应用型本科院校，我校生物医学工程专业以培养具有良好的人文素养和团队合作精神，受到扎实的特色专业理论和实践能力训练，具备国际先进医疗器械所涉及的机械和电子技术基础以及为医学应用服务的能力，能从事医疗器械设计制造、应用开发并可扩展到生物医学工程相关领域的“医—工结合”的工程技术应用型人才为目标。

而课程目标也需要与人才培养目标相统一，一方面，课程内容需要与时俱进，使学生在修完本课程后了解前沿技术的先进性；另一方面，需要使学生在学完本课程后具有适应人才需求的能力。因此，对于课程目标做了如下调整：在专业知识方面，要求学生将医学知识与工程技术知识融会贯通，掌握生物医学电子的分析和处理方法，了解典型医学仪器电路与系统的相关原理和设计原则。在专业技能方面，要能够运用所学的知识分析和处理实际的生物医学问题，能够分析实际生物医学需要，选用合适的电子器件，并具备分析和调试系统的能力，同时还需要有一定的创新意识和创新实践能力。另外，在专业素养方面，应具有严谨的科学态度、敬业精神和职业道德。

2.2 学生学习成果的个性化定制

针对OBE理念中课程学习成果（PLO），以SMART原则去制定学生的学习成果，并将学习成果基于布卢姆教育目标按不同层次的要求进行分类，见表1。

表1 基于布卢姆教育目标指导下的PLO分类

表1中所示的是基于布卢姆教育目标指导下，针对生物医学电子学课程将PLO按能力层次由低到高分为6类，分别是知识的记忆、理解、应用、分析、评价和创造[3]。对于不同学习能力和目标的学习者力图达到学习成果的分层次个性化定制。

2.3 基于成果导向的教学评估方案

传统的教学评估方案往往是以教学目标为起点，将所涉及的教学内容、使用的教学方法和最后的教学效果成果自上而下进行设计。虽然如督导监督、领导同行听课、学习过程中问卷调查、期末评教等可以使用的评估手段很丰富[4]，但这些评价手段普遍重视教学行为而不是教学效果，缺乏以学生为中心的成果意识。因此，生物医学电子学的教学评估方案遵循基于成果导向的反向设计原则，即根据学生预期要达到的学习成果来评估。也就是说，根据不同层次学生应该达到的学习成果，反推出课程的教学目标，进而确定评价标准和对于过程考核的方案。将专家及督导考核、主管领导和同行听课、教师自我评价和学生评教全部纳入教学产出成效评价体系，通过过程考核与改进的有机结合，实现教学资源的按需调配。

2.4 成绩评定标准的可量化

成绩评定标准应与学生的预期学习成果匹配和统一，实现达成性评价。想要实现成绩评定标准的可量化，首先需要教师帮助学习者建立对于学习成果的多层次预期达成目标，进而根据所达到不同层次的学习成果对于生物医学电子学课程成绩做出评定。达到不同层次，获得的分数也不同，而所达到的学习目标将由教师具体化到客观的题目，或者师生共同开发的实践性活动，尤其是高阶的创造性项目。成绩评定的主体可以是教师，可以是学习者，也可以是学生互相评价，但无论评价主体是谁，都需要保证对于学习成果的评估要全方位、多维度进行。在成绩评定时，任课教师要在学习过程中鼓励学生进行自我思考和自由发挥个性，以培养学生项目过程管理意识。

2.5 面向能力本位的教学活动安排

成果导向的教学需要让学生衡量能做什么、能做到什么程度[5-6]，因此基于OBE教育理念下的生物医学电子学教学活动安排要围绕“成果”来进行设计，即从解决有固定答案的问题出发，逐渐培养解决开放性问题的高阶能力。第一，在学习之初，教师要向学习者提供学习成果蓝图，即帮助学生了解多层次学习成果目标；第二，对于生物医学电子学课程教学而言，教师需要提供全部的教学资料，教学资料应覆盖整个生物医学电子仪器相关的相互独立、界限清晰的知识单元，以全面的模块知识点作为支撑；第三，要使学习者“既见树木，又见树林”，学习成果既是学习的终点，又是学习的起点，教学时采取反向设计原则，以顶峰目标为导向，将知识整合并以拆解的单元作为出发点作出反向设计，实现系统设计的高阶目标。

3 OBE理念下生物医学电子学“四维融合”教学策略

为了使学习者在学习生物医学电子学课程内容之前，了解生物医学电子学发展的历程、关键技术和发展方向，掌握常见的医疗电子仪器主要的分类、技术特点、设计思想、设计原则和步骤，并帮助学习者理解医学电子仪器的单元电路和整体电路的设计关系，本课程设置了相关导学内容，以帮助学习者对于本课程的最终学习成果有正确预估。

3.1 线上教学模块构建

教材内容被重新安排了3级共17个模块（见图1），每个模块2～4学时不等。其中，LEVEL 1作为导学部分，包含3个模块，帮助学习者建立生物医学电子学的简要而概述性的认知；LEVEL 2作为单元电路部分，包含11个模块，介绍医疗领域常规医学信号诊疗系统的通用性功能单元；LEVEL 3包含3种常见的生物医学诊疗系统的实例模块，帮助学生从复合结构层次理解医学电子仪器。学习者以实现某一类完整的生物医学诊疗系统为目标，可以根据学习需求自行选择模块资源进行学习并完成至少32学时的在线课程学习。模块知识的学习评价以学习过程中完成性测验作为考核依据。

图1 生物医学电子学在线学习资源的构成

3.2 线下教学模块构建

线下教学以“虚实结合”即虚拟仿真+动手实践的形式培养学生的科学研究和实践创新能力。课程设计采用基于项目导向教学法及安排见图2，所有实验项目内容在实验室完成，实验指导书由任课教师提供。

图2 线下“虚实结合”实验项目

虚拟仿真模块是将某生物医学电子学课程以电路模块分成不同的技能单元，将每个技能单元作为一个学习“子项目”，实行虚拟仿真单元式教学。学生在线上先修完SPOC中LEVEL1和LEVEL2相关知识点后，在计算机上使用Multisim14作为仿真软件，对组成生理信号检测系统的常规模块，包括放大器、滤波器、信号变换电路、模数转换电路等模块进行仿真。在完成“子项目”的过程中，学生可以深刻体会电路设计中各个子模块性能参数指标的控制和器件，尤其是集成化器件在生物医学电子仪器中的使用方法，形成“器件解决”的设计思想。

动手实践模块是将模块化的“子项目”整合并实例化为生理信号检测系统设计的综合性“项目”。在线上先修完SPOC中LEVEL3相关知识点后，学生可以自选传感系统（电子器件由教师提供），以3人小组的形式完成心率/脉率检测系统的设计、焊接、调试，实践项目内容、性质及进度安排见表2。

表2 实践项目内容、性质及进度安排

课程知识点的教学采用SPOC的形式，要求学生先观看并进行重难点总结、答疑、讨论。随着SPOC的学习，完成表2所示的7个项目。本课程综合性、设计性、探究性项目数量≥85%，学时达到43.75%。学生不断根据“项目”的需求来学习，变被动接受知识为主动寻求知识，使学生在短时间内构建知识框架的同时极大地提高学习效率。

3.3 学习成果评价模块构建

成绩评定分成过程性评价和达成性评价两部分，各占评分百分比的50%。其中需要说明的是，课堂表现主要考查学生项目完成过程中独立性、研修深度和师生互动度；项目完成度评价分为完成并充分理解、基本完成和未完成3个等级。成绩评定分类及标准见表3。

本课程的教学评估方案遵循基于成果导向的反向设计的原则，即根据学生预期要达到的学习成果来评估。也就是说，根据不同层次的学生应该达到的学习成果，反推出课程的教学目标，进而确定评价标准和对于过程考核的方案。将专家及督导考核、主管领导和同行听课、教师自我评价和学生评教全部纳入教学产出成效评价体系。

4 实践及分析

4.1 教学实施方案

本轮课程改革针对我校生物医学工程专业学生，面向2018级生物医学工程专业本科生和2020级生物医学工程（专升本）学生共计145人展开。目前该课程于2021年6月完成授课，课程建设线上SPOC资源和线下实验资源两部分课程资源，线上教学资源在“超星学习通”网站上开放；线下教学以“虚实结合”即虚拟仿真+动手实践的形式培养学生的科学研究和实践创新能力，所有实验项目内容均在实验室完成。

4.2 教学效果评估方案

本课程的教学评估方案遵循基于成果导向的反向设计原则，即根据学生预期要达到的学习成果来评估。也就是说，根据不同层次的学生应该达到的学习成果，反推出课程的教学目标，进而确定评价标准和对于过程考核的方案。将专家及督导考核、主管领导和同行听课、教师自我评价和学生评教全部纳入教学产出成效评价体系。

4.3 教学效果评估结果

通过调查问卷的方式，学生在课前对于本课程学完后达到的能力层次做了预估，并在SPOC学习结束后和理实课程全部结束后分别对于个人能力层次做了评价，人员分布见图3。分析显示，在课程学习之前，人员呈现金字塔分布，大部分学生对于获得的能力只预期在低水平；随着理论课也就是SPOC学习的进行，大部分学生逐渐理解相关知识，但能力停留在中等水平；当实践项目全部完成后，绝大部分学生能够灵活运用所学知识，甚至能实现创造和评价，整个人员分布近于正态分布趋势，这对于本科生所能达到的能力水平来说已趋于理想了。

图3 不同阶段能力层次评估结果人员分布

按照成绩评定标准对145名学生过程性和达成性学习成果分别进行评价，总评成绩按分数段分别统计，人员分布见图4。通过分析可以看出，成绩分布基本遵循正态分布，除个别缺考、缓考和未获得考试资格的学生外，绝大多数学生通过本课考核。超过20%的学生分数达到80分及以上，60%的学生分数集中在70～79分。成绩分布与课后能力评价结果基本一致，误差近似为5，也就是控制在5位学生以内，这表明成绩能够较为准确地反映出学生的真实能力和水平。

图4 分数段人员分布与能力层次评估人员分布对比

本轮课程共有2位校级督导，3位同行一线教师，1位教务管理人员听课。校内督导评分平均90.2分，同行评价平均得分92.5分，教务管理人员打分优秀，学生评教结果优秀。主要存在的问题集中在以下几方面：（1）SPOC课程中的重、难点需要在线下课程中进行深入讨论；（2）综合型实验与设计型实验难度跨度大，需要对项目难度进行梯度区分和调整。针对以上问题，在下一轮课程前会进一步完善。