“医学电子仪器设计”课程的项目化教学设计与实践
2023-02-23梁永波杜晓霞肖文香
李 华，梁永波，杜晓霞，肖文香，张 倩
（桂林电子科技大学生命与环境科学学院 广西 桂林 541004）
新工科和大健康产业的兴起，为生物医学工程专业的发展提供了难得的机遇，同时也是极大的挑战[1]。目前该专业的人才培养质量还不能很好地适应产业发展的要求，没有把专业的优势和特色完全展现出来，该专业还存在以下悲观情绪：“虽然我们也学过电子和软件相关课程，可电路设计能力不如电子工程学院的学生，编程能力不如计算机学院的学生，我们专业培养出的学生出路在哪里？”因此，如何构建电子信息与专业特色紧密结合的课程，已是目前生物医学工程专业急需解决的痛点问题[2-5]。
“单片机原理及应用”课程是电子信息类专业开设的一门专业基础课，也是生物医学工程专业的一门专业限选课。在以往的教学中，该课程主要讲授单片机的一些基础理论，和电子信息类专业、测控专业等讲授的内容没有大的区别，且学生学完该课程后，动手能力、实际的电路设计能力没有大的提高，且以单片机为核心、与专业相关的医学电子仪器的设计没有涉及，影响了课程目标达成度的完成[6-8]。同时，根据对一些医疗电子仪器行业重点企业的走访调研发现，生物医学工程专业的毕业生普遍存在着理论应用于实践的工程能力薄弱、电子信息特色与医疗电子仪器的结合不紧密、医学伦理规范意识不强等问题[9-10]。
综上，本课程组在培养方案中将“单片机原理及应用”课程调整为“医学电子仪器设计”课程。采用项目式教学方法。项目化教学是师生通过共同实施一个完整的“项目”工作而进行的教学活动，将教学大纲中规定的教学内容和要求转化为若干个有实用价值的工程项目。医学电子仪器的核心是单片机，将单片机的学习与医学电子仪器的设计很好地结合起来，是本门课程急需解决的关键核心问题。
1 教学改革内容
“医学电子仪器设计”针对目前存在的问题进行了教学改革和创新，具体体现在教学方法、教学内容以及考核方式的改革上。
1.1 教学方法
贯彻“教师引导、学生跟进、自主学习、自主实践”的教学思想，结合课堂讲授、学生自学、辅导答疑、自主实践等教学方式，灵活采用多种教学方法。
①启发式教学方法。根据“医学电子仪器设计”课程的特点，理论课以课堂讲授为主，为使学生对课程内容有系统和全面的认识，加深对课程重点知识的认识并牢固掌握其内容，引导学生树立正确的学习方法和思维方式，以便理解课程难点。
②自主实践式教学方法。根据“医学电子仪器设计”知识需要自主动手的特点，在理论学习内容的基础上，介绍实际芯片和开发环境，引导学生在课后自主实践。使学生能够掌握单片机的基础知识，并初步具备进行系统开发的能力。
③学导式教学方法。根据大学生具备自学能力、本门课程内容中的一部分有可能通过自学掌握的特点，采取了教师提出学习提纲、给出查阅资料范围、学生通过自主查阅资料、教师给出参考问题供学生消化这样一个环环相扣的方法，调动学生的学习积极性。在此基础上，通过布置实践强化训练大作业，使学生进一步掌握单片机的编程和调试能力。
④关联式教学方法。“医学电子仪器设计”这门课程涉及许多其他学科的知识，如人体生理参数、模拟电子、数字逻辑、软件设计等。这就要求教师对其他课程的知识有所了解，在讲课时，从各门课程知识相互关联的角度，根据不同的内容有选择地运用其他学科的知识分析问题。
1.2 教学内容
教学内容的选择上体现了理论和实践的有机统一。“医学电子仪器设计”课程共40个学时，其中前24个学时讲授单片机的理论基础知识，后16个学时的内容围绕以单片机为核心的医学电子仪器的设计展开。通过精简部分理论学时，加大了实践环节的训练，使学生不仅掌握单片机的相关理论知识，而且可以应用到以单片机为核心的医学电子仪器的设计中去。
同时，构建了以红外光电容积脉搏波采集系统为核心的项目式教学方法，完成从知识到能力的跨越。该门课程以四类典型的人体生理参数（脉搏、血氧、血压、心率）检测仪器为工程应用背景，将这四类仪器需要用到的单片机知识概括为十五个模块化学习资料，同时布置五个实践强化训练作业，最后学生在掌握上述能力的基础上，选择相关的三个医学电子仪器设计项目进行大作业，从而实现了单片机从普通芯片到医学电子仪器核心芯片的转变。项目式教学的整体设计如图1所示。
图1 项目式教学设计框图
1.3 考核方式
考核方式：平时考核（包括课堂到课率、课外作业及课外实践作业）、期中考试（开卷）、期末考试（闭卷）。
课程总成绩构成：平时成绩占50%，期末考试成绩占50%。
平时成绩构成：由课堂表现、课外作业及大作业构成，其中课堂表现占总成绩10%、课外作业成绩占总成绩20%、大作业占总成绩20%。
2 教学改革方案
本教学改革基于脉搏波采集设计不同难度的项目，学生可根据自身的能力和水平选择相应的项目完成。
2.1 项目设计名称：红外脉搏波采集系统设计
①传感器：HKG-07B红外脉搏传感器；
②信号调理电路Protues仿真（交工程文件）；
③信号调理电路+单片机系统电路原理图及PCB电路板（交工程文件）；
④AD620+50Hz限波电路+带通滤波电路（调试发放的空PCB板）；
⑤ADC0809+51单片机（将发放的PCB与单片机学习板连接调试、编程）；
⑥针对单片机采集的脉搏波数据，在单片机内设计软件滤波算法（如滑动均值滤波，中值滤波等），实现心率计算（每三秒更新一次心率），通过1602液晶实时显示；VC++6.0上位机（提供基础版工程）+软件滤波算法+心率算法（每三秒更新一次心率）。
2.2 项目设计名称：光电容积脉搏波采集系统设计
①传感器：医用血氧饱和度标准探头（7针，DB7）；
②信号调理电路Protues仿真（交工程文件）；
③信号调理电路+单片机系统电路原理图及PCB电路板（交工程文件）；
④红光或红外光单波长驱动电路+跨阻放大器+带通滤波器（调试发放的空PCB板）；
⑤ADC0809+51单片机（将发放的PCB与单片机学习板连接调试、编程）；
⑥针对单片机采集的脉搏波数据，在单片机内设计软件滤波算法（如滑动均值滤波，中值滤波等），实现心率计算（每三秒更新一次心率），通过1602液晶实时显示；VC++6.0上位机（提供基础版工程）+软件滤波算法（如滑动均值滤波，中值滤波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。
2.3 项目设计3名称：血氧饱和度测量系统设计
①传感器：医用血氧饱和度标准探头（7针，DB7）；
②测量系统原理图与PCB电路板（交工程文件）；
③自行打板实现整个测量电路，调试通过所有功能模块；
④单片机选择不限制，ADC与DAC均可使用单片机内置功能；
⑤针对单片机采集的脉搏波数据，在单片机内设计软件滤波算法（如滑动均值滤波，中值滤波等），实现心率计算（每三秒更新一次心率），通过1602液晶实时显示；VC++6.0上位机（可参考提供的基础版工程）+软件滤波算法（如滑动均值滤波，中值滤波等）+心率算法（每三秒更新一次心率）。
3 改革取得的初步成果
学习本课程的学生均需完成本项目设计与调试内容，通过本项目锻炼能够使学生对医学电子信号有更清晰的认识，具备基本的医学生理测量系统设计能力，能够解决医学电子仪器设计中遇到的各类常规设计与调试问题。项目开展过程部分如图2―图4所示。特别是生物电子创新基地的学生，进行医学电子仪器相关装置的设计，获得“挑战杯”广西壮族自治区一等奖、“全国大学生生物医学工程创新设计大赛”一等奖等奖项。
图2 信号调理电路设计图
图3 焊接PCB板实物图
图4 项目总体连接实物图
4 结语
多学科交叉融合是生物医学工程专业的重要特点，如何实现不同课程、不同知识点之间的融合，体现专业特色，是生物医学工程专业课程教学改革的重要目标。本文以“医学电子仪器设计”课程教学改革为例，以项目式教学改革为抓手，将单片机的相关基础知识与人体生理参数检测有机结合，使学生在掌握单片机相关基础理论和知识的同时，也培养了生物医学工程专业中人体生理生化参数的医学电子仪器的设计和检测能力，提高对专业的认同度。本文不仅对生物医学工程专业相关课程的改革提供了参考，对其他专业也具有借鉴意义。
