“生物医学信号处理”课程虚实结合实验教学改革

高克强，高 凡

（1.南京医科大学 药学院，江苏 南京 211166；2.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106）

引言

“生物医学信号处理”是生物医学工程及相关专业的核心主干课程之一，课程理论学时部分系统介绍生物医学信号处理相关的基本概念与原理［1］，主要包括数字信号与线性系统、时域处理方法与应用、傅里叶变换与Z变换、滤波器设计等核心内容。课程实验学时部分主要为验证性实验，完成理论公式的算法实现与信号验证，并结合少量的综合性实验，引用生物医学信号领域的经典案例，如人体多参数生理信号分析、脑电、肌电等电生理信号分析、多功能光谱信号分析等［2］，使得学生能够运用上述理论方法解决实际部分工程问题与临床需求。生物医学信号处理技术广泛应用于生理信号检测、生命健康科学研究、临床疾病诊疗及医疗器械研发等领域［3］，是面向人民生命健康的国家重大需求中不可或缺的重要一环。

通过本课程的学习，学生能够熟练掌握生物医学信号处理的理论与方法，并通过实验环节解决实际工程问题，对于今后从事生命科学研究、临床精准诊疗、医疗装备研发等工作都具有极其重要的意义。如何在有限的实验教学中使学生能够灵活运用课堂习得的理论知识解决实际复杂工程问题，并培养学生举一反三的综合能力和专业素养，培养跨学科多层次的高素质专业型人才，是本课程实验教学改革的核心目标。

一、“生物医学信号处理”实验教学存在的问题

（一）综合性实验教学较少

“生物医学信号处理”传统的实验教学多为验证性实验，综合性实验较少。验证性实验教学一般针对核心知识点如快速傅里叶变换、有限或无限冲击响应滤波器设计等进行算法实现，并通过给定的相同示例信号进行处理分析，验证算法的可行性与正确性［4］。这是对生物医学信号处理核心理论方法进行工程实现不可缺少的实验环节，但验证性实验通常采用相同的示例信号与相似的算法设计，过程固定且相对死板，缺少灵活变化，使得学生参与度与积极性不高，对知识的理解与掌握程度不深，难以实际应用。验证性实验忽略了实际信号的采集过程与处理后结果输出的实际意义。例如，人体脑电信号是重要的生理信号之一，反映了大脑的基本功能与状态，在临床脑部重大疾病、精神类疾病的诊断方面具有重要参考价值。传统脑电信号分析实验仅给出一段示例信号，要求学生统一完成对信号的滤波去噪、频段提取、时频分析的操作，并不了解采集时的实际情景对信号本身的影响及分析的信号特征与大脑状态的关联都与最优算法的设计与选择密切相关。因此，仅开展验证性实验这一生物医学信号处理流程中的单一环节，学生难以掌握理论知识与算法在实际工程问题中的完整应用。

（二）设计性实验教学缺乏

“生物医学信号处理”课程的综合性实验流程相对固定，实验结果较为单一，需要进一步增加设计性实验，学生可自主设计实验条件并产生个性化与多样化的实验结果。然而由于“生物医学信号处理”课程实验教学课时有限、重复实验成本高昂、操作安全性风险等因素，设计性实验缺乏或难以大规模开展。例如，神经元电信号采集与分析是电生理信号处理中最基础的部分，但原代神经元提取的实验涉及动物的麻醉、解剖、处死等操作过程，学生会同时接触到危化品、锋利外科工具等，实际操作危险系数较高；且实验需要配备细胞房、超净操作间、动物房、生化实验室等，实验过程较多，细胞培养等过程一旦出错，就要从头开始。在实际实验中，可能一半以上的学生都无法获得最后结果，无法实现对理论教学知识点巩固的目的。与此同时，固定的实验流程与操作难以在实验中加强发散性思维的培养和提高综合处理问题的能力，这使得学生难以灵活运用理论知识并对实验中遇到的不同问题进行自主深入的思考［5］。因此，如何在有限的实验教学时间里充分利用虚实结合的实验教学理念与数字资源，合理改革实验教学模式，使得学生面对复杂工程问题可反复试错，获得最优解决方案，培养学生将基础理论知识真正应用于解决实际工程问题的能力，是“生物医学信号处理”课程实验教学改革中的重要课题。

（三）考核评价方式较为片面

传统实验考核方式较为单一，验证性实验考查理论公式的基本运用与算法实现，综合性实验考查信号处理整体流程的完成度与综合应用。然而，无论是验证性实验还是综合性实验，考核均以算法运行结果与实验报告为主，仅能反映学生对基础知识点运用的掌握程度，无法有效评价学生在实验过程中每个环节的贡献度，更难以体现学生在实验中的创造性与自主思考解决问题的能力。此种方式的考核导向让学生仅看重实验报告的最终呈现，而轻视实验过程中严谨的逻辑思维与理论知识的灵活应用，使得学生多以应付或完成任务的心态撰写实验报告，无法有效锻炼自主创新与思考能力。因此，此种考核方式无法客观全面地评价学生应用理论知识和探索思辨的能力，难以引导学生有意识地加强解决实际问题的能力及对所遇到困难的探索与思考，不能满足高层次生物医学信号处理人才对思维能力和专业素养的培养需求。

（四）实验教学体系不健全

传统“生物医学信号处理”课程实验教学体系一般以验证性实验为核心，辅助少量的综合性实验，缺乏设计性实验，整体实验教学体系不够完善，不能满足学生多层次学习需求，无法充分发挥教师多元化教学特色。实验教学通常采用“一讲二练三考核”的标准模式，教学方式单一且实验内容有限，教师讲解核心知识点与实验流程后，学生参照同一信号示例进行练习，实现理论公式的编程算法与验证，忽略信号的来源与分析之后的实际应用，实验考核报告千篇一律，不能体现“以学生为中心”的教学理念，难以激发学生学习兴趣［6］。“生物医学信号处理”课程实验教学没有充分利用科研条件与成果促进“项目式”实体综合性实验的开展，没有充分利用国家级与省级虚拟仿真实验一流本科课程的示范效应与数字资源，促进虚拟仿真设计性实验体系的建立。此外，目前实体实验与虚拟仿真实验相对独立，不能有效融会贯通，教学模式不能充分发挥“以虚促实”“以虚拓实”的作用，教学效果有待进一步增强。

二、“生物医学信号处理”教学模式改革方案

（一）人体脑电信号采集与分析实体综合性实验改革

脑电是生物医学信号处理中常见的信号来源，脑电分析是脑部重大疾病诊疗科学与临床研究中非常关键的部分。结合团队前沿科研方向，选择人体脑电信号采集与分析作为实体综合性实验，让学生参与实际人体脑电信号的采集、处理、分析与结果输出的完整过程，将理论算法运用到实体综合性实验的应用中。教学过程包括以下几个环节：脑电采集设备认知与预处理环节、多状态分任务脑电采集环节、脑电信号处理与分析环节；包含的核心知识点为时域信号的滤波器设计、频域信号的变换、功率谱密度、时频谱分析等。让学生切实体会脑电采集时的电极阻抗、环境噪声、工频干扰、机械扰动等对信号滤波与放大的影响。通过对人体实际信号的有效处理与综合分析，总结不同状态下被试者脑电各频段的特征信号，加深对生物医学信号处理核心理论知识点的理解。此外，综合性实验模式还可选择人体心电、肌电、血氧饱和度、血压等基本生理参数的采集和信号分析，通过综合性应用全面锻炼学生解决具体实际问题的专业能力。

（二）神经元电生理信号采集与分析虚拟仿真设计性实验改革

本教学团队前期开发了神经元电生理信号采集与分析虚拟仿真设计性实验，教学过程包括以下几个环节：实验前基础认知环节、原代神经元提取与微电极阵列芯片种植交互体验环节、多通道神经电信号采集与分析环节，核心知识点包括带通滤波器设计及信号滤波原理、神经元锋电位检测与分类基本原理、单通道锋电位特征参数分析、双通道网络通信互相关分析等。学生可以反复设计优化细胞培养与种植方案，并根据不同状态选择信号处理与分析算法的最佳设计参数。本设计性实验各个环节都有明确的操作提示、结果解释、错误分析等交互式模块，每名学生的学习场景都是不一样的。学生可以根据自己前期对知识点的掌握情况选择相应模块进行反复、重点练习，提高对知识点的掌握。根据学生的知识能力，将科研内容和数据进行细化和分解，使其能够在实验教学中实施，便于学生学习掌握。以真实的案例加深学生对于学习知识点的兴趣，并有效地促进学生思维能力的提升。该实验将“容错探究式”“交互体验式”“任务驱动式”教学方法综合运用于“基础认知、综合分析、探索创新”三个层面的实验环节，使学生循序渐进地开展“基本原理学习—综合能力训练—创新能力培养”的实验学习过程。

（三）全过程式评价实验教学考核新方式

本教学团队利用实体实验与虚拟仿真实验相结合的实验教学资源，在综合性实验中设计不同的采集场景与被试状态，在设计性实验中设置大量的容错实验路线与多元化的数据结果，突出学生主体地位，以高水平专业素养培养为核心。学生在不同的操作流程及参数设置下均可以进行多样化实验操作，且每一环节与操作步骤均有对应的详细评价指标与分数，对应不同的实验结果给出整体实验的综合评价。实现“客观化”全程评价学生实验操作、“多元化”评价学生综合能力。实验可全程记录学生的实验操作过程和各个环节结果，从而可根据核心环节的操作过程，动态评价学生对知识点的掌握情况，并最终提交包含过程步骤分、实验设计方案、实验结果展示等多元素的个性化实验报告，使教师从知识点掌握、试错过程、逻辑思维、创新设计等方面对学生的实验能力和综合素质进行全面评估。

（四）虚实结合的实验教学新体系

以项目式前沿实体实验和高水平虚拟仿真实验为引领，建立“验证性—综合性—设计性”多层次多学科的虚实结合实验课程教学新体系，将一流课程建设的理念、模式和方法引入到基础实验实践项目，提升实验环节的高阶性、创新性与挑战度。通过虚拟仿真和实体实验共融互促的教学模式，将虚拟仿真实验和传统实物实验有效整合，在“基础—综合—创新”各层次充分体现虚实融合、虚实递进和虚实协同的教学模式，信息化技术赋能虚实结合的实验实践教学，拓展工程实验教学深度和广度，有效激发了学生探究和创新的兴趣，引导学生进行自主性、探究性、创新性地学习，培养学生的团队协作精神和工程实践能力，发挥虚实协同互促的作用，实现实验实践教学效果。始终秉持“以学生为中心”的理念，构建符合虚实结合实验教学活动的支持环境，打造新型智慧虚实结合实验平台，拓展实验实践教学的广度与深度。致力于学生解决工程复杂问题能力的培养，促进学科与专业协同创新，夯实跨界、协调、互通而又一贯的实验教育基础，以适应国家重大需求和社会发展新格局，培养国家急需的复合型高层次人才。

结语

针对“生物医学信号处理”课程实验教学存在的问题与不足，本文从实验教学改革与实验新体系构建进行探讨。通过改革实验教学模式，将原有的基础验证性实验拓展为实体综合性实验与虚拟仿真设计性实验，逐层递进并提出全过程式评价实验教学考核新方式，建立“生物医学信号处理”课程实验教学新体系。在加深学生对基础理论知识的理解下，充分调动学生实验积极性，不断拓展学生的创新性与思维广度，并对学生的实验掌握程度给出综合全面的评价，促使学生能够运用所学的理论知识和技术解决生物医学信号处理中的复杂实际问题。本课程改革取得了良好的教学效果，为培养综合性高水平的生物医学信号处理相关领域复合型人才提供有效助力。