协同合作与创新思维训练在专修课程中的探索

丁惠君 刁现芬 陈昕

［摘 要］ 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理应运而生并得到了迅速发展。医学数字信号处理是一门涉及多学科而又广泛应用于众多领域的新兴学科，其课程是生物医学工程专业的核心基础课程，但理论性强、难懂且不易掌握。为了解决这些问题，从协作能力、创造性思维培养、课堂教学方法和教学理念等方面探索教学改革方案，以帮助学生在牢牢掌握科学、数学和工程基础知识的同时，契合未来工程行业对人才的需求。

［关键词］ 数字信号处理；生物医学工程；教学改革；合作；创新

［作者简介］ 丁惠君（1984—），女（回族），宁夏银川人，深圳大学生物医学工程学院副教授，硕士生导师，主要从事生物医学工程教育研究；刁现芬（1976—），女，山东临沂人，深圳大学生物医学工程学院副教授，硕士生导师，主要从事生物医学工程教育和研究；陈 昕（1975—），男，重庆人，博士，深圳大学生物医学工程学院教授（通信作者），博士生导师，主要从事生物医学工程教育研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）21-0083-04 ［收稿日期］ 2022-08-12

引言

生物医学工程是一门多学科融合的新兴专业，其基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物、医学领域中的工程问题，发达国家更是将其列入高技术领域。“医学数字信号处理”是一门涵盖数理分析、图像处理、信息技术等多方面知识的专业核心基础课程，主要涉及如何通过对生物医学信号的提取滤波和处理分析等过程提取有用的信息。由于“医学数字信号处理”课程具有理论性强、难懂且不易掌握等特征，对于一些数学基础薄弱、抽象能力不强、动手能力欠缺的学生来说较难理解与掌握，教学效果相对较差［1］。“医学数字信号处理”课程主要存在以下问题。

第一，教学定位不准。传统的教学模式注重理论知识及抽象公式的讲解，却忽视了学生的需求，不顾学生理解能力的差异，只是单方面“灌输”。同时，课堂教学主要以讲解一些复杂难懂的公式变换为主，学生一味地追求记忆公式通过考试，知其然而不知其所以然，更谈不上使用理论知识解决实际问题。

第二，教学方式单一。回顾目前的教学授课形式，大多数的教学活动局限于课堂上的“教”和“学”，单一乏味的输出难以让学生产生兴趣，主动参与到学习的过程中，因此，学生不能很好地全面掌握这门课程的内容。

第三，重理论，轻实践。目前的教学活动普遍存在的问题是：教师一味地“灌输”知识却没有给予学生实践的机会，忽视了学生学习的主观能动性。这种局限于课堂的教学方式难以很好地培养出满足社会需求的学生。

以上存在的种种问题对培养具有跨学科知识整合能力、终身学习能力、良好的沟通交流能力等能够适应行业发展的人才是一个巨大的挑战。因此，高校亟须推进生物医学工程专业的核心课程改革。

一、课程教学改革的关键要素

（一）课堂教学以学生的需求为主导，以教师的辅助为引导

回顾目前的教学授课形式，学生上课接触的多是教师冗长的演讲教学及铺满黑板的笔记，而这种长时间的教学很容易使学生处于疲惫、毫无兴趣甚至厌恶的状态。本文提出的课堂教学改革包括两个部分，即以学生为主体的分析讨论模式和以教师为主体的知识讲解模式。课前5分钟让学生成为课堂的主角主持学习练习，通过让学生对预设问题进行讨论与思考，并将概念与自己的想法进行口头描述，达到多重感官训练的目的。正式上课时，教师根据学生课前讨论需求开展教学活动，通过丰富的图片展示和生动的声音效果刺激学生的视觉与听觉，提高学生的学习兴趣和专注力。

（二）加强课堂教学与课外实践的结合

基于高校的课堂教学能帮助学生建立知识理论体系，而要培养具有实战能力的社会所需的人才需加强实践的锻炼。因此，要通过理论与实践结合的方式，让学生将所学知识融会贯通并使用自如。为了让学生更好地进行课外实践，学院除了建立实践基础教学、实践提升教学、课题能力培养等多层次的实践教学体系外，还将设置实验特色班，为学生提供全方位的专业实践训练。此外，学院与迈瑞医疗、理邦医疗、深圳市新产业生物医学工程股份有限公司等单位建立了长期合作实习产业基地等项目，使学生可以实地考察和学习，通过了解实际工程问题，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（三）课程教学改革要以信息技术为引导

传统的教学方式是教师和学生面对面交流的一种自上而下的“一言堂”教学，虽然从知识传授角度来看，这样的教学方式无可厚非，但是从学习过程来看，传统教学方式缺乏学生和教师的交流。随着信息网络的发展，网络作为教学工具凭借其优越的开放性和交互性越来越受到教育工作者的重视［2］。教师可以通过网络直播或者录制的形式制作教学视频，以更加生动、形象地展现教学内容，方便学生随时随地反复学习。在遇到重点及难点或者需要更新的知识点时，教师可以通过网络直播授课的形式针对性解答，这样学生可以不受时间、地点的限制，只要在能上网的地方，就可以开展学习。此外，还可以建设网络课堂，包括网络教室、网络作业、网络互动等，让学生在课堂外也能与教师交流互动，提高学习的积极性。

二、课程教学改革的设计与实施

（一）教学方法的改革

1.以头脑风暴等形式开展翻转教学。翻转教学模式是指颠覆以教师讲授为主的授课模式，倡導以学生主导为开始、教师讲授为结束的组合结构。

“医学数字信号处理”课程中的很多教学内容是理论公式讲解，容易使学生在理论推导过程中感到枯燥乏味，无法集中注意力，从而失去学习兴趣。因此，应努力让学生跳出这种学习状态，实现师生之间的良好协同，达到预定的教学目标。具体地，首先激活学生独立思考。通过经常向学生发送有关课程内容的电子邮件和创意视频，有效地激发学生的学习兴趣。另外，在课堂讨论过程中，要保证有足够的思考时间和较短的反应时间训练学生的逻辑思维和表达能力。同时，教师要确保在倾听学生创意的过程中鼓励学生去冒险，通过积极的心理暗示和物质奖励加强创新思维的训练。最后，教师要清楚地解释知识的语境系统和层次结构，通过提问、交流、辅助教具等吸引学生的注意力，激发学生创新思考。

2.理论教学融合实践训练。“医学数字信号处理”是一门多学科交叉、具有较强理论性和实践性的课程，学习过程既需要运用逻辑思维去分析，也需要使用如Matlab、Python等工具上手操作。但目前理论教学与实践教学联系不紧密，难以实现既定的教学目标，鉴于此，我们提出以下理论教学与实际训练相结合的教学策略。

首先，按照教学目标，以头脑风暴等教学模式进行课堂理论教学。接着，通过校内实验课程加深理论知识的理解并增强动手能力；实验课基于以往的教学内容，以小组的形式开展，要求每人在下课之前提交运行结果，实验期间小组成员可自行组内讨论，遇到难以解决的问题可举手示意请求教师帮助。另外，通过与校外公司、企业合作，让学生切身实地了解专业知识的实际用处，提升学生的全面素质以契合社会发展需求。目前，我校已与理邦公司形成战略合作关系，为在校学生提供校外观摩学习和动手操练等平台，贯穿整个学习过程，在延伸学习的同时，扩展了就业渠道，加强了企业需求的应用型人才培养。

3.教学工具的创新与运用。随着互联网技术的迅速发展，人们的生产生活方式产生了极大的变化。在这样的时代背景下，一些传统的课堂教学方法与途径已难以满足多元化教学需求。为此，可以穿插运用多媒体资源开展课堂教学，并采用网络课堂的课外教学模式，旨在帮助学生有效地掌握本门课程。

首先，合理利用多媒体资源。与传统的教学手段相比，多媒体教学能通过图文、声像创设逼真的教学情境，吸引学生的注意力并缓解枯燥的课堂氛围，让抽象的知识变得通俗易懂，帮助学生理解掌握。为了使多媒体在教学中得到充分的应用，课程应由本班教师设计，倡导学生课外主动参与网络教学。不再局限于固定的时间、地点，便于学习者通过视频、图片、文字等方式学习，充分发挥学习的主动性与积极性。“医学教学信号处理”课程现已准备开展腾讯课堂网络教学活动，对教学内容开展网上視频教学、线上提交作业活动，在巩固课堂知识的同时丰富教学内容。另外，每周五组织网上答疑直播，通过反映—作答的形式了解学生一周的学习情况并帮助学生解决存在的问题。

（二）教学理念改革，促进学生全面发展

1.主动学习（以问题为导向，提高主动学习能力）。基于问题学习，即把学生放在发起者的位置上，把学习变成有意识、自愿的事情。大多数学生作为依赖者进入大学，学习过程的内在动机是学生本人，而不是作为知识传播者的老师。通过开展问题式学习，充分调动学生的积极性，促使学生主动参与学习活动，提高能动性和学习效率。

目前，“医学数字信号处理”实验课程与理论课程并行开展，实验课是对理论知识的实践和巩固，不具备系统化和整体化，与实际的工程应用场景较为疏远。因此，可整合实验课程分布，调整为较为统一的时段开展综合性大实验，集中培训学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。同时，要求学生从特定的工程问题入手，运用批判性思维模式，开发一个系统架构或定义一种整体方法。比如“医学数字信号处理”实验课中的“心电信号采集”项目，可以组织学生练习采集方法，展示原始嘈杂的心电信号，然后总结问题并执行实验计划，以培养学生的学习能力，帮助学生整合专业知识，使学生不间断发展新的方法，对新思想和未知事物保持开放的态度。

在教学传播中，教师需要在工程背景下寻找可持续发展的解决方案；学生需要对教师授课过程进行回应，将个人发展与实际专业发展相结合。本训练预计通过提问引导等方式，使学生在观察、发现、思考、辩论、体验和领悟的过程中，逐步掌握发现问题、思考问题、寻求方法、得出结论的技巧和知识。另外，运用探究式教学，使学生主动参与，发挥学生在教学活动中的主体地位，有助于学生品尝自己发现的乐趣，激起强烈的求知欲和创造欲。

在具体实施时，可以在课堂期间一次或多次要求学生单独或分组练习教师可能会提出的问题，持续30秒到3分钟，问题内容可以包括：（1）概述解决问题的策略。（2）为刚刚描述的过程画一个流程图。（3）开始解决问题，看看你能在两分钟内解决多少疑问。（4）证明或验证结果。（5）你对这些材料有什么疑虑或问题。

2.协同创新。工程本质上需要由不同背景、能力和责任的人员合作完成。了解他人的需求，并在做出决定时考虑多方，这就是团队合作的本质。高校学生严重缺乏这方面的认识，因此，帮助学生成为独立的学习者，并不是教育培训的终点。

在合作学习教学模式中，学生通过交流分享彼此的想法和经验，扩大了获取知识的渠道，有助于学生灵感的激发和思维的活跃。通过合作讨论与学习，组内同学之间相互启发，可以深化学生对知识的认识，加强概括和表达能力。同时，把个人之间的竞争变为小组之间的竞争，以小组总体成绩作为考核的依据，形成了“组内成员合作，组间成员竞争”的新格局，使学生之间相互交流、彼此尊重、共同分享成功的快乐，促进了学生全面发展。

目前，分组学习还未在“医学数字信号处理”课程中实施，预计在上述实验课程改革的同时，安排学生分组完成部分项目。同时，本文的协同合作改革方案会对分组方法提出更为细致的要求：（1）每组人数以3～4人为佳。既能降低两人队伍中单个人占据主导地位的可能，也能避免因人数过多而个别组员被排除在外的情况。（2）教师确定队伍成员。教师确定队伍成员通常比自己组建团队更为恰当。当学生自主选择团体时，顶尖学生经常互相选择，而让其他学生自我安排，这是不公平的。理想的团队是不同能力背景、有共同兴趣和时间段的成员组成的。（3）分配小组成员角色并督促轮换。三个不可或缺的角色是队长（拆分任务并进行分配）、书记员（记录最终问题解决方案）和检验员（校对和更正最终方案）。

可以单独执行或与上述任一角色组合执行的其他角色包括过程监督员（确保和验证每个团队成员的贡献）和怀疑论者（质疑和提出可替代方案）。只有真正参加活动的学生的姓名方可出现在解决方案上，而他们的团队角色需要在课程中就被确定。在整个课程过程中，角色应轮流接替，以便每个学生尝试不同的角色。角色扮演的形式，有助于激发学生的学习兴趣和参与热情。

結语

基于长期的一线教学经验，本文从改善教学效果、培养社会需求型人才出发，探讨了生物医学工程专业核心课程“医学数字信号处理”的改革方案。结合我国生物医学工程学科及产业发展的需求，以产业发展需求为出发点，强调实际和应用相结合，注重创新型人才素质培养，对团队合作能力设定新的目标和要求。基于本课程现有教学状况，讨论了改革过程中的几大重要因素，提出了大致的改革框架和确定的改革计划，为实际的教学改革提供参考。同时，利用现有深圳周边完整的生物医学工程产业链，理论结合实际，通过改革发展提出一种能够激发学生学习兴趣、培养学生成为契合行业发展需求的工科人才的教育教学模式。

本文的部分改革思想已被运用到现今的教学活动中，包括注重启发学生的学习兴趣和批判思维等，已取得良好的教学效果，学生反馈评价较好。但是，协同合作和创造性很难被量化，因为这些概念在科学范围内不是单一的或者已经被定义的，而是一个不容易理解的概念。“医学教学信号处理”课程的系列改革措施将会在后续继续实施，其有效性有待进一步提升。

参考文献

［1］刘婷，王帆，杨婷.《数字信号处理》综合性课程设计的改革与探索［J］.山西电子技术，2015（2）：82-4.

［2］黄德群.基于高校网络教学平台的混合学习模式应用研究［J］.远程教育杂志，2013，31（3）：64-70.

Exploration of Collaborative Cooperation and Creative Thinking Training in Specialized Courses： Reform of Teaching Methods and Concepts Based on “Medical Digital Signal Processing”

DING Hui-jun， DIAO Xian-fen， CHEN Xin

（School of Biomedical Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518037， China）

Abstract： With the rapid development of computer and information technology， digital signal processing emerged and developed rapidly. Medical digital signal processing is a new subject involving multidisciplinary and widely used in many fields. This subject is the basic discipline of biomedical engineering （BME） with theoretical and abstract content， which makes it very challenging in teaching and learning. To address those problems， we explore the project of teaching reform based on the training of collaborative ability and creative thinking， the reform of classroom teaching method and teaching concept. The project aims to help students grasp the foundation of science， mathematics and engineering through the university platform， and meet the expectations of the future engineering industry for talents.

Key  words： DSP; BME; teaching reform; collaboration; innovation