周秦武，張 博，張大龍，趙永席，馮 怡

(西安交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710048)

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2005年開始設(shè)置的專業(yè)綜合實驗課程，是針對目前本科教學(xué)偏重專業(yè)理論課程，綜合多門基礎(chǔ)理論課程的應(yīng)用能力、獨立設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的情況[1-3]，重點設(shè)計打造的綜合創(chuàng)新設(shè)計類課程。實驗內(nèi)容參照美國霍普金斯大學(xué)實踐教學(xué)經(jīng)驗，以項目驅(qū)動為導(dǎo)向，提供多種包含不同學(xué)科方向內(nèi)容的專題項目，由學(xué)生獨立完成選題、方案設(shè)計、方案實施、提交報告等過程，是本科生人才培養(yǎng)過程中最接近科研實際的綜合設(shè)計實驗課程，對學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識解決實際工程問題的能力和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)具有重要作用。

1 實驗內(nèi)容設(shè)計

1.1 教學(xué)目標

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實驗是本專業(yè)唯一單獨設(shè)課的實驗課程，為大學(xué)4年級本科生開設(shè)，2學(xué)分64課時，以培養(yǎng)具有初步科研能力、富有創(chuàng)新意識的復(fù)合型高水平人才為教學(xué)目標。實驗內(nèi)容包括醫(yī)學(xué)信號采集、處理，醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計，專業(yè)前沿問題研究等方面，采取分工協(xié)作、文獻檢索、問題分析、自主研究的方式，從整體上綜合運用所學(xué)過的專業(yè)理論課程，學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計過程、生物醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科研究方向所涉及技術(shù)問題的解決方案，增強學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實際科研問題的能力以及團隊精神和協(xié)作精神。

1.2 專題項目的設(shè)置和要求

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合實驗是一門以項目驅(qū)動為導(dǎo)向、以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的開放性專業(yè)綜合實驗課程，實驗內(nèi)容包括4個研究方向，即嵌入式生物醫(yī)學(xué)信號檢測分析、生物醫(yī)學(xué)超聲前沿問題研究、生物醫(yī)學(xué)傳感器專題研究以及大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目，每個方向的研究都有不同的研究目標和要求。

(1) 嵌入式生物醫(yī)學(xué)信號檢測分析系統(tǒng)[4-6]。選擇一種處理器作為中央控制器，構(gòu)建一種可測量處理生物醫(yī)學(xué)信號的儀器系統(tǒng)?？晒┻x擇的處理器包括51單片機、MSP430單片機、ARM單片機、DSP處理器、PC計算機系統(tǒng)等主流控制系統(tǒng)。完成檢測的系統(tǒng)包括對血氧飽和度、心電、心音、血壓、人體形態(tài)信號等生物醫(yī)學(xué)信號的檢測和分析儀器系統(tǒng)。

(2) 生物醫(yī)學(xué)超聲前沿問題研究[7-8]。以本專業(yè)優(yōu)勢方向，選擇合適的研究項目作為綜合實驗項目，如超聲駐波場的微?？刂?、聲致發(fā)光的實現(xiàn)與檢測、超聲誘導(dǎo)細胞凋亡的實驗研究等，要求學(xué)生學(xué)習(xí)和了解醫(yī)學(xué)超聲場對生物粒子及細胞的生物效應(yīng)作用原理，利用學(xué)科優(yōu)勢實驗資源，自主設(shè)計實驗和設(shè)計程序軟件仿真，進行觀察、檢測和分析聲場作用效果，學(xué)習(xí)超聲微?？刂?、聲致發(fā)光、生物效應(yīng)等超聲前沿問題研究方法。

(3) 生物醫(yī)學(xué)傳感器專題設(shè)計研究[9-10]。研究生物材料應(yīng)用于食品衛(wèi)生、環(huán)境污染、疾病監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)問題的信號檢測和分析處理問題，如交互響應(yīng)的化學(xué)發(fā)光傳感器陣列系統(tǒng)、基于光電同時檢測的傳感器陣列系統(tǒng)、重金屬污染的高靈敏熒光生物傳感檢測系統(tǒng)、基于信號放大的肺癌早期預(yù)警生物傳感系統(tǒng)等專題研究項目，以專題實驗手段研究基于生物化學(xué)原理的生物傳感器設(shè)計使用方法。

(4) 創(chuàng)新實驗類。選擇合適的學(xué)科競賽項目和大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目作為綜合實驗項目，這些項目都是以學(xué)生為主導(dǎo)的小型研究項目，非常適合于以項目驅(qū)動為導(dǎo)向的綜合實驗選題，以此為題可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)造性，實現(xiàn)綜合實驗與創(chuàng)新實驗的兼顧，是對綜合實驗的有益補充。

1.3 實驗要求與考核機制

本課程實驗項目很多，因而針對不同實驗類別提出了不同的實驗要求。對于以儀器設(shè)備為主的項目施行項目結(jié)果控制，實驗初期就提出明確的實驗要求，即設(shè)計完成模擬應(yīng)用電路，實現(xiàn)檢測信號的前端調(diào)理和后端顯示，采用處理器完成信號的實時采樣和數(shù)據(jù)處理，最后對系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)和電路板制作等步驟和要求；對于前沿研究項目和理論仿真項目，以過程控制為主，注重訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新能力，將考核重點放在分析方法和科學(xué)解釋，不以最終結(jié)果的正確與否作為唯一考核要求；對于創(chuàng)新實驗則進行目標控制，一個項目一個要求，由指導(dǎo)教師在與項目組成員充分討論分析的基礎(chǔ)上，對實驗內(nèi)容進行切割劃分，共同制定階段目標和最終實現(xiàn)目標?？己藢嶒炌瓿少|(zhì)量的評價體系是對專業(yè)綜合實驗改革的重要保障，我們的評價體系按照評價內(nèi)容的多元化和評價主體的多元化2個方面構(gòu)建科學(xué)的綜合實驗評價體系。

評價內(nèi)容的多元化是指不同的實驗項目采用不同的評價方法，既注重學(xué)生的實踐過程培養(yǎng)，又關(guān)注學(xué)生的興趣、動機、主動性、合作與交流的意識、團隊合作精神；既要求學(xué)生提交詳細的研究報告，也允許學(xué)生以研究論文、發(fā)明專利、創(chuàng)新小產(chǎn)品作為評價指標，充分允許學(xué)生以自己的興趣組隊，自主開展項目研究。

評價主體的多元化則是對最后的項目驗收采取多名教師與項目小組共同討論，一對一地現(xiàn)場驗收，充分考慮聽取學(xué)生的自主評價，避免傳統(tǒng)的教師主觀評價方式，綜合運用學(xué)生自評、小組互評、教師點評等方式，促進學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 作用與保障

2.1 對人才培養(yǎng)的促進作用

針對以往教學(xué)中存在較為普遍的學(xué)生融會貫通能力差、難以將幾個實驗內(nèi)容有機聯(lián)系、數(shù)據(jù)處理分析能力差、動手能力差、對工程問題無從入手等共性問題，我們提出了以項目驅(qū)動為導(dǎo)向的專業(yè)綜合實驗改革，對提高教學(xué)效果、培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才發(fā)揮了重要作用。

(1) 激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。綜合實驗在方案、設(shè)備、器件及時間安排等方面都存在著很大的不確定性。在以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的背景下，教師只對各個項目提出設(shè)計目標，所有項目沒有一個是可以在教科書中找到答案的，學(xué)生只有通過自主學(xué)習(xí)，充分利用圖書館、實驗室、網(wǎng)絡(luò)等教學(xué)科研資源，才能獨立完成專題項目的研究。提出項目需求、組織建設(shè)開發(fā)環(huán)境、采購設(shè)計硬件電路、請教教師和團隊討論，項目的每一點進展都能激發(fā)出學(xué)生極大的成就感，進而激發(fā)出更大的學(xué)習(xí)熱情。

(2) 培養(yǎng)綜合應(yīng)用多學(xué)科知識的工作能力。綜合實驗內(nèi)容涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理、化學(xué)、工程技術(shù)等多學(xué)科知識，涵蓋了專業(yè)主要研究方向，匯集了多門課程和交叉學(xué)科的知識。例如“人體心電信號產(chǎn)生、射頻無線收發(fā)以及PC顯示”項目就涉及人體心電信號模擬、電子線路設(shè)計、無線數(shù)據(jù)發(fā)送、PC機Labview程序設(shè)計等內(nèi)容。通過對多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，保證了實驗內(nèi)容在綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性等方面的拓展，培養(yǎng)了學(xué)生濃厚的專業(yè)興趣，提升了專業(yè)整體教學(xué)水平。

(3) 培養(yǎng)設(shè)計實驗，測量、分析和解釋實驗數(shù)據(jù)的能力。實驗室是綜合實驗實現(xiàn)的基本平臺，本專業(yè)為專業(yè)綜合實驗課專門建立了綜合與創(chuàng)新實驗室，實驗室具備完善的設(shè)備條件。依托良好的硬件配置，學(xué)生需要完成系統(tǒng)設(shè)計、電路調(diào)試、電路板制作、實驗數(shù)據(jù)分析等工作。以綜合應(yīng)用知識和綜合實踐能力為著眼點，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀思維和想象能力，調(diào)動其從方案設(shè)計到目標實現(xiàn)的全過程的主觀能動性，從而得到對實踐動手能力的全方位綜合訓(xùn)練。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊工作能力。開放性意味著每一個項目只有研究目標，具體的方案設(shè)計是一個獨立運用多種專門知識的過程，方案實施和目標的實現(xiàn)是一個嘗試與創(chuàng)新的過程。在這一過程中需要小組成員同心協(xié)力、分工合作解決眾多富于挑戰(zhàn)的難題和技術(shù)細節(jié)，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提高學(xué)生的主觀能動性，鍛煉學(xué)生的團隊合作能力。以項目為導(dǎo)向的綜合實驗是架設(shè)在教學(xué)與科研之間的橋梁。

2.2 實踐教學(xué)保障

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為教育部和陜西省重點實驗室，其實踐教學(xué)環(huán)境通過多年建設(shè)已有了巨大進步，可以為綜合實驗提供優(yōu)良的實驗條件。針對本實驗課程，主要在具有強烈工程背景的教師隊伍建設(shè)和開放性專題研究內(nèi)容建設(shè)方面進行了重點建設(shè)。

2.1.1 教學(xué)隊伍建設(shè)

專業(yè)綜合實驗不僅僅是一門專業(yè)必修課程，所開設(shè)的實驗項目涵蓋本學(xué)科的所有研究方向，涉及多個學(xué)科內(nèi)容，與教師的科研方向和承擔(dān)的各類課題緊密相關(guān)，既是對教學(xué)大綱主線的展開，又要按照不同教師能力和研究方向進行必要的更新。因此，為了解決學(xué)生在實踐過程中可能遇到的問題或疑問，必須加強實驗教學(xué)隊伍的建設(shè)和培養(yǎng)。我們在全專業(yè)進行選拔，選擇具備扎實的相關(guān)學(xué)科知識和良好實際科研能力，并熟悉各種儀器設(shè)計原理的骨干教師進行培養(yǎng)，提高教學(xué)隊伍的整體素質(zhì)，使其在學(xué)生實驗過程中能夠解答各種疑難問題，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗項目，在知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)等各方面確保實驗項目的順利進行。

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容保障

為了保證專業(yè)綜合實驗的順利實施，充分發(fā)揮其在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力中的作用，還必須加強實驗內(nèi)容的選擇優(yōu)化，確保每一個實驗項目的新穎性、綜合性和實用性。

(1) 力求使實驗內(nèi)容與交叉學(xué)科相結(jié)合、與教師相關(guān)科研課題相結(jié)合、與醫(yī)療儀器工程實際相結(jié)合。

(2) 充分發(fā)揮綜合與創(chuàng)新實驗室在開放性綜合實驗教學(xué)過程中的作用，協(xié)調(diào)處理好開課時間和空間的問題、儀器設(shè)備完好率問題、實驗耗材充分配備問題。

(3) 積極吸收學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目內(nèi)容，選擇合適的創(chuàng)新實驗納入綜合實驗，既保證了創(chuàng)新實驗內(nèi)容的順利完成，又能夠吐故納新，從內(nèi)容上吸引學(xué)生積極參與，保證實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性和實用性。

3 結(jié)束語

專業(yè)綜合實驗作為本專業(yè)唯一單獨設(shè)課的實踐類實驗課程，通過多年的開課實踐和不斷的改革完善，課程的教學(xué)內(nèi)容和師資力量日臻完善。每年都能夠提供20個以上的專題項目供學(xué)生選擇，并吸納5個左右的學(xué)生創(chuàng)新實驗項目，學(xué)生實際選擇25項左右的題目完成。實驗場地以綜合與創(chuàng)新實驗室為主，涵蓋本專業(yè)的幾個主要研究單位實驗室。在師資力量配備方面，保證參與實驗指導(dǎo)的教師隊伍保持在5名左右。通過幾年的教學(xué)實踐，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力等方面都有了很大提高，綜合實驗課程獲得了學(xué)?！?85工程”重點扶持建設(shè)。

改革過程中也遇到了很多困難，如有些項目規(guī)?？刂茊栴}、項目設(shè)置的新穎性問題、評價系統(tǒng)如何確立問題等。有些項目難度較大，在有限的時間里難以完成，而有些項目涉及專業(yè)諸多研究方向，內(nèi)容繁雜，需要工程背景扎實的優(yōu)秀教師指導(dǎo)，這些問題都要在前進中逐漸改進克服。

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