新工科背景下數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

李曉歐，張 欣，白寶丹，司博宇，嚴(yán)加勇

（上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318）

數(shù)字信號(hào)處理是針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程，主要介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)。該課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生思維能力和綜合應(yīng)用知識(shí)解決數(shù)字化工程問(wèn)題的能力，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)生物醫(yī)學(xué)信息處理方面的課程打下良好基礎(chǔ)。我們?cè)诮虒W(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生完成該課程理論學(xué)習(xí)后，面對(duì)實(shí)際問(wèn)題還是無(wú)從下手，例如，不能理解抽樣的意義以及FFT算法，不知如何設(shè)計(jì)IIR和FIR數(shù)字濾波器，不清楚如何處理電生理信號(hào)，這都不利于學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法和設(shè)計(jì)流程。因此，要進(jìn)行基于醫(yī)工結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，理實(shí)融合引導(dǎo)學(xué)生掌握數(shù)字信號(hào)處理課程的內(nèi)容[1-2]。

根據(jù)教育部“六卓越一拔尖”計(jì)劃以及《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》（教高司函 [2017]6號(hào)）等文件精神，貫穿“智能醫(yī)療”宗旨，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，補(bǔ)充智能醫(yī)學(xué)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3-4]，探索融知識(shí)傳授、能力進(jìn)階、職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)為一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)以“教”為主向以“學(xué)”和“練”為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生興趣和潛能，增加學(xué)生實(shí)戰(zhàn)信號(hào)處理體驗(yàn)。使學(xué)生在數(shù)字化醫(yī)療實(shí)踐中完成從基礎(chǔ)理論到綜合提高的過(guò)渡、從書(shū)本知識(shí)到拓展創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)、從典型信號(hào)到醫(yī)學(xué)信號(hào)的應(yīng)用。

1 教學(xué)內(nèi)容

以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行學(xué)習(xí)，針對(duì)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見(jiàn)圖1），分別為連續(xù)時(shí)間信號(hào)抽樣及抽樣信號(hào)還原、快速傅里葉變換FFT、濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、心電信號(hào)實(shí)驗(yàn)、血氧信號(hào)實(shí)驗(yàn)和便攜式腦電信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)。

所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均在硬件平臺(tái)上完成。學(xué)生分組練習(xí)，在項(xiàng)目任務(wù)引導(dǎo)下拓展提高、交流討論，既可以在硬件平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)，也可以自行設(shè)計(jì)信號(hào)處理算法，完成智能分析與控制。

1.1 基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

圖1 數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是從理論教學(xué)內(nèi)容中提煉的重點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，利用數(shù)字技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加工[2，5-6]。

（1）連續(xù)時(shí)間信號(hào)抽樣及抽樣信號(hào)還原。采樣是從連續(xù)到離散的橋梁，主要分析時(shí)域采樣對(duì)信號(hào)頻譜產(chǎn)生的影響及不失真條件。我們?cè)O(shè)計(jì)了連續(xù)時(shí)間信號(hào)抽樣及抽樣信號(hào)還原實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2），以使學(xué)生掌握從連續(xù)到離散信號(hào)處理的采樣原理。

（2）快速傅里葉變換FFT。按時(shí)間抽取的基-2 FFT算法，加深學(xué)生對(duì)離散傅里葉變換定義和基本性質(zhì)的理解，學(xué)會(huì)計(jì)算離散傅里葉變換，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖3。

（3）濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握巴特沃斯模擬低通濾波器、窗函數(shù)法數(shù)字濾波器的基本步驟，比較分析IIR和FIR數(shù)字濾波器，熟悉數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本步驟。

1.2 綜合提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

綜合提高實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在掌握數(shù)字信號(hào)處理理論的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合提高訓(xùn)練[7-8]。我們?cè)O(shè)計(jì)了心電信號(hào)和血氧信號(hào)采集分析實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解心電信號(hào)和血氧信號(hào)的概念，熟悉心率、血氧飽和度的計(jì)算方法，進(jìn)行光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy，PPG）測(cè)量。

圖2 連續(xù)時(shí)間信號(hào)采樣實(shí)驗(yàn)

圖3 快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)

圖4 心電信號(hào)實(shí)驗(yàn)

圖5 血氧信號(hào)實(shí)驗(yàn)

（1）心電信號(hào)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采集電路主要包括傳感電路、放大電路、濾波電路、調(diào)制和解調(diào)電路。將從人體體表采集的心電信號(hào)放大、濾波，再進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，由STM32F103VCT6微控制器處理后通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。該實(shí)驗(yàn)可以計(jì)算心率，并在各種特殊心電波形下識(shí)別R峰，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行，預(yù)留的電流測(cè)試端口可用于功耗測(cè)量；心電波形和心率相關(guān)信息可通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)或其他設(shè)備，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)圖4。

（2）血氧信號(hào)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)電路可進(jìn)行雙波長(zhǎng)PPG測(cè)量，包括LED的驅(qū)動(dòng)與光電傳感器接口電路、交直流信號(hào)采集電路、雙波長(zhǎng)信號(hào)分離電路，還可以計(jì)算血氧飽和度。主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程是微控制器發(fā)出周期脈沖信號(hào)，切換紅光與紅外光發(fā)光管狀態(tài)，血氧探頭采集數(shù)字信號(hào)，通過(guò)定時(shí)器捕獲通道上升沿，計(jì)算數(shù)字信號(hào)頻率，帶入計(jì)算公式求得血氧值與脈率值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)圖5。

1.3 拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際電生理信號(hào)識(shí)別問(wèn)題[9]。本文設(shè)計(jì)了腦電信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)（即腦機(jī)接口），通過(guò)便攜式腦電信號(hào)采集設(shè)備，提取腦電信號(hào)特征，分析其狀態(tài)。具體內(nèi)容是讓被試者觀察某個(gè)數(shù)字重復(fù)的次數(shù)，通過(guò)分析腦電信號(hào)，判斷被試者處于注意狀態(tài)還是非注意狀態(tài)。學(xué)生利用巴特沃斯濾波器去除干擾信號(hào)，利用快速傅里葉變換分析腦電信號(hào)各個(gè)頻段（α、β、θ、δ4個(gè)節(jié)律），然后求解4個(gè)節(jié)律的平均值、均方差，發(fā)現(xiàn)δ/α、δ/β特征最明顯，拓寬生物醫(yī)學(xué)信號(hào)分析思路。

2 教學(xué)方法

整合生物醫(yī)學(xué)信號(hào)和數(shù)字處理教學(xué)過(guò)程，形成“醫(yī)用導(dǎo)向思維工程訓(xùn)練體系一體化構(gòu)建”方案，使學(xué)生從以理論教學(xué)為主的課堂學(xué)習(xí)階段進(jìn)入以實(shí)踐教學(xué)為主的探究式學(xué)習(xí)階段，實(shí)現(xiàn)掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理→如何應(yīng)用這些理論→動(dòng)手驗(yàn)證鞏固所學(xué)內(nèi)容→實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)→完成醫(yī)療器械創(chuàng)意實(shí)踐的過(guò)渡。

采用設(shè)置實(shí)例、提出問(wèn)題、引導(dǎo)學(xué)生自主和協(xié)作學(xué)習(xí)、學(xué)生設(shè)計(jì)方案、引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、效果評(píng)價(jià)六步法。這個(gè)過(guò)程是學(xué)生提升能力的過(guò)程，學(xué)生在不斷的認(rèn)識(shí)沖突中學(xué)習(xí)，將以往所學(xué)的理論通過(guò)實(shí)踐不斷強(qiáng)化，在自我評(píng)價(jià)和反思中加以鞏固。實(shí)踐機(jī)會(huì)的增加，提高了學(xué)生實(shí)戰(zhàn)能力。學(xué)生在實(shí)踐中，掌握了職業(yè)技能，從而構(gòu)建自身知識(shí)體系。

拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)營(yíng)造了良好的創(chuàng)新氛圍，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲欣砟畋蝗谌胝鎸?shí)情境，增加了學(xué)生自主探究與合作交流的機(jī)會(huì)，而自我學(xué)習(xí)及提高能力、人際溝通技巧、職業(yè)精神等都有助于學(xué)生職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

3 考核方法

學(xué)生需要撰寫(xiě)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?、完成?shí)驗(yàn)所需的源程序、繪制實(shí)驗(yàn)中涉及的波形、報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最終成績(jī)不僅僅由實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)決定，而是突出實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)總成績(jī)由實(shí)驗(yàn)考核和過(guò)程性評(píng)價(jià)成績(jī)組成，各占50%，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)總成績(jī)構(gòu)成

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)啟發(fā)、探究的方式，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)向探究式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，主動(dòng)參與課堂教學(xué)，真正成為課堂的主人，改變了教師“滿堂灌”、學(xué)生被動(dòng)學(xué)的局面。本文堅(jiān)持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)教育理念，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和模式，促使學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生探究意識(shí)，提升了學(xué)生探究能力。