《醫(yī)學(xué)信號處理》課程教學(xué)探索與改進(jìn)

黃丹，杜玲艷，曾偉，文宇橋，丁菊容

（四川輕化工大學(xué) 自動化與信息技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，四川 宜賓）

一 引言

利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論及方法，研究新的材料和技術(shù)，發(fā)明新的儀器設(shè)備，應(yīng)用于疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)，以保障人們的身體健康，就形成了生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical engineering, BME）這門由生物、醫(yī)學(xué)和工科等多學(xué)科高度綜合的交叉前沿科學(xué)。上世紀(jì)20世紀(jì)50年代，生物醫(yī)學(xué)工程就作為一門新的學(xué)科在國際上出現(xiàn)。自1978年我國將生物醫(yī)學(xué)工程確定為獨立的學(xué)科并制定了相應(yīng)的學(xué)科發(fā)展規(guī)劃后，這個學(xué)科得到了日新月異的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前總共約127所學(xué)校開設(shè)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)?？梢娺@個電子、醫(yī)學(xué)、計算機(jī)交叉的新興專業(yè)得到了人們的廣泛認(rèn)可與重視，社會對此領(lǐng)域人才具有強(qiáng)烈的需求。社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步也對高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求，也帶來了新的挑戰(zhàn)[1-2]。

在各高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，《醫(yī)學(xué)信號處理》都是一門不可或缺的核心專業(yè)課。其課程大都安排在大三下學(xué)期或者大四上學(xué)期，其教學(xué)內(nèi)容包括生物醫(yī)學(xué)信號的特點、檢測方法及數(shù)學(xué)描述，生物醫(yī)學(xué)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)學(xué)描述及系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系。學(xué)生通過此課程的學(xué)習(xí)要掌握處理生物醫(yī)學(xué)信號的基本原理和方法，了解當(dāng)前此領(lǐng)域的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢，并且具備獲取、處理和分析常見生理信號（如腦電、心電信號）的能力?！夺t(yī)學(xué)信號處理》這門課程在高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)整個培養(yǎng)體系中占據(jù)了重要的一環(huán)?；诖耍钊肟疾炱湔n程特征并在其特征基礎(chǔ)上探究適合此課程的教學(xué)模式并對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改革就是大勢所趨，也是教授這門課程的教師思考的重點[3-5]。只有在此基礎(chǔ)上改進(jìn)教學(xué)才能提高《醫(yī)學(xué)信號處理》這門課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新性和實踐性人才的目的。

二 《醫(yī)學(xué)信號處理》課程特點

和其他專業(yè)課程不同，《醫(yī)學(xué)信號處理》具有其自身的特性，包括綜合性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式和相關(guān)推導(dǎo)多且繁雜、課題性與實踐性強(qiáng)的特點。下面分別對其特點進(jìn)行闡述。

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的一個顯著特點就是這一門課程的內(nèi)容涉及到很多其他課程的知識，內(nèi)容多且較為龐雜（圖1）。數(shù)學(xué)方面就涉及到高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、隨機(jī)信號、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、復(fù)變函數(shù)等多個學(xué)科的知識。信號信息處理方面則必須具有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基本知識。醫(yī)學(xué)方面則需要生理學(xué)、醫(yī)學(xué)儀器原理、醫(yī)學(xué)成像原理等相關(guān)知識的前期儲備。同時課程還需要計算機(jī)和編程方面的基礎(chǔ)知識，需要學(xué)生掌握相關(guān)的編程語言（如Matlab）并具有一定的編程能力。這種綜合性決定了這門課程安排在大三下學(xué)期或者大四上學(xué)期其他相關(guān)課程完成后的階段，同時也提升了教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的難度。教師講授時必須注意學(xué)生前期課程的基礎(chǔ)情況，學(xué)生學(xué)習(xí)課程的時候也需要充分調(diào)動已學(xué)過的其他課程的相關(guān)知識才能更好地理解本門課程的內(nèi)容。

圖1 《醫(yī)學(xué)信號處理》課程與其他課程之間的關(guān)系

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的另外一個特點是課程內(nèi)容中涉及到大量的數(shù)學(xué)公式、變量和相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，這意味著本課程對數(shù)學(xué)功底、抽象思維及邏輯推理能力要求較高。例如在維納濾波、自適應(yīng)濾波等部分的教學(xué)內(nèi)容中，幾十行的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、幾十個數(shù)學(xué)公式、幾十個變量的情況并不少見。在這樣的情況下，教師如何在有限的教學(xué)時間內(nèi)將公式推導(dǎo)過程講解清楚，學(xué)生如何在課堂上準(zhǔn)確理解和掌握這些公式和推導(dǎo)的意義均是不小的挑戰(zhàn)。大量的數(shù)學(xué)公式、變量和數(shù)學(xué)推導(dǎo)容易使教師和學(xué)生出現(xiàn)公式混淆、計算細(xì)節(jié)錯誤的情況，也容易使學(xué)生產(chǎn)生教學(xué)內(nèi)容枯燥、不容易理解的情緒，直接影響最終的教學(xué)效果。

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程具有明顯的實踐性和課題性。其課程內(nèi)容介紹的是常見生物醫(yī)學(xué)信號如腦電、心電、胃電的檢測和處理的基本原則和方法，和現(xiàn)實生活密切相關(guān)。這些信號都是學(xué)生實際接觸和體驗過的，并且在實際生活中也非常容易采集，這就使得學(xué)生將課本上的理論知識轉(zhuǎn)化為實踐來處理現(xiàn)實的生物醫(yī)學(xué)信號非常便利。同時實際的生物醫(yī)學(xué)信號多種多樣，不同情況下生物醫(yī)學(xué)信號也會發(fā)生改變。這意味著在處理實際生物醫(yī)學(xué)信號的過程中會遇到很多具體的問題，需要根據(jù)實際情況選擇合適的方法才能解決問題。這些具體的問題和相應(yīng)解決方案自然地形成了課程中一系列完整的小課題?！夺t(yī)學(xué)信號處理》課程的這種實踐性和課題性也意味著除了理論知識之外，實踐和課題研究部分也是課程的重要構(gòu)成部分，在課程教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中不可忽視。

三 《醫(yī)學(xué)信號處理》教學(xué)改進(jìn)

正是因為《醫(yī)學(xué)信號處理》課程具有上述所列的一系列特點，傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽的教學(xué)模式并不能滿足課程的教學(xué)要求，不能取得良好的教學(xué)效果。這就需要對課程的教學(xué)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

針對《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的內(nèi)容多，和其他課程關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點，教授這門課的教師所起的作用非常關(guān)鍵。授課教師需要非常熟悉信號處理的相關(guān)課程，要具備較高的數(shù)學(xué)水平和軟件編程能力，即授課教師需要具備多個相關(guān)學(xué)科的綜合知識，這樣才能在《醫(yī)學(xué)信號處理》課程教授過程中應(yīng)付自如。同時授課教師應(yīng)該多和其他課程的教師交流，對學(xué)生各方面的知識基礎(chǔ)水平有全面的認(rèn)識和評估，并根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)情況對教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整以匹配所教學(xué)生的情況。同時在教學(xué)過程中教師要不斷提示學(xué)生注意課程的內(nèi)容和他們以前學(xué)過其他課程的知識之間的關(guān)聯(lián)，必要時在教學(xué)過程中需要穿插介紹其他課程的相關(guān)內(nèi)容，提醒他們對以前學(xué)過的其他課程的相關(guān)知識進(jìn)行復(fù)習(xí)，以更好地理解本課程的內(nèi)容。

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程教學(xué)內(nèi)容中涉及大量數(shù)學(xué)公式、變量和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難和枯燥的情緒。不管具體的數(shù)學(xué)推導(dǎo)有多繁復(fù)，其推導(dǎo)過程是具有邏輯性的。不管數(shù)學(xué)公式和變量有多復(fù)雜，其最后說明的結(jié)論是清晰簡潔的。教師在教學(xué)過程中應(yīng)該抓住數(shù)學(xué)推導(dǎo)的邏輯性和公式說明的結(jié)論的簡潔性這兩個原則來介紹課程中的數(shù)學(xué)公式、變量和數(shù)學(xué)推導(dǎo)部分。這樣會使得教學(xué)內(nèi)容條理清晰，更容易被學(xué)生理解。同時提醒學(xué)生無論數(shù)學(xué)公式多么復(fù)雜，要關(guān)注的應(yīng)該是參數(shù)的含義、推導(dǎo)的邏輯過程以及公式說明的結(jié)論，并不需要對一些具體的計算細(xì)節(jié)和推導(dǎo)方法關(guān)注過多。這樣可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的難度，提高他們課程學(xué)習(xí)的效率。

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的實踐性和課題性使得傳統(tǒng)講授形式的授課方式不能滿足需求。而基于問題的學(xué)習(xí)（Problem based learning），即先進(jìn)的PBL教學(xué)法，其以實際問題為導(dǎo)向，以項目式學(xué)習(xí)為手段，以學(xué)生為中心，非常適合具有實踐課和課題性的《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的教學(xué)[6-8]。PLB教學(xué)方法最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育，《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的PBL教學(xué)具體過程主要包括：教師在介紹完相應(yīng)知識點后提出包含所教知識點的有針對性的開放性的問題；學(xué)生對要解決的問題進(jìn)行思考和集體討論，即對問題進(jìn)行界定并探究其可能的假設(shè)或解釋，在此基礎(chǔ)上提出解決問題的方案、界定個人的學(xué)習(xí)目標(biāo)；學(xué)生根據(jù)確定的方案進(jìn)行信息收集和自主學(xué)習(xí)；最后通過小組報告和討論的形式共享學(xué)習(xí)成果。在整個過程中，學(xué)生由學(xué)習(xí)的被動參與者變成主動實施者，其文獻(xiàn)檢索、查閱資料的能力、歸納總結(jié)、綜合理解的能力、邏輯推理、口頭表達(dá)的能力、團(tuán)隊協(xié)作和溝通交流能力等一系列能力均得到了鍛煉，同時因為學(xué)生在整個過程中是自主學(xué)習(xí)的，其對理論知識的掌握也會牢固。

還需注意的是隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們處理生物醫(yī)學(xué)信號的工具和手段也在不斷改進(jìn)。教師在教授《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的過程中也要不斷將最新的科技文獻(xiàn)中的相關(guān)知識和當(dāng)前最前沿的技術(shù)介紹加入到教學(xué)內(nèi)容中去，讓學(xué)生對當(dāng)前此領(lǐng)域最新的發(fā)展?fàn)顩r和最先進(jìn)的技術(shù)有所了解。計算機(jī)是當(dāng)前處理生物醫(yī)學(xué)信號最常用的工具，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在生物醫(yī)學(xué)信號處理中所起的作用也越來越重要。教師在《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的教授過程中，不僅要介紹相關(guān)理論知識例如數(shù)學(xué)公式、推導(dǎo)等，也要注意介紹如何將這些理論知識變成計算機(jī)可執(zhí)行的程序，將計算機(jī)技術(shù)融入進(jìn)去，讓學(xué)生能夠滿足這個以計算機(jī)技術(shù)為支撐的信息化社會的要求[9-11]。

四 教學(xué)改進(jìn)的具體措施及效果

根據(jù)前述《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的改進(jìn)思路，我們對此課程的教學(xué)團(tuán)隊、教學(xué)方法、考核內(nèi)容和方式進(jìn)行了調(diào)整。

教學(xué)團(tuán)隊方面，我們給《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的上課教師提出了具體的標(biāo)準(zhǔn)，要求必須具有與這門課程密切相關(guān)的其他課程的多年教學(xué)經(jīng)驗且教學(xué)效果良好。這就保障了這門課程的上課教師的教學(xué)水平。同時因為教師本身具有相關(guān)課程的教學(xué)經(jīng)驗，意味著其對學(xué)生的相關(guān)課程基礎(chǔ)有非常清楚地認(rèn)識，就能夠根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)采用合適的教學(xué)方法完成課程教學(xué)。再者，教師所教授課程知識的連貫性也能使其在講授《醫(yī)學(xué)信號處理》課程時能更好地體現(xiàn)整個生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程整體性和關(guān)聯(lián)性。

教學(xué)方法方面，我們對教學(xué)使用的資料包括教案、PPT課件等進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理和改進(jìn)，刪除了較為陳舊的教學(xué)內(nèi)容，添加了最新知識及前沿科技進(jìn)展的介紹。同時建設(shè)好課程網(wǎng)站，不斷更新網(wǎng)站上的內(nèi)容，使得學(xué)生能夠利用課程網(wǎng)站進(jìn)行課外的自主學(xué)習(xí)，加強(qiáng)和教師的互動。我們還收集了大量適用于《醫(yī)學(xué)信號處理》課程教學(xué)的科研訓(xùn)練項目課題，讓學(xué)生完成，以此輔助課程的PBL教學(xué)。

考核內(nèi)容和方式方面，課程的考核除了最后的理論考試成績之外，我們還重點強(qiáng)調(diào)對學(xué)生課程項目課題完成情況的考核，考核學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識解決一個實際問題的能力，考核方式包括完成符合內(nèi)容和格式要求的報告并在課堂展示其取得的成果。這樣就避免了僅僅以期末考試和所取得的成績來考核和評定學(xué)生。

通過這一系列的具體措施， 我們《醫(yī)學(xué)信號處理》課程的教學(xué)質(zhì)量得到了明顯的提升。學(xué)生理論學(xué)得更扎實，期末考試成績更高。學(xué)生平時上課的積極性和課程參與度都有顯著提高。這說明我們的課程教學(xué)的改進(jìn)思路和具體的改進(jìn)措施是行之有效的。

五 結(jié)語

《醫(yī)學(xué)信號處理》課程對高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生而言是一門非常重要的專業(yè)課程。根據(jù)多年從事該課程教學(xué)的經(jīng)驗，我們總結(jié)出此課程交叉性強(qiáng)和內(nèi)容多、數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)多、實踐性和課題性強(qiáng)的特點，以及這些特點會對課程教學(xué)和學(xué)習(xí)造成的影響。根據(jù)課程自身的特點，我們提出了相應(yīng)的教學(xué)改進(jìn)方案。課程交叉性強(qiáng)和內(nèi)容多，在教學(xué)中要強(qiáng)調(diào)本課程和其他課程的關(guān)聯(lián)并根據(jù)學(xué)生具體情況補(bǔ)充講解其他課程相關(guān)的知識點。數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)多，教學(xué)中要強(qiáng)調(diào)內(nèi)部邏輯性和結(jié)論的簡潔性，不要求學(xué)生耗費精力于具體的計算細(xì)節(jié)。在課程教學(xué)過程中使用PBL教學(xué)法使學(xué)生用課題研究的方式自主學(xué)習(xí)以滿足《醫(yī)學(xué)信號處理》課程在實踐性和課題性方面的要求。同時，教師也要把最新的科技和計算機(jī)技術(shù)融合在教課內(nèi)容當(dāng)中以適應(yīng)社會的發(fā)展。通過這樣的方式，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新的能力，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提高，滿足社會對相關(guān)領(lǐng)域人才的需求。