基于OBE理念的醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)課程改革

許佳　　王鳳　　寧旭　　徐林　　陳明生

［摘 要］為滿足新形勢(shì)下醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，課題組針對(duì)目前課程存在的理論教學(xué)體系陳舊、專業(yè)結(jié)合性差、實(shí)踐應(yīng)用性不夠等問(wèn)題，采用OBE作為課程改革理念，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)改革，進(jìn)一步明確課程的學(xué)習(xí)成果目標(biāo)，達(dá)到課程教學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的目的，并獲得確保學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出的有效教學(xué)方法以及客觀評(píng)價(jià)方法。

［關(guān)鍵詞］成果導(dǎo)向教育；信號(hào)與系統(tǒng)；課程改革；生物醫(yī)學(xué)工程

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）17-0047-04

近年來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè) [1]。2018年，教育部發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，其原則和理念是以學(xué)生為中心，在成果導(dǎo)向下，對(duì)教育教學(xué)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，這一標(biāo)準(zhǔn)及理念對(duì)高等院校專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到指導(dǎo)作用。陸軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）自2018年來(lái)面向地方招收生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生，基于貼近實(shí)戰(zhàn)、滿足軍隊(duì)衛(wèi)生裝備任職的需求，培養(yǎng)服務(wù)企業(yè)和行業(yè)并推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的創(chuàng)新型專業(yè)應(yīng)用型人才[2]。信號(hào)與系統(tǒng)課程（以下簡(jiǎn)稱本課程）作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到承上啟下的作用，能夠有效提高本課程教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

一、當(dāng)前課程教學(xué)的主要問(wèn)題

（一）課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)有限，課程理論性強(qiáng)

本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，這與課程本身學(xué)科特點(diǎn)有關(guān)[3]， 其涉及大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)研究，課堂教學(xué)中多以理論教學(xué)為主，這在一定程度上造成學(xué)生對(duì)抽象概念理解困難，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，不利于學(xué)生工程、信息思維的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)內(nèi)容新穎性不足，專業(yè)結(jié)合不緊密

課程教學(xué)主要依托教材進(jìn)行，醫(yī)學(xué)工程的前沿技術(shù)問(wèn)題引入課堂較少。由于本課程傳統(tǒng)開設(shè)對(duì)象為電子信息技術(shù)、通信專業(yè)學(xué)生，現(xiàn)有課程內(nèi)容案例多是為這類專業(yè)設(shè)置，與我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)需要不符，缺少醫(yī)學(xué)及軍事特色的應(yīng)用實(shí)例，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不夠明確，不了解課程的具體應(yīng)用價(jià)值，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。

（三）研討流于形式，實(shí)踐應(yīng)用性訓(xùn)練缺乏

在前期教學(xué)改革中，為提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力，課題組增加了研討環(huán)節(jié)，但在課程教學(xué)實(shí)際情況中，學(xué)生多自行選擇某一文獻(xiàn)，以完成匯報(bào)任務(wù)為目的進(jìn)行閱讀講解，由于研討內(nèi)容不夠凝練，實(shí)施過(guò)程不能充分引發(fā)學(xué)生思考討論，多為教師自問(wèn)自答，甚至存在少數(shù)學(xué)生“渾水摸魚”的現(xiàn)象。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，盡管有助于學(xué)生理解和掌握該課程的基本理論知識(shí)，但學(xué)生未能對(duì)實(shí)際的醫(yī)學(xué)信號(hào)及系統(tǒng)進(jìn)行自主分析研究，無(wú)法實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力、形成創(chuàng)新思維的目標(biāo)，不利于專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

二、課程改革措施

成果導(dǎo)向教育（Outcome?Based Education，OBE）是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念 [4]。OBE強(qiáng)調(diào)成果導(dǎo)向，重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果，明確學(xué)生能力目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)專業(yè)與課程的建設(shè)要從學(xué)生的獲得結(jié)果來(lái)反向設(shè)計(jì)[5]。目前OBE理念已應(yīng)用于我國(guó)高等院校工程人才教育培養(yǎng)，國(guó)內(nèi)各大高校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)也開始開展OBE理念指導(dǎo)下的教育改革實(shí)踐[6]。基于OBE理念，通過(guò)明確課程教學(xué)成果目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、重構(gòu)內(nèi)容體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源整合，能夠?yàn)槎喾N教學(xué)模式的靈活運(yùn)用提供條件，同時(shí)有助于有效地開展學(xué)生成果評(píng)價(jià)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力[7-9]。課題組基于OBE理念，對(duì)本課程進(jìn)行了教學(xué)改革。在OBE反向設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下，由學(xué)生需求和任職需求所決定的培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)確定課程培養(yǎng)目標(biāo)，并基于此開展課程教學(xué)，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)考核各個(gè)環(huán)節(jié)，促進(jìn)成果目標(biāo)達(dá)成，最終實(shí)現(xiàn)課程與成果、理論和應(yīng)用、醫(yī)學(xué)與工程的有機(jī)結(jié)合，滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

（一）明確課程目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

基于OBE理念，課程設(shè)計(jì)的理論及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容均要對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)有明確的支撐貢獻(xiàn)，即學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后能具備預(yù)期的能力。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案以及對(duì)學(xué)生的軍隊(duì)任職、地方就業(yè)需求的調(diào)研情況，課題組對(duì)本課程的支撐作用進(jìn)行了剖析，明確了“信號(hào)表示、系統(tǒng)描述”的課程內(nèi)涵，從知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)方面對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)重新進(jìn)行了細(xì)化。根據(jù)細(xì)化的課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見表1），進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)分析、醫(yī)療儀器設(shè)備研發(fā)，因此本課程內(nèi)容以連續(xù)時(shí)間信號(hào)與線性系統(tǒng)分析為重點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)在緒論中總體概述離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，在信號(hào)采樣中搭建從連續(xù)信號(hào)到離散信號(hào)的橋梁，并以閱讀討論奧本海姆英文教材的方式，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)離散信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)域分析的內(nèi)容。一方面，使學(xué)生能夠把握課程整體結(jié)構(gòu)，理解其與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)性；另一方面，避免與后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容過(guò)多重疊。通過(guò)實(shí)施分層教學(xué)策略，對(duì)每個(gè)層次學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行不同階段劃分，讓學(xué)生了解培養(yǎng)方向、明確學(xué)習(xí)目的，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)成果，使每個(gè)學(xué)生都能學(xué)有所獲。

（二）使用多樣化的教學(xué)方法，確?！俺晒@得”

為保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，課題組對(duì)現(xiàn)有教學(xué)形式進(jìn)行了改革。從講授課堂向交互課堂轉(zhuǎn)變、從理論課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從單向課堂向雙向課堂轉(zhuǎn)變，核心目的為有效地幫助學(xué)生獲得課程學(xué)習(xí)成果。課題組從以下三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)方法改革。

1.課內(nèi)課外結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)的積極性。根據(jù)教學(xué)要求，預(yù)先設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)任務(wù)結(jié)合教師提供的教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。教師篩選出對(duì)課程重難點(diǎn)內(nèi)容有支撐作用的微課、MOOC等網(wǎng)絡(luò)資源，使這些資源與教材等其他教學(xué)資源形成互補(bǔ)，充分發(fā)揮各類資源的優(yōu)勢(shì)。課前兩周下發(fā)預(yù)習(xí)任務(wù)單，在預(yù)習(xí)任務(wù)單的開發(fā)中要明確階段知識(shí)、技能教學(xué)目標(biāo)，學(xué)習(xí)任務(wù)的總量和難度要適中，根據(jù)各部分內(nèi)容靈活設(shè)計(jì)具體的任務(wù)。在課堂上，通過(guò)智慧化教室、雨課堂等形式開展互動(dòng)交流、問(wèn)題解答、重難點(diǎn)提升、應(yīng)用與實(shí)踐的拓展及反饋評(píng)價(jià)等教學(xué)活動(dòng)。教師需要根據(jù)上課前兩天的預(yù)習(xí)反饋效果，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容并布置強(qiáng)化練習(xí)。在課堂講授中，教師在講解課程理論內(nèi)容的同時(shí)，要通過(guò)案例、項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)模型、物理及工程概念等去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。通過(guò)線上教學(xué)平臺(tái)的課后交流答疑環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)。教師線上通過(guò)過(guò)程性評(píng)價(jià)，向?qū)W生反饋學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生提供個(gè)性化資源，布置相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的學(xué)習(xí)。教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2.將前沿研究轉(zhuǎn)化為課堂特色專業(yè)案例。課題組對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)案例進(jìn)行更新優(yōu)化，使案例貼近軍事醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程。通過(guò)案例教學(xué)，使學(xué)生掌握信號(hào)與系統(tǒng)基本理論在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。部分教學(xué)案例與理論對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。同時(shí)，以生物醫(yī)學(xué)信號(hào)實(shí)踐應(yīng)用問(wèn)題為載體，以小組為單位，針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)傳統(tǒng)時(shí)域、頻譜和復(fù)頻譜分析內(nèi)容以及新發(fā)展的信息科學(xué)技術(shù)內(nèi)容，設(shè)置專題研討，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及理論與實(shí)際相結(jié)合的能力。在研究性學(xué)習(xí)交流中，采用學(xué)術(shù)對(duì)話型翻轉(zhuǎn)課堂模式[10]，讓學(xué)生以匯報(bào)、討論的形式展示小組的研究成果，重視交流答辯過(guò)程，以學(xué)生的互動(dòng)點(diǎn)評(píng)為主，教師組織、答疑為輔，鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)和思辨交流能力。

3.結(jié)合專業(yè)設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)踐形式。為提升學(xué)生的應(yīng)用能力，課題組對(duì)現(xiàn)有仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了改革，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展專題研討，使學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)獲得綜合提升。首先，根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)招生小班化的特點(diǎn)，將原仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)調(diào)整在理論課堂中進(jìn)行，在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中及時(shí)搭建與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，幫助學(xué)生快速理解物理及工程概念，從而使學(xué)習(xí)重點(diǎn)從單純的公式、抽象的概念轉(zhuǎn)移到工程實(shí)際情景上。其次，為將醫(yī)學(xué)信號(hào)、信息工程技術(shù)與課程教學(xué)緊密結(jié)合，課題組對(duì)研討內(nèi)容與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)，建立本課程新的綜合實(shí)踐教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。選擇符合專業(yè)需求以及與競(jìng)賽有關(guān)的實(shí)驗(yàn)題目，例如干擾心電信號(hào)處理分析、呼吸心率同步分離等。每個(gè)題目設(shè)置1～3個(gè)完成層次，其中第1層次目標(biāo)是每個(gè)學(xué)生都必須完成的，而第2、3層次目標(biāo)則由學(xué)生根據(jù)個(gè)人情況選擇完成。以心電信號(hào)分析處理為例，專業(yè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置包含3個(gè)層次，第1層次目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的頻譜變換，與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生掌握生理信號(hào)的基本電學(xué)特征；第2個(gè)層次目標(biāo)聚焦于工頻干擾，學(xué)生可結(jié)合模電及本課程關(guān)于濾波器的基本知識(shí)，自主嘗試進(jìn)行心電提取；第3個(gè)層次目標(biāo)為能進(jìn)一步進(jìn)行心電特征的分析，如R波檢測(cè)等。

（三）完善教學(xué)考核，評(píng)價(jià)達(dá)成度

評(píng)估學(xué)習(xí)產(chǎn)出是OBE理念實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，主要為檢驗(yàn)學(xué)生是否具備畢業(yè)所需要的課程學(xué)習(xí)成果。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)課程考核采用多元和梯次的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有課終評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，增加自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐考核環(huán)節(jié)，考核方式采取形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式。形成性考核成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)成績(jī)、綜合素質(zhì)考核成績(jī)兩個(gè)部分，其中實(shí)驗(yàn)成績(jī)占總成績(jī)的15%，由實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩個(gè)部分成績(jī)組成，考核學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用操作能力、邏輯思維、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性等；綜合素質(zhì)考核成績(jī)占總成績(jī)的20%，由平時(shí)成績(jī)與研討課成績(jī)組成，考核學(xué)生基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)及質(zhì)疑分析能力、課堂表現(xiàn)情況、文獻(xiàn)閱讀匯報(bào)情況等。終結(jié)性考核為課終考試，采取教考分離的方式，以閉卷考核為主，考核成績(jī)占總成績(jī)的65%，主要考查學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、基本原理、基本分析方法等知識(shí)的理解程度和綜合計(jì)算分析能力。而針對(duì)課程達(dá)成度的評(píng)價(jià)，主要以教學(xué)班的課終成績(jī)作為樣本，計(jì)算考核成績(jī)中支撐課程實(shí)施指標(biāo)點(diǎn)的平均得分與試題總分之比，并根據(jù)畢業(yè)要求中指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的權(quán)重確定該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的評(píng)價(jià)值，形成課程達(dá)成自評(píng)結(jié)果[7]。課題組根據(jù)達(dá)成度自評(píng)結(jié)果、學(xué)生問(wèn)卷建議、督導(dǎo)評(píng)價(jià)建議，對(duì)下一輪教學(xué)的授課內(nèi)容、教學(xué)方式和考核環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行相應(yīng)的改革。

三、總結(jié)

在OBE理念下，課題組對(duì)本課程教學(xué)進(jìn)行了改革。在以學(xué)生獲得成果為目標(biāo)的前提下開展教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分參與教學(xué)，以此培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、專業(yè)素養(yǎng)。通過(guò)教學(xué)改革，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的專業(yè)應(yīng)用型人才提供支撐。

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［責(zé)任編輯：蘇祎穎］