“生物医学信号处理”教学模式改革与实践

祝桥桥　周璐　李韪韬　高凡

［摘 要］ “生物医学信号处理”作为生物医学工程专业的重要基础课程，培养了学生应用信号处理理论与技术解决具体生物医学问题的能力。但是，现行“生物医学信号处理”课程教学模式存在的问题，导致该课程的教学效果不佳。针对该门课程教学中存在的问题，进行了教学模式的改革与探索，通过改革教学模式、优化实验教学方法及改革考核模式等措施，提升了学生学习的主动性与参与度，着重培养深厚理论功底、善于灵活运用知识解决实际问题的专业人才。

［关键词］ 生物医学信号处理；生物医学工程；教学模式改革；实验教学改革；课程方式改革

［基金项目］ 2023年度南京航空航天大学自动化学院教材建设培育项目“生物学信号处理及应用”（ZDH-YJSJG202304）；2021年度南京航空航天大学本科教学建设项目“医学生物物理学课程虚拟仿真实验建设与应用”（2021JG0328A）；2024年度国家自然科学基金面上项目“融合MRI影像和生物力学模型的椎间盘源性腰痛无创诊断方法基础研究”（12372306）

［作者简介］ 祝桥桥（1989—），女，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系副研究员，主要从事生物力学研究；周 璐（1994—），女，江苏泰州人，南京航空航天大学自动化学院2020级仪器科学与技术专业博士研究生，研究方向为脑科学与功能；李韪韬（1979—），男，河南襄城人，博士，南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系专聘研究员，主要从事生物医学仪器研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0073-04［收稿日期］ 2023-05-18

引言

党的二十大报告提出，实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑。教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑［1］。报告中的一大亮点是“教育、科技、人才三合一”。教育部于2019年启动了一流本科专业建设“雙万计划”，也就是“金课建设”计划。专业是人才培养的基本单元，课程是人才培养的核心要素，教师是人才培养的决定力量。

“生物医学信号处理”课程系统地介绍了生物医学信号处理技术的基本原理和主要应用，是近年来国内外快速发展数字信号处理应用的一种，是生物医学工程专业的核心课程之一［2］。主要包括经典信号数字处理的理论和技术，以及现代信号数字处理的理论和技术。通过本课程的学习，使学生对生物医学信号数字化处理技术的应用有了较为全面的了解，从而系统地掌握了生物医学信号处理的基本原理、算法和设计应用技术。培养学生对获取的各种原始生物医学信息进行有效的信号加工处理的技能，为医疗、生命科学等领域服务。“生物医学信号处理”课程的目的是为学生进一步学习有关生物医学信号工程方面的课程打下良好的理论基础。生物医学信号处理技术广泛应用于生命科学研究、保健、疾病的预防、治疗以及医疗仪器产业中［3］。生物医学信号是人体生理信息的量化数据，深刻理解和应用“生物医学信号处理”课程的理论与方法，对于认识人体生命的规律、探索疾病预防与治疗的新手段，以及发展医疗仪器的高新技术都具有极其重要的意义。如何在课程教学中有机融合知识、能力和素养，帮助学生构建全面的知识体系，提高解决实际工程问题的应用能力和思维能力，培养学生的匠心精神和专业素养，是本课程教学改革的核心目标。

一、“生物医学信号处理”实践教学存在的问题

（一）课堂教学模式单一

传统的授课方式枯燥单一，主要以教师讲授为主，“灌输式”教学，学生被动接受，忽视了学生的主体地位，师生难以产生有效沟通和互动，易在教学中出现很多问题［4］。课堂气氛较为沉闷，难以调动学生的学习兴趣和主动性。此外，教师在引导学生讨论方面做得还不够，学生不善于发现问题和思考问题，在课堂上不能进行深入讨论，对学生的创新思维培养很难达到预期效果。传统的实操课大多是由授课教师事先准备好实验方案，学生只需按照教师的方案步骤程序化地完成实验过程，对实验中遇到的问题及相关原理难以深入思考，无法达成解决实际问题等综合能力的培养目标，缺乏对实验方案自主设计的锻炼。因此，传统教学模式存在的问题，关键在于学生作为认知主体，在学生学习的主动性被忽视甚至被压抑的教学过程中，知识的接受始终处于被动状态。所以，改变传统教学模式，构建高效课堂，以适应新课改的要求是当务之急。

（二）学生实践能力薄弱

“生物医学信号处理”课程具有内容体量大、知识点广泛的特点，是一门理论性较强的课程［5］。本课程的理论教学应使学生学会数字信号处理的理论、相应的算法及算法软件的使用。理论内容较多，实验实践内容较少，是教学过程中普遍面临的问题。当面对实际复杂的综合性和应用性问题时，学生无法自主解决。所以，在培养学生解决实际问题的能力方面仍是薄弱环节。学生缺乏较强的动手能力和实践素养，这是应用型专业教育之“痛”。“生物医学信号处理”属应用型课程，需理论与实践相结合，且重在培养学生的实践能力。因此，如何在有限的时间里围绕教学大纲要求，合理安排教学内容，改革实验教学模式，培养学生的知识应用能力，是“生物医学信号处理”课程教学中需要不断探索的课题。

（三）考核方式单一不全面

传统考核方式以学业成绩为主要评价指标，评价方式单一，评价结果被简单、机械、错误地使用，不利于学生全面发展和身心健康，不利于调动学生的学习积极性和培养思维能力，从而影响了学生才能和个性的发展、潜力的挖掘以及综合素质的发展［6］。学生能够牢记知识点，掌握各种数学变换、理论推导，即可获得不错的成绩。该方式的考核重知识点的记忆和理论公式的推导，轻知识的应用和转化能力的培养，不利于学生创新精神和实践能力的培养。因此，学生在面对实际的信号处理问题时，缺乏应用理论知识解决实际问题的能力。该考核方式不能满足新工科对能力和素养的培养需求，无法衡量学生解决实际问题的能力以及对所遇到困难的探索与思考能力，也无法科学全面地对学生的探索思辨能力进行评价。

二、“生物醫学信号处理”教学模式改革方案

（一）改变教学模式

学生的有效学习是教学的本位和原点所在，要自觉改变单纯知识导向的教学模式，善于利用问题情境激发、调动学生学习数学的动力源，拓展、推进学生数学学习的问题源。针对当前“生物医学信号处理”课程授课方式单一的问题，可采用多样化的教学方法，包括立体化教学方法［7］、任务驱动式教学方法［8］、探究式教学方法［9］、微格教学方法［10］、项目教学方法［11］和体验式教学方法［12］等，充分调动学生学习的积极性和主动性。针对“生物医学信号处理”课程涉及基础知识面广、实践性强的特点，教学方法重点体现“分层次、交互式、重探索、多样性”的特征，贯穿于环节设置、步骤安排及评价体系等各环节建设中。课程内容设置从信号处理应用的不同层面建立知识体系，层层分解，例如信号的描述、信号的去噪和滤波、信号的特征提取等。以生动的案例引出项目式学习非常重要的一环是让学生自发提出好的驱动性问题，引导教师在教育教学中培养学生提出驱动性问题的能力。在驱动性问题的带领下，学生能够对该问题进行持续性探索，逐步产生“从0到1”的原创性成果。在每个体系里引入案例教学，注重将实际生物医学信号处理实例融入课堂教学，在枯燥的理论学习中穿插生物医学信号处理的真实案例，吸引学生注意力，让学生更直观、深刻地了解相关信号处理技术的功能和优缺点。具体案例如下：以基于运动想象脑电信号的分类问题作为“生物医学信号处理”项目式教学案例，通过对脑电信号进行预处理（降采样、陷波滤波、带通滤波、独立成分分析等）、特征提取（时域特征、频域特征、空间域特征等）及任务分类（决策树、逻辑回归、朴素贝叶斯、随机森林、支持向量机、神经网络等），加深学生对生物电信号处理中各环节的理解。

（二）优化实验教学方法

针对传统实验教学操作过于标准程式化、实验结果单一的问题，强调以学生为中心，不断探索实验课程教学方法，可采用任务驱动式教学法，将实验内容分解为若干子任务，明确任务目标，鼓励学生自行设计实验方案，以有效完成任务为考核目的的实验教学方法。教学方法以“以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体”［13］的构建主义教学理论为基础，以将学生的学习兴趣和学习动机相结合为基本特征，打造一个真实的教学环境，让学生带着真实的任务去学习。在这个过程中，学生掌握了学习的主动权，教师通过该任务，不断激励学生向前走，使学生通过该任务，掌握所学内容，做到举一反三，学习效果更佳。该任务驱动的方式有利于学生将所学理论和技能进行灵活运用，有利于学生将所学知识与具体问题情景相联系，有利于激发学生的实践热情和创造力，有利于培养学生的综合能力并发散思维。以任务驱动的方式引领学生开展实验，探索未知课题，在完成任务过程中发现问题、分析问题和解决问题，充分锻炼学生的思辨能力、理论联系实际的能力，以及学以致用的能力。这种方法在实践性强、创造性强及时代发展特征明显的生物医学信号处理学科中非常实用，也非常有效。

2018年，教育部印发的《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作》指出，国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平的重要举措［14］。同时，要着力构建新型教育教学模式、教育服务供给方式和教育治理新模式。基于此，本课程着力于建设优质线上实验平台，如“神经电生理信号采集与处理”虚拟仿真实验平台，打破了时间地点的限制，可以随时随地完成实验。提高实验内容的直观展示性和参与互动性，通过虚拟仿真技术、动画技术及实物展示技术等多样化的表现形式，学生能够全面掌握生物医学信号采集和处理方法，有效提升学生的综合应用能力，培养学生的专业热情和专业素养。

（三）改革课程考核方法

为深化教育教学改革，充分调动学生学习的积极性和主动性，从以知识点考查为重心转变为以能力考查为重心，这是课程考核方法设计的关键。在课程考核中，加大实验成绩和平时成绩的比例，减少期末闭卷考试分值比例。课程考核改革要突出考核方式方法向多样化转变、考核内容向注重能力考核的综合化转变以及成绩评定向科学化（多元化、全程化）转变等三个转变。通过课程考核改革促进教学内容和教学方法手段的改革，提高教学质量。如本课程中，将实验成绩和平时成绩比例提升至40%，期末考试成绩降为60%。同时，在期末考试的试题设置中，减少了知识点的机械记忆类型的客观题，加大了信号处理方案设计的综合题，更加侧重考查学生对相应知识点的理解和灵活应用的能力，如本课程期末考试试卷中知识的记忆类型占40%，信号处理方案设计综合类题目占60%。试卷更加强调知识的系统调用能力，以及解决问题的逻辑设计能力，弱化知识的机械记忆。课程考核改革对实现人才培养的教学质量和目标有很大的帮助，对增强学生自主学习能力、创新能力、分析问题能力及解决问题能力等都有很大帮助，既有利于学习效果的反映，又有利于教学的客观公正。

结语

针对生物医学工程专业的“生物医学信号处理”教学和考核模式中存在培养实践能力和创新能力的问题，本文从教学改革与实践方面进行探讨。通过教学改革模式，优化实验教学方法，改革课程考核方法，提升了学生在知识、能力和素养目标中的达成度，学生能够运用所学的理论知识和技术解决生物医学信号处理中的复杂实际问题。本课程改革取得了良好的教学效果，建立了新的课程体系和教学内容，并在实践中不断完善，对学生的创新能力培养起到了重要作用。培养学生如何应用信号处理理论与技术去解决具体的生物医学问题，掌握生物医学信号处理技术最新发展动态和发展趋势，培养学生对生物医学的兴趣和爱好，激发学生为人民健康、民族昌盛和祖国富强贡献自己的才华和智慧。教学改革和实践为培养高素质的生物医学工程专业复合型人才奠定了坚实的基础。

参考文献

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［14］教育部.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知：教高函〔2018〕5号［A/OL］.（2018-06-05）［2023-04-05］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

Reform and Practice of Biomedical Signal Processing Teaching Mode

ZHU Qiao-qiao， ZHOU Lu， LI Wei-tao， GAO Fan

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 211106， China）

Abstract： As an important basic course in biomedical engineering， “Biomedical Signal Processing” cultivates students ability to apply signal processing theory and technology to solve specific biomedical problems. However， there are problems with the current teaching mode of the “Biomedical Signal Processing” course， which leads to the unsatisfactory teaching effect of the course. This paper addresses the problems in the teaching of “biomedical signal processing”， and carries out reform and exploration of the teaching mode. By reforming the teaching mode， optimizing the experimental teaching methods and reforming the assessment methods， the initiative and participation of students learning are improved， and the focus is on cultivating professional talents with solid theoretical knowledge， strong ability to apply knowledge flexibly and comprehensive ability to solve practical problems.

Key words： Biomedical Signal Processing; biomedical engineering; reform of teaching mode; reform of experimental teaching; reform of curriculum approach