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生物医学电子学课改思索

2012-11-08 10:17 来源:生物医学论文 人参与在线咨询

本文作者:张妍 乔清理 单位:天津医科大学生物医学工程学院

在教育部《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》颁发后,全国掀起了深化本科教学改革的热潮。但受原有教学模式和传统教育观念的影响,长期以来《生物医学电子学》的课堂教学主要采取自下而上的教学模式,即从运算放大器的工作原理开始,然后利用这些运算放大器构建一些基本电路,分析这些基本电路的功能,最后给出这些电路的应用例子。但在这种教学模式中学生的学习是被动的,因此需要教师在课程内容和讲授方法上进行改革。近年来,我们课程组采用自上而下的教学方法,增强实验课内容,改革实验考试方法,充分调动学生学习的积极性,使学生主动掌握如何设计具体电路,同时更早开始设计实用电路。本教学改革旨在把学生融入有意义的任务完成的过程中,让学生积极地学习、自主地进行知识建构,增强学习兴趣。

1教学内容改革

《生物医学电子学》的开设时间通常是在大三第二学期或大四第一学期,学生已经学完了《电路分析》、《信号与系统》和《模拟电子技术》等课程。《生物医学电子学》既是电子学的后续和提高课程,又为今后能更好地从事生物物理学和生物医学仪器设计的研究打下技术基础。我们使用的教材主要有《MedicalInstrumentation:ApplicationandDesign》,1997;李刚等编著的《现代测控电路》;蔡建新,张唯真编著的《生物医学电子学》,1997。本课程的主要内容包括:生物医学信号测量的特殊性及基本条件,信号的检测、处理、变换和传输的基本理论与方法,涉及的电子电路以半导体集成电路为主,注重新型、实用及通用性。通过学习,让学生较深入地理解电子测量的基本概念、以及解决问题的基本思想方法,逐步掌握测量电路的设计。本课程的理论课共54学时,以生物电信号源为起点,分别介绍生物电检测的基本方法,生物电信号放大、隔离、滤波和射频传输中的基本理论与方法,使学生能使用放大器和模拟电子学设计我们要实现的系统功能。

我们采用自上而下的讲课方法,即先从整体考虑:系统的测量的精度与性能、被测量的量、被测量信号的大小与频率。然后是测量系统的使用条件和所具有的功能,如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。再以信号增益和误差分配,来确定前向信号通道(即从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路)所需信号放大、滤波或变换电路的级数,各级的增益,滤波器的阶数、形式和截止频率等。最后确定各个组成部分的具体设计要求。在第一节课上,我们将从心电,血压到超声,CT仪器,再到医院实验室仪器和治疗仪器的实际电路图给学生看,找出仪器电路的共同点,得出一般仪器的一般框架。在此基础上,将医学仪器的一般框架与整个课程即将讲授的内容逐一联系起来,让学生从整体上知道学习的内容和目的。针对每一章,我们也是从一个生理量测量开始,提出技术指标和原始设计要求,然后逐渐过渡到与实际医学仪器中相关的电路。与此同时,结合各类大学生电子竞赛题目,组织学生设计能实现不同功能的集成运算放大器电路,给他们提供开放实验室,让学生通过实验过程,将理论知识转化为实践技能,有利于知识的巩固与吸收。

2实验改革和手段创新

2.1实验教学改革

生物医学电子学实验课是为了配合生物医学电子学理论课而设置的,实践性较强。实验室是高等学校教学和科研的重要基地,高校的实验教学与实验室建设工作是衡量高校办学实力和人才培养质量的重要标志。过去的实验课,采用电子实验箱,任课教师在课前把仪器设备及元器件准备好,学生做实验就是依照实验手册在实验箱面板上插线,根本看不到电路,学生处于被动地位。采用实验箱在学生不断增多情况下,不仅增加教学经费和占用空间,学生也依赖于实验室。改革后的实验课由三部分组成,一部分是用Mutisim(一个能Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件)仿真,另一部分是实验箱实验,最后一部分是课程设计,即综合性设计实验。随着计算机技术的发展,一部分实验采用国际流行的电子辅助设计软件———美国国家仪器公司的Mu-tisim,它不仅是一个能在Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件,也是一个能装进计算机的实验室。它具有直观的图形界面,整个操作界面就像一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上,轻点鼠标可用导线将它们连接起来,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。它还有来自美国模拟器件公司(AnalogDevices)、德州仪器(TexasIn-struments)和凌力尔特公司(LinearTechnologies)丰富的元器件和模块库和从数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪到逻辑分析仪高性能的测试仪器。所设计出的电路除了可用于实验室的测量之外,还可以做直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点———零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析等定量分析。Multisim不仅提供了高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源,还弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。更为重要的是只要有一台计算机就能拥有自己的实验室,打破了时间和空间的限制,学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验,增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力,并发展自己的兴趣爱好。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题。学生有机会按自己的思维开展设计性实验,使他们进行研究性和探索性实验成为可能。在利用仿真软件的同时,开展实际硬件的实验。

实验室资源有:42台连着计算机和测量仪表的实验台。针对有限的实验台资源,把学生分为14个小组,每组安排3人,以小组为单位进行实验并考核。课程组教师同时担任着每个小组的实验导师,学生可以自由提问,教师负责指导他们测量问题、指正错误,但不能给出设计思路和方案。通过这样与学生在实验中的接触,了解他们的水平。在实验操作中,不给出任何具体的提前写好的实验提纲,要求学生根据命题自己计划在实验中做什么。为了在实验室的时间更有效率,要求预习实验,通过仿真软件来确定设计是否正确,并在实验箱面包板上将设计图连线。在实验室没有安排固定实验时,就对学生开放,让学生可以自由准备实验。实验操作的重要环节是开展小组讨论,其目的是使学生找出课堂给出的设计问题的解决方案,以便在实验期间做好准备。约半个小时长的小组讨论主要解决以下问题:①理解题目:每位学生都要发现自己有没有不清楚和不理解的地方。②发表创造性意见:学生对问题能自由想象,展开讨论。小组中的一个人记录问题。③评估上述意见:学生把他们的观点、意见组织好,把无关的分类出来,把和问题重点相关的记录下来。④解决问题或计划如何解决问题:提出具体设计思路和实践方案。这时,课程组的教师可以帮助他们弄清或解释相关提问,但要让学生自己组织施行,只有学生太偏离目标的时候才出来指正。通过这样的实验课训练,很多本科生都利用寒暑假,备战各种电子大赛,自主设计智能模拟仪器等,在参赛的之余体会到利用运算放大器的灵活性、趣味性及优势。

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