生物医学工程专业数字电子技术实验教学研究与实践①

　　中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0143-03

　　生物医学工程（biomedical engineering， BME）始于20世纪60年代，是一门理、工、医高度交叉融合的新兴边缘学科，是电子、计算机、通信、智能仪器、传感检测、医学仪器以及生物学、现代医学等在生命科学中的应用与融合。基于医疗器械新兴产业对于医学工程人员的巨大市场需求，湖北科技学院生物医学工程专业主要培养医疗仪器的质控、维护与研发及生物医学信息采集、传输、处理、分析、存储等方面的“厚基础、多口径、强能力、高素质”的复合应用型人才。为了让学生具备医学仪器的原理与构造知识，具有进行操作、管理、质量保证及医学仪器初步设计与开发的能力，且能在生物医学工程、电子技术、计算机与信息科学等领域从事教学、科研与开发工作，则要求学生必须具有扎实的电子技术基础知识及较强的综合运用能力和研究创新能力。为此，构建以实验、实训课程教学为主体的电子技术实验教学中心，开展电子技术类实验课程，培养学生电路分析、设计及应用的能力是实现生物医学工程专业人才培养目标的必备环节[1]。

　　电子技术实验分为数字电子技术实验和模拟电子技术实验两大类，本文针对本院数字电子技术实验教学中曾经存在的问题，从实验内容的设置、实验教学方式方法的改进等方面进行了教学改革，以达到巩固学生所学理论知识，培养学生综合运用知识、发现问题及解决问题的能力，且更大程度上提高学生电路设计、创新和实践动手能力，从而提高教学质量的目的。

　　1 数字电子技术实验教学曾存在的问题

　　在过去的几年中，本院生物医学工程专业的数字电子技术实验教学曾存在以下几个主要方面的问题。

　　（1）实验内容设置简单。

　　数字电子技术实验总学时为24学时，每2学时（90min）为一次课，设置了12个实验项目。为了保证在2学时时间里顺利完成实验，实验内容大多过于简单，且大部分为基础验证性实验，缺乏综合性设计性实验项目，导致对学生的综合能力锻炼得不到显著效果。且在后面的实验过程中，由于学生已掌握基本实验操作方法且实验内容过于简单，实验完成时间非常短，导致学生对实验的重视程度降低，对教师的教学水平和态度表示质疑。

　　（2）实验教学方式方法传统。

　　教师在实验教学过程中过于依赖实验指导书，按部就班的讲解书上的实验内容，缺少启发学生思考的行为。可采用什么方法、什么芯片来实现电路，优缺点有哪些；当电路出现问题而得不到理想结果时，问题出现在哪里，如何测试电路，如何找出问题并解决问题；这些问题式、思考式的教学方法在以往的教学中体现较少。在实验操作过程中，教师往往把一个实验项目从头到尾演示一遍，学生依葫芦画瓢，对实验一知半解，不主动思考为什么这样连接线路，出现问题更是无从下手，更谈不上对实验结果的分析与总结。这样的教学方式不仅使理论知识得不到巩固，动手能力也得不到提高，从而使得开展实验课的意义得不到体现，与专业人才培养目标要求相处甚远。

　　（3）实验室教学管理沉闷。

　　实验是个科学及严谨的行为，一般情况下要求学生独立完成实验，但是很多教师在实验室的管理上过于严格，不允许学生之间进行相互沟通与交流，实验氛围死气沉沉。这样虽然可以保证独立性，但是在一定程度上也影响了实验效果。有些学生甚至也不敢和任课教师进行交流，电路出现问题也无法解决，课后抄袭别人的实验数据来完成实验报告。

　　（4）考核方式不合理。

　　实验教学考核方式不够客观，传统的实验考核以实验报告为主要依据。由于实验教学时，老师不可能同时监督所有的实验学生，所以抄袭的实验数据及实验报告的情况时有发生，致使一些学生养成了对别人的依赖心理及学习懒惰的坏习惯[2]。

　　数字电子技术实验是一门逻辑性、实践性、应用性很强的课程，要求学生具备应用系统分析、设计及制作的能力[3]。基于以上曾出现的主要问题，在现阶段的数字电子技术实验教学中，该研究者进行了以下方面的教学改革与实践。

　　2 实验内容改革

　　在实验教学内容上，从专业培养目标出发，全面修订了实验教学大纲，优化实验知识结构，形成梯次的教学内容体系，即基础性实验、综合性实验和创新设计性实验。在实验总学时保持不变的前提下，减少验证性实验项目，增加了综合性、设计性实验项目，并且注重实验项目课程内综合更新、课程间重组以及跨学科交叉融合，尤其重视医学和生物医学工程专业知识综合运用能力和研究创新能力的培养。近两年，面向本院生物医学工程专业本科生所开设的数字电子技术实验项目及学时分配如表1所示。

　　从表1可知：实验项目从12个减少到9个，但是总学时保持未变；从实验内容设置来看，实验难度成梯度；实验类型分为基础验证性、设计性和综合创新设计性三种。纯粹的验证性实验只有2个，分别为实验一逻辑门测试和实验四触发器功能测试。实验一为第一次实验课，先要教会学生使用实验箱和认识芯片实物，向学生传授实验技巧，所需时间较多，因此设置的内容稍简单，让学生的实验过程既顺利又充实而有成就感，从而激起学生的实验兴趣。实验五分为两个部分：先验证计数器及寄存器逻辑功能，随后重点完成常用计数器芯片74LS161和寄存器芯片74LS194的扩展应用设计，如果只是单纯的芯片功能测试，就缺乏应用训练，不利于后面相关设计性实验的开展。实验二和实验三为组合逻辑电路设计，分为小规模和中规模，内容上不重复，电路的实现从采用逻辑门升级到采用中规模集成芯片。实验六为经典的时序逻辑电路设计，考虑到难度稍难及根据往届实验情况，将其学时调为3学时，通过该实验项目，学生对时序逻辑电路的设计流程、动作特点及测试方式有了更深刻的理解。实验七为综合性实验，主要进行综合实践训练，培养学生综合运用知识的能力。时钟脉冲信号在数字电路的工作中起控制作用，因此，特设置了一个采用经典的模数综合器件555定时器来构建简易时钟脉冲信号源的实验项目。前八个实验基本涵盖了数字电路理论内容，且按照理论课章节顺序来设置。在实验课程的最后，为了综合考查学生知识运用、创新、动手操作及团队合作能力，特设置了一个系统设计性实验项目，如《交通灯控制电路设计》。该设计任务涉及到多个功能模块，由于电路较复杂，设定学时为6学时，需要学生综合运用所学知识来实现，作为实验课程考核部分之一。 　　综上，整个实验教学分为四个阶段：基础训练实验阶段、基础设计实验阶段、综合应用训练阶段和系统设计实验阶段。使学生从基本的实验设备和器件的使用、实验数据的处理、知识的综合运用、电路设计调试到实践创新能力都得到了训练。

　　3 实验方式方法改革

　　在学生掌握了常用的实验仪器如数字电路实验箱、万用表、信号发生器等的使用方法，熟识了常用的集成电路芯片的基础上，结合各实验项目的要求及特点，采用多种实验方式来完成实验。验证性实验可只用数字电路实验箱来实现，多个芯片同时在实验箱上连接，连线方便，费时较短，一次实验课中可以完成多个任务。较简单设计性实验采用分立元件连接来构建电路，既可以锻炼学生动手能力，又可以在规定时间内完成实验。综合设计性实验由于难度最高，可让学生用软件仿真出电路原理图，然后制作PCB板，实现电路实物。

　　课程开始时教师讲授的时间不易超过15min，主要帮助学生完成对实验的理解，思路的建立。实验方案的设计、实验电路的搭建及问题的排解，要有学生自主完成。在实验进行中，教师和学生各自的定位要准确，教师主指导，注重培养学生的实验兴趣。在整堂实验课中，要让学生体现主动性，感受到“做中学”的乐趣。

　　由于实验内容大部分为设计性实验，如果纯粹依赖实验指导书进行教学，较难达到培养学生电路设计能力的目的。因此在现阶段，采用项目驱动法[4]来开展实验教学，具体做法为：开学初把数字电子技术实验的所有实验项目以电子文档的形式发送给学生，每个设计性实验只提供设计任务、设计要求和可供参考使用的芯片种类，设计方案和电路原理图由学生自主完成。这样既可以改善学生的懒惰思想，又可以实现课前预习、培养学生查阅参考文献的和初步设计的能力。对于学时较长和难度较大的实验项目，2～3名学生可组成小团队，团队成员在参阅大量参考文献后进行小组讨论，多次讨论后确定设计方案。在电路构建及测试过程中，每个成员都必须积极参与，教师也给予一些必要性的指导。经过两年的实践发现，该实验教学方法有效增强了学生的自主学习能力、分析问题及解决问题能力、自我管理能力、团队合作能力和创新实践能力。每次实验完成之后，学生不仅对相关知识有了更深刻的理解，也获得了满足感，极大提高了学生参与实验的兴趣。

　　4 实验室教学管理改革

　　对于任何一个实验项目，都允许并鼓励学生之间相互交流，教师作为引导者虽不过多干预学生的实验过程，但是也积极关注他们的实验进度，认真聆听他们的实验想法，适时给出建议，甚至和学生进行热烈讨论，帮助他们构建更正确的实验方案。当学生搭建的电路不能正常工作时，不过多责备，反而是启发他们自己寻找问题的所在，鼓励学生多思路分析问题。因此，实验室的氛围既严谨又活跃，绝大部分学生都非常专注的投入到实验中，实验效果理想率可达到95%以上，实验数据抄袭的现象非常少。

　　5 实验考核方式改革

　　很多学生不重视数字电子技术实验教学的原因之一就是其考核方式不太合理，实验成绩要么只占数字电路课程成绩的百分之二十，要么只由实验报告的成绩和平时考勤成绩组成，导致有些学生认为只要期末考试卷面成绩高就行，实验做不做问题不大，有些学生虽然每次实验都出勤，但是在实验室并不认真做实验，实验报告抄袭他人。

　　基于这些现象，近两年本院生物医学工程专业开展的数字电子技术实验考核方式做了如下改革。

　　（1）电子技术实验单独为一门课程。该课程成绩中模拟电子技术实验成绩占50%，数字电子技术实验成绩占50%。就数字电子技术实验成绩而言，平时出勤率仅占10%，实验过程中的表现占40%，系统设计实验考核成绩占30%，实验报告成绩占20%。因此，学生的实验态度与实验能力最大程度上决定了其课程成绩。这就使得绝大部分学生能以正确、积极的态度来对待实验课程，并尽量通过自主努力完成实验。

　　（2）系统设计实验项目考核时，分模块考核。比如在《交通灯控制电路设计》实验项目中，总分100分，完成时钟信号源电路模块，得10分；完成定时器模块，得25分；完成控制器模块，得40分；完成译码驱动器模块，得15分；设计方案阐述和回答教师提问部分完成，得10分。这样不仅避免由于电路硬件原因导致电路系统最终实验效果不理想而得零分，打击学生信心的情况出现，又可以让学生在实验过程中能逐级测试电路，保证最后的电路系统效果理想，且对学生的团队合作能力和答辩能力进行了培养。

　　6 结语

　　通过采用设置梯次的实验教学内容、项目式开放式实验教学方法及综合式实验考核方式等手段对生物医学工程专业数字电子技术实验教学模式进行了改革，改变了以往单一性的、被动的、以教师为主体的实验教学方式，真正提高了分析问题和解决问题、综合运用知识、实践动手及创新思维等多方面的实验能力，且取得了较好的实验教学效果。

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