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生物医学工程

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“生物医学传感器与检测技术”课程教改实践

  摘要:“生物医学传感器与检测技术”是生物医学工程专业的主干课程,该课程内容涉及多个学科,理论抽象,内容庞杂,知识点分散。针对生物医学工程专业人才培养目标和课程教学特点,对教学内容和教学方法进行了一系列改革,规范了课程教学内容,将其分为4个模块,并进行了补充和完善。提出了用“从系统到单元,以检测对象为中心”的教学模式,结合实验教学与课程设计,加强了实践教学。教学改革提高了该课程的教学效果,其应用成果有一定的推广价值。

  关键词:生物医学传感器;生物医学信号检测技术;生物医学工程;教学改革

  生物医学工程学是一门理工医相结合的交叉学科,它是应用工程技术的理论和方法,研究解决医学防病治病,保障人民健康的一门新兴的边缘科学。[1]“生物医学传感器与检测技术”课程是该专业人才培养体系中的核心课程。它既是一门知识面较宽的综合性理论课,也是一门实践性较强的技术课程。该课程主要讲授生物医学传感器的特性、原理,信号处理与接口电路,传感器在人体生理信号检测中的应用等内容。[2-4]要求学生理解和掌握生物医学传感器的换能原理、感测技术、主要技术指标,生物医学检测技术的原理、基本电路,生物医学传感器与检测技术的基本应用等。

  近年来,随着电子技术、微机电技术、新材料和制造技术、信息处理技术的快速发展,各种新型生物医学传感器和生物医学信号检测技术不断涌现,传统的教学内容和教学方法已经不能满足人才培养的要求。为此依据“加强医工结合,注重工程实践教学,培养医疗仪器工程设计能力”的指导思想,对本课程教学内容和教学方法进行了若干改革探索。

  一、改革课程体系和教学内容

  长期以来,由于缺少相关的专业课程教材,“生物医学传感器与检测技术”课程的教材基本上是使用电子信息类、检测技术与仪表类、自动化类专业的传感器与检测技术教材,[5-7]教学内容也是对这些教材的教学内容进行相应的增删后形成的。这些内容主要讲授各种传统物理类传感器原理和测量电路,缺少与生物医学工程专业相关的有针对性的教学内容。根据生物医学专业的特点,结合近年来出版的几本相关教材,[2-4]对该课程的教学要求、教学内容进行了调整,将该课程内容划分成4个模块组织教学。

  1.概述和传感器特性模块

  概述和传感器特性模块对医用传感器的作用、分类、要求、发展等内容进行了概述性的介绍。针对生物医学信号的特点,介绍了传感器的基本特性,包括静态特性、动态特性、动态特性分析、传感器的误差、数据处理方法等重要内容。

  2.传感器原理模块

  传感器原理模块除了讲授应变式、压电式、磁电式、热电式和光电式等经典的物理类传感器的基本原理外,还增加了三类重要的传感器内容:化学传感器、医用电极和生物传感器。化学传感器和生物传感器融合了化学、生物学、医学、物理学和信息学等相关学科,已经发展成为生物医学传感器中两个活跃的研究领域。医用电极在医疗仪器和生物医学科学研究中得到了广泛的应用。生物传感器除了讲授生物传感器的基本概念和类型、生物敏感材料的固定化等基本内容外,主要讲授了若干应用广泛的生物传感器,另外还介绍了一部分新型的生物传感器,以及生物传感器近年来最新的研究成果。[2]

  3.检测技术基础模块

  检测技术基础模块讲授基本的测量与处理电路,包括传感器接口电路、信号放大电路、信号选择电路、信号运算电路、信号调理电路、信号变换电路、驱动电路等。另外,增加了测量方法、测量系统结构等内容。

  4.传感器和检测技术应用模块

  应用模块增加了生物医学信号的特点、生物医学测量系统的基本构成、生物医学测量中干扰和噪声的产生与抑制、人体生理信号检测的基本要求等教学内容。重点放在生物医学传感器在人体生理信号检测中的应用等内容上,如心音传感器和脉搏传感器、多普勒频移血流计、生物电放大基础,以及心电图测量、脑电图与肌电图测量、血压的测量、血氧饱和度和心输出量的无创伤测量方法等重要内容。而超声波成像系统和X-CT断层扫描系统原理、电刺激和心脏起搏等内容则可以考虑在后续课程中学习。

  以上四个模块的教学内容和教学时间大致如表1所示。根据专业人才培养方案和教学实际,可以由一门课在一个学期完成,也可以分成2~3门课程在2个学期完成。目前按前一种方案组织教学。

  新的教学内容具有如下特点:第一,注重基本理论与临床应用相结合。对每类传感器都介绍若干临床应用或医疗仪器部件作为实例,使学生对传感器的应用有全面的了解和认识。第二,注重培养学生分析实际问题的能力。针对不同的被测对象,不仅介绍选择什么类型的传感器,还介绍如何选择信号处理与接口电路,提高了学生对传感器和检测电路的正确选择能力。第三,注重培养学生的临床应用和工程设计能力。

  二、改革教学模式和教学方法

  相对于教学内容的改革,“生物医学传感器与检测技术”课程教学模式的改革有更重要的意义。因为除了数据处理等理论内容之外,该课程的大部分内容都是工程应用型的内容,学生理解这些内容相对容易,也容易自学没有讲授的内容。但由于内容繁杂,学生如何在短时间内掌握这些内容,并能熟练使用所学内容进行医疗仪器设计,则是仍然没有解决的问题。

  1.采用“从系统到单元,以检测对象为中心”的教学模式

  传统的课程教学模式对于“生物医学传感器与检测技术”这样的课程来说,确有不合适之处。学生学习完整个课程之后,不能建立传感器、检测电路、检测方法与医疗仪器之间的内在联系,更不用说用这些知识来设计医疗仪器的单元或模块。因为教学是以分散的元件或电路作为授课内容的,学生没有从系统的观点来学习和掌握这些基本内容,因而学习的知识是零散杂乱的。为此笔者在教学中提出了“从系统到单元,以检测对象为中心”的教学模式。

  以血压测量为例。以某种无创血压模块为授课对象,在课堂上教师主要讲授血压测量模块的原理、电路框图、压力传感方式等系统级内容,要求学生将系统进行分解,直至每个单元和元器件。学生通过分解、分析,不仅了解了测量原理,还掌握了压力传感器、放大电路、接口电路、显示电路等主要内容。另外,学生通过思考、分析、比较,还可以进一步提出了若干改进措施。相对于传统的教学模式,这种教学模式有明显的效果。

  2.结合使用多媒体教学与板书形式等多种授课形式

  多媒体教学是一种现代教学方式,具有形象直观、信息量大等优势,但传统的板书教学方式有其固有的优点。两种教学方法的有机结合,可以很好地调动学生的学习积极性,集中学生的学习注意力,提高教学效果。采用多媒体教学和传统板书教学手段相结合的方式,例如对于传感器的外形、结构及生物医学应用等,通常采用多媒体的图片和动画展示,增加学生的感性认识;而对于传感器的测量原理、基本测量电路、设计公式的推导,往往采用传统板书的方式,有助于学生更好地理解和掌握。

  3.加强实践教学

  “生物医学传感器与检测技术”课程教学对实验和实践环节的要求较高。学生需要通过验证性实验教学来掌握传感器的原理和性能、测量电路的原理等基本知识;通过综合性和设计性实验教学来掌握传感器的使用方法、测量电路的设计和调试等基本工程技能。在教学过程中,根据课程教学内容和教学进度,穿插安排实验教学,保证每一个理论知识点都可以通过相应的实践教学来达到从理论知识到应用能力的转化。

  在基础实验的基础上,增加了综合性、设计性实验等自主性实验内容。通过实践,学生锻炼了分析和解决问题的能力,提高了综合和总结的能力,加深了对所学理论知识的掌握程度。

  此外,在课程设计教学中,还结合传感检测技术应用与医疗仪器设计的相关知识和能力要求,提出课程设计题目。学生通过自主设计,选择不同的传感器和测量电路来实现要求的任务,可以进一步提高学生提出问题、解决问题的能力,并进一步锻炼其工程设计能力。

  三、结束语

  对“生物医学传感器与检测技术”课程的教学内容和教学方法进行了若干改革,取得了一些有益的教学成果。补充教学内容拓宽了课程教学内容,分块调整教学内容完善了课程体系,使其更适合于生物医学工程专业的人才培养目标。“从系统到单元,以检测对象为中心”的教学模式、实验和课程设计相结合的教学方法提高了学生的专业感知度,锻炼了学生的医疗仪器工程设计能力。近3年的教学实践证明,这些改革提高了教学效果,有较好的推广价值。


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