实验教学在高等学校培养具有创新精神和实践能力的高素质人才方面处于十分重要的位置, 实验教学不仅仅是教学的实践环节, 对学生加强基本知识、基本理论和基本技能的培养和训练, 更重要的是培养了学生分析问题、解决问题的能力, 实事求是地创造精神和科学的世界观。实验教学对素质教育具有不可估量的作用。
“生物医学信号处理”课程是为生物医学工程专业本科生开设的专业基础必修课。本课程是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的课程, 大多学校相关专业的该门课程都安排了一定课时的实验教学。因此“生物医学信号处理”的实验教学, 与一般纯粹意义上的实验教学课程相比, 有自己鲜明的特点和任务:与理论教学内容紧密结合, 帮助学生充分理解理论知识的同时, 提高学生的综合处理问题能力[1,2,3,4,5,6]。
本实验室在设计实验教学时, 以理论教学内容为核心, 以提高学生综合能力为导向, 采用循序渐进的实验内容设计模式, 使得实验与理论教学紧密结合, 相辅相成, 相互促进, 在实践中取得了良好的效果。
1 理论教学中的难点
我校“生物医学信号处理”课程是为本科生开设的专业基础必修课。由于本专业本科生没有再开设相关的信号处理课程, 因此本课程内容主要由两个主要部分组成, 其一是有关于“数字信号处理”的基础理论和内容, 其二是与生物医学信号相关的处理技术。第一部分是第二部分的基础, 第二部分是第一部分理论知识在生物医学领域中的应用。
在教学中发现, 学生通过课程的学习、作业、考试、实验后, 处理实际问题时往往不知所措, 主要表现在:对传感器获得的人体信号 (数字信号) , 没有采用周期的概念, 在进行频谱分析时同样没有横轴物理量的概念;不知道如何设置参数进行IIR和FIR数字滤波器的设计, 不知道何时采用何种滤波器;不会用Z变换分析系统, 对系统函数的系数没有概念;无法充分理解FFT算法, 非常不利于进一步学习时提出新的算法;针对具体的生物医学信号, 不知道处理的基本流程, 无从下手。
由此可见理论教学与实践教学的脱节是非常严重, 一方面不利于课程理论教学, 更不利于学生的综合能力的培养。
2 实验教学内容
2.1 实验教学内容设计的基本原则
由于实验教学内容是课程内容的一部分, 为课程的教学目标服务。为此, 实验教学内容设计要以理解掌握理论教学内容为核心, 以分析处理生物医学信号为目的, 最终培养学生解决实际问题的能力。
我们认为实验教学内容设计时应该遵守的基本原则是:
(1) 紧扣理论教学内容, 主要通过验证型实验完成, 让学生打下坚实的基础理论—验证型实验为理论教学内容服务。
(2) 实验对象围绕生物医学信号, 主要通过综合型实验完成, 培养学生利用现有知识对信号进行分析, 将理论内容应用到实践中—综合型实验架起了理论与实践的桥梁。
(3) 有助于提高学生解决实际问题的能力, 主要通过设计型实验完成, 学生根据具体的研究目标, 从零开始, 获取研究对象, 进行分析处理, 真正达到锻炼用其所学解决问题能力的目的。该实验内容, 必须设计软件和硬件, 并且尽可能采用医用仪器直接获取活体信号 (包括人体) —设计型实验完全以选择合适的理论知识解决实际问题为最终目的。
2.2 实验教学案例分析
围绕文中提出的三条基本原则, 设计了4个实验案例, 分别为“离散时间系统基本概念的计算机仿真”、“DFT及其快速算法的计算机仿真”、“诱发电位单次提取中的自参考、自相关、自适应滤波技术”和“心电信号的QRS复波检测算法”。
2.2.1 验证型实验内容设计
验证型实验是实验与理论教学结合的纽带。实验内容必须从理论教学内容中提炼, 在设计上集中反映理论教学的重点、难点, 充分发挥学生的主观能动性, 学生在进行实验的同时, 对重点、难点多思考、多练习, 从而达到充分掌握的目的。实验内容可以根据一段时间的教学积累进行适当的改动, 但是必须满足基本原则的第一条:为理论教学服务。
验证型实验案例:第一个是“离散时间系统基本概念的计算机仿真”, 第二个是“DFT及其快速算法的计算机仿真”。
第一个实验的主要内容包括: (1) 典型序列的定义、基本运算的计算机仿真; (2) Z变换、反变换的计算机实现, 及相关参数理解; (3) 信号的采样与重构, 了解信号采样前后的频谱变化, 加深对采样定理和插值函数的理解; (4) 掌握线性卷积的计算机编程方法:利用卷积观察、分析系统响应的时域特性; (5) 常系数差分方程的实现。
为了达到验证理论知识的目的, 不在程序调试上花费不必要的时间, 采用Matlab软件作为主要仿真工具。
第二个实验内容包括: (1) 直接计算DFT的实现; (2) 按时间抽取 (按频率抽取) 基-2FFT和IFFT算法的实现; (3) 线性卷积的FFT实现; (4) chirp-Z变换的计算机仿真。由于FFT快速算法主要体现在速度上, 因此主要采用C语言进行编写, 尽可能提高程序的运行速度。
2.2.2 综合型实验内容设计
综合型实验是由验证理论内容逐步过渡到以理论为工具, 解决实际问题为目的。要求学生在掌握一定的基础理论知识和基本操作技能的基础上, 对实验技能和实验方法进行综合训练。本实验内容要求学生针对具体的生物医学信号—诱发电位, 综合应用课本中出现的3A技术, 进行单次提取, 并对提取结果进行生理学意义上的分析, 达到了综合实验要求的培养学生综合分析能力、实验动手能力、数据处理能力的主要目的。
综合型实验案例:“诱发电位单次提取中的自参考、自相关、自适应滤波技术”, 主要内容为: (1) 诱发电位的生理学意义; (2) 3A技术的实现和基本原理理解; (3) 掌握目标信号与干扰信号频带严重重叠情况下的滤波方法。
2.2.3 设计型实验内容设计
设计型实验是指给定实验目的要求和实验条件, 由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。是独立于理论教学而进行的一种探索性实验, 它不但要求学生综合多科知识和多种实验原理来设计实验方案, 还要求学生能运用已有知识去发现问题、分析问题、解决问题。着重培养学生独立解决实际问题的能力、创新能力以及组织管理能力。
设计型实验案例:“心电信号的QRS复波检测算法”, 主要内容为: (1) MIT/BIH心电数据库的查找、数据格式分析; (2) 满足要求性能指标的低通、高通、带通、微分等滤波器的设计与计算机实现; (3) QRS复波检测算法。
本节实验的内容设计围绕实验目标—“心电信号的QRS复波检测算法”展开, 仅仅交代了实验条件, 而没有具体的实现步骤和方法。面对该实验, 学生需要思考并解决的几个主要问题是:1、如何获取心电信号;2、如何选择检测算法;3、如何进行结果分析。
一个设计型实验带给学生的是一系列问号, 一个问号的解决又带来一系列的问号, 而解决问号的途径就是思考, 思考就是创新的起点。本设计型实验从零开始, 内容围绕生物医学信号, 采用数字信号处理方法, 完成目标信号的提取, 完全符合教学内容设计的基本原则。
4 实验教学的组织
4.1 任课教师与实验指导教师的协调
在实验教学的开展上, 我们认为必须以任课教师为主, 实验指导教师为辅的模式进行。
在准备阶段任课教师的准备是实验准备的核心, 实验内容设计和指导书的编写建议由任课教师完成。由于实验时间往往安排比较紧凑, 教师必须对实验环节的合理性, 以及可能遇到的问题及相应解决方法进行充分的考虑。
学生准备的重要性是公认的, 但是往往对学生准备的要求比较模糊。论文认为学生准备工作的充分与否, 与任课教师的指导密不可分。这要求教师必须让学生充分理解实验准备的重要性, 在实验前拿出一定理论教学的时间, 对学生实验准备工作进行检查, 目的在于督促学生进行实验准备。实践证明, 实验准备充分的学生, 可以很快进入实验状态, 目的明确, 方法得当, 效果显著。
实验指导教师辅助任课教师完成实验教学, 主要在于具体问题的处理上。
4.2 实验与理论教学进度安排
由于实验与理论教学密切关联, 因此在实验与理论教学的进度必须合理安排。真正使得实验教学起到对理论教学的促进作用。
4.3 学生报告
学生报告是实验教学的升华, 也是实验教学内容改进的起始点。实验报告的书写内容不要做过多的要求, 在满足基本格式要求的情况下, 给学生自由发挥的空间, 特别是实验体会部分, 任课教师要引导学生对它给予足够的重视, 这是实验产生闪光点的地方, 非常重要, 但在实际教学中往往被忽略。
4.4 任课教师的总结与实验内容的修订
通过实验准备、现场操作、学生报告等环节, 任课教师要积极总结所反映出的各种问题。适当的调整教学内容, 根据学生掌握的情况, 对实验内容进行修订。真正做到实验与理论教学内容的结合。
5 结论
我校的“生物医学信号处理”实验, 由于和理论教学相结合, 因此并不能单独作为一门实验课程对待。论文认为实验教学内容必须紧扣教学内容、实验对象围绕生物医学信号、以提高学生综合能力为目的。为了保证实验教学达到预期的效果必须做好实验准备、实验的现场指导等工作, 认为各个环节完成的好坏与任课教师密切相关, 要求任课教师必须参与到各个环节中去。
摘要：探讨了“生物医学信号处理”课程中, 实验教学与理论教学相结合的方法。认为通过合理的实验内容设计, 采用验证型实验——综合型实验——设计型实验逐步递进的方法, 特别是任课教师的积极参与指导, 通过实验促进课程理论教学的开展, 使学生充分理解理论知识, 又在实验中加强发散性思维的培养和提高综合处理问题能力。
关键词：实验,理论教学,生物医学信号处理
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