医学工程专业数字电子技术实验教学研究

摘 要: 该文针对生物 医学 工程专业数字电子技术实验教学中存在的问题,从实验内容设置、实验方式、实验考核方式及实验课堂管理方式四个方面进行了教学改革及实践。具体做法为:通过精选实验内容而形成梯次的教学内容体系,再利用项目驱动式实验教学方式和多元化的考
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  摘 要:该文针对生物医学工程专业数字电子技术实验教学中存在的问题,从实验内容设置、实验方式、实验考核方式及实验课堂管理方式四个方面进行了教学改革及实践。具体做法为:通过精选实验内容而形成梯次的教学内容体系,再利用项目驱动式实验教学方式和多元化的考核方法调动学生的自主性,培养学生的创新实践思维,锻炼学生的综合运用知识能力和动手能力。通过两年的教学实践,该实验课程的教学质量和水平有了很大的提高,得到学生的一致好评。

  关键词:生物医学工程 数字电子技术实验 教学改革 项目驱动式

  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。   

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