生物医学信号处理课程研究性教学的探索与实践

1、生物医学信号处理课程研究性教学的探索与实践    生物医学信号处理课程研究性教学的探索与实践饶妮妮,杜晓川,欧凤摘要:研究性教学是近年来高等教学改革的方向,在学界中已经基本达成共识。本文就如何在生物医学信号处理课程中开展研究性教学进行了总结。教学实践表明,在教材、教学方法与手段、习题题型设计以及教学评价机制等教学环节上结合多种教学措施,是在该课程中实施研究性教学的有效途径,可以提高课程教学效果,培养学生主动探究的能力。      关键词:生物医学信号处理;研究性教学;教学措施    一

2、、引言    生物医学工程是一个应用性的研究领域。生物医学信号处理是生物医学工程专业的重要核心课程,在生命科学基础研究、医学诊断和临床治疗等方面均起着重要的作用。该课程旨在培养学生掌握生物信号处理的基本原理、方法和发展趋势,使学生具备获取、处理和解释生物医学信号的能力。    生物医学信号处理课程具有涉及面广、数学公式多、理论概念抽象、实际应用知识难以掌握等特点。在课程的教学过程中,课程组一直在思考以研究为主的高校如何设计该课程的教学模式,提高这门核心课程的教学效果,以适应并推动研究性教学1。课程组在教材、教学方法与教学手段、习题类型

3、设计以及教学评价机制等教学环节上结合多种教学措施,开展了有益的探索与实践,提高了课程教学效果,充分调动了学生学习的能动性。    二、多种教学材料结合,实现教学内容动态化和开放化传统上,生物医学信号处理课程是围绕一本教材来设计教学内容的,显然,这对研究性教学是一大阻碍。课程组以教材的知识点顺序为主线,结合相关学术文献、学科出版物和科学研究课题等资源,横向拓展教学内容,使得教学内容的理论知识与学生解决问题的能力相结合,适应学生课前、课中、课后需要完成的教学任务,实现了教学内容的动态化和开放化。例如,在讲解到功率谱估计理论解决生物医学问题的章节时,教师紧扣本章教学内容

4、,引入了一篇发表在Bioinformatics(1997,13(3)上的学术论文“Prediction Of Probable Gene by Fourier A-nalysis of Genomic Sequences”作为教材。为了帮助学生理解补充的教学内容,教师在课堂上又讲解了相关分子生物学知识和论文中基于功率谱理论设计的科学研究方法,实现了教学内容的延伸,同时提升了学生的学术视野,培养了学生的研究能力和阅读英文学术文献的能力;在介绍相关技术解决生物医学问题的章节时,教师适度增加了本章教学内容的深度和难度,引入了一篇发表在IEEE TRANSAC-TIONS ON BIOMEDICAL

5、ENGINEERING(2007,54(12)上的学术论文“Establishing Causali-ty With Whitened Cross-Correlation Analysis”作为教材。补充的教学内容使得学生认识到,在书本介绍的理论基础上开展创新性改进,可以建立更加有用的解决医学问题的方法,也更加清楚地认识到如何用信号处理理论、技术来解决生物医学问题;又例如,在介绍自适应滤波理论章节时,我们引入科学出版社出版的现代信号处理(张贤达编著)对应的章节,从理论深度和内容完整性上补充了原有教材的不足,加强了学生的理论基础;在现代谱估计理论章节,教师把科研中基于自回归模型预测真核生物蛋白编

6、码区作为本章的一个应用实例,丰富了教学内容。    因此,多种教学材料的结合实现了教学内容的立体化,为发挥教学内容对创新人才的培养起到了铺垫和引导作用。    三、多种教学方法与手段结合,提高学生学习兴趣和教学效果由于生物医学信号处理课程的教学内容既包含有抽象的理论,又有实用技术,还涉及到实际的生物医学问题,所以对其教学方法与手段的设计要求很高,否则难以达到优良的教学效果2。    课程组针对生物医学信号处理课程的特点,以“学生为主体,教师为主导”的现代教学理念为指导,运用现代教育技术手段开展灵活多样的教

7、学方法改革和探索,设计了讲授式教学、讨论式教学、演示式教学、比较式教学、问答式教学和实践性教学等多种教学方法,以力求通过多种教学方法在教学过程中的结合运用,使抽象的概念形象化,难懂的公式物理化,知识的掌握系统化,理论基础与实际应用密切联系,激发学生学习兴趣,培养学生探究性学习素养,启迪学生创新思想,促进学生知识拓展和应用能力的提高。    教师在课程教学方法与手段设计上的具体措施为:对于生物医学信号处理课程中涉及的信号处理理论和技术等基本知识点,采用讲授式教学方法开展教学;对于课程中的重点、难点和延伸的教学内容,采取提出问题、教师引导、进行课堂讨论的形式开展教学活

8、动。通过采用讨论式教学方法,教师帮助学生加深对重难点知识的理解,促进了学生对问题的思考和分析,有利于调动学生的主动性。在整个课程教学过程中,教师通常安排4学时讨论课;对于用信号处理技术处理后得到的生物医学信号结果,教师采用课程组自主开发的多媒体课件,在课堂上通过图像、实物图片等方式,准确、直观和形象地演示结果,帮助学生发现生命现象的规律和蕴涵的物理本质;对于课程中的基本概念、规律及分析方法中的共性问题,教师采用类比归纳方式进行教学。    例如,教师在讲解不同的信号处理方法应用于处理同一个生物医学问题或者同一种信号处理方法解决多个不同生物医学问题时,采用这种教学方

9、法就能达到好的教学效果,教学内容如经典谱估计方法和现代谱估计方法预测基因序列的蛋白编码区,用自回归技术处理分别心电信号、脑电信号和胃电信号的有效性比较等;在每一章的教学中,教师均会设置2-3个问题,启发学生思考,采取归纳总结的互动方式进行教学。例如,学习了相关技术后,教师会问学生相关技术适合应用于处理哪一类生物医学问题,学生回答后再问为什么。在这一问一答的过程中,不仅使学生学到了知识,而且培养了学生分析问题、思考问题和解决问题的能力。实践教学是生物医学信号处理课程教学中十分重要的教学环节。课程组在设计生物医学信号处理实验教学内容时,重视融设计型与验证型实验于一体,对学生开展综合能力培养,使学生

10、能够自己动手进行设计、制作并分析实验结果,总结实验规律。课程组围绕课程关键知识点,设计了基础、选作和开放等三个层次20个实验项目,有效地激发了学生的学习兴趣,调动了学生主动学习并应用知识去分析和解决问题的积极性。    在整个生物医学信号处理课程的课堂教学中,教师把黑板、计算机和互联网等传统和现代教学手段有机结合起来展现教学内容和实施教学方法。电子教案和多媒体课件一方面使教师能够充分发挥多媒体教学形式多样、信息量大和形象直观的优势,另一方面省去教师大量的板书时间,并且以更加整齐、美观、生动和可重现等方式展现生物医学信号处理的课程内容,提高了教学效率,增强了学生的学

11、习兴趣,提升了教学效果。同时,课程组在学校提供的计算机网络平台上建设了生物医学信号处理网络课堂( http:/222·197·165·195/wlxt/ncourse/BMSP/web/newweb/sk/index·asp)。教师采用网络课堂为学生提供交互式的学习环境,学生可通过多媒体网络课件进行自学和自测,达到课前预习、课后复习的目的。借助多媒体网络课件,学生的自学、自测不受时间和地点的限制,方便了学生的自主学习。    四、多种类型的习题结合,培养学生主动探究的能力研究性教学需要设计多种类型的习题,以培养学生主动探究的

12、精神。由于该课程教学内容的动态性和开放性,所以其习题类型要从传统的课后作业题向课前文献阅读和课后开展研究延伸。    课程组保留了少量传统的课后习题类型,用以巩固和检验学生对课程基础知识的掌握;在此基础上,教师还1 2 下一页    设计了课前文献阅读习题,以便学生为参与讨论课准备素材;围绕补充的学术文献教学内容,教师设计有一两道课后撰写文献读后感和一道课后研究性习题。学生要完成研究性习题,需要从收集数据开始,再设计研究方法,编写软件,开展仿真实验,进行结果分析与讨论,直到最后撰写出研究报告,经历一次完整

13、的小型研究过程,需要学习和补充大量自身欠缺的生物医学知识。考虑到学生在学习生物医学信号处理课程中并没有大量的研究时间,因此,研究性习题的设计应该紧扣教学内容,难度适中。如果这类习题难度过大,会导致大多数学生不能完成,不仅难以起到培养学生分析问题和解决问题能力的作用,反而打击他们主动探究的学习兴趣。    在学生完成多种类型习题的过程中,教师必须具备丰富的知识储备、创新能力、教学组织能力,需要在课堂时间之外加强与学生的联系和沟通,及时了解学生在解决各类习题时的思考和完成情况,并做出相应的指导。    五、多个考核环节结合,实现对课程教学

14、的全程评价课程组将过程评价和结果评价结合,采用了针对学生学习和教师教学进行双向多环节考核的措施,全面监测和评估学与教两个方面的教学效果,以促进和保障教学质量不断提高。    在学生学习的考核中,采用堂内学习与讨论发言、平时作业、文献读后感、研究报告、期末考试和堂外实验相结合的学生成绩综合评定方法。各个考核环节所占比例为:堂内学习与讨论发言5%、平时作业5%、文献读后感10%、研究报告20%、期末考试40%、堂外实验20%。    这种多环节考核的综合评价体系是以“考试只是方法,知识学习和能力培养才是目的”为指导思想设计的,能够督促学生

15、重视知识获取和能力提高的过程,调动学生在课堂讨论、师生互动、协作交流、主动探究和堂外实验等方面的学习主动性,在课程学习的全过程中营造学生建立积极思考和努力进取的良好学习氛围。    在评价教师的教学中,课程组采取了校督导组巡查听课、设置随堂学生通讯员、期中组织召开学生评议会、期末上课学生网上评教等教学全过程综合评价体系,对教师的教学进行评价。校督导组将巡查听课的情况和评价指导意见及时反馈给教学管理部门和主管领导;随堂学生通讯员负责每周向教学管理部门报告收集到的学生意见和监测到的教学异常情况;在期中,学院主管部门、课程组和各课程班学生代表联合召开以“教学效果”评议为

16、主题的经验交流会,收集学生对任课教师的评价意见和建议;在期末课程结束后,运用网上教学管理软件开展学生“一生一票”的网上评教活动,综合评价任课教师在教学态度、教学内容、教学方法、表达能力、育人寓教、作业批改等方面的情况。课程组根据上述各个环节取得的教师教学评价信息,通过安排教学教研活动,及时总结和交流实效好的教学方法和经验,促进课程组教师共同不断提高教学能力和积累教学经验。    上述多环节双向考核方法和措施,在全面监测和评估学与教两方面教学状况的同时,也充分利用教学过程和教学结束各个环节的有利时机,促进了学生学习能力和教师教学能力的提高。    六、教学实践情况    课程组将上述多种教学措施结合的研究性教学模式应用到生物医学信号处理课程中开展了三次教学实践,每一次课程教学完成后,教师的教学考核均达到了优秀。学生普遍反映从被动学习的课堂配角变成了主动探究的课堂主角。由于角色的转变,学生必须从头到尾认真对待这门课程的学习