《生物医学建模与科学计算》课程教学大纲

ADDINCNKISM.UserStyle《生物医学建模与科学计算》课程教学大纲（理论课程）一、课程基本信息课程号1323S08034开课单位电子信息工程学院课程名称（中文）生物医学建模与科学计算（英文）BiomedicalModelingandScientificComputing课程性质必修考核类型考试课程学分2课程学时34课程类别学科拓展课先修课程MATLAB/Python语言程序设计适用专业（类）智能医学工程二、课程描述及目标（一）课程简介《生物医学建模与科学计算》课程是本专业的一门学科拓展课程，旨在以计算机仿真为手段，对生物和医学数据进行建模、计算和定量分析，模拟生物系统的形成和演化过程。本课程主要介绍了解决生物医学工程问题中需要的计算机建模和仿真的基本思路、方法和主要工具。课程包括理论基础、范例讲解与上机练习三个部分。理论部分重点是建模和仿真的分类介绍、模型与仿真的验证、数值求解微分方程等；范例主要介绍生物电、房室模型、生物力学建模；上机练习包括MATLAB和simulink的学习、ComsolMultiphysics等软件的使用和用于解决实际问题的练习等。本课程具有综合性、实践性和专业性的特点。该课程是集生理学、计算机、医学知识三者结合的交叉课程，体现了综合性；学生利用所学生物医学知识，对问题进行抽象建模，并用计算机技术来模拟仿真，突出其实践性；不仅要求学生掌握生物系统建模的基本知识，还要求学生不断提高利用计算机解决特定问题的技能，具有较强的专业性。（二）教学目标本课程的教学目标是在学习系统建模与计算机仿真基本理论和方法的基础上，通过生物系统建模与仿真的典型案例，培养学生运用计算机技术来解决生物系统问题的实践能力和创新能力。根据时代需要，及时更新教学内容，加强素质教育，拓宽知识面，培养学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。课程目标1：掌握系统建模及其计算机仿真的基本概念；了解连续系统数学模型的基本概念和类型；掌握基于实验数据建模仿真的基本理论与方法（参数模型、模型参数的估计，最小二乘法，以及系统辨识）；了解建模与仿真的校核、验证和确认（VVA）技术的基本概念。课程目标2：掌握MATLAB平台上Simulink模块式建模仿真的基本理论和方法；掌握生物房室模型的建模、仿真与应用；神经信号动作电位产生的Hodgkin–Huxley方程的建模、仿真与应用，同时还应培养学生解决生物系统建模仿真实际问题的创新能力和实践能力。课程目标3：突出综合应用能力、创新能力和解决实际工程问题的培养，为后续课程的学习、工作和继续深造打好基础。课程目标4：在教学过程中注意培养学生的敬业精神、科学探索精神、创新意识和职业道德观。三、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重2-1：能够应用数学、医学、自然科学和工程科学的基本原理对智能医学系统中复杂工程问题进行分析、识别、特性表达。课程目标1课程目标260%4-1：能够对智能医学系统相关的各类现象和特性进行分析和研究，明确系统测试目标。课程目标1课程目标2课程目标320%10-3：了解智能医学工程领域的国际发展趋势和研究热点。课程目标420%四、教学方式与方法本课程教学以“学生主体、教师主导”教学思想，通过教学的“互动、开放”的课堂形式，具体以课堂教学为主，结合上机实践教学、自学、课后作业，采用启发式、问题式、项目驱动式的教学方法，基于实际问题提高学生解决系统仿真领域中复杂工程问题的能力，达到课程目标的要求。授课方式为：理论教学+上机实践。在教学过程中，适当借鉴PBL（Problem-basedLearning）教学模式和TBL（Task-basedlearning）教学模式。注重培养学生的分析和解决实际问题的能力，突出课程的实践性。课程内容以单元模块为单位，既有统一要求，又可适应个体需要；整个教学不是以最后的考试为唯一考核依据，平时的课业等也是衡量学生是否达到教学目的的主要标准。加强师生互动环节，活跃课堂气氛，促进学生自主思考提出问题，解答问题，激发学生潜能。以上教学方式的有机结合可以增强学生的教学参与性，调动学生的学习积极性和主动性。五、教学重点与难点（一）教学重点数学模型建模的基本理论和方法，模型与系统的相似性。（二）教学难点基于实验数据建模仿真的基本理论与方法，以及生物房室模型的建模、仿真与应用。六、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1第一章生物建模仿真概论系统建模及其计算机仿真的基本概念，以及生物系统建模仿真的发展背景与动态2讲授课程目标12第二章系统的数学模型和建模方法连续系统数学模型的4个主要类型，模型之间的相互转换，系统的实现与最小实现2讲授课程目标13第三章连续系统的数字仿真连续时间数学模型进行时间离散，转换为计算机仿真模型的基本概念与方法：数值积分法、离散相似法和算子替代法4讲授课程目标14第四章基于实验数据的建模与仿真基于实验数据建模仿真的基本理论与方法，包括参数模型、模型参数的估计，最小二乘法，以及系统辨识的基本概念4讲授+演示课程目标15第五章Simulink的建模与动态仿真在MATLAB平台上Simulink模块式建模仿真的基本理论和方法，以及Simulink建模仿真的典型例子4讲授+演示课程目标16第六章建模与仿真的校核、验证与确认建模与仿真的校核、验证和确认（VVA）技术的基本概念2讲授+演示课程目标17第七章房室模型的建模与仿真生物房室模型的建模、仿真与应用，以及房室模型辨识和可辨识性的基本概念4讲授课程目标28第八章ComsolMultiphysics有限元仿真模型有限元仿真基本概念、过程以及关键技术4讲授+演示课程目标29第九章神经电生理数学模型：Hodgkin–Huxley方程描述动作电位产生的Hodgkin–Huxley方程的建模、仿真与应用6讲授+演示课程目标210第十章脑电的自回归（AR）模型脑电的自回归（AR）模型的建模、仿真与应用2讲授+演示课程目标2合计34七、实验内容、基本要求与学时分配序号实验项目名称实验内容与要求学时类型对应课程目标1系统建模的MATLAB实现学习系统建模（时域模型、状态空间模型和零极点模型）的MATLAB实现；编程实现系统模型的转换和连接2演示性课程目标12SIMULINK动态仿真学习和掌握SIMULINK动态仿真软件包的特点；掌握SIMULINK窗口、系统框图模型的建立、系统仿真运行、仿真结果输出、以及子系统创建及封装2验证性课程目标13Hodgkin–Huxley（H-H）模型学习H-H模型建模仿真在生物医学领域应用的典型实例。计算不同钳位电压下所产生膜电流的理论值。计算预测神经细胞产生动作电位的波形和传播速度。计算神经细胞兴奋的不应期。计算预测神经细胞兴奋的阈值和阈下电活动。4探究性课程目标14脑电的自回归（AR）模型学习如何在将实际生理数据导入MATLAB平台；学习在MATLAB平台上实现正常和癫痫脑电信号的阶次选择，建立正常和癫痫脑电信号的AR模型4探究性课程目标1课程目标25ComsolMultiphysics电磁调控有限元仿真模型学习脑组织三维重建过程，以及电磁刺激加载有限元仿真过程；了解电磁场分析的步骤和特点；熟悉多场耦合问题的分析过程5探究性课程目标1课程目标2合计17注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括“演示性”、“验证性”、“设计性”、“探究性”、“其它”等。八、学业评价和课程考核（一）考核类型：考试考查（二）考核方式：开卷考试闭卷考试课程论文课程报告其它：（三）成绩评定：考核依据建议分值（百分比）考核/评价细则对应课程目标过程考核30%课堂出勤20%学习通签到和发布主题讨论，全体学生参与。考查学生出勤情况和课堂上参与主题讨论的积极性；每参与一次签到记为1分，共计10次，记为10分。少一次扣除1分。每参与一次主题讨论记为1分，未参与的记为0分。课程目标1课程目标2课堂互动40%针对课程中主题内容开展讨论学习，加深学生对相关知识的理解。以PPT汇报的形式进行讨论结果展示。考核学生资料检索和汇总能力，以及表达能力。每次20分，共组织2次讨论活动。评分细则：A：16-20分：学生查阅资料丰富，汇总知识全面，能较好的展示和表达；B：11-15分：在查阅资料，知识汇总、PPT展示和讲解等方面做的比较好；C：6-10在查阅资料，知识汇总、PPT展示和讲解等方面只有一方面做得好；D：1-5分：在资料检索、结果汇总方面表现一般。课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4随堂作业40%自问自答类作业：考核学生对基本概念和基本理论的理解深度与广度，以作业的形式提交，增强学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。围绕本课程中的基础内容，采用学习通测试题的形式，考核学生对基本概念和基本理论的理解。共计4次作业，每次10分，统计总体得分情况。课程目标1课程目标2期末考核70%试卷分成选择、填空、简答、分析题，选择和填空占比30%，简答占比40%，分析题占比30%。分析题主要考察学生对生物医学建模系统的理解，采用以下得分规则：A：20-30分：分析思路合理，表述清晰，给出了系统总体实现逻辑；B：10-20分：系统分析基本思路合理，表述较清晰，逻辑较合理；C：0-