生物医学工程专业“模拟电子技术”课程项目驱动式教学改革研究

Research on Reform of Project-Driven Teaching Mode of “Analog Electronics Technology” in Biomedical Engineering Major

摘要

目的 探讨生物医学工程专业“模拟电子技术”项目驱动式教学改革成效。 方法 在分析生物医学工程专业“模拟电子技术”课程和项目驱动式教学模式特点的基础上，结合实例讨论“模拟电子技术”项目驱动式教学模式改革的思路和实施方法。 结果 在2020级和2021级学员中试点应用项目驱动式教学模式，表明该模式能够有机串联课程知识体系，令学员在学习中实践、在实践中学习，有效调动学员的积极性，培养学员创新能力。 结论 基于项目驱动式教学模式对“模拟电子技术”实施改革后，使课程符合“两性一度”要求，显著提升了“模拟电子技术”课程的教学质量。

Abstract

Objective To discuss the effect of reform of project-driven teaching mode of “Analog Electronics Technology” in Biomedical Engineering major. Methods On the basis of analyzing the characteristics of Analog Electronic Technology course in Biomedical Engineering major and project-driven teaching mode, this paper discusses the thinking and specific implementation methods of project-driven teaching mode reform of Analog Electronic Technology with examples. Results Project-driven teaching mode has been applied in Class of 2020 and 2021, which indicates that this mode can organically connect the curriculum knowledge system, enable students to practice in learning and learn in practice, effectively motivate students’ enthusiasm and cultivate students’ innovative ability. Conclusion The reform of project-driven teaching mode of Analog Electronics Technology meets the requirement of “two-nature and one-extent” and significantly improves the teaching quality of Analog Electronics Technology.

Graphical abstract

关键词

模拟电子技术 / 生物医学工程 / 项目驱动式教学 / 教学模式改革

Key words

Analog Electronics Technology / Biomedical Engineering major / project-driven teaching / reform of teaching mode

为应对全球新科技革命和产业变革，主动面对机遇与挑战，我国提出了新工科、新医科、新农科、新文科的高等教育改革^［1］。生物医学工程是新医科与新工科交叉融合的热点学科，目前电子技术广泛应用在医疗设备中，在生物医学工程学科中占据着重要地位^［2］。

“模拟电子技术”是一门介绍电子器件、电子电路和电子技术应用方面入门性质的技术基础课程。通过对该课程的学习，使学员掌握模拟电子电路的基本理论、基本原理、基本分析方法，培养学员对于基本电路的分析、设计和调试能力^［3］。目前，“模拟电子技术”教学仍以传统的课堂讲授模式为主，以实验课为辅^［4］，对实践环节重视程度仍不够。部分学员反映，该课程“学得多，用得少，理解浅，忘得快”，学习目的不够明确、学习兴趣不浓。究其原因，是该课程的授课模式与教育部提出的“两性一度”金课标准存在较大距离。“两性一度”指的是“高阶性、创新性、挑战度”^［5］，“高阶性”要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；“创新性”要求课程内容反映前沿性和时代性，学习结果具有探究性和个性化；在满足高阶性和创新性的前提下提升课程的“挑战度”。“模拟电子技术”课程学习内容繁杂、知识抽象，理论知识学习和实验操作上存在一定难度和挑战度，但这里的“难度”和“挑战度”是面向经典基础知识层面的，是低阶性和陈旧性的，不符合“两性一度”的要求。因此，亟待对现行“模拟电子技术”课程的教学模式进行系统性的改革，打造有深度、有难度、有挑战度的“金课”，激发学生的学习动力和专业志趣。

本研究基于项目驱动式教学法对“模拟电子技术”课程教学模式进行改革。项目驱动式教学法以项目为主线，在教学过程中以项目的推进带动学科基础概念和理论的学习，提高课程的趣味性。正是由于项目驱动式教学模式初步展示出的优势，学者们已探索将项目驱动式教学法应用到嵌入式系统设计^［6-8］等课程教学中，对其在数字电子技术^［9］、模拟电子技术^［10-11］等课程实验教学中的应用也进行了初步的探索。

本研究不再将项目驱动式教学模式局限于应用在实验课教学中，而是应用到课程的理论和实验教学的全过程中，通过选取典型项目作为引领课程知识体系的主线，串联整合课程的重要知识点，形成引领课程知识体系、贯穿理论和实验的新教学模式，解决现有“模拟电子技术”课程理论和实验教学之间相互孤立割裂、各知识模块间逻辑衔接不紧密的问题，使课程满足“两性一度”的金课要求。

1 “模拟电子技术”教学的现状及问题分析

“模拟电子技术”是生物医学工程专业重要的专业基础课程，经过多年探索研究，教学组形成了“理论教学+软件仿真+实验”三步教学法，力图提升学员实践动手能力。但是，从实施效果来看，课程教学仍存在以下突出问题：①理论与实际工程应用脱节，学得多而用得少，“高阶性”不足。课程概念和定理多，涉及到大量计算，因此课程课堂教学仍侧重于讲授理论知识为主，实验课的课时相对较短，且验证性实验比例较大。导致学员对课程知识在实际中有何应用、如何应用不清楚。据学员反映，常常是知识点能看明白，但在实际中不会用，理解不深，学过就忘。②教学内容、手段和方法不新颖，课堂效率不高，“创新性”不足。教学内容以经典理论知识讲授为主，在课堂授课时主要采用多媒体教学加大信息的传递量，讲授枯燥乏味，降低了学员学习的兴趣和热情。③学员以被动接受知识为主，“挑战度”不足。课堂授课主要是教材驱动模式，学员的课堂学习参与效率低。迫切需要转变为以项目导向+任务驱动式，积极引导学员参与，最终实现教、学、做一体化，提高课程挑战度，进而提高学员的上课效率和积极性。

以上问题使传统教学模式难以适应当前教学的需要，导致该课程的学习过程较为枯燥，学员缺乏学习主观能动性与积极性，是在一种被动的状态下学习，教学效果不理想。如何适应形势的变化和发展，结合医工专业的特点提高“模拟电子技术”课程教学质量，培养军队和社会需要的高素质人才是我们面临的一个紧迫课题。

2 项目驱动式教学模式在“模拟电子技术”教学中的适用性分析

将项目驱动式教学模式应用在“模拟电子技术”中将显著提升课程的“两性一度”：①在教学过程中引入实践项目，通过项目强化课程知识模块之间的联系。在电子系统的电路实现上，一般遵循由基础电路逐步复杂化、功能强化的过程，该过程与课程学习进程是一致的。通过项目的承上启下的作用，可以达到整体优化、融会贯通课程知识的教学效果。将学习过程与实践活动相融合，通过完成项目驱使学员进行有意义的知识建构，全面提升学员的综合运用能力，具有“高阶性”。②针对生物医学工程领域的研究前沿选取实验项目，通过项目在课堂授课中引入工程实现和前沿技术，丰富课堂教学手段和内容，将抽象的概念与晦涩难懂的原理融入到具体的项目中，可以使抽象的理论具体化，实验项目的完成质量有赖于学员的创造性和知识活学活用的能力^［12］，引导学员关注理论知识的实际应用，使学员掌握针对实际问题的分析设计方法，提升学员的动手能力和创新能力，具有“创新性”。③项目驱动式教学重新定位了教与学的关系，将教学内容贯穿不同阶段和不同项目任务中，教员的教与学员的学都围绕项目及项目分解的任务展开，学员需要在实践中发现问题、分析问题并解决问题，具有“挑战度”。④项目源自实际工程应用，贴近军事和社会热点问题，通过项目自然引入课程思政。引导学员完成具有重要意义的项目，可以为枯燥的知识赋予意义，引发学员的学习激情与潜能。

可见，将项目驱动式教学模式应用到课程中，能够通过项目将课程的重要知识有机串联，贯穿理论与工程实践，提升课程的“两性一度”和课程思政水平。

3 项目驱动式课程教学模式实施

项目驱动式教学的总体目标是让学员理论联系实际，加深对课程教学内容的理解和掌握，同时了解和把握此领域的前沿技术，能进行电路的设计、基础安装和调试，培养学员分析和处理本专业领域实际工程问题的能力和基本的科研素养。如图1所示，项目驱动式教学模式实施过程可概括为五个阶段，分别为项目选题、任务安排与方案制定、理论教学与分模块设计、综合实验、项目改进优化。

3.1 项目选题——“精”

项目驱动式教学目标的实现是靠项目驱动的，项目选题是项目驱动式课程教学模式的关键。项目选题不在多，而在于精。在课程的教学准备阶段，教学组结合当前的热点问题和重要迫切的应用需求，结合科研项目和本届学员的学情特点，论证和优选具有生物医学工程特色的教学项目，例如电子听诊器电路^［13］、恒温控制电路^［14］、体温输液控制电路^［15］、心率监测电路^［16］、电子血压计电路^［17］等。以电子听诊器电路的设计项目为例，其设置背景是解决COVID-19等高传染性呼吸系统疾病的诊治中存在的听诊难题。当医护人员穿着防护服后，耳朵被防护服包裹，无法使用传统的机械式听诊器听诊，电子听诊器则能够有效解决该问题^［18-19］。该项目将模拟电子技术与抗击新冠紧密结合，能够激发学员的学习兴趣，并且电子听诊器电路的构成与理论学习高度贴合，具备可实现性。

3.2 任务安排与方案制定——“早”

任务安排宜早。一般在学期授课开始第一周即布置项目任务，教员在课堂上讲解项目相关的主要原理，引导学员从给定项目中进行自主选择。学员也可以结合个人兴趣爱好自选题目，但自选题目须经过教学组讨论审核，进行修改完善后方可作为教学项目。学员选定题目后，教员适当安排答疑，帮助学员梳理项目难点并提供参考资料。学员利用3周左右的时间，制定项目的初步实现方案。以电子听诊器电路的设计为例，学员查阅资料后，初步制定电子听诊器电路的实现方案，其电路结构主要由心音传感器、前置电压放大电路、心音滤波电路、功率放大电路等模块组成（如图2所示）。结合课程教学安排，明确项目完成的时间表，渐进性地完善电子听诊器电路结构。这样让学员在学习过程中有更明确的学习目标，保持学习的兴趣和动力。

3.3 理论教学与分模块设计——“贴”

围绕项目专题，将各项目任务分解为多个与理论教学高度贴合的模块，明确这些模块与“模拟电子技术”课程授课内容的对应性及授课时间安排。如图2所示，电子听诊器电路直接对应课程理论教学的第1、3、6、8章，而其他章节提供了上述章节的基础理论知识，这样完成项目专题要求对整个课程知识体系有深入理解。在理论知识授课过程中不断回溯和提醒项目目标，实验课与理论课紧密配合，完成分模块原理的学习和设计。需要注意的是，在授课过程中，课程的引入、案例、思政元素设计均围绕教学项目展开。例如，以电子听诊器电路设计作为第6章信号运算与处理的引入，交代电路的大致结构和设计思路，明确本章学习的滤波电路是其电路的重要组成部分。在该章第4节模拟滤波电路理论授课时，围绕电子听诊器电路的滤波电路设计来开展课堂授课。

3.4 综合实验——“激”

综合实验阶段一般在学期末的前2~3周，该阶段的主要目的是综合运用知识，激发学员的创造力，进一步提高课程理解和掌握的深度。具体包括四个环节：线上+线下原理回顾、电路仿真与方案优化、现场制作调试、结果验收。①线上+线下电路原理回顾。3~4名学员组成一组，教员引导小组梳理和回顾项目原理，综合前序实验课搭建的分模块电路设计，形成电路设计方案；②电路仿真与方案优化。按方案对电路进行仿真测试，根据仿真结果对电路实现方案进行进一步优化。③现场制作调试。主要包括元器件选型采购、电路搭建、电路调试、故障排查等。④结果验收。项目完成后需要每组提交一份项目结题报告，并对项目进行课堂汇报和成果展示。其中结题报告内容包括：背景介绍，电路设计，实现方法，结果分析和总结。邀请本专业教员参与学员成果验收环节，学员制作长度为5 min左右的汇报幻灯片，每组选出学员代表进行总结汇报，对成果展示及讲解，教员针对电路中的存在的问题进行质疑，学员解答，最后对实验项目整体完成情况进行客观评价。综合实验完成情况的考核计入到课程形成性考核中，其中平时实验成绩（满分40分）和课程实验设计综合评估成绩（满分60分），以百分制评分，满分为100分，按30%折合计入课程总分。

3.5 项目改进优化——“琢”

好的教学项目不能缺少反复地雕琢改进。一方面，教员应不断总结项目的教学效果，不断加强项目目标难度与学员能力的匹配度、理论授课内容与项目模块的匹配度，不断加入时事热点新鲜元素，另一方面应充分听取学员的反馈意见加以改进。

4 教学效果评价

从2020级开始对本校生物医学工程专业本科学员开展基于项目驱动式教学模式的模电课程教学改革工作，将2019级学员（14人）作为对照组，将2020级（17人）和2021级（21人）学员作为实验组。2020级和2021级学员课程教学改革的内容大致相同，但2021级学员教学过程中将项目驱动式教学模式实施的各环节进行了进一步优化，与课程理论教学结合更加紧密。本研究从学员满意程度、学员考核成绩、学员综合素质提升等方面客观评价教学改革的效果。

4.1 学员满意程度

课程的学员满意程度调查主要通过学校教务部门组织的匿名打分、教学组组织的匿名问卷调查等方式进行。学校教务部门每个月和学期末组织进行本科课程质量调查。从调查结果看，2019级学员对模电课程的授课满意度为85.7%，2020~2021级学员对模电课程的整体授课满意度在89%以上，特别是在课程理论联系实际、严谨治学方面的表现，满意度达到97.37%。2020级学员给予模电课程的评分达到97.7分，排在全校非临床专业类的第5名，教学组1名主讲教员获得最受学员欢迎教员（非临床专业类）第3名。

教学组在每一轮教学完成后，均采用自行设计的调查问卷、以匿名方式调查学员对课程授课的满意程度。其中2019级主要调查学员对理论授课的教学设计、课堂互动、教学手段运用及课程授课的整体满意程度等。除上述调查内容外，针对2020~2021级学员还调查对项目驱动式教学模式的评价、项目驱动式教学模式给自身带来的好处、对实验项目的认可程度、对项目驱动式教学模式的建议等。2019~2021级共发放调查问卷52份，回收52份，有效问卷为52份。调查结果如表１所示，授课满意度从2019级学员的78.57%（11/14）提升至2020~2021级整体92.11%（35/38）的满意度，2020~2021级94.74% （36/38） 的学员认可项目驱动教学模式，认为该模式能够有效提升课程的“两性一度”。学员认为这种教学模式给自身带来的好处主要有以下几点：自身学习的获得感强（68.42%，26/38）；促进知识的理解和掌握（68.42%，26/38）；培养工程实践与创新能力（81.58%，31/38）；培养团队协同能力（60.53%，23/38）。学员对实验项目的认可程度为76.32%（29/38），学员对项目驱动教学模式的建议主要为进一步丰富实验项目、在教学过程中结合更多实验案例、学员自主选题设立实验项目等。

4.2 学员考核成绩

本课程考核包括形成性考核和终结性考核两部分。终结性考核采用闭卷笔试的方式考核理论掌握情况。随着试题库的完善，终结性考核的难度有较大提升，分数呈现逐年下降的趋势，难以反映教学改革的影响。形成性考核包括学员平时实验表现考核（占形成性考核总成绩的40%）及综合实验完成质量考核（占形成性考核总成绩的60%），平时实验表现考核主要由实验课授课教员根据平时实验完成情况进行打分，综合实验完成质量考核由教学组及外请专家组成评价专家组，根据综合实验完成情况及汇报答辩情况进行打分。形成性考核成绩能够综合反映学员实验完成质量和理论知识的理解程度，因此本研究以形成性考核成绩考量教改效果。如表2所示，2020~2021级本科学员的形成性考核平均成绩为90.89分（比对照组2019级的平均分89.86分提高1.03分），形成性考核的优秀率（分数≥90分）达到76.32%（29/38），较2019级学员64.29%的优秀率提高12.03%。2020级与2021级学员成绩的平均分接近，但2021级优秀率有较大提升，2021级有两个小组的综合实验完成度较好，得到了考核专家组的认可，得到了比较高的分数，2021级考核成绩标准差更大，其原因是对综合实验小组中贡献度较小者及平时实验报告完成质量不高者给予了相对较低的分值。

4.3 学员综合素质提升

实施项目驱动式教学改革后，学员对模拟电子技术的实际应用有了更清晰的认识，学习目标更明确，项目驱动式教学改革提升了课程的创新性和挑战度，因此学员的学习积极性、独立思考能力等明显高于往届。在项目牵引下学员提前预习更积极，课上的理论教学进展更为顺畅，学员与教员的互动更活跃，学员的知识接受程度明显提升，学员在课后积极主动与教员交流讨论，询问的问题从简单原理性问题已转向理论在实际应用中存在的问题，在实验课上也能够体现出分析解决问题能力和实际动手能力有一定程度的提高。

项目驱动式教学模式提高了学员参与课外科研的热情，近两年2020~2021级学员共有34人次参加学校层面本科生课外科研，教学组每位教员都与至少1名学员建立了一对一指导关系，2020~2021级学员近两年共发表或投稿科研论文11篇，参加第七届和第八届全国大学生生物医学工程创新设计竞赛共获得国家一等奖2项、二等奖1项、三等奖3项，获得2023年中国大学生计算机设计大赛西北赛区三等奖1项，获得第六届全军军事建模竞赛本科生组二等奖1项等。可见，项目驱动式教学模式的实施很好地培养了学员的探究精神、团队协作能力、科研能力和创新精神，促进了学员综合素质的提升。

5 结语

本研究基于项目驱动教学模式对生物医学工程专业“模拟电子技术”实施教改，在实践中发现这种教学模式具有两个突出特色：一是项目是从重大实际应用需求牵引提出的，具有一定的社会效益，实现这些项目具有挑战度，有助于激发学员的研究兴趣；二是项目驱动型教学突破了传统教学模式理论和实践脱节的局限，通过完成项目的过程来学习“死”的理论，能够让学员明白所学的理论知识有什么作用，可以解决什么实际问题，将“模拟电子技术”课程教学内容串联成有机整体，让学员在学中做、做中学，有助于学员深入理解和掌握课程知识，提高学员分析和解决问题的能力，从而产生更高的获得感，体现该教学模式的高阶性和创新性。该教学模式已在2020级和2021级生物医学工程专业本科学员试点应用，其效果初步显现，具有推广应用价值。值得注意的是，由于本专业学员数量少，教学改革效果评价可能受学员主观因素的影响，形成性考核打分也可能受教员主观因素的影响。此外，课程改革评价的指标还不能完全对标“两性一度”，部分学员对高阶性的概念理解不够清晰。在后续的教学工作中，应进一步丰富教学实验项目，将实验项目与课程思政充分融合，不断细化项目驱动教学模式的实施细节和评价指标，打造“模拟电子技术”金课。

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基金资助

空军军医大学军事生物医学工程学系“培鹰计划”课程建设项目(生教［2020］1号)