OBE为导向数字赋能学科交叉融合教学探索

Exploration of Digitalized Interdisciplinary Integrated Teaching Oriented by OBE

摘要

“新医科”建设致力于培养具备跨学科能力的复合型医学人才，激发人们对创新教学模式的持续探索。随着数字技术的进步，教学内容与方法不断革新，显著提升教学效率和质量，增强学生的综合素质。以“医学信号处理”课程中的“小波变换的原理与应用”为例，探讨数字赋能在以学生发展为中心的教学设计中的应用。本研究基于OBE理念制定教学策略，开发数字化课程资源，精心安排课前、课中、课后的教学流程，在翻转课堂中融入PBL教学方法。选取重庆医科大学生物医学工程学院2020和2021级本科三年级学生进行教学实践，匿名教评显示，学生满意度超过90%，达到预期教学目标。以成果产出为导向的数字化教学设计实现了以学生为中心的高效自主学习模式，激发学生的学习热情的同时，提升他们将知识应用于解决实际医学问题的能力。

Abstract

The construction of “New Medicine” aims at cultivating compound medical talents with interdisciplinary capabilities, stimulating people’s continuous exploration of innovative teaching mode. With the advance of digital technology, teaching content and method reform constantly, significantly improving teaching efficiency and quality, and strengthening students’ comprehensive quality. Taking “the Principle and Application of Wavelet Transform” in the course of “Medical Signal Processing” as an example, this paper discusses the application of digitalization in the teaching design centered on students’ development. This research sets teaching strategy based on OBE concept, develops digitalized course resources, organizes teaching process before the class, in the class and after the class, and integrates PBL teaching method into the Flipped Classroom. Third-year undergraduates in the class of 2020 and 2021 from the School of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University were selected into the teaching practice. Anonymous teaching evaluation indicated that students’ satisfaction degree exceeded 90% and reached anticipated teaching goals. Digitalized teaching design oriented by OBE realizes efficient self-learning mode centered on students, simultaneously stimulating students’ learning enthusiasm and improving their ability to apply knowledge into solving practical medical problems.

关键词

“医学信号处理” / 成果产出导向 / 数字赋能教育 / 翻转课堂 / PBL

Key words

“Medical Signal Processing” / Outcome-based education / Digitalized education / Flipped Classroom / PBL

“新医科”建设作为中国高等教育领域应对科技革命和产业变革的关键举措，旨在通过教育改革培养适应新时代需求的高素质专业人才，推动医学教育改革和人才培养模式的创新。“新医科”倡导跨越医学、工程、理学及人文等多领域的深度融合，从传统的以生物医学科学为支撑的医学教育模式，转变为医文、医工、医理等医+X交叉学科共同支撑的新模式^［1］。其目标是培养具有全面医学知识、临床技能和科研能力的复合型人才，以满足健康中国战略的需求。

目前，数字信息技术已经深刻改变着人类的思维、生产、生活和学习方式。数字经济和数字社会的发展，推动教育培养目标和内容的变革和创新。党的二十大报告提出，推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国。习近平总书记在2023年5月29日讲话中强调：“教育数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口”。教育部办公厅印发的《基础教育课程教学改革深化行动方案》明确了推进“数字化赋能教学质量提升”行动，强调构建数字化背景下的新型教与学模式，助力提高教学效率与质量。教育领域的数字化改革是每个教育工作者面临的重大课题^［2］，如何在教学实践中有效地应用数字信息技术值得持续探索。

“医学信号处理”课程是医科大学生物医学工程学科的一门核心专业课程，覆盖了理、工、生、医多学科知识领域^［3-4］。该课程要求学生具备扎实的高等数学知识，并能将理论知识通过实践环节转化为实际技能，在理论和实践方面都有很高的要求。随着通信、计算机、信息技术和医学仪器设备的飞速发展，医学信号处理的内涵不断丰富，课程内容持续迭代^［5］。因此，传统的教学方法已不再适应新时代的教学需求，教学内容、教学手段和教学方法都需要进行重大改革，以适应培养新时代生物医学工程专业学生的迫切需求。

高等教育课程改革的核心目标在于提升人才培养质量，因此需要不断探索新的教学模式。课程教学目标紧扣成果产出导向（Outcomes-based Education， OBE）^［6］，采用反向设计方法，借助现代数字信息技术规划相应的教学内容和方法。学生通过线下视频讲座、学习资料、例题讲解等自主学习基本知识，在翻转课堂（Flipped Classroom）中讨论、实践和深入理解^［7］。PBL（Problem-based Learning）教学法创造包容、自由的学术氛围，有利于提高学生的学习积极性，培养创新型人才，并提升学生自主获得和掌握知识的能力^［8］，但其在本学科教学中的作用仍值得探索。

在“医学信号处理”一节授课中，探讨以OBE为导向的教学目标下，通过数字智慧教学平台赋能教与学的新模式，并在翻转课堂中应用PBL教学法，探索两者结合的可行性和协同效应。期望通过混合式教学策略与数字技术增强学生的学习动力，提升教学成效，实现教学互动共赢，并为深化教学改革提供实证数据和宝贵经验。

1 授课基本信息

“医学信号处理”是重庆医科大学生物医学工程专业三年级学生的核心必修课程，授课内容为“小波变换的原理与应用”。本课程依据“布鲁姆教育目标分类学”“辛普森动作技能领域教学目标”和生物医学工程专业的培养要求，精心设定知识、技能和素质的培养目标。课程选用广受推崇的教材《数字信号处理-原理、算法与应用》（第四版），该书详细阐述数字信号处理的基本原理，但未包含小波变换的专门章节。鉴于小波变换在当代信息技术领域的应用广泛，以及其与课程前期内容的紧密联系，我们特意增加这一部分内容。该节课安排在学期末，学生已经系统学习了Z变换、傅里叶变换和离散傅里叶变换等基础理论，并能在MATLAB环境下对离散时间信号（如心电信号）进行频谱分析，定量比较和分析正常与异常信号的频谱差异。同时，学生也在为学期末的自主科研报告做准备。尽管该专业的学生已经学习高等数学和复变函数等基础课程，但与理工类或综合性大学的学生相比，他们的数学基础相对薄弱。因此，在教学过程中，不过分强调理论公式的严格推导与验证，而是更加注重培养学生将理论知识转化为实际技能的能力。此外，课程还融入医学人文关怀、科研逻辑思维和家国情怀等思政元素，旨在全方位提升学生的综合素质，满足其在生物医学领域应用数字信号处理技术的迫切需求。

2 教学对象和设计

本研究选取重庆医科大学生物医学工程学院2020和2021级生物医学工程专业三年级本科生共103名学生作为研究对象，其中男生51人，女生52人。教学设计分为课前、课中、课后三个阶段，具体如下。

2.1 课前准备环节

通过超星教学平台，向全班学生提供小波变换原理、应用和例题的基础版文本资料和网络教学视频。同时，引导他们思考小波变换与其他已经学习的变换方法的异同，并在平台上解答学生的疑问；通过网络发布选择题和讨论题，以评估学生的预习情况。

在网络教学平台发布若干个正常和非正常的心电信号，将学生按随机序列分成四组，采用已学习的傅里叶变换和小波变换方法进行分析，区别信号种类，并以小组形式在课堂中分享分析方法和结果。

选拔部分学生（约10名，其中包括2~3名成绩优异者）组建自主学习小组，提供进阶版讲解资料，涵盖小波变换思想的起源、算法、例题和应用等。学生在查阅资料后讨论、归纳和总结教学内容。

安排自主学习小组试讲，提出详细的修改意见，确保在正式授课前审核通过演讲PPT。

2.2 课堂教学环节

自主学习小组以团队形式（1~3人轮流）讲解小波变换的相关知识，包括历史背景、基础原理、计算方法和实际应用等，允许其他学生提问和交流，时间控制在20分钟以内。

组织学生讨论“小波变换与其他信号变换方法的异同”；对学生的发言进行点评，正确观点将在总结表格中标注，错误观点则温和指正，引导学生深入思考，确保最终得出正确结论；对于未揭晓的内容，逐一公布答案，针对性地解答学生的疑问，并进行总结分析。

以课前发布的心电信号为例，四个小组分别展示心电信号的分析方法与结果，讨论导致结果差异的原因和有效的解决方案。

利用重庆医科大学缙云校区智慧教室，现场演示如何利用MATLAB信号处理工具进行频谱分析，学生也可以通过改变参数和选择不同的小波基观察输出结果；指出频谱的差异，并探讨判断心电异常的方法与技巧。

在教学过程中适当融入思政元素，通过介绍小波变换的发展历程，着重阐述科学的辩证思维，提升学生的科学素养；在心电信号频谱对比过程中，从关心家人健康和心电仪器发展的角度，引导学生思考生物医学工程学科的人文关怀价值和他们的职业规划。

对小波变换的教学内容进行课堂总结。

2.3 课后复习环节

在超星平台发布3道复习选择题，涵盖小波变换的特点和频谱特征判断，旨在检验学习效果并巩固课堂教学的知识点；提供小波变换内容的思维导图，帮助学生梳理知识结构；分享课堂教学中使用的仿真程序，学生可以尝试分析其他医学信号，进一步强化技能；分享最新的研究进展论文，供有兴趣深入探究的学生自主学习。

3 教学效果评估

尽管在2022年受新冠疫情的影响，我们不得不采用线上教学模式，但近两年的教学效果令人鼓舞。学生制作的汇报PPT内容丰富、结合实际应用实例，呈现方式生动、形象，提高了内容的可理解性。课堂讨论环节气氛活跃，学生们积极参与，争先恐后地提出问题和分享见解。在期末的自主科研报告中，共有5名学生选择以小波变换为基础的方法，对医学信号（例如心电、超声成像回波信号等）进行分析和深入研究。为了评估教学效果，进行一次匿名的网络问卷调查。共回收有效问卷87份，调查结果详见表1。由于通过仿真软件，学生们可以更直观地了解信号处理效果，利于提升技能，所以满意程度最高。值得注意的是，2021级学生的问卷提交比例有所下降，这可能与恢复线下教学后，学生们的业余时间被各类活动占据，导致他们未能及时参与网络问卷调查有关。尽管如此，我们仍对教学效果和学生的参与度保持乐观态度，并将继续探索提升教学质量和学生参与度的有效策略。

4 讨论

4.1 数字教育背景下的教学改革既是趋势也是新的研讨方向

新时代背景下，教育工作者需要充分利用数字化赋能基础教育，在拓展教学时空、共享优质资源、优化课程内容、创新教学过程、激励自主学习、精准评价教学等方面发挥其独特的优势，促进教学更好地适应知识发展、素养形成与技能培养等新要求。教育数字化不仅仅是新型教与学的模式，更是我国教育理念的变革^［9］。教育数字化不是简单地将传统教育内容线上化或视频化，而是通过教学全过程中数据的采集、分析和应用，将传统经验性教学向以数据交互、信息评估为主的数字化教育转变，推动教育和学习活动无处不在、无时不有。教育工作者不仅需要掌握基本的教学内容，更需要精通数字信息工具，通过数字化的理念重新审视和指导教育教学过程的各个环节，以提高教学质量和效率^［10］。因材施教的个性化教育是未来教育的一个方向，需要依据每个学生的能力、潜力、创造力、愿望，以及学习进度等数据，为学生制订个性化学习方案。同时，平台分析不同学生的学习情况，借助学习过程中双向数据反馈进行教学过程的诊断与评价，引导教师针对性地指导学生。但这方面工作需要强力的技术支持，教育者与数字教学平台的工程师共同参与，相互了解教学需求与技术性能，最终有效实现该功能。教育数字化并非完全依靠数据和算法进行教育的全过程管理，各种教育软硬件的应用与数据技术的协同都是教学工具与手段，更重要的还是教学理念的变革。教育重点在于育人，在积极推动数字化教育发展中，更应重视师生面对面交流的课堂教育。教育教学的重点依然在课堂教学环节，落实立德树人、培养全面素质、提倡个性发展与增强学科交叉等方面，是教学改革的目标。

4.2 以提高教学质量与学生综合素质为目的的教学方法

重庆医科大学的“医学信号处理”课程共设48课时，其中，翻转课堂的安排建议控制在2~3节，以保持教学的平衡与时效。具体安排应由教学团队根据前期教学成效来决定。课程初期，应有意识地增加师生互动，逐步激活课堂气氛，提升学生的参与度。若教学反馈积极，学生表现出较高的积极性与热情，可适当增加翻转课堂的课时，但仍需要控制比例，避免过度依赖。研究表明，对于学习成绩优异的班级，如西安交通大学临床医学实验班^［11］，由于学生自主学习意愿强烈，翻转课堂的效果较好，可考虑适当增加。然而，鉴于中国多数学生长期受传统教学模式影响，习惯于密集的课程安排和严格的监管，骤然全面采用宽松的学习环境和新型教学模式，未必能取得预期效果。教学环境、方法和培养模式的改变是一个循序渐进的过程，不宜急功近利。同时，翻转课堂要求学生投入大量的时间进行自主学习和准备，建议避免与期中、期末考试或其他重要活动的时间冲突。在自主学习环节，虽然主导权在学生，但学生需具备强烈的内在动力、自觉性、出色的学习能力和口头表达能力。对于自律性较弱、未能及时完成课外学习任务的学生，课堂讲解仍应帮助他们掌握关键知识点。因此，教师在教学时采用传统授课模式（Lecture-based Learning，LBL），应尝试从不同的角度和更易懂的语言，深入浅出地阐述，而不能假设所有学生都已经理解课前学习内容。此外，在翻转课堂教学时，教师仍应扮演主导角色，密切关注学生的学习进展和状态，提供必要的指导，帮助学生攻克学习难点，确保教学活动的有效性。

翻转课堂与PBL教学法在教学理念上有着共性，它们均致力于培养学生的自主学习能力，并营造一个更加互动、以学生为中心的学习环境，以提高课堂时间的利用效率^［12］。这两种方法同样强调团队精神，促进学生在沟通、协调和合作方面的能力提升。在这样的教学模式下，教师的角色从单纯的知识传递者转变为学习过程的指导者和顾问，这一角色的转变要求教师接受额外的培训，并投入更多的时间和精力准备教学活动。通过课堂讨论，激发学生批判性的思维能力，为保证讨论的效果，教师需要具备更为高超的课堂管理技巧。尽管翻转课堂和PBL教学有相似之处，但它们之间存在显著差异。PBL更侧重于通过解决实际问题来促进学习，尤其适合医科和工科等应用性强的课程，而在单纯理论教学中的使用效果可能不佳。学生通过小组讨论和研究，学习如何分析问题、提出假设、验证假设，并最终找到解决方案。PBL教学有效地避免抽象的数学公式推导与原理方法讲解可能带来的枯燥，使学生深刻体会到解决实际问题的价值，从而促进对学科知识的理解和应用。然而，鉴于本科生的知识面有限，他们可能难以找到正确的信息和资源，因此教师必须提供基本的学习资料，并在前期课堂教学中逐步引导学生掌握科学的问题分析方法和逻辑辩证思维技能，以提升解决问题的能力。过于开放式和摸索式的教学可能导致学习效率低，增加学生负担，需要引起注意。问题设计对于PBL教学至关重要，需要教师反复思考，确保问题既在学生能力范围内，又具有一定的挑战性，遵循“跳一跳才能够得着”的原则。PBL作为补充手段可以融入本科教育，但也存在不足，如缺乏系统的知识讲解和不易把握教学重点等。教师应引导学生提出有深度、有质量的问题，这样的问答环节有助于激发学生的学习兴趣。同时，学生课前预习的懒惰和课后探索方向的错误都可能削弱PBL教学的优势。因此，教师对教学活动的掌控和引导至关重要。本次教学实践表明，通过采取适当的策略，可以在单节课中同时运用翻转课堂和PBL教学法，充分发挥两者的优势，以达到最大化的教学效果。结合中国教育现状，实现翻转课堂和PBL教学的本土化，以一种学生和教师都能接受的方式付诸实施，将为提升教学质量和效率开辟新的道路^［13］。

教学目标是课程设计的基石，只有正确的方向，才能达到预期的教学成效。教学方法和手段都为达成教学目标而服务的。教育的目的在于培养学生，而非仅仅传授知识。在以OBE为导向设计课程时，需要全面分析教学目标、内容、学情、重难点、时间安排和学习资源等多个方面。在此基础上，精心规划教学主线、知识点分布和能力培养等关键环节，并思考相应的教学策略、方法以及教学反馈和反思等^［14］。作为教育者，首先需要深入了解社会和国家对学生的需求与期望，将学生置于教育过程的中心位置，确保教育的实用性和针对性，而不仅仅是修满学分。其次，从预期的学习成果出发，细致设计授课内容和方法，明确每节课的教学目标、核心内容、重点、难点以及学生应达到的要求和掌握的技能，确保教学内容和评估始终围绕学习成果进行。可以利用在线平台（如超星学习通和雨课堂）的即时小测试工具，现场评估学生的学习效果，并据此灵活调整后续的教学进度和内容。最后，教学的目标不仅关注学生的专业技能，还需全面提升他们的综合素质。通过这样的教学设计和实践，我们可以培养出既具备专业能力又拥有全面素质的毕业生，更好地满足社会和国家的发展需求^［15］。

4.3 专业课程教学融入思政教育，增加学习趣味性，加强人文精神培养

在新医科教育建设的背景下，将思政元素巧妙地融入授课过程是教育改革的关键一环^［16］。通过多媒体手段讲述既富知识性又具趣味性的小故事，例如介绍与课程内容相关的历史典故或科学家的事迹，不仅能够激发学生的学习兴趣，避免理论教学的枯燥无味，同时也能让学生更深刻地理解数字信号处理的起源、发展脉络和未来趋势。这样的教学方式有助于学生领会科学家们的高尚情操和坚韧精神，培养他们的辩证唯物主义思维能力和意志力，以及深厚的爱国主义情怀。在传授知识的同时，应潜移默化地向学生传授逻辑思维与辩证分析的基本方法，鼓励他们发展创新和批判性思维，增强独立思考和解决问题的能力^［17］。激励学生运用科学的思维方法解决日常生活中的问题，并保持终身学习的态度与热情。在讲解专业知识的基础上，揭示科学的深层内涵及其人文价值，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。这些教学策略将使思政与专业知识教育更加紧密地结合，展现出更为广阔的视野和生动的活力，超越了单一的理论知识传授，实现了教育的深层次目标^［18］。

5 结语

随着时代的发展，提升教学成效迫切要求我们更新观念、与时俱进、转变思路。在医科大学，“医学信号处理”课程响应新医科建设的号召，针对生物医学工程学院本科学生的特点及专业培养目标，明确聚焦于增强学生的数字信号处理原理理解与医学领域应用能力。课程设计以OBE为核心，通过数字教学平台赋能基础教育。在课程设计中，以传统的LBL教学为基础，巧妙融合翻转课堂与PBL教学方法，旨在发挥多种教学法的优势，互补不足，以提高教学质量与效率，同时激发学生的自主学习能力与热情。在教学实践中，我们应迎合数字化教育改革的潮流，根据实际情况、历史教学经验，以及学生反馈，积极探索并创新出具有本学院特色的现代教学模式与方法。唯有在正确的教学理念和路线指导下，授课团队持续进行教学设计的反思和优化，灵活调整教学方法，及时更新教学内容，才能不断完善课程建设。探索适宜的教学新模式，科学合理地运用多样化的教学方法，是培养高素质人才的关键路径。然而，当前的教学探索尚处于初步阶段，样本量有限且集中于单节课的试点，因此其结论存在一定的局限性。我们期待这一教学模式能在更广泛的教学实践中得到应用，并对其可行性与有效性进行更深入、全面的评估。

参考文献

[1] 唐琳，归航，王辰.健康中国背景下新医科建设工作的再思考［J］.国家教育行政学院学报，2024，313（1）：51-57.

[2] 陈林.数字化转型赋能高等教育高质量发展：价值机理与推进策略［J］.教育学术月刊，2023（8）：95-103.

[3] 林岚，张柏雯，吴水才 ．现代医学信号处理课程中的实训培养［J］．中国现代教育装备，2018（5）：18-20．

[4] 张趁华，谢海鹤，傅磊，等 ．基于医工融合的生物医学信号处理应用型课程教学探索与实践［J］．教育教学论坛，2019（24）：138-140．

[5] 高克强，高凡.“生物医学信号处理”课程虚实结合实验教学改革［J］.教育教学论坛，2023（52）：62-65.

[6] CHAN M K， WANG C C， ARBAI A A B ．Development of dynamic OBE model to quantify student performance［J］．Computer Application in Engineering Education，2022，30（5）：1293-1306．

[7] 史小莲，陈莉娜，李冬玲，等.基于翻转课堂的药理学混合式教学为学生赋能的探索［J］.医学教育研究与实践，2023，31（5）：630-633.

[8] XU Z W， LIU N N， ZHANG J L，et al ．Application of symptom-based mind mapping combined with PBL teaching method in emergency trauma standardized resident training in MDT model［J］．Medicine，2022，101（38）：e30822．

[9] 刘邦奇，胡健，袁婷婷，等.教育数字基座赋能数字化转型：内涵、框架及典型场景［J］.开放教育研究，2023，29（6）：101-111.

[10] 黄凤兰，张铁辉 ．人工智能背景下医学教师的教学素养提升［J］．医学教育研究与实践，2023，31（1）：7-10．

[11] 侯妮，陈妍珂，胡晓岩，等 ．基于翻转课堂的TBL结合PBL模式的实验教学尝试［J］．基础医学教育，2021，23（6）：426-428．

[12] 李万军，孙志宏 ．基于翻转课堂下的概念图教学研究［J］．教学研究，2019，42（2）：72-75．

[13] 刘盈，张镖，王丽丽，等 ．基于翻转课堂-PBL的混合式“金课”教学：以“药物分析”为例［J］．化学教育，2020，41（20）：92-97．

[14] 王子云，任玮，耿妍.等 .以学生为中心、线上+线下的临床医学生“医学统计学”教学模式设计与应用评价［J］.医学教育研究与实践，2023，31（1）：54-59.

[15] 熊晖，田园，赵颖海，等 ．基于成果导向教育（OBE）理念的病理学实验课混合式教学设计与实践［J］．医学教育研究与实践，2023，31（6）：711-714．

[16] 喻罡，高燕华.新医科背景下医学教育思政案例库建设和实践［J］.中国医学教育技术，2021，35（5）： 579-582.

[17] 赵亚娥 ．辩证思维方法在人体寄生虫学教学中的应用［J］．医学教育研究与实践，2022，30（6）：741-744．

[18] 刘奕琳.推进专业课程开展思政教育的探索与思考［J］.学校党建与思想教育，2021（2）：81-83.

基金资助

重庆医科大学教育教学改革研究项目(JY20230310)