生物医学传感器第二课堂教学的探索与实践
【摘 要】生物医学传感器是生物医学工程专业一门重要的专业基础课。在系统学习传感器的基础知识后，结合学科特色，以学生为主体，教师为主导，开展生物医学传感器综合应用与实践第二课堂。实践证明，这一课程有助于生物医学工程专业学生更好地巩固生物医学传感器的基础知识和基本技能，能够有效培养学生解决实际问题的能力，激发学生的创造力和自主学习能力。
【关键词】生物医学传感器；第二课堂；教学实践
21世纪是生命科学与医学的世纪，医学研究、临床医疗等离开了检测寸步难行，生物医学传感器是现代生物与医学发展的重要工具。《生物医学传感器》作为生物医学工程专业一门重要的专业基础课，属于各种专业技术交叉的边缘学科，是生物医学技术与微电子技术结合的纽带。课程要求学生了解各类生物医学测量技术中常用的物理、化学和生物传感器的构成原理、性能特点、测量电路等基础知识，掌握各种传感器在医学上的各种应用方法，为使学生将来在生物医电领域设计、研究出更好的医学电子产品打下坚实的基础[1]。因此，必须加强实验教学，才能提高学生的动手能力与专业水平。
然而，“内容丰富学时紧凑”的理论教学、“验证为主设计缺乏”的实验教学，且实验缺乏学科专业针对性，使得学生往往对生物医学传感器的临床实际应用和意义只停留在了解的层面上。因此，结合学科特点，以学生为主体，教师为主导，通过第二课堂教学，引导学生开展生物医学传感器综合应用实践，由学生自主选择测量的生理参数、优选传感器、设计测量电路、完成生理信号采集这一系列过程，对于提高学生对理论知识的应用能力以及独立创新能力具有非常积极的意义。
1 《生物医学传感器》课程教学的不足
根据生物医学专业和生理信号的特点，生物医学传感器的教学内容需要在了解典型人体生理信号产生机制和特征等相关医学基础知识上，学习生物医学传感器检测技术基础以掌握测量与数据分析、传感器的基本特性、传感器检测系统构成、常用的传感器敏感技术等基础知识，进而按照检测信号类型不同分别学习各种传统物理传感器、化学传感器的原理和测量电路，同时掌握一些典型的生物医学传感器在临床应用中的传感器结构、工作原理和应用系统构成（如应变式血压传感器、电磁式血流量计、多普勒超声流量计、呼吸监测器等）。此外，还补充了近年发展起来的一类新型的传感器——生物传感器的内容。由此可见，生物医学传感器课程融合了电子学、生理学、生物学、化学、物理学和信息学等相关学科，知识体系庞大，授课内容较多，而40学时的授课学时无法在理论知识与应用扩展上实现双赢，“内容丰富学时紧凑”的矛盾比较突出，特别是涉及到一些生物医学传感器的应用实例时，往往只能从传感器的基本结构和工作原理入手，对其测量电路和传感器性能的要求等具体问题则忽略，而这些恰恰是引导学生如何将理论知识应用于实际的关键环节。
在理论课程无法很好地学习生物医学传感器实际应用的情况下，实践课可作为一个巩固理论知识学习、提高实际应用能力的平台。本课程共安排八次实践课，由于实验室仪器设备的限制，具体内容多为验证性的实验，如对箔式应变片、扩散硅压阻式压力传感器、电容式传感器、温度传感器、磁电式传感器、光电传感器六类典型物理传感器的性能测试。这种以测量为主导的验证性实验，学生只要学会使用仪器设备和相关的应用软件，通过简单的重复操作就可轻松完成实验，虽然能起到一定的巩固理论知识的作用，但现成的黑箱子一般的仪器设备，学生不需扎实掌握相关仪器设备的组成和工作原理就能学会使用，不利于激发学生的主动性与开创性。尽管，我们在实践教学中加入了生物医学传感器检测中典型应用电路——移相器与相敏检波器实验，且采用问题解决式的教学方法，即让学生通过实验所观察的各电路模块的输入输出信号波形，分析移相器与相敏检波器的工作原理，但缺乏应用的纯原理探索难以引起学生的学习热情。而最后5学时的综合实验——设计传感器测量电路，由于实施时间临近期末，且学时紧，无法完成完整的应用系统设计，学生往往选择借助现成仪器，制作电子称、转速测量等简单应用，收效不大。因此，传统和死板的“验证为主设计缺乏”的 实验教学，学生的学习比较被动，不利于激发他们的学习兴趣。
2 第二课堂的目的与意义
鉴于目前课程中的这些问题，在课程学期的下一个学期开设生物医学传感器综合应用与实践第二课堂。第二课堂作为理论课堂的补充对培养学生的综合实践能力及科研能力有着积极的促进作用，研究型实验教学的实践表明，科学研究与实验教学结合有利于创新型人才培养[2]。这门课程系统地讲解生物医学检测应用系统设计、方案论证、电路焊接与调试、系统测试的全过程，教学中以学生为主体，教师为主导，引导学生从自己的兴趣点出发，通过融合已有的专业基础知识并查阅相关文献资料，针对一个具体的临床医学应用问题创造性地完成一项完整的课程设计，有助于培养和提高学生的逻辑思维能力、实践能力和创新意识等，从而提高学生的综合能力。同时，课程是在学生开始实习以及毕业设计的前一个学期进行的，对于学生实习工作的开展以及毕业设计的选题具有重要的意义。
3 教学内容及教学过程
生物医学传感器综合应用与实践第二课堂的开展分为四个环节，包括课程介绍、方案拟定、分组实施和成果汇报。首先，课程介绍为课堂讲授为主，主要向学生介绍第二课堂的开课目的、主要内容、实施方案、课程安排、考核方式。方案拟定环节，主要是让学员查阅文献，自由组合，选定各自开展的课题方向并撰写项目书；之后，由指导教员审核并论证课题，同时采购电烙铁、斜口钳等电工工具以及所需的电子元器件。分组实施环节是由各小组成员按项目书进行电路的制作、调试与功能实现，并开放实验室供学员根据实施进度自主增加和安排实施时间，每组由4名学生组成。在成果汇报环节，请相关专家教授对每组汇报的成果进行评审。
第一阶段，教学准备阶段。根据上一学期专业课《生物医学传感器原理与技术》课程授课情况，与教研室教学组成员讨论组织本次第二课堂的实施方案论证与申报，确定以“学员为主体，教员为主导，自主拟题，独立完成”的教学理念，目的是使学生了解生物医学工程专业科研的方法、思路和步骤，达到为后续的毕业设计和临床实习练兵的效果。同时，采购第二课堂所需的电工工具及电子元器件一批。
第二阶段，教学阶段+方案讨论。主要是介绍第二课堂教学内容、目的、实施方案，并讲解设计和制作传感器应用电路的步骤和相关注意事项，安排课程实施进度表。
方案讨论中，学生在开课前一周，通过复习之前教科书和所学的有关课程内容，然后到图书馆或网上查找相关参考资料，拟定项目名称和设计方案。然后教师审核提交的设计及实施方案是否具有一定科学合理性和可行性，并与学生沟通，提出修改意见，学生再对设计和方案进行修改。最终共确定四个选题：简易自平衡装置的设计与制作、实时全方位生命探测仪、红外测温仪的设计和声光控制灯电路设计。
第三阶段，分组实施阶段。确定课程设计方案后，学生按照方案，领取所需电子元器件和实验电路板，分组完成各项目的硬件电路焊接、制作和调试。
第四阶段，验收与考核阶段。由每组代表学生进行5分钟的PPT答辩和成果展示，并接受评审专家的质疑。图1为学生自主选题并设计的基于红外热释电的实时全方位生命探测仪的电路测试照片。
图1 实时全方位生命探测仪的电路测试
4 教学体会
生物医学传感器综合应用与实践第二课堂，教学形式灵活，教学内容新颖，很大程度上激发了学生学习的兴趣和积极性；在前期准备阶段，学生通过自主查阅文献，撰写项目实施方案，培养了学生文献调研和整理能力；在教师授课阶段，学生做到边听课边思考，积极提问和互动；在分组实施阶段，学员能合理分工，相互合协作，积极完成项目内容和实验报告，培养了学生团结协作精神和发现问题、解决问题的能力；在成果汇报阶段，学生通过制作逻辑清晰的精美PPT很好地展示了最终成果，培养了学生的逻辑思维和口头表达能力。尽管，有些作品还不够完善，但通过第二课堂授课老师的引导和整个实施过程，提高了学生汲取课外知识的能力，解决问题的实际动手能力和科研能力。
5 存在的问题与展望
当然，根据实际授课、与学生交流的情况以及专家的意见，第二课堂也存在一些不足。首先是在学生自拟方案时，应给学生把好关，注重选题内容的合理性、完整性和可行性，项目不宜过大，难度适中，能让学生通过小组分工合作，在规定的时间内制作完成，这样不会使学生产生挫败感，极大地提高学生的成就感，激发其对后期实习和毕业设计的学习兴趣。其次，是由于本专业至今尚未开设单片机课程，相应的配套实验室也未建成，因此缺少单片机开发系统供学生学习和使用，无法满足数字化传感器应用系统设计的需求。最后，在指导学生的过程中，应该及时掌握各组完成情况，积极与学生沟通，帮助学生解决实施过程中遇到的难题，以保障项目的顺利完成。为此，在接下来的第二课堂的教学活动中，应添置单片机开发系统，满足学生开展数字化应用系统设计的需求；构建并验证心电、脉搏、血压等典型生理信号应用系统设计库，在确保能完成基本信号采集功能基础上方便学生进行方案改进；建立历届学生的优秀作品展览，激发更多学生的学习兴趣和参与积极性。通过第二课堂完成传感器综合应用与实践的系统培训，对更好地巩固生物医学传感器的基础知识和基本技能、有效培养学生解决实际问题的能力、激发学生的创造力和自主学习能力大有裨益，对于培养生物医学工程专业复合型的实用人才具有重要的意义。
【参考文献】
[1]胡晓飞，曹正林，王俊.信息时代 生物医学传感器课程教改探索[J].湖州职业技术学院学报，2011，1：18-21.
[2]时连君.实验室开放与创新型人才培养[J].实验室研究与探索，2009，28（6）：11-13.
[责任编辑：周娜]
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