生物醫學工程專業數字系統原理與課程設計

生物醫學工程專業數字系統原理與課程設計

　　結合生物醫學工程專業學生的特點，以培養醫科大學生動手能力和分析解決實際問題能力為教學目的，對“模擬電子技術”課程設計進行了教學實踐的改革。下面是小編搜集整理的生物醫學工程專業數字系統原理與課程設計的論文，歡迎大家閱讀參考。

　　摘要：介紹了南通大學生物醫學工程專業數字系統原理與設計課程設計的教學開展情況，討論了如何結合生物醫學工程的專業特點，以培養學生實踐動手能力，全面提升綜合素質，提高教學質量為教學目的，對數字系統原理與設計課程設計進行教學改革的探討.

　　關鍵詞：生物醫學工程;數字系統;課程設計

　　引言

　　1.生物醫學工程是綜合生命科學和工程技術，理、工、醫相結合的一門邊緣交叉學科，是現代工程技術向生物、醫學滲透并相互作用的結果.其涉及的學科面廣，內容包含生物醫學電子學、生物材料、生物力學和生物化學等多個領域，是一門科技含量高，學科范圍廣、交叉程度深、應用性很強的學科[1].生物醫學工程專業主要培養復合型工程人才，強調培養學生自主學習能力、實踐能力以及分析問題和解決問題的能力[2].因此，在培養訓練中必須加強實踐教學環節，引導學生在實踐中學習，提高實際動手能力，全面提升綜合素質[3].

　　2.數字系統原理與設計課程對于生物醫學工程專業的學生而言是非常重要的專業基礎課程，它是所有相關后續專業課程的基礎.由于該課程的工程特點，要求學生具備很強的實踐動手能力.數字系統原理與設計課程設計就是在數字系統理論知識的基礎上為學生開設的重要的實踐性教學環節，對鞏固學生所學的理論基礎知識，培養學生自主學習能力、組織協調能力、動手解決問題能力，鍛煉學生的創新精神，全面提高學生的綜合素質起著重要作用.在課程設計過程中，如何結合專業特點培養學生的創新意識和科研能力是重要的教學研究課題.

　　一、課程設計的教學現狀

　　1.1南通大學于2010年開始招收并承擔工程類生物醫學工程專業本科學生的教育任務，由于專業成立時間短，教學體系還不完善，尚缺乏足夠的教學經驗.目前，在生物醫學工程專業數字系統原理與設計課程設計的教學方面，參照電子信息類專業在該課程設計的教學中采用的教學模式和方法.數字系統原理與設計課程設計共2周時間，是在理論和實驗課后開設的實踐環節，時間安排在期末，這就造成了與前期安排的期末考試時間有所重疊，因此學生往往忙于復習考試，而不能全身心地投入到課程設計中，造成設計質量下降.整個課程設計的教學過程一般分為4個階段：布置課程設計任務、學生查閱資料并進行電路設計、電路仿真與下載測試及撰寫課程設計報告.在設計任務方面，共提供5個題目供學生選擇：簡易電子琴、數字式秒表、數字式競賽搶答器、交通信號燈控制器和簡易數字頻率計.

　　1.2這些設計題目都屬于經典的小規模數字系統設計，有利于學生理解和應用理論知識，通過設計可以使學生初步具備數字系統設計的能力.但由于選題相對單一，設計思想基本一致，學生大多使用較固定的幾款芯片，極大地限制了學生創造性的發揮，造成學生設計方案雷同，缺乏靈活性，在一定程度上影響了學生學習的積極性，使課程設計教學模式處于被動教學的困境，也與生物醫學工程專業的教學需求有所差異.在設計過程中，學生一人一組，獨立完成整個課程設計.

　　1.3這種實施方法對于學生掌握整個數字系統設計的流程，培養獨立思考能力是有利的，但限制了學生間的交流合作.課程設計采用電子線路計算機輔助設計EDA手段，讓學生掌握運用EDA設計軟件QuartusII，進行電子線路的設計、仿真分析和下載調試，具體步驟為：先根據選題內容畫電路圖或編寫VerilogHDL程序，并進行仿真，然后參照EDA實驗箱GW48的使用說明進行管腳鎖定，最后下載調試，進行驗證.這種使用EDA軟件結合實驗箱來完成設計驗證的優點在于可以免去硬件電路的制作和調試等步驟，直接進行軟件設計.然而這樣的實驗方式也存在缺點，即學生在做完設計后只是掌握了軟件設計和調試的技巧，對實際硬件電路的設計和調試方法完全沒有了解.這種教學方式在一定程度上限制了學生實踐動手能力的培養.由此可見，生物醫學工程專業數字系統原理與設計課程設計在當前的教學上有一定的優勢，但也存在著一些局限.因此，需要迫切改革課程設計教學模式以提高課程設計質量，培養學生數字電路設計的實踐能力.

　　二、整合優化及設計新的教學內容

　　針對目前生物醫學工程專業在數字系統原理與設計課程設計教學內容上出現的一些問題，提出了新的改革方案，在原有的教學內容基礎上采取多項措施加以整合優化、推陳出新，從而有效地促進學生自主學習，著力培養學生的電路設計能力以及分析問題和解決實際問題的能力.

　　2.1重編選題

　　數字系統原理與設計課程設計作為一門重要的實踐課程，必須與專業教學密切相關，其內容應該配合專業發展而設置，應能夠適應專業的發展.在選題方面，原有的課程設計選題僅有5個題目，過于單一，為激發學生的學習興趣，可以結合生物醫學工程的專業特點拓展題目范圍，如增加數字溫度計、智能呼救系統等與生物醫學專業領域密切相關的題目供學生選擇，也可以添加一些富有趣味性和實用性的電路，如打地鼠、打磚頭和猜數字等游戲電路，調動學生的積極性[4].并且，為鼓勵學生的創新思維，也可以在一部分學生中開展自主命題，由學生自己選題，設計實驗方案，經指導教師審核通過后再進行電路設計及仿真測試[5]，這將極大地鍛煉學生的電路設計能力以及分析問題和解決問題的能力.

　　2.2與時俱進，更新實驗技術

　　為提高課程設計的教學質量，必須積極優化教學環境，改善實驗技術.應積極關注現代工程、生產實踐技術的時代背景，把先進的數字電子技術引入到數字系統原理與設計課程設計的教學環節，使學生把握電子技術領域國際、國內的最新發展動態和研究方向，開拓學生的視野.生物醫學工程專業在數字系統原理與設計課程設計的教學中引入了EDA設計軟件QuartusII，進行電路的設計仿真和測試，使得數字電路的設計變得較為容易.此外，生物電子學系已引入了美國國家儀器公司(NI，NationalInstrument)電子學教育平臺，它是一個將硬件和軟件組合成一體的完整的虛擬儀器實驗教學套件，集成了多個實驗室常有的通用儀器的功能，通過NI平臺，學生可以高效、快速地進行電路分析和設計，并且方便地將測試結果和仿真結果加以比較.在數字系統原理與設計的課程設計中，也可以鼓勵有能力的學生選學NI平臺進行設計，實現多種實驗方式的交叉驗證，這不僅能培養學生的創新思維能力和動手能力，更能激發其對電子學實驗的興趣，進一步提高學生的電子電路設計、制作及創新綜合能力.

　　三、改革教學形式和方法

　　3.1調整時間安排

　　在時間進度安排上，可以放在數字系統原理與設計理論和實驗課開設的下一個學期開學初集中進行，以避開期末考試的時間壓力，這樣可以給學生充足的時間完成課題，保證課程設計的質量.也可以在理論課程開設的學期初就下發課程設計任務，給學生充足的時間進行選題、查找資料和設計方案，并在學習理論課的過程中根據理論知識不斷地調整和完善自己的方案.然后在學期結束前集中一周的時間進入實驗室進行方案實現與調試驗證，撰寫課程設計報告.

　　3.2開展多樣化的分組模式

　　在課程設計的實施過程中，可以按照原有的教學形式，一人一組獨立完成一個題目的設計.但在某些綜合性較強的題目上也可以開展多人一組的小組模式，共同討論并設計電路方案，制定電路和元器件選定，進行電路實現和調試，這樣可以充分調動學生參與設計的積極性，培養學生的動手能力和團結協作的精神.實驗完畢后，要求每名學生及時總結設計和實驗過程中出現的問題、解決方法和設計體會，并每人提交一份課程設計報告，在報告中除了寫清整個設計的實驗流程，還要求重點突出自己承擔的實驗部分.

　　3.3改革考核方式，增強考核靈活性

　　成績考核是對課程設計實踐教學成效的基本認定，同時也是調動學生積極性的重要手段.考核不單純是課程設計報告的書面成績考核，更是理論與技能的綜合考評.因此，指導教師必須全面了解學生在整個課程設計過程中的表現，從單純的課程設計報告延伸到整個實踐過程.要隨時掌握學生的實踐情況，在記錄學生平時成績時，不僅看其實驗結果，還要注重督導基本操作技能，鼓勵他們多思考、多總結.在課程設計過程中增加與學生的互動交流，全面了解學生的綜合能力.目前，在實驗結果考核方面，電路的仿真測試是課程設計考核的主要內容，這樣的考核方式只關注軟件的仿真結果，而沒有涉及到實際電路的制作，制約了學生實踐動手能力的發揮.因此，可以考慮引入仿真與實物電路制作并行的考核方式.對于電路規模較小、制作較為容易的，可以要求增加實物制作;而電路原理較為復雜，制作可預見性較難的，可以只采用仿真的形式.

　　結語

　　數字系統原理與設計課程設計是生物醫學工程專業學生的一門重要的實踐課程，需要在教學實踐工作中不斷地進行總結與探索，解決原有教學中存在的弊癥，彌補實驗內容方面的不足，改善教學環境，更新實驗技術，拓寬學生的視野，提高學生對數字系統學習的興趣，培養學生的動手能力和自主思維能力.

　　參考文獻：

　　[1]王光利，代小紅.高校生物醫學工程專業若干問題的探討[J].醫學教育探索，2010，9(4)：454-456

　　[2]陳俊梅，李文洪，周晉陽，等.生物醫學工程電子學實驗教學改革[J].實驗科學與技術，2010，8(2)：129-130

　　[3]寧旭，金貴，許佳，等.生物醫學工程專業電子信息類課程實踐教學體系的探索[J].現代醫藥衛生，2011，27(22)：3512-3513

　　[4]郭淑艷，余學飛.生物醫學工程專業開展綜合設計性實驗的探討[J].中國醫療設備，2009，24(5)：68-70

　　[5]丁則信，黃正瑾.“數字系統課程設計”自主命題新教學方法的實踐[J].實驗技術與管理，2007，24(12)：147-148

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