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生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)數(shù)字系統(tǒng)原理及課程設(shè)計
摘要：介紹了南通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)開展情況，討論了如何結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)特點，以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力，全面提升綜合素質(zhì)，提高教學(xué)質(zhì)量為教學(xué)目的，對數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計進行教學(xué)改革的探討．
關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；數(shù)字系統(tǒng)；課程設(shè)計
引言：
1.生物醫(yī)學(xué)工程是綜合生命科學(xué)和工程技術(shù)，理、工、醫(yī)相結(jié)合的一門邊緣交叉學(xué)科，是現(xiàn)代工程技術(shù)向生物、醫(yī)學(xué)滲透并相互作用的結(jié)果．其涉及的學(xué)科面廣，內(nèi)容包含生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生物材料、生物力學(xué)和生物化學(xué)等多個領(lǐng)域，是一門科技含量高，學(xué)科范圍廣、交叉程度深、應(yīng)用性很強的學(xué)科[1]．生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)主要培養(yǎng)復(fù)合型工程人才，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習能力、實踐能力以及分析問題和解決問題的能力[2]．
2.因此，在培養(yǎng)訓(xùn)練中必須加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中學(xué)習，提高實際動手能力，全面提升綜合素質(zhì)[3]．數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生而言是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是所有相關(guān)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)．由于該課程的工程特點，要求學(xué)生具備很強的實踐動手能力．數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計就是在數(shù)字系統(tǒng)理論知識的基礎(chǔ)上為學(xué)生開設(shè)的重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對鞏固學(xué)生所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習能力、組織協(xié)調(diào)能力、動手解決問題能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)起著重要作用．在課程設(shè)計過程中，如何結(jié)合專業(yè)特點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科研能力是重要的教學(xué)研究課題．
1課程設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀
1.1南通大學(xué)于2010年開始招收并承擔工程類生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的教育任務(wù)，由于專業(yè)成立時間短，教學(xué)體系還不完善，尚缺乏足夠的教學(xué)經(jīng)驗．目前，在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)方面，參照電子信息類專業(yè)在該課程設(shè)計的教學(xué)中采用的教學(xué)模式和方法．數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計共2周時間，是在理論和實驗課后開設(shè)的實踐環(huán)節(jié)，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(xué)生往往忙于復(fù)習考試，而不能全身心地投入到課程設(shè)計中，造成設(shè)計質(zhì)量下降．
1.2整個課程設(shè)計的教學(xué)過程一般分為4個階段：布置課程設(shè)計任務(wù)、學(xué)生查閱資料并進行電路設(shè)計、電路仿真與下載測試及撰寫課程設(shè)計報告．在設(shè)計任務(wù)方面，共提供5個題目供學(xué)生選擇：簡易電子琴、數(shù)字式秒表、數(shù)字式競賽搶答器、交通信號燈控制器和簡易數(shù)字頻率計．這些設(shè)計題目都屬于經(jīng)典的小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，有利于學(xué)生理解和應(yīng)用理論知識，通過設(shè)計可以使學(xué)生初步具備數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的能力．
1.3但由于選題相對單一，設(shè)計思想基本一致，學(xué)生大多使用較固定的幾款芯片，極大地限制了學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮，造成學(xué)生設(shè)計方案雷同，缺乏靈活性，在一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習的積極性，使課程設(shè)計教學(xué)模式處于被動教學(xué)的困境，也與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)需求有所差異．在設(shè)計過程中，學(xué)生一人一組，獨立完成整個課程設(shè)計．這種實施方法對于學(xué)生掌握整個數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的流程，培養(yǎng)獨立思考能力是有利的，但限制了學(xué)生間的交流合作．課程設(shè)計采用電子線路計算機輔助設(shè)計EDA手段，讓學(xué)生掌握運用EDA設(shè)計軟件QuartusII，進行電子線路的設(shè)計、仿真分析和下載調(diào)試，具體步驟為：先根據(jù)選題內(nèi)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(diào)試，進行驗證．這種使用EDA軟件結(jié)合實驗箱來完成設(shè)計驗證的優(yōu)點在于可以免去硬件電路的制作和調(diào)試等步驟，直接進行軟件設(shè)計．然而這樣的實驗方式也存在缺點，即學(xué)生在做完設(shè)計后只是掌握了軟件設(shè)計和調(diào)試的技巧，對實際硬件電路的設(shè)計和調(diào)試方法完全沒有了解．這種教學(xué)方式在一定程度上限制了學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)．
1.4由此可見，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計在當前的教學(xué)上有一定的優(yōu)勢，但也存在著一些局限．因此，需要迫切改革課程設(shè)計教學(xué)模式以提高課程設(shè)計質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字電路設(shè)計的實踐能力．
2整合優(yōu)化及設(shè)計新的教學(xué)內(nèi)容
針對目前生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容上出現(xiàn)的一些問題，提出了新的改革方案，在原有的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上采取多項措施加以整合優(yōu)化、推陳出新，從而有效地促進學(xué)生自主學(xué)習，著力培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)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(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計作為一門重要的實踐課程，必須與專業(yè)教學(xué)密切相關(guān)，其內(nèi)容應(yīng)該配合專業(yè)發(fā)展而設(shè)置，應(yīng)能夠適應(yīng)專業(yè)的發(fā)展．在選題方面，原有的課程設(shè)計選題僅有5個題目，過于單一，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，可以結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)特點拓展題目范圍，如增加數(shù)字溫度計、智能呼救系統(tǒng)等與生物醫(yī)學(xué)專業(yè)領(lǐng)域密切相關(guān)的題目供學(xué)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(shù)字等游戲電路，調(diào)動學(xué)生的積極性[4]．并且，為鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新思維，也可以在一部分學(xué)生中開展自主命題，由學(xué)生自己選題，設(shè)計實驗方案，經(jīng)指導(dǎo)教師審核通過后再進行電路設(shè)計及仿真測試[5]，這將極大地鍛煉學(xué)生的電路設(shè)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(shù)
為提高課程設(shè)計的教學(xué)質(zhì)量，必須積極優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，改善實驗技術(shù)．應(yīng)積極關(guān)注現(xiàn)代工程、生產(chǎn)實踐技術(shù)的時代背景，把先進的數(shù)字電子技術(shù)引入到數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生把握電子技術(shù)領(lǐng)域國際、國內(nèi)的最新發(fā)展動態(tài)和研究方向，開拓學(xué)生的視野．生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)中引入了EDA設(shè)計軟件QuartusII，進行電路的設(shè)計仿真和測試，使得數(shù)字電路的設(shè)計變得較為容易．此外，生物電子學(xué)系已引入了美國國家儀器公司（NI，NationalInstrument）電子學(xué)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(xué)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(xué)生可以高效、快速地進行電路分析和設(shè)計，并且方便地將測試結(jié)果和仿真結(jié)果加以比較．在數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計的課程設(shè)計中，也可以鼓勵有能力的學(xué)生選學(xué)NI平臺進行設(shè)計，實現(xiàn)多種實驗方式的交叉驗證，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動手能力，更能激發(fā)其對電子學(xué)實驗的興趣，進一步提高學(xué)生的電子電路設(shè)計、制作及創(chuàng)新綜合能力．
3改革教學(xué)形式和方法
3.1調(diào)整時間安排
在時間進度安排上，可以放在數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計理論和實驗課開設(shè)的下一個學(xué)期開學(xué)初集中進行，以避開期末考試的時間壓力，這樣可以給學(xué)生充足的時間完成課題，保證課程設(shè)計的質(zhì)量．也可以在理論課程開設(shè)的學(xué)期初就下發(fā)課程設(shè)計任務(wù)，給學(xué)生充足的時間進行選題、查找資料和設(shè)計方案，并在學(xué)習理論課的過程中根據(jù)理論知識不斷地調(diào)整和完善自己的方案．然后在學(xué)期結(jié)束前集中一周的時間進入實驗室進行方案實現(xiàn)與調(diào)試驗證，撰寫課程設(shè)計報告．
3.2開展多樣化的分組模式
在課程設(shè)計的實施過程中，可以按照原有的教學(xué)形式，一人一組獨立完成一個題目的設(shè)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(shè)計電路方案，制定電路和元器件選定，進行電路實現(xiàn)和調(diào)試，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生參與設(shè)計的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和團結(jié)協(xié)作的精神．實驗完畢后，要求每名學(xué)生及時總結(jié)設(shè)計和實驗過程中出現(xiàn)的問題、解決方法和設(shè)計體會，并每人提交一份課程設(shè)計報告，在報告中除了寫清整個設(shè)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(shè)計實踐教學(xué)成效的基本認定，同時也是調(diào)動學(xué)生積極性的重要手段．考核不單純是課程設(shè)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(dǎo)教師必須全面了解學(xué)生在整個課程設(shè)計過程中的表現(xiàn)，從單純的課程設(shè)計報告延伸到整個實踐過程．要隨時掌握學(xué)生的實踐情況，在記錄學(xué)生平時成績時，不僅看其實驗結(jié)果，還要注重督導(dǎo)基本操作技能，鼓勵他們多思考、多總結(jié)．在課程設(shè)計過程中增加與學(xué)生的互動交流，全面了解學(xué)生的綜合能力．目前，在實驗結(jié)果考核方面，電路的仿真測試是課程設(shè)計考核的主要內(nèi)容，這樣的考核方式只關(guān)注軟件的仿真結(jié)果，而沒有涉及到實際電路的制作，制約了學(xué)生實踐動手能力的發(fā)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(guī)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(fù)雜，制作可預(yù)見性較難的，可以只采用仿真的形式．
4結(jié)語
數(shù)字系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的實踐課程，需要在教學(xué)實踐工作中不斷地進行總結(jié)與探索，解決原有教學(xué)中存在的弊癥，彌補實驗內(nèi)容方面的不足，改善教學(xué)環(huán)境，更新實驗技術(shù)，拓寬學(xué)生的視野，提高學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)學(xué)習的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和自主思維能力．
參考文獻：
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