2021-4-9 | 生物医学论文
本文作者：胡晓飞 曹正林 王俊 单位：南京邮电大学地理与生物信息学院
《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,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、性能特点等各种基础知识,掌握各种传感器在医学上的各项应用方法,为使学生将来在生物医电领域设计、研究出更好的医电产品打下坚实的基础。生物医学工程专业是南京邮电大学近年新设立的专业,专业课程的建设刚刚起步,而国内外有些高校开设的《生物医学传感器》课程已经建设成为精品课程,而且建立了课程的教学网站,因此,南京邮电大学本课程的建设与国内外其他开设本专业的高校相比还存在一定的差距。现阶段,保证专业课的教学质量和教学水平、体现课程的特色是教学的首要任务。本文首先分析了南京邮电大学的特色和课程的特点,结合南京邮电大学开拓信息学科的新领域的办学思路,提出教学内容的改革,在教学内容上体现电子信息的特色;结合本专业在信息时代和信息环境下的发展背景,提出引导式教学方法。把上述方法应用于2006级生物医学工程专业《生物医学传感器》课程的教学,取得了较好的效果。
一、课程建设的背景和现状
南京邮电大学是信息类高校,信号与信息处理是南京邮电大学的强势学科。在这样的背景下开设《生物医学传感器》课程结合了南京邮电大学在信息与电子技术的传统,开拓信息学科新领域的办学思路。课程授课总学时数为48学时,其中含6学时课内实验。本课程具有以下几个特点:首先,课程涉及到的基础知识面宽广,包括物理、化学、生物、电子电路等多方面的知识,需要在掌握电路基础、模拟电子线路、数字电路、微机原理、数字信号处理、程序设计、工程生理学等课程知识的基础上进行学习。其次,课程本身的内容与南京邮电大学的强势学科信号与信息处理的关系不是十分密切,而南邮是信息类的高校,专业培养目标定位在“适应生物医学及信息产业发展的需要”,以及“开拓信息学科的新领域”的办学思路上,需要使课程的教学内容及信号与信息处理学科的研究内容紧密结合。再次,课程开设的时间在大四上学期,此时学生的目标更加明确,就是寻求更好的就业机会或深造机会,因此在教学中需要结合实际情况和学生的需求,适当调整教学内容和教学方法。最后,本课程和工程应用紧密结合,很多生物医学传感器产品已经非常成熟,一批实力强劲的医疗仪器企业正在蓬勃发展,所以,教学内容应与工程实际相结合,突出应用性。根据上述的课程特点进行相应的教学内容和教学方法改革,在保证教学质量和教学水平的前提下,以培养学生创新精神、提高学生综合能力和就业能力为重点,建立体现电子信息特色的《生物医学传感器》课程新的教学体系,力求课程质量和教学质量上一个新台阶。
二、信息类高校环境下本课程的教学内容设置
南京邮电大学是信息类高校,又处于信息时代,本专业大部分学生对通信和电子信息有着浓厚的兴趣,在传感器、电子信息、生物医学工程之间建立联系,既能够拓宽学生的知识面,又能激发学生的学习热情。在教学内容的设置上,首先应该保证教学大纲中制定的基本教学内容,然后在此基础上引入信号与信息处理学科相关的内容作为知识讲座,这部分内容总的授课学时数不超过2学时,主要集中在无线体域网、生物识别与信息安全、生物芯片与生物信息学等几个方面。
(一)生物医学传感器与无线体域网[1](P1-16)[2](P33-34)
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是当今无线通信领域的研究热点,无线体域网(WirelessBodyAreaNetwork,WBAN)就是以人体为中心,由和人体相关的网络元素(包括个人终端,分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如2米内、甚至人身体内部的传感器、组网设备)等组成的通信网络,是一种特殊的无线传感器网络。无线体域网的一个重要应用就是用于人体健康状况的监控,如监测血压、心律、体温、运动速度等参数,测量这些参数所涉及的压力传感器、加速度传感器、温度传感器等都是《生物医学传感器》课程的重要内容,把这部分内容作为知识讲座可以拓宽学生的知识面,激发学生的学习兴趣,对巩固课程的理论知识起到积极的作用。
(二)生物医学传感器与生物识别技术[3](B20)
生物识别技术(BiometricIdentificationTechnology)是指利用人体生物特征或行为特征进行身份认证的技术。生理特征有手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等,行为特征有签字、声音、按键力度、步态特征等。大部分的生物特征都是通过光学传感器如CCD或CMOS形成图像信号,例如人脸、指纹、虹膜、掌纹、手形、静脉等(也有用半导体电容式传感器获得指纹图像),随后进行特征提取和分析比对,因此生物识别技术也是传感器、信息处理与生物医学工程的结合点之一。
(三)生物医学传感器与生物芯片、生物信息学[4](P209-213)
人类基因组计划(HumanGenomeProject,HGP)是人类为了认识自己而进行的一项伟大而影响深远的研究计划。目前的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能,只有知道其功能才能真正体现HGP计划的价值--破译人类基因这部天书。生物信息学将在其中扮演至关重要的角色。生物芯片技术就是为实现这一环节而建立的,生物芯片是生物传感器的阵列和集成化,使对个体生物信息进行高速、并行采集和分析成为可能,必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台,成为基因组信息学研究的主要技术支撑。简言之,生物芯片是生物信息学的主要技术支撑和操作平台,而生物信息学的研究又与信息科学的研究领域息息相关,因此,把生物芯片和生物信息学作为《生物医学传感器》课程与电子信息领域的第三个结合点。
上述三个内容就是本课程为体现“适应生物医学及信息产业发展的需要”的专业培养目标,以及“开拓信息学科的新领域”的办学思路而设置的体现信息环境下本课程教学特色的教学内容。
三、引导式教学方法的尝试
授课对象是即将步入社会或继续深造的生物医学工程专业学生,虽然同样是信息类高校的学生,他们的就业机会和出路远不如南京邮电大学的热门专业,而且大学教育更强调的是素质教育和创新型人才的培养[5](P43-45),因此寻求合适的教学方法显得至关重要。在教学过程中,除了采用目前普遍使用的现代化教学手段,如多媒体动画和网络课件以外[6](P98-99),在教学方法上尝试采用引导式教学,引导学生注重学习能力、综合能力和就业能力的提高,引导学生注重创业能力的培养,引导学生关注生物医学传感器发展的前沿动态。