《生物醫學訊號處理》本科課程教學與改革探討
【摘 要】《生物醫學訊號處理》是生物醫學工程專業的一門主要的專業課程，文章透過分析該課程的特點，以及結合本專業該課程的實際情況，探討從課堂教學、實踐教學以及和其他專業課程聯合三個方面進行課程教學改革。
【關鍵詞】生物醫學工程；訊號處理；教學改革
生物醫學工程是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研究人體的結構、功能，並從工程角度解決防病、治病等問題的一門綜合性高技術學科。而生物醫學訊號處理是生物醫學工程的一個重要研究領域。
一、課程特點
生物醫學訊號處理是生物醫學工程專業的重要專業課程，在生命科學基礎研究、醫學診斷和臨床治療等方面均起著重要的作用，已成為國內外大多數生物醫學工程專業本科教學大綱中的專業基礎課程，它為學生進一步學習及開展科研工作奠定了基礎。該課程內容包含生物醫學訊號的測量、處理和定量描述；還有探測生物醫學訊號源，描述一個生物醫學物理系統的輸入與輸出訊號之間內在聯絡。透過這些內容的學習培養學生掌握生物訊號處理的基本原理、方法和發展趨勢，使學生具備獲取、處理和解釋生物醫學訊號的能力。該課程充分體現了生物醫學與工程學的交叉性，其綜合性、理論性和實驗性都很強，因此其教學過程對於培養學生運用工程技術手段解決生物醫學領域具體問題的能力具有重要意義。
從課程教學目標來看，目前講授該課程的國內外情況並無太大差異，即：使學生學會生物醫學訊號處理的基本理論和方法，能夠應用數字訊號處理技術對檢測到的心電、腦電和其他各類生理訊號進行處理，學會數字濾波器的設計。生物醫學訊號處理課程涉及到大量的定理、公式、變換以及演算法，與高等數學、複變函式、數理方程、模電等基礎課程密切相關。由於教學內容上涉及到大量的算法理論與公式推導，且具有一定的難度，因而對於生物醫學工程專業的學生來說，有些單調枯糙，理解起來也比較困難，因此該課程的課堂教學環節和實踐教學環節需不斷完善和改革，以期獲得較好的教學效果。
二、教學改革內容
（一）針對生物醫學訊號處理課程的特點，改進課堂教學的形式
作為一門重要的生物醫學工程學科專業課，生物醫學訊號處理隨著科學研究的發展也在不停的變化和發展，因此必須把講解經典方法和介紹最新發展動態結合起來。目前，課堂教學的內容主要有隨機訊號基礎、隨機訊號檢測、引數估計、功率譜估計、匹配濾波、維納濾波、自適應濾波，涉及面廣、數學公式多、理論概念抽象、實際應用知識較難掌握。為了充分調動學生的主動性，需採用各種教學手段克服學生的畏難情緒。首先，根據教學內容修改教學課件，調整理論推導與實際應用等內容的比例；另外在教學中更多地加入與MATLAB軟體的互動以及教學演示軟體的操作，讓學生能更好的掌握相關知識。
MATLAB是一個主要面對科學計算、視覺化以及互動式程式設計的計算環境，可以繪製函式和資料、實現演算法、建立使用者介面、連線其他程式語言的程式，在訊號處理與通訊、訊號檢測中發揮很大的作用。其豐富的可修改的函式庫也可給學生提供好的實踐空間。透過MATLAB軟體的呼叫可實現生醫訊號處理中常用的處理演算法的直觀化。教學課件中與MATLAB的互動主要採用函式呼叫的方式，簡潔明瞭，讓學生對各種演算法處理的效果有直觀的`認識；
另外還採用基於MATLAB的圖形使用者介面（GUI）編寫教學演示軟體，教師或學生透過與軟體介面的互動瞭解本課程中常見訊號處理演算法的功用，資料的匯入匯出，各種演算法的軟體實現方法等等，該軟體目前已初步成形，還在不斷改進和完善當中。
（二）改變實驗教學的形式
任何一門與實際技術技能相關的課程都需要實驗環節。實驗教學是現代高等教育中必不可少的重要環節。透過實驗，一方面可以加深學生對所學理論知識的理解和掌握，另一方面也是提高學生動手能力和將理論知識應用於實際問題的有效途徑。為了更好的掌握知識點，生醫訊號處理的實驗教學透過生醫課程設計的實踐環節來進行。根據教學內容設定了3-4個綜合的生理訊號處理的程式設計題目。如題目“心電訊號的QRS復波檢測”讓學生了解了心電訊號的特點，熟悉了低通、高通、帶通等濾波器的設計與計算機實現以及熟悉使用MIT/BIH資料庫；題目“維納-霍夫方程”讓學生對維納濾波的知識進行鞏固，熟悉其計算機實現，對尋找最小均方誤差意義下的最優濾波器有更深的認識，且能觀察維納濾波對一些不同的常見的生理訊號，如心電，腦電訊號的處理效果；題目“Yule-Walker方程”讓學生透過程式設計對實際生理訊號（例如腦電）建立AR模型，從而對引數模型法估計功率譜有了更深的瞭解，且對使用白噪聲驅動生成隨機訊號，腦電資料壓縮等方面也有了更直觀的感受。
生物醫學訊號處理課程設計內容設定多樣化，既涉及到生醫訊號處理課程中的主要內容，如訊號檢測、最佳線性濾波器設計、現代功率譜估計方法等；同時又對數字訊號處理的基本內容進行了複習和鞏固。除了上述內容之外，還進一步鍛鍊了學生程式設計的能力。還訓練了學生獲取生理訊號的能力，學生既可以利用實驗室現有的醫療儀器如心電圖機、腦電圖儀等獲取心電、腦電訊號，亦可透過MIT/BIH資料庫獲得所需的生理訊號。
在生物醫學訊號處理課程設計實踐教學環節中鼓勵學生共同完成實驗任務並有不同的成果展示。在團隊中每個學生擔任不同的角色並負責不同的分工任務，他們在完成實驗任務的同時也培養了團隊合作精神並使每個學生在團隊中充分發揮了自己的特長，體驗到自己的價值。因此，既可以鞏固所學理論知識，還可以提高學生動手能力和解決實際問題的能力。
（三）與其他相關課程聯合
生物醫學訊號處理是一門綜合性很強的課程，其流程為：生物醫學訊號及其特性→訊號採集→訊號處理→訊號的識別診斷，目前的教學內容主要注重後兩個環節，前兩個涉及較少。透過綜合實踐環節，如課程設計，將本課程與其他專業課程聯絡起來，使得學生對前兩個環節有較好的學習，從而對生物醫學訊號處理的整體流程有完整且深刻的理解。
如在課程設計中，所有的設計內容都涉及到了對生物醫學訊號及其特性的瞭解和訊號採集這兩個環節，學生利用生醫實驗室已有的裝置器件，如心電圖機、腦電圖儀、多道生理資料採集系統、感測器平臺獲取相應的生理訊號可實現對該兩個環節的知識的鞏固，同時也複習了《醫學儀器》、《生物醫學感測器》等專業課程的相關內容，將幾門專業課程聯絡成一體，使得專業學習更加的系統化。在畢業設計環節中更是經常涉及到生理訊號處理的完整系統流程，既提高了裝置的利用率，又鍛鍊了學生解決實際問題的能力。
三、結語
在生物醫學訊號處理的教學過程中，透過教學方式的不斷改革，使得學生能夠更加容易的理解和掌握專業知識，同時更多地結合實際應用，引入更多具體的生物醫學訊號處理例項，將真實世界與理論研究聯絡起來，從而達到使學生能學好這門課程，並培養其解決實際問題能力的目的。