本文作者：胡曉飛 曹正林 王俊 單位：南京郵電大學地理與生物信息學院

《生物醫學傳感器》是生物醫學工程專業一門重要的專業基礎課,屬于各種專業技術交叉的邊緣學科,是生物醫學技術與微電子技術結合的紐帶。課程要求學生了解各類生物醫學測量技術中常用的物理、化學和生物傳感器的構成原理、性能特點等各種基礎知識,掌握各種傳感器在醫學上的各項應用方法,為使學生將來在生物醫電領域設計、研究出更好的醫電產品打下堅實的基礎。生物醫學工程專業是南京郵電大學近年新設立的專業,專業課程的建設剛剛起步,而國內外有些高校開設的《生物醫學傳感器》課程已經建設成為精品課程,而且建立了課程的教學網站,因此,南京郵電大學本課程的建設與國內外其他開設本專業的高校相比還存在一定的差距。現階段,保證專業課的教學質量和教學水平、體現課程的特色是教學的首要任務。本文首先分析了南京郵電大學的特色和課程的特點,結合南京郵電大學開拓信息學科的新領域的辦學思路,提出教學內容的改革,在教學內容上體現電子信息的特色;結合本專業在信息時代和信息環境下的發展背景,提出引導式教學方法。把上述方法應用于2006級生物醫學工程專業《生物醫學傳感器》課程的教學,取得了較好的效果。

一、課程建設的背景和現狀

南京郵電大學是信息類高校,信號與信息處理是南京郵電大學的強勢學科。在這樣的背景下開設《生物醫學傳感器》課程結合了南京郵電大學在信息與電子技術的傳統,開拓信息學科新領域的辦學思路。課程授課總學時數為48學時,其中含6學時課內實驗。本課程具有以下幾個特點:首先,課程涉及到的基礎知識面寬廣,包括物理、化學、生物、電子電路等多方面的知識,需要在掌握電路基礎、模擬電子線路、數字電路、微機原理、數字信號處理、程序設計、工程生理學等課程知識的基礎上進行學習。其次,課程本身的內容與南京郵電大學的強勢學科信號與信息處理的關系不是十分密切,而南郵是信息類的高校,專業培養目標定位在“適應生物醫學及信息產業發展的需要”,以及“開拓信息學科的新領域”的辦學思路上,需要使課程的教學內容及信號與信息處理學科的研究內容緊密結合。再次,課程開設的時間在大四上學期,此時學生的目標更加明確,就是尋求更好的就業機會或深造機會,因此在教學中需要結合實際情況和學生的需求,適當調整教學內容和教學方法。最后,本課程和工程應用緊密結合,很多生物醫學傳感器產品已經非常成熟,一批實力強勁的醫療儀器企業正在蓬勃發展,所以,教學內容應與工程實際相結合,突出應用性。根據上述的課程特點進行相應的教學內容和教學方法改革,在保證教學質量和教學水平的前提下,以培養學生創新精神、提高學生綜合能力和就業能力為重點,建立體現電子信息特色的《生物醫學傳感器》課程新的教學體系,力求課程質量和教學質量上一個新臺階。

二、信息類高校環境下本課程的教學內容設置

南京郵電大學是信息類高校,又處于信息時代,本專業大部分學生對通信和電子信息有著濃厚的興趣,在傳感器、電子信息、生物醫學工程之間建立聯系,既能夠拓寬學生的知識面,又能激發學生的學習熱情。在教學內容的設置上,首先應該保證教學大綱中制定的基本教學內容,然后在此基礎上引入信號與信息處理學科相關的內容作為知識講座,這部分內容總的授課學時數不超過2學時,主要集中在無線體域網、生物識別與信息安全、生物芯片與生物信息學等幾個方面。

(一)生物醫學傳感器與無線體域網[1](P1-16)[2](P33-34)

無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork,WSN)是當今無線通信領域的研究熱點,無線體域網(WirelessBodyAreaNetwork,WBAN)就是以人體為中心,由和人體相關的網絡元素(包括個人終端,分布在人身體上、衣物上、人體周圍一定距離范圍如2米內、甚至人身體內部的傳感器、組網設備)等組成的通信網絡,是一種特殊的無線傳感器網絡。無線體域網的一個重要應用就是用于人體健康狀況的監控,如監測血壓、心律、體溫、運動速度等參數,測量這些參數所涉及的壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器等都是《生物醫學傳感器》課程的重要內容,把這部分內容作為知識講座可以拓寬學生的知識面,激發學生的學習興趣,對鞏固課程的理論知識起到積極的作用。

(二)生物醫學傳感器與生物識別技術[3](B20)

生物識別技術(BiometricIdentificationTechnology)是指利用人體生物特征或行為特征進行身份認證的技術。生理特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網膜、脈搏、耳廓等,行為特征有簽字、聲音、按鍵力度、步態特征等。大部分的生物特征都是通過光學傳感器如CCD或CMOS形成圖像信號,例如人臉、指紋、虹膜、掌紋、手形、靜脈等(也有用半導體電容式傳感器獲得指紋圖像),隨后進行特征提取和分析比對,因此生物識別技術也是傳感器、信息處理與生物醫學工程的結合點之一。

(三)生物醫學傳感器與生物芯片、生物信息學[4](P209-213)

人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能,只有知道其功能才能真正體現HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。生物信息學將在其中扮演至關重要的角色。生物芯片技術就是為實現這一環節而建立的,生物芯片是生物傳感器的陣列和集成化,使對個體生物信息進行高速、并行采集和分析成為可能,必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺,成為基因組信息學研究的主要技術支撐。簡言之,生物芯片是生物信息學的主要技術支撐和操作平臺,而生物信息學的研究又與信息科學的研究領域息息相關,因此,把生物芯片和生物信息學作為《生物醫學傳感器》課程與電子信息領域的第三個結合點。

上述三個內容就是本課程為體現“適應生物醫學及信息產業發展的需要”的專業培養目標,以及“開拓信息學科的新領域”的辦學思路而設置的體現信息環境下本課程教學特色的教學內容。

三、引導式教學方法的嘗試

授課對象是即將步入社會或繼續深造的生物醫學工程專業學生,雖然同樣是信息類高校的學生,他們的就業機會和出路遠不如南京郵電大學的熱門專業,而且大學教育更強調的是素質教育和創新型人才的培養[5](P43-45),因此尋求合適的教學方法顯得至關重要。在教學過程中,除了采用目前普遍使用的現代化教學手段,如多媒體動畫和網絡課件以外[6](P98-99),在教學方法上嘗試采用引導式教學,引導學生注重學習能力、綜合能力和就業能力的提高,引導學生注重創業能力的培養,引導學生關注生物醫學傳感器發展的前沿動態。