數(shù)字信號實驗教學(xué)設(shè)計研究

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摘要：以數(shù)字信號處理課程實驗教學(xué)為切入點，分析探究性學(xué)習(xí)在其教學(xué)中的應(yīng)用效果。通過基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合提高、拓展創(chuàng)新3個層次的實驗環(huán)節(jié)促進理論教學(xué)，從電生理信號處理的醫(yī)學(xué)應(yīng)用角度出發(fā)，促進學(xué)生理解，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；實驗教學(xué)；教學(xué)設(shè)計

數(shù)字信號處理是針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生開設(shè)的一門重要專業(yè)課程，主要介紹數(shù)字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)。該課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生思維能力和綜合應(yīng)用知識解決數(shù)字化工程問題的能力，并為進一步學(xué)習(xí)有關(guān)生物醫(yī)學(xué)信息處理方面的課程打下良好基礎(chǔ)。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生完成該課程理論學(xué)習(xí)后，面對實際問題還是無從下手，例如，不能理解抽樣的意義以及FFT算法，不知如何設(shè)計IIR和FIR數(shù)字濾波器，不清楚如何處理電生理信號，這都不利于學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法和設(shè)計流程。因此，要進行基于醫(yī)工結(jié)合的實驗教學(xué)設(shè)計，理實融合引導(dǎo)學(xué)生掌握數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容[1-2]。根據(jù)教育部“六卓越一拔尖”計劃以及《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函[2017]6號）等文件精神，貫穿“智能醫(yī)療”宗旨，對數(shù)字信號處理課程進行探究性實驗教學(xué)設(shè)計，補充智能醫(yī)學(xué)信號處理實驗內(nèi)容[3-4]，探索融知識傳授、能力進階、職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)為一體的實驗教學(xué)方案，實現(xiàn)以“教”為主向以“學(xué)”和“練”為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生興趣和潛能，增加學(xué)生實戰(zhàn)信號處理體驗。使學(xué)生在數(shù)字化醫(yī)療實踐中完成從基礎(chǔ)理論到綜合提高的過渡、從書本知識到拓展創(chuàng)新的實現(xiàn)、從典型信號到醫(yī)學(xué)信號的應(yīng)用。

1教學(xué)內(nèi)容

以問題為導(dǎo)向進行學(xué)習(xí)，針對課程內(nèi)容設(shè)計了6個實驗項目（見圖1），分別為連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原、快速傅里葉變換FFT、濾波器設(shè)計及實現(xiàn)、心電信號實驗、血氧信號實驗和便攜式腦電信號處理實驗。所有實驗項目均在硬件平臺上完成。學(xué)生分組練習(xí)，在項目任務(wù)引導(dǎo)下拓展提高、交流討論，既可以在硬件平臺上實驗，也可以自行設(shè)計信號處理算法，完成智能分析與控制。1.1基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗內(nèi)容設(shè)計。基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗內(nèi)容是從理論教學(xué)內(nèi)容中提煉的重點，指導(dǎo)學(xué)生在實驗的同時，利用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)對連續(xù)時間信號的處理，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，利用數(shù)字技術(shù)對其進行加工[2，5-6]。（1）連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原。采樣是從連續(xù)到離散的橋梁，主要分析時域采樣對信號頻譜產(chǎn)生的影響及不失真條件。我們設(shè)計了連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原實驗（見圖2），以使學(xué)生掌握從連續(xù)到離散信號處理的采樣原理。（2）快速傅里葉變換FFT。按時間抽取的基-2FFT算法，加深學(xué)生對離散傅里葉變換定義和基本性質(zhì)的理解，學(xué)會計算離散傅里葉變換，實驗內(nèi)容如圖3。（3）濾波器設(shè)計及實現(xiàn)。通過實驗使學(xué)生掌握巴特沃斯模擬低通濾波器、窗函數(shù)法數(shù)字濾波器的基本步驟，比較分析IIR和FIR數(shù)字濾波器，熟悉數(shù)字濾波器設(shè)計的基本步驟。1.2綜合提高實驗內(nèi)容設(shè)計。綜合提高實驗要求學(xué)生在掌握數(shù)字信號處理理論的基礎(chǔ)上，對實驗方法進行綜合提高訓(xùn)練[7-8]。我們設(shè)計了心電信號和血氧信號采集分析實驗，讓學(xué)生了解心電信號和血氧信號的概念，熟悉心率、血氧飽和度的計算方法，進行光電容積脈搏波（PhotoPlethysmoGraphy，PPG）測量。（1）心電信號實驗。該實驗采集電路主要包括傳感電路、放大電路、濾波電路、調(diào)制和解調(diào)電路。將從人體體表采集的心電信號放大、濾波，再進行調(diào)制與解調(diào)，由STM32F103VCT6微控制器處理后通過顯示屏顯示出來。該實驗可以計算心率，并在各種特殊心電波形下識別R峰，可實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運行，預(yù)留的電流測試端口可用于功耗測量；心電波形和心率相關(guān)信息可通過藍牙發(fā)送至手機或其他設(shè)備，實驗內(nèi)容見圖4。（2）血氧信號實驗。該實驗電路可進行雙波長PPG測量，包括LED的驅(qū)動與光電傳感器接口電路、交直流信號采集電路、雙波長信號分離電路，還可以計算血氧飽和度。主要實驗過程是微控制器發(fā)出周期脈沖信號，切換紅光與紅外光發(fā)光管狀態(tài)，血氧探頭采集數(shù)字信號，通過定時器捕獲通道上升沿，計算數(shù)字信號頻率，帶入計算公式求得血氧值與脈率值。實驗內(nèi)容見圖5。1.3拓展創(chuàng)新實驗內(nèi)容設(shè)計。拓展創(chuàng)新實驗要求學(xué)生運用已有知識解決實際電生理信號識別問題[9]。本文設(shè)計了腦電信號處理實驗（即腦機接口），通過便攜式腦電信號采集設(shè)備，提取腦電信號特征，分析其狀態(tài)。具體內(nèi)容是讓被試者觀察某個數(shù)字重復(fù)的次數(shù)，通過分析腦電信號，判斷被試者處于注意狀態(tài)還是非注意狀態(tài)。學(xué)生利用巴特沃斯濾波器去除干擾信號，利用快速傅里葉變換分析腦電信號各個頻段（α、β、θ、δ4個節(jié)律），然后求解4個節(jié)律的平均值、均方差，發(fā)現(xiàn)δ/α、δ/β特征最明顯，拓寬生物醫(yī)學(xué)信號分析思路。

2教學(xué)方法

整合生物醫(yī)學(xué)信號和數(shù)字處理教學(xué)過程，形成“醫(yī)用導(dǎo)向思維工程訓(xùn)練體系一體化構(gòu)建”方案，使學(xué)生從以理論教學(xué)為主的課堂學(xué)習(xí)階段進入以實踐教學(xué)為主的探究式學(xué)習(xí)階段，實現(xiàn)掌握生物醫(yī)學(xué)信號處理→如何應(yīng)用這些理論→動手驗證鞏固所學(xué)內(nèi)容→實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)設(shè)計→完成醫(yī)療器械創(chuàng)意實踐的過渡。采用設(shè)置實例、提出問題、引導(dǎo)學(xué)生自主和協(xié)作學(xué)習(xí)、學(xué)生設(shè)計方案、引導(dǎo)學(xué)生通過實驗驗證、效果評價六步法。這個過程是學(xué)生提升能力的過程，學(xué)生在不斷的認識沖突中學(xué)習(xí)，將以往所學(xué)的理論通過實踐不斷強化，在自我評價和反思中加以鞏固。實踐機會的增加，提高了學(xué)生實戰(zhàn)能力。學(xué)生在實踐中，掌握了職業(yè)技能，從而構(gòu)建自身知識體系。拓展創(chuàng)新實驗營造了良好的創(chuàng)新氛圍，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲欣砟畋蝗谌胝鎸嵡榫常黾恿藢W(xué)生自主探究與合作交流的機會，而自我學(xué)習(xí)及提高能力、人際溝通技巧、職業(yè)精神等都有助于學(xué)生職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

3考核方法

學(xué)生需要撰寫詳細的實驗報告，內(nèi)容涵蓋實驗?zāi)康募霸怼⑼瓿蓪嶒炈璧脑闯绦颉⒗L制實驗中涉及的波形、報告實驗結(jié)果。最終成績不僅僅由實驗考核成績決定，而是突出實驗表現(xiàn)，強調(diào)過程性評價。實驗總成績由實驗考核和過程性評價成績組成，各占50%，見表1。

4結(jié)語

通過啟發(fā)、探究的方式，使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向探究式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，主動參與課堂教學(xué)，真正成為課堂的主人，改變了教師“滿堂灌”、學(xué)生被動學(xué)的局面。本文堅持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)教育理念，結(jié)合數(shù)字信號處理課程實驗教學(xué)特點，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和模式，促使學(xué)生主動參與課堂教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生探究意識，提升了學(xué)生探究能力。

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作者:李曉歐 張欣 白寶丹 司博宇 嚴(yán)加勇 單位:上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院