数字信号实验教学设计研究

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摘要：以数字信号处理课程实验教学为切入点，分析探究性学习在其教学中的应用效果。通过基础训练、综合提高、拓展创新3个层次的实验环节促进理论教学，从电生理信号处理的医学应用角度出发，促进学生理解，调动学生学习主动性和创造性。

关键词：数字信号处理；实验教学；教学设计

数字信号处理是针对生物医学工程专业本科生开设的一门重要专业课程，主要介绍数字信号处理的基本概念、基本分析方法和处理技术。该课程教学目标是培养学生思维能力和综合应用知识解决数字化工程问题的能力，并为进一步学习有关生物医学信息处理方面的课程打下良好基础。我们在教学中发现，学生完成该课程理论学习后，面对实际问题还是无从下手，例如，不能理解抽样的意义以及FFT算法，不知如何设计IIR和FIR数字滤波器，不清楚如何处理电生理信号，这都不利于学习生物医学信号的处理方法和设计流程。因此，要进行基于医工结合的实验教学设计，理实融合引导学生掌握数字信号处理课程的内容[1-2]。根据教育部“六卓越一拔尖”计划以及《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》（教高司函[2017]6号）等文件精神，贯穿“智能医疗”宗旨，对数字信号处理课程进行探究性实验教学设计，补充智能医学信号处理实验内容[3-4]，探索融知识传授、能力进阶、职业核心素养培养为一体的实验教学方案，实现以“教”为主向以“学”和“练”为主的教学模式转变，激发学生兴趣和潜能，增加学生实战信号处理体验。使学生在数字化医疗实践中完成从基础理论到综合提高的过渡、从书本知识到拓展创新的实现、从典型信号到医学信号的应用。

1教学内容

以问题为导向进行学习，针对课程内容设计了6个实验项目（见图1），分别为连续时间信号抽样及抽样信号还原、快速傅里叶变换FFT、滤波器设计及实现、心电信号实验、血氧信号实验和便携式脑电信号处理实验。所有实验项目均在硬件平台上完成。学生分组练习，在项目任务引导下拓展提高、交流讨论，既可以在硬件平台上实验，也可以自行设计信号处理算法，完成智能分析与控制。1.1基础训练实验内容设计。基础训练实验内容是从理论教学内容中提炼的重点，指导学生在实验的同时，利用数字信号处理技术实现对连续时间信号的处理，将模拟信号转为数字信号，利用数字技术对其进行加工[2，5-6]。（1）连续时间信号抽样及抽样信号还原。采样是从连续到离散的桥梁，主要分析时域采样对信号频谱产生的影响及不失真条件。我们设计了连续时间信号抽样及抽样信号还原实验（见图2），以使学生掌握从连续到离散信号处理的采样原理。（2）快速傅里叶变换FFT。按时间抽取的基-2FFT算法，加深学生对离散傅里叶变换定义和基本性质的理解，学会计算离散傅里叶变换，实验内容如图3。（3）滤波器设计及实现。通过实验使学生掌握巴特沃斯模拟低通滤波器、窗函数法数字滤波器的基本步骤，比较分析IIR和FIR数字滤波器，熟悉数字滤波器设计的基本步骤。1.2综合提高实验内容设计。综合提高实验要求学生在掌握数字信号处理理论的基础上，对实验方法进行综合提高训练[7-8]。我们设计了心电信号和血氧信号采集分析实验，让学生了解心电信号和血氧信号的概念，熟悉心率、血氧饱和度的计算方法，进行光电容积脉搏波（PhotoPlethysmoGraphy，PPG）测量。（1）心电信号实验。该实验采集电路主要包括传感电路、放大电路、滤波电路、调制和解调电路。将从人体体表采集的心电信号放大、滤波，再进行调制与解调，由STM32F103VCT6微控制器处理后通过显示屏显示出来。该实验可以计算心率，并在各种特殊心电波形下识别R峰，可实现系统低功耗运行，预留的电流测试端口可用于功耗测量；心电波形和心率相关信息可通过蓝牙发送至手机或其他设备，实验内容见图4。（2）血氧信号实验。该实验电路可进行双波长PPG测量，包括LED的驱动与光电传感器接口电路、交直流信号采集电路、双波长信号分离电路，还可以计算血氧饱和度。主要实验过程是微控制器发出周期脉冲信号，切换红光与红外光发光管状态，血氧探头采集数字信号，通过定时器捕获通道上升沿，计算数字信号频率，带入计算公式求得血氧值与脉率值。实验内容见图5。1.3拓展创新实验内容设计。拓展创新实验要求学生运用已有知识解决实际电生理信号识别问题[9]。本文设计了脑电信号处理实验（即脑机接口），通过便携式脑电信号采集设备，提取脑电信号特征，分析其状态。具体内容是让被试者观察某个数字重复的次数，通过分析脑电信号，判断被试者处于注意状态还是非注意状态。学生利用巴特沃斯滤波器去除干扰信号，利用快速傅里叶变换分析脑电信号各个频段（α、β、θ、δ4个节律），然后求解4个节律的平均值、均方差，发现δ/α、δ/β特征最明显，拓宽生物医学信号分析思路。

2教学方法

整合生物医学信号和数字处理教学过程，形成“医用导向思维工程训练体系一体化构建”方案，使学生从以理论教学为主的课堂学习阶段进入以实践教学为主的探究式学习阶段，实现掌握生物医学信号处理→如何应用这些理论→动手验证巩固所学内容→实现生物医学系统设计→完成医疗器械创意实践的过渡。采用设置实例、提出问题、引导学生自主和协作学习、学生设计方案、引导学生通过实验验证、效果评价六步法。这个过程是学生提升能力的过程，学生在不断的认识冲突中学习，将以往所学的理论通过实践不断强化，在自我评价和反思中加以巩固。实践机会的增加，提高了学生实战能力。学生在实践中，掌握了职业技能，从而构建自身知识体系。拓展创新实验营造了良好的创新氛围，严谨的科研理念被融入真实情境，增加了学生自主探究与合作交流的机会，而自我学习及提高能力、人际沟通技巧、职业精神等都有助于学生职业核心素养培养。

3考核方法

学生需要撰写详细的实验报告，内容涵盖实验目的及原理、完成实验所需的源程序、绘制实验中涉及的波形、报告实验结果。最终成绩不仅仅由实验考核成绩决定，而是突出实验表现，强调过程性评价。实验总成绩由实验考核和过程性评价成绩组成，各占50%，见表1。

4结语

通过启发、探究的方式，使学生从被动学习向探究式学习转变，主动参与课堂教学，真正成为课堂的主人，改变了教师“满堂灌”、学生被动学的局面。本文坚持以学生为主体、教师为主导教育理念，结合数字信号处理课程实验教学特点，优化教学内容和模式，促使学生主动参与课堂教学，培养了学生探究意识，提升了学生探究能力。

参考文献：

[1]巩萍，胡俊峰，隋美蓉.《生物医学信号处理》实验教学系统的设计与开发[J].中国医学教育技术，2013（6）：683-685.

[2]李韪韬，钱志余.生物医学信号处理实验与理论教学结合方法的探讨[J].中国科教创新导刊，2009（23）：135-137.

[3]林建.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（2）：26-30.

[4]林健.深入扎实推进新工科建设[J].高等工程教育研究，2017（5）：18-21.

[5]刘毅飞.基于DSP的生物医学信号处理实验平台设计[J].医疗卫生装备，2014（1）：12-14.

[6]朱冰莲.数字信号处理[M].2版.北京：电子工业出版社，2014.

[7]李利，陈刚，田雪莲.项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].实验室研究与探索，2015（12）：168-170.

[8]董庆贺，马峻，殷贤华，等.分层递进式“数字信号处理”实验系统的开发与实现[J].实验技术与管理，2016（3）：202-205.

[9]郭小凤.提高“数字信号处理”课程教学质量的思考[J].电气电子教学学报，2015（4）：12-14.

作者:李晓欧 张欣 白宝丹 司博宇 严加勇 单位:上海健康医学院医疗器械学院