基于产出导向的实验课程教学方法的研究

［摘 要］ 为了使实验课程有效地培养学生的实践能力，从而满足其毕业后从事相关工作的要求。基于产出导向的理念，以“医学信号与数据分析”课程为依托，采用问卷调查、细化具体指标完成情况和分析实验报告等方法，探索大学实验课程教学改革的实施情况和效果。结果显示，此次改革促使学生掌握了新的分析软件和方法，提高了团队协作能力和理论联系实际的能力，提升了学生的学习主动性和实验课的教学质量，为今后实验课程教学提供了有益的借鉴和经验。

［关键词］ 产出导向；实验课程；教学改革

［基金项目］ 2022年度重庆大学教改项目“基于产出导向（OBE）理念的‘医学信号与数据分析’实验课程教学改革”（2022Y22）；2023年度重庆大学大型仪器设备功能开发项目“便携式细胞培养装置的设计制作”（gnkf2023004）；2021年度重庆市教改项目“面向医疗健康信息智能感知与辅助决策的智能医学工程专业课程体系构建与实践”（213028）

［作者简介］ 许 蓉（1984—），女，新疆哈密人，硕士，重庆大学生物工程学院实验师（通信作者），主要从事医学信息检测与处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0155-04 ［收稿日期］ 2023-09-23

引言

医生的医学信号分析处理能力的强弱，决定了其在医学诊断、疾病预测、治疗方案选择等方面的准确率。医生的医学信号分析处理能力的进步，不仅缓解了他们的工作压力，还能为患者提供优质的医疗服务。医学生学好“医学信号与数据分析”实验课程，不仅是个人职业生涯的需求，也是国家和社会对未来医务工作者的期盼。

产出导向教育（outcomes-based education， OBE）是工程教育认证的核心理念，是全球流行的高等教育策略和教学方法［1］。国内很多高校已经基于OBE理念重新设计了实验课程［2］。OBE理念以学习成果为导向，要求学生在学习过程中不仅要掌握理论知识，还要将所学知识应用于实践，从而实现知识的转化和技能的提升。OBE实验课程教学改革就是把学生的学习过程从传统的“教师演示、学生模仿”转变为“学生做、教师辅助”。改革体现了以学生为中心的教学理念，围绕产出成果来设计并实施教学，以提高实验课程教学的效果和质量为目的，以实现学生能力与素质的双进步为目标［3-5］。

一、OBE实验课程设计

设定合理的教学目标是有效产出的基本前提之一，确定目标后再反推需要教授的内容以及所采用的形式［6］。采用合理的方式对实验成效进行有效评价是OBE实验课程的设计思路［7］。以学生为中心培养其职业素养需要考虑以下几个方面。

（一）确定目标和任务

OBE的课程改革首先需要明确课程所支撑的专业预期成果指标。医学信号处理技术在医疗诊断、治疗和监测等领域有着广泛的应用，如心电图、脑电图、医学成像等。该课程旨在培养学生在医学信号分析处理领域的专业综合能力。这些能力涵盖了以下方面：掌握先进的计算机语言；运用实际信号进行深度分析和解释；深刻理解医学信号分析在社会中的重要性和影响，树立社会责任感；培养科学探究的精神和创新思维，激发持续改进的动力。通过这些目标的全面培养，学生将具备应对医学信号分析领域挑战的能力，为成为有能力和社会责任感的专业人才奠定坚实基础。

（二）培养实践能力

OBE实验课程的设计应该突出对学生实践能力的培养，让学生了解医学信号的类型和特点，使学生掌握各种生理参数的采集及分析、提取的基本理念和技术，从而具备解决实际问题的能力。教师鼓励学生运用所学知识和技能开展创新性的实践，培养学生的创新能力。

（三）团队合作

团队合作不但可以让学生充分了解各自的优势，知道在团队中如何发挥自己的作用，还可以学习如何与其他同学一起从不同的角度思考问题，从而实现多方面的思考和创新。通过团队合作还可以模拟实际工作环境，从而为学生做好工作预热。

（四）评估和反馈

通过对学习进展的量化评估，教师可以精确掌控学生对实验课程的核心概念和技能的掌握进度，并为进一步的教学调整提供依据。评估结果可以为学生提供有针对性的反馈，帮助他们了解自己在实验课程中的表现、进展情况以及需要改进的方面。通过反馈，学生可以更好地了解自己的优势和不足，并采取适当的措施来改进学习效果。学生及时把学习情况和体验反馈给教师，可以帮助教师改进教学方法、优化教学资源，并提高实验课程的教学效果，如图1所示。

二、结果

此次OBE实验课程改革基于本科“医学信号与数据分析”课程。此课程为32学时的必修课程，适用于生物医学、智能医学等相关专业的本科生培养。在传统教学模式下，该实验课程主要基于Matlab语言，教师采用讲解和演示的方式，学生跟随教师进行实验操作。基于上述改革的原则，取得了以下进展。

（一）掌握Python的使用，满足医学数据分析、应用的基础要求

OBE实验教学改革后，教学活动紧紧围绕成果目标展开。基于课程目标，虽然Matlab语言使用时间更长，但是Python开源免费，拥有大量的第三方库和工具，适用于多个领域的优点更加明显，掌握Python语言对于学生今后的就业及个人发展都有很大的帮助。学生经过实验课程能够达到Python在医学数据分析方面的要求，具体包括：不同格式的生理数据的读取及数据类型转换；数据预处理，提高信噪比；特征提取，如心率、最大自主收缩力（maximum volunteer contraction， MVC）对应不同肌肉的信号峰值等；数据可视化：将结果生动地展示出来。

为了培养学生的创新能力，在达成上述目标的同时，除了要求学生掌握使用Python提供的数据库，还可以要求学生自己编写处理函数并调用。例如，通过讲述中值滤波的原理，要求学生自己编写处理函数并调用。

在培养技术能力的同时，引导学生树立正确的信息安全意识，避免因为数据泄露或滥用而带来的负面影响。帮助学生树立正确的社会责任观念，认识医学信号处理的重要性。分析的算法和技术仍有改进的空间，将数据处理当作一项为社会服务的事业，积极参与和推动数据处理的健康发展，将数据处理技术作为促进社会进步的有力工具，为社会发展和人民福祉做出更大的贡献。

（二）采用丰富的课堂形式，适时推进课程进度

实际的生理信号因为个体差异以及采集的方法、环境等因素出现各种不同的情况，没有一种万能的方法处理所有的数据和情况。教师可以在授课中安排一次生理信号的采集实验，让学生采集自己的生理信号。采集和分析自己的生理信号不但能提高学生的兴趣，也能教会学生如何利用结果判定是否属于正常生理值范围，从而了解医院检测报告的流程。

根据每次实验课的内容和学生已经掌握的知识，采用不同的上课形式，如PPT讲解、小组讨论或者学生代表讲解等方式。这不仅活跃了课堂的气氛，也提高了学生的参与度和兴趣。每节课设置三个小目标，在保证有九成的学生完成的情况下进行下一个小节课的内容。在这种课堂氛围中，学生基本能完成每次实验的目标。争取让每名学生都跟上内容推进，即使不能按时完成课堂内容，也能听懂原理，从而在课后积极补习。对于实在有困难的学生除了线下辅导，还可以利用现有的网络资源做好线上答疑。

（三）激励学生展示才能，提高团队协作和沟通能力

课前，按照学生意愿及能力均衡的原则分成5人左右的小组，以小组为单位并根据场地条件安排座位，安排组长协调小组成员的实验进度。学生以小组的形式进行实验。通过小组合作，学生锻炼了竞争、协作、沟通与表达能力。每次实验课都设定最低目标和提高要求。评定成绩时，适当考虑学生的编程能力、理论基础和努力程度，鼓励学生展示自己。对于课堂上积极发言、勇于展示结果及同学间互助的情况，教师及时进行肯定并适当加分。考虑到学生的个性差异，教师采取因材施教和多元评估的策略。鼓励学生在团队中提出自己的想法和建议，充分发挥自己的创造力和想象力，从而促进团队创新和进步。

（四）分析回收问卷，综合评价成绩

课前发放问卷，课后回收评估。问卷主要涵盖以下三部分。

1.学生基础知识：Python以及涉及理论知识掌握情况。

2.对内容及进度的意见：实验内容安排、对于理论知识的应用、实验进度与参与度的相关性、课程对数据分析能力的提高等。

3.建议包括：实验内容的补充和删减、进度安排的调整以及其他有利于课程效果的建议。

本研究共发放问卷400份，有效回收问卷368份，有效回收率为92%。问卷调查结果显示：学生都（100%）对Python有了解也有学习的欲望，但是已经掌握基本语言的学生很少（17%）。82%的学生清楚涉及理论知识的原理，但对实际应用还有很多不清楚的地方。94%的学生对OBE实验课程教学改革持积极态度，认为改革后的实验课程更加有趣、富有挑战和意义。但是也有37%的学生认为实验课程有难度，需要更多的精力去完成每节课设置的要求和实验报告。

课程总成绩由课堂成绩和实验报告两部分组成。课堂成绩不但包含每次课堂小目标的完成情况，还包含加分项目。这是为了鼓励基础较薄弱的学生更积极地投入课堂活动中。实验报告分为基础部分（必须完成部分）和提高部分（自选完成部分）。各部分的占比如图2所示。

结语

本文基于以学生为中心的OBE理念，以学生最终具备的能力为导向，首先确立课程应该达到的目标，再细分每次课程需要达到的效果和教师需要教授的内容以及课程进度。在行课之前先调查了学生的知识储备和能力范围，教师采用了多种教学方法和工具，适时调整实验课程内容和进度的安排。行课过程中及时观察，具体化课程目标，做到对每名学生心中有数。教师及时批改学生的实验报告，从而尽快发现问题并纠正指出，对好的方法和结果及时肯定，从而激发学生的学习兴趣和参与度。结果显示，学生的学习状态和实验操作能力有了明显的提高，能够更加独立地撰写程序和实验报告。实验课的教学效果也得到了明显的提升，学生的实验成绩分布更加均衡，总体成绩有所提高。OBE理念的实验课程教学改革在一定程度上提高了实验课程的效果和质量，这对于今后实验课程的开展提供了有益的参考价值。

参考文献

［1］LUMIUS， ASLI. OBE insights： visual analytics design for predictive OBE knowledge generation［J］. International journal of advanced computer science and applications.2021，12（12）：895-901.

［2］聂鹏.基于产出导向法的软件工程专业教学探索研究：以Web服务与RESTful技术课程为例［J］.电脑与电信，2020（6）：22-29.

［3］ 由从哲，邱骏达，范洪辉.基于OBE的《Python数据分析》教学模式研究［J］.电脑知识与技术，2023，19（2）：150-152.

［4］ 王永泉，胡改玲，段玉岗，等.产出导向的课程教学：设计、实施与评价［J］.高等工程教育研究，2019（3）：62-68+75.

［5］崔文超，邹俊杰，汪方毅，等.OBE理念下项目驱动的数字图像处理教学研究［J］.图学学报，2020，41（6）：1031-1038.

［6］胡茉，李林.OBE导向下学习产出的影响因素研究：基于上海七所高校的问卷调查［J］.高等工程教育研究，2022（3）：139-144.

［7］张力.基于OBE理念的高校体育类在线课程建设研究［J］.体育学刊，2021，28（3）：106-111.