ADDINCNKISM.UserStyle《生物醫學建模與科學計算》課程教學大綱（理論課程）一、課程基本信息課程號1323S08034開課單位電子信息工程學院課程名稱（中文）生物醫學建模與科學計算（英文）BiomedicalModelingandScientificComputing課程性質必修考核類型考試課程學分2課程學時34課程類別學科拓展課先修課程MATLAB/Python語言程序設計適用專業（類）智能醫學工程二、課程描述及目標（一）課程簡介《生物醫學建模與科學計算》課程是本專業的一門學科拓展課程，旨在以計算機仿真為手段，對生物和醫學數據進行建模、計算和定量分析，模擬生物系統的形成和演化過程。本課程主要介紹了解決生物醫學工程問題中需要的計算機建模和仿真的基本思路、方法和主要工具。課程包括理論基礎、范例講解與上機練習三個部分。理論部分重點是建模和仿真的分類介紹、模型與仿真的驗證、數值求解微分方程等；范例主要介紹生物電、房室模型、生物力學建模；上機練習包括MATLAB和simulink的學習、ComsolMultiphysics等軟件的使用和用于解決實際問題的練習等。本課程具有綜合性、實踐性和專業性的特點。該課程是集生理學、計算機、醫學知識三者結合的交叉課程，體現了綜合性；學生利用所學生物醫學知識，對問題進行抽象建模，并用計算機技術來模擬仿真，突出其實踐性；不僅要求學生掌握生物系統建模的基本知識，還要求學生不斷提高利用計算機解決特定問題的技能，具有較強的專業性。（二）教學目標本課程的教學目標是在學習系統建模與計算機仿真基本理論和方法的基礎上，通過生物系統建模與仿真的典型案例，培養學生運用計算機技術來解決生物系統問題的實踐能力和創新能力。根據時代需要，及時更新教學內容，加強素質教育，拓寬知識面，培養學生的自學能力、分析問題和解決問題的能力。課程目標1：掌握系統建模及其計算機仿真的基本概念；了解連續系統數學模型的基本概念和類型；掌握基于實驗數據建模仿真的基本理論與方法（參數模型、模型參數的估計，最小二乘法，以及系統辨識）；了解建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術的基本概念。課程目標2：掌握MATLAB平臺上Simulink模塊式建模仿真的基本理論和方法；掌握生物房室模型的建模、仿真與應用；神經信號動作電位產生的Hodgkin–Huxley方程的建模、仿真與應用，同時還應培養學生解決生物系統建模仿真實際問題的創新能力和實踐能力。課程目標3：突出綜合應用能力、創新能力和解決實際工程問題的培養，為后續課程的學習、工作和繼續深造打好基礎。課程目標4：在教學過程中注意培養學生的敬業精神、科學探索精神、創新意識和職業道德觀。三、課程目標對畢業要求的支撐關系畢業要求指標點課程目標權重2-1：能夠應用數學、醫學、自然科學和工程科學的基本原理對智能醫學系統中復雜工程問題進行分析、識別、特性表達。課程目標1課程目標260%4-1：能夠對智能醫學系統相關的各類現象和特性進行分析和研究，明確系統測試目標。課程目標1課程目標2課程目標320%10-3：了解智能醫學工程領域的國際發展趨勢和研究熱點。課程目標420%四、教學方式與方法本課程教學以“學生主體、教師主導”教學思想，通過教學的“互動、開放”的課堂形式，具體以課堂教學為主，結合上機實踐教學、自學、課后作業，采用啟發式、問題式、項目驅動式的教學方法，基于實際問題提高學生解決系統仿真領域中復雜工程問題的能力，達到課程目標的要求。授課方式為：理論教學+上機實踐。在教學過程中，適當借鑒PBL（Problem-basedLearning）教學模式和TBL（Task-basedlearning）教學模式。注重培養學生的分析和解決實際問題的能力，突出課程的實踐性。課程內容以單元模塊為單位，既有統一要求，又可適應個體需要；整個教學不是以最后的考試為唯一考核依據，平時的課業等也是衡量學生是否達到教學目的的主要標準。加強師生互動環節，活躍課堂氣氛，促進學生自主思考提出問題，解答問題，激發學生潛能。以上教學方式的有機結合可以增強學生的教學參與性，調動學生的學習積極性和主動性。五、教學重點與難點（一）教學重點數學模型建模的基本理論和方法，模型與系統的相似性。（二）教學難點基于實驗數據建模仿真的基本理論與方法，以及生物房室模型的建模、仿真與應用。六、教學內容、基本要求與學時分配序號教學內容基本要求學時教學方式對應課程目標1第一章生物建模仿真概論系統建模及其計算機仿真的基本概念，以及生物系統建模仿真的發展背景與動態2講授課程目標12第二章系統的數學模型和建模方法連續系統數學模型的4個主要類型，模型之間的相互轉換，系統的實現與最小實現2講授課程目標13第三章連續系統的數字仿真連續時間數學模型進行時間離散，轉換為計算機仿真模型的基本概念與方法：數值積分法、離散相似法和算子替代法4講授課程目標14第四章基于實驗數據的建模與仿真基于實驗數據建模仿真的基本理論與方法，包括參數模型、模型參數的估計，最小二乘法，以及系統辨識的基本概念4講授+演示課程目標15第五章Simulink的建模與動態仿真在MATLAB平臺上Simulink模塊式建模仿真的基本理論和方法，以及Simulink建模仿真的典型例子4講授+演示課程目標16第六章建模與仿真的校核、驗證與確認建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術的基本概念2講授+演示課程目標17第七章房室模型的建模與仿真生物房室模型的建模、仿真與應用，以及房室模型辨識和可辨識性的基本概念4講授課程目標28第八章ComsolMultiphysics有限元仿真模型有限元仿真基本概念、過程以及關鍵技術4講授+演示課程目標29第九章神經電生理數學模型：Hodgkin–Huxley方程描述動作電位產生的Hodgkin–Huxley方程的建模、仿真與應用6講授+演示課程目標210第十章腦電的自回歸（AR）模型腦電的自回歸（AR）模型的建模、仿真與應用2講授+演示課程目標2合計34七、實驗內容、基本要求與學時分配序號實驗項目名稱實驗內容與要求學時類型對應課程目標1系統建模的MATLAB實現學習系統建模（時域模型、狀態空間模型和零極點模型）的MATLAB實現；編程實現系統模型的轉換和連接2演示性課程目標12SIMULINK動態仿真學習和掌握SIMULINK動態仿真軟件包的特點；掌握SIMULINK窗口、系統框圖模型的建立、系統仿真運行、仿真結果輸出、以及子系統創建及封裝2驗證性課程目標13Hodgkin–Huxley（H-H）模型學習H-H模型建模仿真在生物醫學領域應用的典型實例。計算不同鉗位電壓下所產生膜電流的理論值。計算預測神經細胞產生動作電位的波形和傳播速度。計算神經細胞興奮的不應期。計算預測神經細胞興奮的閾值和閾下電活動。4探究性課程目標14腦電的自回歸（AR）模型學習如何在將實際生理數據導入MATLAB平臺；學習在MATLAB平臺上實現正常和癲癇腦電信號的階次選擇，建立正常和癲癇腦電信號的AR模型4探究性課程目標1課程目標25ComsolMultiphysics電磁調控有限元仿真模型學習腦組織三維重建過程，以及電磁刺激加載有限元仿真過程；了解電磁場分析的步驟和特點；熟悉多場耦合問題的分析過程5探究性課程目標1課程目標2合計17注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括“演示性”、“驗證性”、“設計性”、“探究性”、“其它”等。八、學業評價和課程考核（一）考核類型：考試考查（二）考核方式：開卷考試閉卷考試課程論文課程報告其它：（三）成績評定：考核依據建議分值（百分比）考核/評價細則對應課程目標過程考核30%課堂出勤20%學習通簽到和發布主題討論，全體學生參與。考查學生出勤情況和課堂上參與主題討論的積極性；每參與一次簽到記為1分，共計10次，記為10分。少一次扣除1分。每參與一次主題討論記為1分，未參與的記為0分。課程目標1課程目標2課堂互動40%針對課程中主題內容開展討論學習，加深學生對相關知識的理解。以PPT匯報的形式進行討論結果展示。考核學生資料檢索和匯總能力，以及表達能力。每次20分，共組織2次討論活動。評分細則：A：16-20分：學生查閱資料豐富，匯總知識全面，能較好的展示和表達；B：11-15分：在查閱資料，知識匯總、PPT展示和講解等方面做的比較好；C：6-10在查閱資料，知識匯總、PPT展示和講解等方面只有一方面做得好；D：1-5分：在資料檢索、結果匯總方面表現一般。課程目標1課程目標2課程目標3課程目標4隨堂作業40%自問自答類作業：考核學生對基本概念和基本理論的理解深度與廣度，以作業的形式提交，增強學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。圍繞本課程中的基礎內容，采用學習通測試題的形式，考核學生對基本概念和基本理論的理解。共計4次作業，每次10分，統計總體得分情況。課程目標1課程目標2期末考核70%試卷分成選擇、填空、簡答、分析題，選擇和填空占比30%，簡答占比40%，分析題占比30%。分析題主要考察學生對生物醫學建模系統的理解，采用以下得分規則：A：20-30分：分析思路合理，表述清晰，給出了系統總體實現邏輯；B：10-20分：系統分析基本思路合理，表述較清晰，邏輯較合理；C：0-