生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)工程力學(xué)課程教學(xué)改革探索

楊海勝 喬愛科 李蕊

[摘 要]工程力學(xué)作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力方面具有重要作用。但是，現(xiàn)行的工程力學(xué)課程與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)聯(lián)系不緊密，導(dǎo)致專業(yè)特色無(wú)法充分體現(xiàn)，嚴(yán)重制約專業(yè)人才的培養(yǎng)。文章總結(jié)了目前生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)工程力學(xué)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，并有針對(duì)性地提出了教學(xué)改革的建議和措施，以期建設(shè)具有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色、適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的工程力學(xué)課程。

[關(guān)鍵詞]生物醫(yī)學(xué)工程;工程力學(xué);教學(xué)改革;專業(yè)特色

[基金項(xiàng)目]2019年度北京工業(yè)大學(xué)本科重點(diǎn)建設(shè)課程項(xiàng)目（KC2019RD011）;2020年度北京工業(yè)大學(xué)內(nèi)涵發(fā)展定額—專業(yè)建設(shè)—一流專業(yè)建設(shè)—生物醫(yī)學(xué)工程（049000514120578）

[作者簡(jiǎn)介]楊海勝（1984—），男，內(nèi)蒙古涼城人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)教授，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)負(fù)責(zé)人，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程/生物力學(xué)教學(xué)與研究工作;喬愛科（1967—），男，山西陽(yáng)泉人，博士，北京工業(yè)大學(xué)教授，主要從事心血管醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)療裝備研究;李 蕊（1996—），女，天津人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程/生物力學(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-24

一、引言

我國(guó)目前已進(jìn)入老齡化社會(huì)，老年人口絕對(duì)數(shù)量居世界第一。未來(lái)幾十年老齡化問(wèn)題將日趨嚴(yán)重，隨之而來(lái)的是龐大的醫(yī)療健康問(wèn)題，將成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素，同時(shí)也是我國(guó)醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇。生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME）是運(yùn)用工程學(xué)原理和方法解決生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題，提高人類健康水平的綜合性學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)工程具有多學(xué)科交叉融合的特質(zhì)，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域融合數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)，運(yùn)用工程學(xué)的原理和方法獲取和產(chǎn)生新知識(shí)，促進(jìn)生命科學(xué)和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展[1]。在“健康中國(guó)”背景下，迫切需要大量生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才。此外，我國(guó)目前醫(yī)療器械嚴(yán)重依賴進(jìn)口，在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略指引下，對(duì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的生物醫(yī)學(xué)工程專門人才提出了更高的要求。

工程力學(xué)是現(xiàn)代工程科學(xué)技術(shù)交叉發(fā)展的一門重要力學(xué)分支學(xué)科，其具有廣泛性、復(fù)雜性和多樣性。工程力學(xué)已成為土木、水利、機(jī)械、材料、自動(dòng)化、海洋等工程科學(xué)的基礎(chǔ)[2]。工程力學(xué)也是很多學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，旨在研究物體（包括人體器官、植介入物等）受力平衡問(wèn)題，包括物體的受力分析、力系的等效替換及各種力系的平衡條件，揭示構(gòu)件在外力作用下變形的基本規(guī)律，為構(gòu)件提供強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算的理論和計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生生物力學(xué)分析與設(shè)計(jì)的專業(yè)基本能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象、理論、設(shè)計(jì)三個(gè)學(xué)科形態(tài)/過(guò)程的理解，學(xué)習(xí)基本思維方法和研究方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工程力學(xué)知識(shí)分析與解決復(fù)雜生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力。

二、當(dāng)前工程力學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外眾多高校均設(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，而且很多院校也開設(shè)了力學(xué)或工程力學(xué)相關(guān)的課程，如理論力學(xué)、材料力學(xué)、生物材料力學(xué)、生物力學(xué)等。但是，在力學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)過(guò)程中，普遍存在課程與專業(yè)聯(lián)系不緊密、專業(yè)特色無(wú)法充分體現(xiàn)的現(xiàn)象[3]。工程力學(xué)課程在我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)多個(gè)學(xué)期，經(jīng)過(guò)幾輪的教學(xué)實(shí)踐并在收集學(xué)生反饋的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了三個(gè)主要問(wèn)題。這些問(wèn)題制約了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)工程力學(xué)課程的教學(xué)，阻礙了學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的認(rèn)知，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力。以下將針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)論述，并有針對(duì)性地提出可能的應(yīng)對(duì)措施，以期解決生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在工程力學(xué)或力學(xué)類基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中遇到的困境，為建設(shè)具有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色、適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的工程力學(xué)課程提供一定指導(dǎo)。

（一）現(xiàn)有工程力學(xué)教材與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)契合度不高

傳統(tǒng)的工程力學(xué)教材一般包含理論力學(xué)（或靜力學(xué)）和材料力學(xué)兩部分主要內(nèi)容。靜力學(xué)包括受力分析方法、力和力矩的概念、力偶的計(jì)算、力系的平衡條件和平衡方程、空間力對(duì)軸的力矩關(guān)系等[4]。材料力學(xué)包括材料力學(xué)的基本概念和方法、桿件軸向拉（壓）強(qiáng)度計(jì)算和變形計(jì)算、圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算和變形計(jì)算、梁彎曲受力及其變形的求法等。這兩部分內(nèi)容豐富翔實(shí)，涉及從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從單個(gè)構(gòu)件到組合體的受力分析和設(shè)計(jì)等。

但現(xiàn)行工程力學(xué)教材多以土木工程、機(jī)械工程等專業(yè)為指向[5]，對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)不具有針對(duì)性。例如，工程力學(xué)教材中的例題和課后習(xí)題多數(shù)以機(jī)械或建筑結(jié)構(gòu)/構(gòu)件為對(duì)象。實(shí)驗(yàn)部分也以工程常用的構(gòu)件/材料為對(duì)象，沒有針對(duì)醫(yī)學(xué)或生物材料，這就使工程力學(xué)課程與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育脫節(jié)，無(wú)法很好地體現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特色。學(xué)生迫切希望學(xué)習(xí)與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)密切聯(lián)系的工程力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，深入了解工程力學(xué)在醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用;因此，迫切需要適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)的工程力學(xué)教材。

（二）教學(xué)模式亟待調(diào)整

工程力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)但同時(shí)又具有工程應(yīng)用性的基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)授課方式以線下課堂講授為主、實(shí)驗(yàn)為輔。課堂理論教學(xué)主要使學(xué)生掌握工程力學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，并將其應(yīng)用在一些工程實(shí)際問(wèn)題的求解中[3]。實(shí)驗(yàn)包括對(duì)工程常用材料（如低碳鋼）的拉壓測(cè)試，以了解其典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能參數(shù)。工程力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容偏重基礎(chǔ)理論，知識(shí)點(diǎn)繁多且邏輯性強(qiáng)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，面對(duì)很多復(fù)雜公式的推導(dǎo)，學(xué)生容易產(chǎn)生困惑，甚至還會(huì)出現(xiàn)厭學(xué)心理，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不濃和對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握不牢的問(wèn)題[6]。

工程力學(xué)課程的教學(xué)除了使學(xué)生對(duì)力學(xué)的基本概念、基本理論、基本方法有較深刻的理解，還注重通過(guò)力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，啟發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生的綜合與擴(kuò)散、求同與辨異等歸納和研究型思維，并在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，注重通過(guò)工程實(shí)際案例（包括生物醫(yī)學(xué)工程案例）培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程問(wèn)題的研究性思維。目前工程力學(xué)課程的教學(xué)模式以教師輸出知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受為主，啟發(fā)性不強(qiáng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑和創(chuàng)新意識(shí)。此外，與傳統(tǒng)工程學(xué)科相比，生物醫(yī)學(xué)工程屬于朝陽(yáng)學(xué)科，眾多未知的醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，這就要求學(xué)生在掌握經(jīng)典力學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，還能夠緊跟學(xué)科和行業(yè)發(fā)展，將其應(yīng)用于探究和創(chuàng)造性地解決新出現(xiàn)的醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題。

（三）學(xué)生欠缺解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力

如上所述，現(xiàn)行工程力學(xué)教材和教學(xué)模式多針對(duì)土木工程或機(jī)械等專業(yè)，力學(xué)知識(shí)點(diǎn)多以傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)/構(gòu)件為承載對(duì)象。通過(guò)學(xué)習(xí)工程力學(xué)的基本概念、基本理論和基本分析方法，使學(xué)生具備工程力學(xué)相關(guān)的工程基礎(chǔ)知識(shí)以及與力學(xué)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，并綜合數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)用于對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)拉、壓、彎、扭等復(fù)雜受力條件下進(jìn)行受力分析、設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等。目前工程力學(xué)課程的考核也以檢驗(yàn)學(xué)生掌握工程力學(xué)基本知識(shí)和解決機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)工程問(wèn)題的能力為主。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生對(duì)于工程力學(xué)知識(shí)可以解決哪些醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題并不清楚，對(duì)于如何利用工程力學(xué)理論來(lái)解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題更不明確;因此，迫切需要建立以檢驗(yàn)學(xué)生解決生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題能力為導(dǎo)向的教學(xué)和考核方式，以期提高本專業(yè)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)工程力學(xué)知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力。

三、應(yīng)對(duì)措施

由于現(xiàn)行的工程力學(xué)課程的教學(xué)在教材、教學(xué)模式和能力培養(yǎng)等方面與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)聯(lián)系不緊密，導(dǎo)致學(xué)生缺乏工程力學(xué)課程與本專業(yè)聯(lián)系的認(rèn)知，對(duì)力學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣不濃，也無(wú)法有效提高解決復(fù)雜生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力。這需要相關(guān)的教育工作者及時(shí)調(diào)整教育方案，增強(qiáng)此課程與專業(yè)的聯(lián)系，提高學(xué)生的對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的認(rèn)知和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力，使生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究與工程力學(xué)教學(xué)相結(jié)合，建設(shè)具有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色、適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的工程力學(xué)課程。為此，我們提出以下應(yīng)對(duì)措施。

（一）建立適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的工程力學(xué)教材

針對(duì)現(xiàn)有工程力學(xué)教材與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)契合度不高的問(wèn)題，以傳統(tǒng)的工程力學(xué)教材為基礎(chǔ)，深度挖掘醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題中蘊(yùn)含的經(jīng)典力學(xué)理論和知識(shí)點(diǎn)，建立以醫(yī)學(xué)工程研究對(duì)象（如人體器官、植介入物、人工關(guān)節(jié)）為知識(shí)載體、具有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色的工程力學(xué)教材，使學(xué)生直觀地了解力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題之間的聯(lián)系，形成良好的專業(yè)認(rèn)知。在加強(qiáng)工程力學(xué)知識(shí)和醫(yī)學(xué)工程專業(yè)之間聯(lián)系的同時(shí)，需要注意工程力學(xué)課程與后續(xù)生物力學(xué)等課程之間的區(qū)分。生物力學(xué)是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)課程，其涉及的專業(yè)知識(shí)范圍較廣，研究對(duì)象小到毛發(fā)，大到肌骨系統(tǒng)，研究層次可由器官跨越至細(xì)胞分子;而工程力學(xué)側(cè)重于固體或流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，可設(shè)計(jì)以生物材料/醫(yī)用材料為對(duì)象的力學(xué)測(cè)試方法和教材，以期加強(qiáng)學(xué)生醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐能力。

（二）豐富教學(xué)模式

針對(duì)當(dāng)前工程力學(xué)教學(xué)模式單一的問(wèn)題，可建立以課堂講授為主、實(shí)驗(yàn)為輔，結(jié)合小組合作、研討和線上線下混合等多種教學(xué)模式與方法?？刹捎枚嗝襟w電子課件進(jìn)行講授，豐富的圖片及動(dòng)畫使學(xué)生能直觀了解工程結(jié)構(gòu)（包括人體解剖結(jié)構(gòu)）要點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)型習(xí)題使學(xué)生掌握基本知識(shí)和運(yùn)用工程力學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題的基本方法，特別是了解如何運(yùn)用工程力學(xué)知識(shí)和方法來(lái)解決生物醫(yī)學(xué)工程中的相關(guān)問(wèn)題。實(shí)行線上線下相融合的教學(xué)模式，建立慕課資源，供學(xué)生課前線上預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。課堂內(nèi)容可融入與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)密切相關(guān)的工程案例，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程與專業(yè)關(guān)系的認(rèn)知，為后續(xù)學(xué)習(xí)生物力學(xué)、生理系統(tǒng)建模與仿真和組織工程與人工器官等打下基礎(chǔ)。

為培養(yǎng)學(xué)生研究性思維和創(chuàng)新意識(shí)，將生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究與工程力學(xué)教學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮學(xué)科對(duì)專業(yè)建設(shè)和教育教學(xué)的促進(jìn)作用，科學(xué)研究反哺本科教育，引入研究性教學(xué)和反轉(zhuǎn)課堂模式，將生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)與力學(xué)相關(guān)的案例與課程進(jìn)行結(jié)合，深入探討工程力學(xué)如何解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（三）加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力

在基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中，可嘗試運(yùn)用案例教學(xué)法組織教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，搜集與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的最新案例[7]，并利用有限元軟件進(jìn)行案例的數(shù)值模擬分析，帶動(dòng)學(xué)生盡可能參與進(jìn)來(lái)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手操作，激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)興趣和樂趣，幫助學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生抽象模型的能力，提高解決工程問(wèn)題的能力。在考核中，加大與生物醫(yī)學(xué)工程直接相關(guān)的題目的比重，考查學(xué)生利用所學(xué)力學(xué)知識(shí)解決生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題的能力，并使學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中，更加注重了解基礎(chǔ)知識(shí)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

生物醫(yī)學(xué)工程是國(guó)家醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和推動(dòng)力量。在國(guó)家實(shí)施“健康中國(guó)”和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，對(duì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才提出了更高的要求。工程力學(xué)作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題能力方面具有重要作用。但是，現(xiàn)行的工程力學(xué)課程與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)聯(lián)系不緊密，導(dǎo)致專業(yè)特色無(wú)法充分體現(xiàn)，嚴(yán)重制約本專業(yè)的人才培養(yǎng)。本文總結(jié)了目前生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)工程力學(xué)教學(xué)中存在的教材、教學(xué)模式和解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題能力培養(yǎng)方面的主要問(wèn)題，并有針對(duì)性地提出了教學(xué)改革的建議和措施。通過(guò)教學(xué)改革，將會(huì)促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，有助于為國(guó)家醫(yī)療健康重大項(xiàng)目的實(shí)施提供人才支撐。同時(shí)教學(xué)改革的實(shí)施也將為提升高等教育理論化研究水平，促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)發(fā)展，深化高等教育體系與國(guó)家戰(zhàn)略的有機(jī)融合做出貢獻(xiàn)。

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Abstract： As an important basic course in biomedical engineering major， Engineering Mechanics plays an important role in cultivating students' innovative consciousness and innovative ability to solve complex medical engineering problems. However， the current Engineering Mechanics course is not closely related to biomedical engineering major， which leads to the problem that professional characteristics cannot be fully reflected. This situation seriously restricts the training of professional talents. This paper summarizes the main problems in the Engineering Mechanics teaching of biomedical engineering major， and puts forward some suggestions and measures for teaching reform in order to build the Engineering Mechanics course with biomedical engineering specialty characteristics and suitable for biomedical engineering students.

Key words： biomedical engineering; Engineering Mechanics; teaching reform; professional characteristics