劉毅飛,彭 微,龔惠紅,周燕紅
(1.湖北科技學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,湖北 咸寧 437100; 2.湖北科技學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院,湖北 咸寧 437100)
2017年教育部發(fā)布了開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知,希望全國(guó)各地高校開(kāi)展新工科教育的研究與實(shí)踐,通過(guò)深化工程教育改革推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展。在新工科背景下, 新工科教育的一個(gè)重點(diǎn)就是要求工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)要與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相匹配, 醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)知識(shí)和技術(shù)密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),目前我國(guó)的高端醫(yī)學(xué)儀器嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口,醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向人才的培養(yǎng)必須適應(yīng)醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的創(chuàng)新能力的要求和面向醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè), 在這樣一個(gè)新工科背景下, 高校作為我國(guó)醫(yī)學(xué)儀器人才培養(yǎng)的主要來(lái)源, 醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的課程教學(xué)也需要進(jìn)行相應(yīng)的改革以與醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的需求相匹配。
目前國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)儀器人才培養(yǎng)方案中的課程體系已經(jīng)比較成熟,教學(xué)上基本上是教材上的理論知識(shí)加上實(shí)踐課程,實(shí)踐課程的主要目的也是為了深化對(duì)教材理論知識(shí)的理解,這種教學(xué)方式優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生掌握的理論知識(shí)體系比較完整,但是在新工科背景下, 傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向課程教學(xué)為了符合新工科工程教育必須與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配的要求, 存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)醫(yī)學(xué)儀器作為一個(gè)醫(yī)學(xué)和工學(xué)相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)方向,涉及的學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域多,理論知識(shí)學(xué)習(xí)難度大,如果課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié),學(xué)生學(xué)習(xí)興趣難以提高, 很多應(yīng)用型高校采取案例式教學(xué)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,這些措施能夠起到一些效果,但是由于課程教學(xué)內(nèi)容主要以教材為主, 教學(xué)的目標(biāo)定位于掌握教材上的理論知識(shí), 與企業(yè)對(duì)人才知識(shí)的需求有一定距離。(2)醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐課程的目的主要在于進(jìn)一步加深對(duì)理論課程的理解, 而新工科背景下對(duì)于工程實(shí)踐主要要求實(shí)踐創(chuàng)新能力及工程思維的培養(yǎng), 因此現(xiàn)有的實(shí)踐課程與新工科的工程教育的要求也有一定差距。
作為世界領(lǐng)先的儀器公司——德州儀器公司(TI)提供的醫(yī)療應(yīng)用本身就與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合,同時(shí)還可以用于創(chuàng)新能力訓(xùn)練和培養(yǎng)工程思維, 本課題以此為基礎(chǔ), 探索在新工科背景下, 以德州儀器公司的醫(yī)療應(yīng)用為導(dǎo)向, 對(duì)醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的相關(guān)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革,通過(guò)全新的與企業(yè)緊密相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)建課程教學(xué)新模式,為醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的課程建設(shè)提供新的思路,以適應(yīng)我國(guó)醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)化對(duì)創(chuàng)新型人才的大力需求,推進(jìn)新工科建設(shè)。
德州儀器公司是全球第一大模擬半導(dǎo)體器件和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)制造商,生產(chǎn)的產(chǎn)品包括模擬電路,模數(shù)混合電路,嵌入式處理器,無(wú)線(xiàn)連接等,這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)儀器的領(lǐng)域。
由于醫(yī)療儀器與人類(lèi)的健康密切相關(guān)并且在全球擁有巨大的市場(chǎng),TI公司尤其關(guān)注其產(chǎn)品在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[1],同時(shí)因?yàn)門(mén)I公司具備完備的產(chǎn)品線(xiàn),所以其應(yīng)用領(lǐng)域基本上覆蓋了所有的醫(yī)療儀器領(lǐng)域, 例如,居家類(lèi)醫(yī)療保健成像,醫(yī)療設(shè)備,患者監(jiān)護(hù)和診斷,個(gè)人健康與健身,醫(yī)療設(shè)備等,針對(duì)具體的每一類(lèi)醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)品, TI公司的醫(yī)療應(yīng)用均提供了相關(guān)的參考資料與文檔,具體包括參考設(shè)計(jì),技術(shù)文檔, 產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)器件的選型, 產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)支持與訓(xùn)練,通過(guò)這些文檔設(shè)計(jì)人員能快速地理解和掌握該類(lèi)醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí),并可以快速地完成整體設(shè)計(jì),產(chǎn)品選型等工作。另外TI還提供了設(shè)計(jì)和仿真工具,硬件開(kāi)發(fā)板和軟件開(kāi)發(fā)包幫助醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)人員提高設(shè)計(jì)效率,并且TI還建立了設(shè)計(jì)支持論壇E2E和支持中心幫助設(shè)計(jì)人員快速解決設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。
另外TI官方出版的醫(yī)療應(yīng)用指南手冊(cè)還提供了每一類(lèi)醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)原理塊圖,針對(duì)每一個(gè)電路模塊,提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求并推薦相應(yīng)的器件用于設(shè)計(jì),這些均為醫(yī)學(xué)儀器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供了非常有益的參考[2]。
要想培養(yǎng)出符合醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)需求的創(chuàng)新性人才,首先需要學(xué)生打好扎實(shí)的理論基礎(chǔ)并且所學(xué)的理論知識(shí)需要緊跟企業(yè)對(duì)人才的需求和產(chǎn)業(yè)的變化。目前開(kāi)設(shè)醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的本科高校其核心課程基本相似,基本上為模擬電路,醫(yī)用電子學(xué), 微機(jī)原理和嵌入式系統(tǒng),醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理,醫(yī)學(xué)影像處理,醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)等課程, TI公司的應(yīng)用指南提供的設(shè)計(jì)實(shí)例與參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容本身與醫(yī)學(xué)儀器人才培養(yǎng)的所有核心課程密切相關(guān),這樣就為我們以TI的醫(yī)療應(yīng)用指南為基礎(chǔ)的理論教學(xué)改革打下了基礎(chǔ)。
理論課程改革的總體思路以TI公司的應(yīng)用指南提供的醫(yī)學(xué)儀器參考設(shè)計(jì)為依據(jù),將醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)涉及到的理論知識(shí)進(jìn)行分解融入到相關(guān)課程的理論教學(xué)中,在學(xué)生掌握智能醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)之后, 在高年級(jí)的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)課程中將TI的醫(yī)療應(yīng)用中的參考設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行講解,一方面可以加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解;另一方面可以使得學(xué)生從工程角度對(duì)醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程有全面的了解,具體的實(shí)施過(guò)程如下:
1.首先根據(jù)醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的人才培養(yǎng)方案, 所有與醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)密切相關(guān)的基礎(chǔ)課,專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課教師從TI提供的醫(yī)療儀器應(yīng)用中挑選出適合于課堂教學(xué)并適合學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的參考設(shè)計(jì)和技術(shù)文檔, 然后仔細(xì)閱讀,深入分析和討論將這些參考設(shè)計(jì)和技術(shù)文檔涉及到的理論知識(shí)劃分為二類(lèi):一類(lèi)為與企業(yè)對(duì)人才專(zhuān)業(yè)知識(shí)的需求和現(xiàn)有課程教學(xué)的內(nèi)容都密切相關(guān)的理論知識(shí);另一類(lèi)是與企業(yè)對(duì)人才專(zhuān)業(yè)知識(shí)的需求相關(guān)但是并不在現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容中。另外后續(xù)教學(xué)大綱的修訂和教學(xué)內(nèi)容的修改以TI提供的醫(yī)療儀器應(yīng)用和企業(yè)對(duì)人才專(zhuān)業(yè)知識(shí)的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
2.下面以TI的心電(ECG)應(yīng)用為例具體講述如何將TI的醫(yī)療應(yīng)用與醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)的理論課程的改革相結(jié)合,按照(1)中的實(shí)施過(guò)程, 挑選出來(lái)的ECG參考設(shè)計(jì)和技術(shù)文檔見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3-5],這些參考設(shè)計(jì)與技術(shù)文檔中涉及到的理論課程與TI醫(yī)療儀器應(yīng)用的關(guān)系如表1所示,從表中可以看出TI醫(yī)療儀器應(yīng)用覆蓋了智能醫(yī)學(xué)儀器人才培養(yǎng)的核心課程,而課程教學(xué)內(nèi)容僅僅涉及到TI醫(yī)療儀器應(yīng)用的部分內(nèi)容, 即使涉及到的部分也與實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。從這里可以看出,TI醫(yī)療儀器應(yīng)用雖然不能完全代替課堂教學(xué),但是由于是企業(yè)推出的應(yīng)用向?qū)?,與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān), 特別適合培養(yǎng)符合企業(yè)需求的醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的人才,對(duì)于教師的課程教學(xué)也提出了更高的要求。
表1 醫(yī)學(xué)儀器方向主要理論課程與TI醫(yī)療儀器應(yīng)用的關(guān)系
3.根據(jù)上面的分析,為了解決課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不一致的問(wèn)題, 我們對(duì)理論課程采取了以下一系列的教學(xué)改革措施:對(duì)于與TI醫(yī)療應(yīng)用緊密相關(guān)的理論知識(shí),教師的課程教學(xué)以教材為主的同時(shí)兼顧TI的醫(yī)療應(yīng)用, 有些甚至可以直接以TI的醫(yī)療應(yīng)用作為課堂教學(xué)內(nèi)容,比如模擬電路課程中的濾波電路直接采用心電濾波器的設(shè)計(jì)作為課堂講授內(nèi)容, 還有一些TI醫(yī)療應(yīng)用的內(nèi)容作為學(xué)生的課后作業(yè)和思考題,對(duì)于TI醫(yī)療應(yīng)用中與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)的理論知識(shí)而課程大綱和教材沒(méi)有涉及到的內(nèi)容,包括TI提供的一系列與醫(yī)療應(yīng)用相關(guān)的支持和訓(xùn)練視頻,則作為相關(guān)課程學(xué)生課后觀(guān)看和學(xué)習(xí)的材料, 比如表1中單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程的心電RF和藍(lán)牙通信和表2中的德州儀器醫(yī)療應(yīng)用提供的ECG培訓(xùn)教程。
表2 德州儀器醫(yī)療應(yīng)用ECG培訓(xùn)教程
續(xù)表2 德州儀器醫(yī)療應(yīng)用ECG培訓(xùn)教程
4.通過(guò)上面醫(yī)學(xué)儀器方向課程的教學(xué)改革,學(xué)生已經(jīng)具備了面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的一個(gè)完整的醫(yī)學(xué)儀器各個(gè)組成模塊設(shè)計(jì)所需要的專(zhuān)業(yè)知識(shí),但是一個(gè)完整的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程, 除了專(zhuān)業(yè)知識(shí)外,還需要考慮器件選型,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),市場(chǎng)情況等, 這就是新工科要求學(xué)生除了所學(xué)的理論知識(shí)要與產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)之外,還需要培養(yǎng)工程思維的原因。我們將TI的醫(yī)療應(yīng)用中的參考設(shè)計(jì)在醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)課程中作為實(shí)例進(jìn)行講解可以使得學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)儀器的總體設(shè)計(jì)過(guò)程有全面的理解之外,可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和市場(chǎng)意識(shí),這樣的醫(yī)學(xué)儀器人才才能真正適應(yīng)企業(yè)的需求。
在醫(yī)學(xué)儀器方向?qū)嵺`課程教學(xué)改革中,首先我們以TI醫(yī)療應(yīng)用中的設(shè)計(jì)和仿真工具構(gòu)建實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)用于醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向?qū)W生的實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新設(shè)計(jì),這些工具主要包括:
1.TI的Webench仿真工具是一個(gè)強(qiáng)大的端對(duì)端的設(shè)計(jì)工具, 利用這個(gè)工具可以快速地進(jìn)行模擬濾波器,放大電路,電源的設(shè)計(jì)及相應(yīng)的元器件選型等工作[10]。
2.TI的Code Composer Studio(CCS)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可以進(jìn)行微型控制器, DSP,ARM嵌入式處理器開(kāi)發(fā),這些嵌入式處理器廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)儀器中, 同時(shí)利用TI的CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境便利的信號(hào)和圖形可視化功能特別方便在CCS對(duì)醫(yī)學(xué)儀器軟件算法進(jìn)行測(cè)試[11]。
3.另外TI公司和Tina合作的TI-TINA Design Suite 可以在一個(gè)平臺(tái)就可以完成從創(chuàng)新思想的仿真到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程,以幫助學(xué)生開(kāi)始并且加速產(chǎn)品設(shè)計(jì),縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
通過(guò)以上設(shè)計(jì)工具構(gòu)建的實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用TI公司強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具加速設(shè)計(jì)過(guò)程,并且學(xué)生可以利用這些工具自主進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。另外由于有些工具本身就在企業(yè)中應(yīng)用,在實(shí)踐教學(xué)中使用這些工具軟件,學(xué)生在工作中能更好的進(jìn)入工作角色,更快地適應(yīng)企業(yè)需求。
通過(guò)上面進(jìn)行的與TI的醫(yī)療應(yīng)用緊密結(jié)合的理論課程教學(xué)改革之后,學(xué)生具備了產(chǎn)業(yè)對(duì)醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)理論知識(shí)的要求, 但是要想完成一個(gè)符合產(chǎn)業(yè)要求的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì), 需要對(duì)醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向的實(shí)踐課程也進(jìn)行相應(yīng)的改革從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。
1.面向醫(yī)療應(yīng)用的醫(yī)學(xué)儀器課程實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)發(fā)
在2(2)中構(gòu)建的實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)新平臺(tái)上我們結(jié)合TI的醫(yī)療應(yīng)用在醫(yī)學(xué)儀器實(shí)踐課程中開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目給學(xué)生完成,比如我們基于CCS開(kāi)發(fā)的部分關(guān)于心電的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。雖然這些實(shí)踐平臺(tái)很多采用仿真方式不能完全代替真實(shí)儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,但是優(yōu)點(diǎn)在于靈活并特別適合學(xué)生課后進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。
表3 基于CCS開(kāi)發(fā)的心電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
2.醫(yī)學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)方向?qū)嵺`創(chuàng)新能力訓(xùn)練
TI醫(yī)療應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)和評(píng)估板本身就是很好的實(shí)踐創(chuàng)新能力訓(xùn)練項(xiàng)目,我們?cè)趦x器設(shè)計(jì)課程安排學(xué)生進(jìn)行這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì),通過(guò)完成這些設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)生除了可以加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的了解,提高動(dòng)手能力, 更重要的是學(xué)生還可以從中學(xué)會(huì)通過(guò)閱讀器件手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)中器件的選擇,軟硬件調(diào)試,并形成工程思維, 這樣就進(jìn)一步提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)水平,為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供有益的幫助,在此基礎(chǔ)上學(xué)生通過(guò)參與各類(lèi)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽,完成畢業(yè)設(shè)計(jì),論文進(jìn)一步提高學(xué)生在醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。
為了適應(yīng)新工科工程教育對(duì)人才培養(yǎng)新的要求,本文依據(jù)德州儀器公司(TI)的醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用對(duì)醫(yī)學(xué)儀器方向相關(guān)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行了探索, 通過(guò)我們?cè)卺t(yī)學(xué)儀器相關(guān)課程的理論和教學(xué)改革的實(shí)踐表現(xiàn)出如下效果:
1.符合新工科對(duì)人才培養(yǎng)必須與產(chǎn)業(yè)相匹配的要求。通以TI醫(yī)療儀器應(yīng)用為基礎(chǔ)的課程改革,使得醫(yī)學(xué)儀器方向的理論和實(shí)踐教學(xué)與產(chǎn)業(yè)緊密相結(jié)合,同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生市場(chǎng)意識(shí), 樹(shù)立學(xué)生的工程理念, 培養(yǎng)的學(xué)生也就能快速適應(yīng)市場(chǎng)和企業(yè)的需求。
2.符合新工科對(duì)人才培養(yǎng)實(shí)踐能力的要求。通過(guò)本文的課程改革, 學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與應(yīng)用密切相關(guān), 可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性得到提高后, 有助于提升教學(xué)質(zhì)量和提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量。
3.符合新工科對(duì)人才培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的要求。本研究采用TI先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具作為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的平臺(tái),學(xué)生在上面可以自主從事綜合,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì),可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,全面提高醫(yī)學(xué)儀器學(xué)生的創(chuàng)新能力。
為了適應(yīng)新工科背景下工程教育要求, 本文對(duì)醫(yī)學(xué)儀器方向人才培養(yǎng)有關(guān)課程的理論和實(shí)踐如何結(jié)合TI的醫(yī)療應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索, 通過(guò)理論和實(shí)踐教學(xué)改革的實(shí)踐表明, 本方法有利于培養(yǎng)具有市場(chǎng)意識(shí)和創(chuàng)新精神的符合產(chǎn)業(yè)需求的人才,也可以為應(yīng)用型本科院校的醫(yī)學(xué)儀器方向進(jìn)行新工科教育提供參考與借鑒。