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    生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)電磁兼容課程教學(xué)的實(shí)踐與探索

    2023-08-27 01:16:47張海生陳明生徐林莊偉寧旭
    大學(xué)教育 2023年9期
    關(guān)鍵詞:生物醫(yī)學(xué)工程電磁兼容教學(xué)內(nèi)容

    張海生 陳明生 徐林 莊偉 寧旭

    [摘 要]電磁兼容課程是一門交叉學(xué)科課程。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的專業(yè)背景與知識(shí)結(jié)構(gòu),電磁兼容課程教師應(yīng)精選教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),采用啟發(fā)式、參與式、討論式、問題式等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在教學(xué)實(shí)踐中,學(xué)生的課堂表現(xiàn)反映出其有較濃厚的學(xué)習(xí)興趣,考試成績(jī)反映出其學(xué)科知識(shí)掌握較好,無記名問卷調(diào)查反映出其進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)的信心需進(jìn)一步加強(qiáng)。因此,教師在為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生講授電磁兼容工科知識(shí)時(shí),要采用優(yōu)化內(nèi)容、引導(dǎo)講授、分組討論等方法,以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,提高理論和實(shí)踐教學(xué)效果。

    [關(guān)鍵詞]生物醫(yī)學(xué)工程;電磁兼容;教材;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

    [中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2023)09-0058-04

    引言

    現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛,這些設(shè)備有的主動(dòng)輻射電磁波(如微波成像、微波熱療等設(shè)備),有的被動(dòng)泄露電磁波(如心電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、除顫儀等設(shè)備)。這些電磁輻射會(huì)在醫(yī)療設(shè)備間形成相互干擾[1],輕則導(dǎo)致設(shè)備性能下降,重則導(dǎo)致設(shè)備無法工作。如何增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容能力,是一個(gè)重要的研究方向。醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)的學(xué)習(xí)對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生從事科學(xué)研究、臨床診斷和疾病治療都有十分重要的意義。

    電磁兼容是電子工程學(xué)科的一門專業(yè)性較強(qiáng)的課程,本課程講授電磁兼容的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)、防護(hù)以及測(cè)試技術(shù),其特點(diǎn)是理論基礎(chǔ)廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)、所需先導(dǎo)課程較多,屬于一門綜合性的課程[2]。

    目前國(guó)內(nèi)高校多在電子工程專業(yè)研究生階段開設(shè)電磁兼容課程[3]。陸軍軍醫(yī)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱我校)首次將電磁兼容課程提前到本科高年級(jí)開設(shè),具有一定挑戰(zhàn)性。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)與電子工程專業(yè)的課程體系有本質(zhì)上的不同,生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)雖然開設(shè)了電路分析、信號(hào)處理等部分先導(dǎo)課程,但相關(guān)課程的講授深度不足,且最關(guān)鍵的先導(dǎo)課程——電磁場(chǎng)原理學(xué)生未曾接觸,因此電磁兼容課程授課難度較大。

    針對(duì)這一問題,我們合理選擇電磁兼容課程的知識(shí)章節(jié),優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,側(cè)重醫(yī)療設(shè)備的電磁兼容防護(hù),在概念理論、實(shí)例應(yīng)用方面與醫(yī)療設(shè)備緊緊結(jié)合??紤]到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的知識(shí)背景與知識(shí)運(yùn)用,在授課中應(yīng)避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)算法設(shè)計(jì),可采用仿真軟件完成相關(guān)內(nèi)容教學(xué)。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程背景,我們優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),采用研究式學(xué)習(xí)(Research?based Learning,RBL) 教學(xué)方法[4-5],遵循“問題—理論—應(yīng)用”的教學(xué)思路,幫助學(xué)生掌握課程內(nèi)容。

    本文系統(tǒng)地介紹醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施,總結(jié)教學(xué)過程的得失經(jīng)驗(yàn),希望能夠給國(guó)內(nèi)其他高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)此類課程提供參考。

    一、課程設(shè)計(jì)

    (一)課程目標(biāo)與定位

    為了適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)科發(fā)展方向,做好本科畢業(yè)生課程學(xué)習(xí)與工作實(shí)習(xí)之間的銜接,我校為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生在大四上學(xué)期開設(shè)任職類專業(yè)課程——醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)。開設(shè)本課程的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)電磁兼容技術(shù)、進(jìn)行電磁兼容的科學(xué)訓(xùn)練,系統(tǒng)地掌握電磁兼容的理論基礎(chǔ)和基本方法,為進(jìn)一步開展醫(yī)療儀器電磁兼容領(lǐng)域的科學(xué)研究、從事醫(yī)療設(shè)備開發(fā)及電路板和微電子的設(shè)計(jì)、解決實(shí)際工程中的電磁兼容問題等打下堅(jiān)實(shí)的理論和技能基礎(chǔ)。

    (二)授課難點(diǎn)分析

    我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大四學(xué)生一般有25人,屬于典型的小班授課,師生課堂互動(dòng)交流良好,教師可以更好地了解小班中的每位學(xué)生,便于進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué),學(xué)生也有較好的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣,這些都有利于本課程的開展。授課難點(diǎn)在于:

    1.先導(dǎo)課程開設(shè)不充分。先導(dǎo)課程包括電路原理、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電路、數(shù)字電路、天線、電磁場(chǎng)原理等,其中后兩門課程最重要但并未開設(shè)。學(xué)生僅在大學(xué)物理課程中學(xué)過電磁場(chǎng)理論相關(guān)內(nèi)容,學(xué)習(xí)深度達(dá)不到本課程的要求。

    2.本課程開課時(shí)間定在大四上學(xué)期,此時(shí)大部分學(xué)生準(zhǔn)備考研,部分學(xué)生甚至在課堂上進(jìn)行考研復(fù)習(xí),因此投入本課程的時(shí)間和精力有限。如何提高課堂吸引力并在有限時(shí)間內(nèi)取得良好的教學(xué)效果,這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

    3.沒有可以直接借鑒的同行課程,也沒有針對(duì)性的教材。國(guó)內(nèi)其他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)尚未開設(shè)類似課程(不完全統(tǒng)計(jì)),因此只能就近借鑒電子工程專業(yè)的電磁兼容課程,在課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)大綱上需要針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)屬于電磁兼容技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用,是一門交叉學(xué)科課程。目前,電磁兼容課程的教材相對(duì)豐富,但針對(duì)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)的教材幾乎沒有。因此在教材選擇與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上,需要在多部教材中進(jìn)行取舍。

    (三)教材選擇與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

    為了突出本課程交叉學(xué)科的特點(diǎn),本課程選用高等學(xué)校工程創(chuàng)新型“十二五”規(guī)劃教材《電磁兼容基礎(chǔ)》(第2 版)[6]與《醫(yī)療設(shè)備電磁兼容測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》[7](見圖1)作為主要教材,其中電磁兼容基礎(chǔ)知識(shí)部分以前者為主,醫(yī)療設(shè)備電磁兼容部分以后者為主。實(shí)驗(yàn)課程講義由課程教學(xué)組自編。除了中文教材,還增加了學(xué)生課外閱讀教材Electromagnetic Compatibility: Principles and Applications(Second Edition)[8]。這本教材兼顧理論性與實(shí)踐性,關(guān)注電磁兼容問題的解決措施、方法、經(jīng)驗(yàn)等,受到許多知名大學(xué)的正式推薦。同時(shí),這本書的中文譯本《電磁兼容原理與應(yīng)用》[9]可以幫助學(xué)生更好地理解原書,有助于學(xué)生快速準(zhǔn)確掌握本領(lǐng)域?qū)I(yè)英文詞匯,為今后獨(dú)立查閱文獻(xiàn)、開展科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

    醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分布如表1所示。其中理論課程30個(gè)學(xué)時(shí),包含基礎(chǔ)理論、工程方法、預(yù)測(cè)與測(cè)試三部分;實(shí)驗(yàn)課程6個(gè)學(xué)時(shí),包含2個(gè)典型電磁兼容測(cè)試實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握頻譜儀與近場(chǎng)探頭的使用方法。

    為了突出本課程交叉學(xué)科的特點(diǎn),對(duì)電磁兼容測(cè)試部分的內(nèi)容采用案例教學(xué)法,引入了“多通道生理監(jiān)護(hù)儀電磁兼容測(cè)試”與“超聲影像設(shè)備電磁兼容測(cè)試”教學(xué)內(nèi)容。這兩種設(shè)備是醫(yī)院常見設(shè)備,學(xué)生在前期實(shí)習(xí)時(shí)對(duì)這兩種設(shè)備已有所接觸,對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)原理已有所了解,這有助于他們快速掌握本課程內(nèi)容。相關(guān)章節(jié)能讓學(xué)生對(duì)電磁兼容測(cè)試的流程、方法、儀器、場(chǎng)地有深入的理解。

    (四)教學(xué)案例分析

    針對(duì)授課難點(diǎn)與學(xué)生特點(diǎn),教師在教學(xué)過程中避免平鋪直敘、教師為主的教學(xué)方式,采用研究型教學(xué)模式,利用啟發(fā)與討論等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。下面是具體教學(xué)案例。

    1.屏蔽與接地是電磁兼容工程方法中的常見措施,學(xué)生在日常生活中對(duì)這兩個(gè)概念也有所接觸,但尚未進(jìn)行科學(xué)提煉。針對(duì)這一情況,教師在課堂講授中不直接給出結(jié)論,而是引導(dǎo)學(xué)生參與分組討論,逐步深入,直至獲得最終結(jié)果。當(dāng)學(xué)生在分析中遇到困難時(shí),教師可以提供選擇與引導(dǎo),讓學(xué)生在正確的方向上抽絲剝繭,通過分析學(xué)得知識(shí)。具體授課思路如圖2所示。

    2.電磁兼容預(yù)測(cè)章節(jié)的專業(yè)性很強(qiáng),存在大量計(jì)算電磁學(xué)的內(nèi)容,這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生而言很有難度。教師在有限的授課時(shí)間內(nèi),沒有將學(xué)生帶入復(fù)雜的公式推導(dǎo)中??紤]到前期學(xué)生在第二課堂學(xué)習(xí)了CST電磁仿真軟件相關(guān)知識(shí),教師通過一個(gè)仿真案例來展示電磁兼容預(yù)測(cè)過程。如電子醫(yī)療儀器在上市前必須滿足《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分:安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容? 要求和試驗(yàn)》(YY 0505—2012)中的射頻輻射抗擾度要求[10],因此產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮機(jī)箱的電磁屏蔽效能,這是一個(gè)典型的電磁兼容預(yù)測(cè)問題。如圖3、圖4、圖5(原圖為彩圖,本文僅作展示)所示,通過CST仿真軟件對(duì)心電圖機(jī)進(jìn)行建模,給定電磁干擾源,觀察機(jī)箱內(nèi)電磁場(chǎng)特定位置的電磁強(qiáng)度與分布。這個(gè)仿真案例難度適宜,學(xué)生可以直接參與,學(xué)習(xí)與研究同步進(jìn)行,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,同時(shí)對(duì)電磁兼容預(yù)測(cè)的全流程進(jìn)行了一次實(shí)際演練,收到了較好的教學(xué)效果。

    二、教學(xué)實(shí)施效果分析

    (一)課程考試成績(jī)分析

    課程總成績(jī)包含閉卷考試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分,二者權(quán)重比例分別為80%與20%。其中,試卷根據(jù)了解、掌握和綜合應(yīng)用三個(gè)目標(biāo)層次,按照10∶20∶70的比例,全面覆蓋了上課講授的6個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。最終總成績(jī)?nèi)缦拢?5分以上人數(shù)為0;90~95分人數(shù)為4,占比16%;85~89分人數(shù)為12,占比48%;80~84分人數(shù)為5,占比20%;75~79分人數(shù)為4,占比16%;低于75分人數(shù)為0。25名學(xué)生的平均成績(jī)?yōu)?4.9分,最高分為92.5分,最低分為77分,標(biāo)準(zhǔn)差為4.56,接近正態(tài)分布。最終成績(jī)說明學(xué)生對(duì)本門課程內(nèi)容的掌握普遍較好,達(dá)到了本門課程的教學(xué)目的。

    試卷題目由選擇題、填空題和問答題組成,三者分值比例為3∶3∶4。從統(tǒng)計(jì)分析來看,學(xué)生對(duì)選擇題和填空題完成得較好,這兩種題型注重考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解,學(xué)生普遍得分不錯(cuò)。問答題的發(fā)散性和啟發(fā)性較強(qiáng),尤其是問答題第8題設(shè)置得較為靈活,需要學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行拓展理解,因而學(xué)生得分偏低。這反映出大多數(shù)學(xué)生掌握了基本知識(shí)點(diǎn),但掌握得不夠深、不夠透徹。教師在以后的教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)深、學(xué)精,不能停留在基本知識(shí)點(diǎn)的表面,以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

    (二)問卷調(diào)查與思考

    為了進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題,便于后續(xù)針對(duì)性地改進(jìn),課程教學(xué)組在學(xué)期末進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)查問卷的主體內(nèi)容如表2所示,包含7個(gè)問題。問題1~3調(diào)查教學(xué)內(nèi)容是否具有針對(duì)性、有利于學(xué)生的后續(xù)工作與學(xué)習(xí);問題4~6研究教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性,為進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法提供參考。問題1~6均采用4級(jí)打分法。問題7是開放性問題,收集學(xué)生的補(bǔ)充建議。為了保證問卷調(diào)查的真實(shí)性,本次問卷調(diào)查采用無記名方式進(jìn)行,填寫時(shí)間在考試成績(jī)公布之后。

    調(diào)查結(jié)果顯示,針對(duì)問題1,學(xué)生普遍認(rèn)可本課程對(duì)未來工作和學(xué)習(xí)有幫助,這與大部分學(xué)生準(zhǔn)備讀研有關(guān)(部分學(xué)生甚至跨學(xué)科選擇電子工程專業(yè)),還有部分學(xué)生計(jì)劃進(jìn)入醫(yī)院設(shè)備科工作。針對(duì)問題2~3,大部分學(xué)生認(rèn)為自己較好掌握了本課程的知識(shí)點(diǎn),但缺乏獨(dú)立進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的能力。針對(duì)問題4~5,學(xué)生對(duì)本課程的教學(xué)方法給予了較好的評(píng)價(jià),這與本課程采用研究型教學(xué)模式密切相關(guān)。針對(duì)問題6,學(xué)生普遍認(rèn)為需要增加6~9個(gè)學(xué)時(shí),這反映出理論課學(xué)時(shí)總數(shù)過少,尤其是第三章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容是本課程的重點(diǎn),需要增加時(shí)間深入講解。針對(duì)問題7,部分學(xué)生建議將本課程提前至大三下學(xué)期開設(shè),因?yàn)楸菊n程的確與考研復(fù)習(xí)存在時(shí)間沖突。

    本課程機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。生物醫(yī)學(xué)工程的學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)與學(xué)生反饋均表明,生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)有必要開設(shè)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程,但學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的不足給本課程教學(xué)帶來了很大難度。增加課時(shí)數(shù)并調(diào)整開課時(shí)間是解決上述矛盾的方法之一。研究型教學(xué)模式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高了教學(xué)質(zhì)量,在后續(xù)教學(xué)中可進(jìn)一步堅(jiān)持并改進(jìn)。學(xué)生對(duì)本門課程的基礎(chǔ)知識(shí)掌握得較好,但缺乏對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用,后續(xù)可增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)融會(huì)貫通,加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐運(yùn)用之間的銜接。

    三、結(jié)語(yǔ)

    2018年,教育部提出新醫(yī)科的本科教育改革,強(qiáng)調(diào)了多種交叉學(xué)科在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[11]。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科階段開設(shè)一批有挑戰(zhàn)性的交叉學(xué)科課程,并將課程講好講精,是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教育工作者不可推卸的責(zé)任。本文系統(tǒng)介紹了電磁兼容課程的設(shè)計(jì)思路、案例分析與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)內(nèi)容上,結(jié)合學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景,精選知識(shí)點(diǎn),并與醫(yī)療設(shè)備緊密結(jié)合,使學(xué)生在本課程中做到“可學(xué)、應(yīng)學(xué)、盡學(xué)”;在教學(xué)方法上,避免概念要點(diǎn)“滿堂灌”,采用研究型教學(xué)模式,讓學(xué)生積極主動(dòng)參與課堂討論與互動(dòng);在教學(xué)實(shí)施上,避免復(fù)雜的公式推導(dǎo),選擇更具針對(duì)性的工具軟件,讓學(xué)生體驗(yàn)電磁兼容設(shè)計(jì)的流程,成為教學(xué)推進(jìn)的主角。這種引導(dǎo)講授、分組討論、體驗(yàn)教學(xué)的方法在調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性與提高教學(xué)效果方面具有重要作用。

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    [責(zé)任編輯:周侯辰]

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