面向移動醫(yī)療的智能測溫系統(tǒng)教學改革初探

摘 要 近年來，智能測溫系統(tǒng)的研究和應用方興未艾，引發(fā)了移動醫(yī)療領域的一系列重大突破。這些領域的發(fā)展與變化迫切需要高校電子信息類課程教學迅速跟進，以幫助學生了解前沿技術(shù)。論文以新型智能測溫系統(tǒng)為主體，提出了溫度傳感器基礎知識和物聯(lián)網(wǎng)應用相融合、電子信息知識和醫(yī)療技術(shù)應用相融合的課程內(nèi)容融合模式，圍繞理論教學內(nèi)容引入了移動醫(yī)療的前沿成果案例。這些探索為學生提供了在具體醫(yī)療場景下實現(xiàn)移動智慧應用的解決方案和思路借鑒，為電子信息專業(yè)課程建設和人才培養(yǎng)提供了豐富有益的參考。

關(guān)鍵詞 電子信息；智能測溫系統(tǒng)；移動醫(yī)療；教學改革

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.23.016

Exploration of Teaching Reform of Intelligent Temperature Measurement

System for Mobile Healthcare

LI Liang1， HU Yanling2， HAN Zhenhua1

（1. College of Physics and Electronic Engineering， Xinjiang Normal University， Urumqi， Xinjiang 830054;

2. College of Life and Health. Nanjing Polytechnic Institute， Nanjing， Jiangsu 210044）

Abstract In recent years， the research and application of intelligent temperature measurement systems have been flourishing， triggering a series of major breakthroughs in the field of mobile healthcare. The development and changes in these fields urgently require the rapid follow-up of electronic information courses in universities to help students understand cutting-edge technologies. This paper focuses on a new intelligent temperature measurement system and proposes a course content fusion model that integrates basic knowledge of temperature sensors with IoT applications， electronic information knowledge with medical technology applications. It introduces cutting-edge achievements in mobile healthcare around theoretical teaching content. These explorations provide students with solutions and ideas for implementing mobile intelligent applications in specific medical scenarios， and offer rich and beneficial references for the construction of electronic information courses and talent cultivation.

Keywords electronic information; intelligent temperature measurement system; mobile healthcare; reform in education

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的健康意識日益增強，移動、遠程以及智慧體溫監(jiān)測應用越來越受到關(guān)注，如患者監(jiān)護、公共場合感染者篩查等領域。新型智能測溫系統(tǒng)將非接觸溫度傳感器與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可實時讀取、記錄和發(fā)送體溫數(shù)據(jù)，為移動智慧醫(yī)療領域的測溫需求提供了保障，相關(guān)電子產(chǎn)品已成為未來健康醫(yī)療類消費電子產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。

然而，與新型智能測溫系統(tǒng)在智慧移動醫(yī)療應用中的重要地位不同，筆者發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)高校電子信息本科專業(yè)的相關(guān)課程教材中缺乏新型智能測溫系統(tǒng)內(nèi)容的相關(guān)闡述和介紹?！半娮有畔д摗闭n程[1-2]是高校電子信息專業(yè)大一新生的第一門基礎課，涵蓋了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)這三大部分內(nèi)容，為學生學習其他后續(xù)專業(yè)課程奠定了重要的學科基礎。溫度傳感器的相關(guān)內(nèi)容是“電子信息導論”課程傳感器內(nèi)容教學中的重要組成部分，講述了熱電阻、熱電偶等經(jīng)典溫度傳感器的性質(zhì)與應用。這些內(nèi)容雖然幫助學生奠定了溫度傳感器的基礎知識，但內(nèi)容較為零散、陳舊，沒有體現(xiàn)與其他內(nèi)容的有機聯(lián)系，沒有體現(xiàn)當下應用的最新成果。因此本部分教學面臨如下難題：一方面教學過程轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鲄?shù)解讀，學生不易建立新知識體系；另一方面，學生未接觸到前沿的溫度傳感器及測溫系統(tǒng)，教師難以調(diào)動學生的積極性和主動性。如何以溫度傳感器部分為核心融合“電子信息導論”課程其他章節(jié)的內(nèi)容，提高溫度傳感器的課堂教學效果，一直為筆者教學團隊所關(guān)注。為了解決教學難題和滿足行業(yè)需求，筆者團隊重新設計了該課程中溫度傳感器的主要內(nèi)容，融入了新型發(fā)光溫度傳感器及智能測溫系統(tǒng)的構(gòu)建與應用，目前已經(jīng)完成了該課程兩輪以上的教學實踐，為“電子信息導論”課程以及智能測溫系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容的課程建設和教學改革進行了一些有益探索。

1" 課程教學目標設計

筆者團隊針對溫度傳感器課程的教學目標進行了適當?shù)恼{(diào)整，更加契合當下醫(yī)療應用場景下的智慧應用。該部分內(nèi)容的主要教學目標是讓學生了解國內(nèi)外最新發(fā)光溫度傳感器、智能測溫系統(tǒng)發(fā)展及其在移動醫(yī)療領域的應用現(xiàn)狀，對發(fā)光溫度傳感器的技術(shù)內(nèi)涵產(chǎn)生一定認識，并掌握相關(guān)智能測溫系統(tǒng)的基本模型和設計方法。在完成這部分教學內(nèi)容之后，學生應達到以下三點具體要求：第一，了解發(fā)光溫度傳感器的特性與適用范圍，掌握其工作原理與分析方法。第二，掌握智能測溫系統(tǒng)的運行方式，熟悉智能測溫系統(tǒng)的典型構(gòu)建策略。第三，熟悉智能測溫系統(tǒng)的典型應用場景，能夠設計可以實時讀取、發(fā)送數(shù)據(jù)的智能體溫測量系統(tǒng)。

2" 課程內(nèi)容規(guī)劃

根據(jù)上述教學目標設計，筆者課程團隊對“電子信息導論”課程中溫度傳感器教學內(nèi)容作了如下考慮和規(guī)劃，主要圍繞可穿戴電子產(chǎn)品智能測溫系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)光溫度傳感器原理、新型發(fā)光溫度傳感器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)、智能測溫系統(tǒng)工作原理、智能測溫系統(tǒng)的信息加密與解密、智能測溫系統(tǒng)應用六個方面開展課程教學。課程內(nèi)容首先介紹可穿戴電子產(chǎn)品的智能測溫系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，其次闡述其工作原理、靈敏度、信號傳輸過程，最后通過具體案例展示目前國內(nèi)外具有特色的可穿戴電子產(chǎn)品的測溫應用，充分調(diào)動學生的學習積極性和學習熱情。

2.1" 發(fā)光溫度傳感器介紹

新型發(fā)光溫度傳感器原理的學習是掌握智能測溫系統(tǒng)特性的基礎。該部分內(nèi)容將以新型發(fā)光溫度傳感器的發(fā)光特性熱淬滅為切入點。在各種發(fā)光特性中，發(fā)光溫度傳感器的發(fā)射光強度被廣泛用于傳感溫度。目前發(fā)光材料的發(fā)光強度與溫度之間的特性曲線主要采用Mott-Seitz模型進行分析。為了減少干擾因素，研究人員進一步開發(fā)了比率發(fā)光溫度傳感器。比率發(fā)光溫度傳感器一對發(fā)射峰的比值只是溫度的函數(shù)。與此同時，相對測溫靈敏度被廣泛用于衡量比率發(fā)光溫度傳感器的溫度傳感性能。在課堂教學中，筆者在講解每個知識點時會展示多個發(fā)光溫度傳感器實物，幫助學生建立關(guān)于發(fā)光溫度傳感器的直觀印象，再引導出測溫特性的描述、推導過程，以及影響因素，幫助學生掌握發(fā)光溫度傳感器的設計原理。作為一類非接觸式傳感器，發(fā)光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)決定了其測溫特性與識別方式。因此，該部分內(nèi)容還重點介紹了新型發(fā)光溫度傳感器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。目前研究顯示，Tb3+/Eu3+發(fā)光溫度傳感器的發(fā)光易于被識別并定量分析，因此成為一類經(jīng)典的比率發(fā)光溫度傳感器[3]。Tb3+/Eu3+發(fā)光溫度傳感器的測溫參數(shù)通常為Tb3+與Eu3+的發(fā)射峰的積分面積比值或強度比值。其中Tb3+的綠光隨溫度上升呈現(xiàn)嚴重的衰減，通常被用作溫度探針；而Eu3+的紅光受溫度影響較小，通常被用作參比。在課堂實踐中，隨著溫度升高，Tb3+/Eu3+發(fā)光溫度傳感器的發(fā)光顏色從綠色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，現(xiàn)象非常明顯，可幫助學生快速理解了相應測溫參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系，以及發(fā)光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與測溫性能之間的關(guān)系。

2.2" 智能測溫系統(tǒng)工作原理

該部分內(nèi)容將主要考慮發(fā)光溫度傳感器、智能手機、網(wǎng)絡之間的連接方式，重點介紹發(fā)光溫度傳感器的識別。智能手機一方面可以感知上述發(fā)光溫度傳感器的發(fā)光變化，另一方面可以建立與物聯(lián)網(wǎng)的連接，因此通過智能手機可以將這些傳感器高效連接到物聯(lián)網(wǎng)中，從而建立智能測溫系統(tǒng)[4]。目前智能手機是每個學生使用時間最長的電子設備，穩(wěn)定性好，集成度高，人機交互也非常方便，非常適合用于教學實踐。具體過程如下：用智能手機拍攝發(fā)光溫度傳感器的發(fā)光圖像，并通過App從發(fā)光圖像中建立藍（B）綠（G）紅（R）三種顏色通道的強度和溫度的定量關(guān)系，之后依據(jù)定量關(guān)系提取出發(fā)光溫度傳感器的溫度，最后利用智能手機完成溫度信息的存儲與通信。教學團隊在教學中采用創(chuàng)新設計，使用智能手機App輔助完成課程內(nèi)容的具體應用實踐，避免了搭建傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)過程中常見的導致實驗失敗的因素，如人為失誤和硬件損壞等。因此大一學生對于利用智能手機與發(fā)光溫度傳感器建立智能測溫系統(tǒng)非常感興趣，所有學生在短時間內(nèi)都可完成溫度識別。

2.3" 智能測溫系統(tǒng)的信息加密與解密

信息存儲與讀取是智能測溫系統(tǒng)的另一項重要功能，該部分將介紹目前智能測溫系統(tǒng)主要采用的信息加密與解密方法?；谏鲜鱿⊥帘嚷拾l(fā)光溫度傳感器可構(gòu)筑發(fā)光QR碼，存在發(fā)光溫度傳感器的區(qū)域可看作“1”，而其他區(qū)域可看作“0”。之后可利用智能手機從發(fā)光圖像中提取出發(fā)光QR碼的溫度，以及解碼出相關(guān)信息。這些發(fā)光QR碼具有彩色復用特性，可以進一步提高存儲容量和提供附加功能。這個過程融合了溫度傳感、信息的表示與運算、圖像處理等多個知識點，使學生初步接觸到電子信息課程中多個重要的領域，幫助學生建立溫度傳感器與信息技術(shù)、通信技術(shù)的聯(lián)系。

2.4" 智能測溫系統(tǒng)的應用

用于移動醫(yī)療的智能測溫系統(tǒng)作為貼近消費者的溫度測量系統(tǒng)，是可穿戴電子產(chǎn)品的重點集成部分，可以充分調(diào)動學生的興趣，因此本部分在教學中特意設置了相關(guān)內(nèi)容。在最新報道中，這些QR碼被分別印在醫(yī)用智能標簽和口罩上，實現(xiàn)了對醫(yī)用標簽和口罩溫度的實時追蹤。參照相關(guān)報道，學生在課堂實踐中復現(xiàn)了前沿研究的成果。該部分一方面以具體需求為導向，以典型智能溫度測量系統(tǒng)為例，開展上述內(nèi)容的具體應用，指出智能測溫系統(tǒng)在移動醫(yī)療領域應用時的特殊設計方法；另一方面，以能力培養(yǎng)為導向，指導學生利用智能手機搭建智能測溫系統(tǒng)，并積極探索了新的移動醫(yī)療應用場景。經(jīng)過以上課堂實踐，學生既掌握了溫度傳感器的通用分析方法，又接觸到了移動醫(yī)療領域內(nèi)智能測溫系統(tǒng)的前沿技術(shù)。

3" 課程特色與評價

“電子信息導論”課程溫度傳感器內(nèi)容的課程建設與教學實踐，源于智能測溫系統(tǒng)和移動醫(yī)療的快速發(fā)展。課程的各部分內(nèi)容依次遞進，具有以下特點：①概述消費電子產(chǎn)品和可穿戴電子產(chǎn)品，可調(diào)動學生興趣，快速引導學生建立智能測溫系統(tǒng)相關(guān)知識體系；②主體內(nèi)容以溫度的傳感為切入點，過渡到溫度信息的實時追蹤，涵蓋了智能測溫系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)、信息加密與解密、物聯(lián)網(wǎng)等多個層面，促進學生從多個專業(yè)方向進行思考，引導學生建立基礎知識與新型消費電子產(chǎn)品的聯(lián)系，有助于學生掌握整個測溫系統(tǒng)的運行方式；③選擇用于標簽和口罩溫度監(jiān)測的智能測溫系統(tǒng)為實例，突出了移動醫(yī)療應用特色，為學生提供了融合電子信息與移動醫(yī)療的素材，可促進學生建立學科交叉認知，提高學生的移動醫(yī)療電子產(chǎn)品設計能力；④配備難度適當?shù)拈_放式課程設計，促進學生深入理解相關(guān)內(nèi)容。經(jīng)過不斷完善，學生的學習興趣得到了提高，自主學習能力進一步得到提升，在參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和學科競賽的過程中也展示了極高的熱情。

4" 結(jié)語

圍繞筆者所在高校電子信息本科專業(yè)開設的“電子信息導論”課程，本論文針對性地分析了溫度傳感器部分的教學定位與教學目標，并以移動醫(yī)療應用為特色，規(guī)劃了該部分所涉及的智能測溫系統(tǒng)相關(guān)課程內(nèi)容。通過這部分課程內(nèi)容的教學實踐探索，為師范類院校電子信息專業(yè)傳感器、信號與系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應用等相關(guān)課程內(nèi)容的教學改革與完善提供了一種值得借鑒的建設思路，進而助力培養(yǎng)符合消費電子產(chǎn)品和移動醫(yī)療行業(yè)快速發(fā)展需求的厚基礎寬口徑的高素質(zhì)應用型電子信息專業(yè)人才。

*通信作者：韓振華

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)科學技術(shù)廳青年科學基金（2022D01B116）；新疆維吾爾自治區(qū)“天池英才”引進計劃；新疆師范大學教學研究與改革項目“工程教育專業(yè)認證理念下的新工科專業(yè)建設研究——以電子信息一流專業(yè)建設為例”（SDJG2023-09）；2021年第一批―教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于PROTEUS軟件的電子信息專業(yè)核心課程仿真教學師資培訓”（202101138049）；南京科技職業(yè)學院“科研北斗計劃”項目（NJPI-2023-04）。

參考文獻

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