以電子競賽促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力方法探討

焦騰+于霄+張楊+呂昊+李釗+梁福來+薛慧君+張華

摘要：從生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生所應(yīng)具備的專業(yè)技能出發(fā)，介紹了目前學(xué)生的現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了通過組織學(xué)生參加電子競賽，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，使學(xué)生掌握系統(tǒng)的專業(yè)理論知識，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合職業(yè)能力和豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；電子競賽；職業(yè)能力

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0233-02

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)（Biomedical Engineering，BME）是一門理學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)高度綜合的交叉學(xué)科。應(yīng)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的理論和方法，從工程學(xué)角度，研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，揭示其生命現(xiàn)象；研究人體系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并運(yùn)用工程技術(shù)手段去控制這類變化；研究解決醫(yī)學(xué)防病、治病的新技術(shù)手段，保障人民健康的一門新興的邊緣科學(xué)。這門學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生具備生命科學(xué)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及信息科學(xué)有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)研究能力，能在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)儀器以及其他電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息產(chǎn)業(yè)等部門從事研究、開發(fā)、教學(xué)及管理的高級工程技術(shù)人才。

一、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)需求分析

學(xué)科的交叉融合決定了就業(yè)選擇的多樣性，主要有教學(xué)科研型、醫(yī)療設(shè)備型、電子通信型。（1）教學(xué)科研型，主要在國內(nèi)外高校或科研院所就業(yè)，從事人才培養(yǎng)和科學(xué)研究，屬于科研型人才，工作穩(wěn)定，有較高的社會地位。教學(xué)科研型單位入門門檻高，通常要求具有碩士、博士學(xué)位，要求有良好的教育素養(yǎng)和較高的專業(yè)知識水平，創(chuàng)新能力強(qiáng)，有強(qiáng)烈而持久的進(jìn)取心精神。（2）醫(yī)療設(shè)備型主要分為三大類：第一類在醫(yī)院設(shè)備、影像、放療、臨床工程、信息中心等相關(guān)科室，從事醫(yī)療設(shè)備和軟件的安裝、維修和管理等工作；第二類是去各大跨國以及國內(nèi)醫(yī)療器械企業(yè)，比如GE、SIEMENS、邁瑞、安科等，從事研發(fā)、測試、銷售、售后服務(wù)等；第三類進(jìn)入國家醫(yī)療器械司及各級醫(yī)療器械檢測所。醫(yī)療設(shè)備型需要實(shí)干型人才，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的專業(yè)知識應(yīng)用到工作中。（3）電子通信型，主要從事與生物醫(yī)學(xué)無關(guān)的純電子、通信以及計算機(jī)等相關(guān)工作。

目前，畢業(yè)生從事的工作按百分比排序依次為：醫(yī)療器械公司32.7%，醫(yī)院20.9%，高校和科研院所19.1%，與專業(yè)相關(guān)的其他公司7.3%，工廠2.8%，政府機(jī)關(guān)1.1%，其他單位16.1%。

二、我國生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程有：電路原理、模擬與數(shù)字電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計、信號與線性系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量等。實(shí)驗課包括大學(xué)物理實(shí)驗、醫(yī)學(xué)實(shí)驗、電工實(shí)驗等。這些專業(yè)基礎(chǔ)課程既有豐富的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性，是一門抽象、難懂的學(xué)科。學(xué)生的興趣和動手能力是學(xué)好這些課程的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師講、學(xué)生聽；先理論、后驗證。這種模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和激發(fā)學(xué)生的求知欲，往往造成學(xué)生理論有余而實(shí)踐不足，極大地妨礙了學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性和積極性，不利于培養(yǎng)他們的職業(yè)素質(zhì)和實(shí)際工作能力。在學(xué)校里學(xué)習(xí)的醫(yī)療設(shè)備特別是大型醫(yī)療設(shè)備，如CT機(jī)、核磁共振、螺旋CT等都是紙上談兵，無法將課本中的理論知識與現(xiàn)實(shí)中的醫(yī)療設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來[1]。

三、以電子競賽的方式促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力

處于醫(yī)科院校的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，其研究的主要特點(diǎn)是和醫(yī)學(xué)結(jié)合緊密，醫(yī)學(xué)大背景很深厚。在這樣醫(yī)學(xué)氛圍很濃的環(huán)境中，生物醫(yī)學(xué)工程自然成為小學(xué)科，工程力量相對薄弱。這就要求學(xué)生理論分析能力和動手能力要好，不僅要熟練掌握基本理論和基礎(chǔ)知識，而且要接受科學(xué)實(shí)驗研究能力、工程設(shè)計能力、新產(chǎn)品開發(fā)能力和生產(chǎn)過程組織管理能力的基本訓(xùn)練，提升自身能力。

通過多年生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗，輔導(dǎo)學(xué)生參加電子競賽具有非常好的效果。2014年本專業(yè)組織學(xué)生參加了由教育部信息技術(shù)中心主辦的“第九屆全國信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽”。它是推動各有關(guān)院校信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)教學(xué)體系的改革，引導(dǎo)學(xué)校積極開展應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，提高學(xué)生解決問題的能力和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。根據(jù)學(xué)生理論課的學(xué)習(xí)情況，選擇了“飛行器控制設(shè)計”競賽組，要求選手使用指定芯片，自主設(shè)計、制作控制電路板，以控制大賽指定的一個飛行器完成起飛、懸停、降落及其他指定任務(wù)。

在綜合知識考試部分，通過2014年試題分析，主要元件、信號及基本電路占15%，模擬電路、數(shù)字電路占20%，高頻電路占5%，C語言的基本知識及應(yīng)用占20%，主要測量儀器使用占5%，印制電路板設(shè)計及電路安裝調(diào)試占5%，單片機(jī)原理及外圍電路占40%，涵蓋了幾乎所有的專業(yè)基礎(chǔ)課程內(nèi)容。

飛行器設(shè)計部分，將整個系統(tǒng)分為三大塊：遙控系統(tǒng)、通信鏈路、控制系統(tǒng)。學(xué)生需要使用STC公司的IAP15F2K61S2核心處理器實(shí)現(xiàn)控制板的設(shè)計，遙控器的設(shè)計，完成起飛、懸停、降落及其他指定任務(wù)。飛行器是將機(jī)械、電子、空氣力學(xué)、高頻發(fā)射等專業(yè)知識整合為一體的精密設(shè)備，需要正確組裝和調(diào)試才可避免事故發(fā)生。要實(shí)現(xiàn)起飛、懸停、降落以及指定方向的快速準(zhǔn)確動作，學(xué)生必須學(xué)習(xí)掌握雙旋翼飛行器的飛行原理、旋翼速度的控制原理、舵機(jī)的控制原理等，通過查找相關(guān)技術(shù)資料，這些初次接觸的新概念的基本原理應(yīng)用在基礎(chǔ)課程教學(xué)中的知識完全可以解決。比如，舵機(jī)是一種角度伺服的驅(qū)動器，在所有的飛行器機(jī)電控制中，舵機(jī)的控制效果是性能的重要影響因素，而舵機(jī)控制原理，所有的學(xué)生都是初次接觸，很茫然。指導(dǎo)教師要求一個學(xué)生查找資料后，面對其他學(xué)生進(jìn)行講解，舵機(jī)的控制需要一個20ms的時基脈沖信號，該脈沖信號的高電平部分一般為0.5ms—2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。該飛行器中所用的180°角的伺服，對應(yīng)的控制關(guān)系是0.5ms—0°、1.0ms—45°、1.5ms—90°、2.0ms—135°、2.5ms—180°。而控制角度其實(shí)就是控制PWM的占空比，通過講解學(xué)生理解了原理，同時也和理論教學(xué)緊密結(jié)合，使學(xué)生認(rèn)識到理論課的重要性。通過實(shí)際測試，學(xué)生感性認(rèn)識并理解了直流電機(jī)控制中轉(zhuǎn)速與電壓、電流和功率的相互關(guān)系，對理論課程中學(xué)習(xí)的電壓、電流和功率的概念有了更加深入的理解。

遙控端作為整個系統(tǒng)的控制中心，主要是將用戶對油門搖桿、俯仰搖桿、航向搖桿以及微調(diào)按鈕相關(guān)的機(jī)械操作轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行傳輸并且可以對直升機(jī)進(jìn)行操控的數(shù)據(jù)。雙槳共軸直升機(jī)主要完成上升下降、前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)向等操作，學(xué)生需要自學(xué)相關(guān)的控制原理，這樣就把理論課上學(xué)習(xí)的電子技術(shù)知識、C語言編程、器件的感性認(rèn)識、電路焊接、調(diào)試等融合在一起進(jìn)行工程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，工程技術(shù)、資料查詢、科研能力也得到了提高。

故障排除部分，給每個學(xué)生發(fā)放一套開發(fā)學(xué)習(xí)板，要求在3小時內(nèi)完成現(xiàn)場的硬件故障排除，軟件編程實(shí)現(xiàn)特定功能，其要求高，難度大。

通過競賽，學(xué)生把課堂上學(xué)習(xí)的電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言編程技術(shù)、微型計算機(jī)技術(shù)等這些生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程連接在一起，鞏固了重要的知識點(diǎn)，比如AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、功率放大、穩(wěn)壓電路、PWM脈沖控制、SPI串行通信、振蕩電路以及C語言中的語法等，從工程實(shí)踐能力上加強(qiáng)了學(xué)生PCB電路的設(shè)計和制作、電路焊接與調(diào)試、電路綜合故障排除等能力。

四、效果分析

在學(xué)校和系領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，本次生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)組織大三學(xué)生組成了4組共12人參加了這次競賽，其中有2組進(jìn)入決賽，我校是參加本屆大賽的唯一一所醫(yī)科院校。進(jìn)入決賽的兩組學(xué)生參加了在北京航天航空大學(xué)舉行的全國總決賽，取得了一個一等獎、一個二等獎的好成績。通過這次比賽，參與的學(xué)生都充分認(rèn)識到了理論學(xué)習(xí)的重要性，明白了實(shí)際的研究工作都是需要理論指導(dǎo)的，課堂理論知識在工程技術(shù)中都會用到。通過這次比賽，學(xué)生具備了很強(qiáng)的動手能力，初步了解了科研工作的工作套路以及對疑難問題的分析解決能力。通過這種模式，大大提高了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的學(xué)生質(zhì)量，促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。

通過這次比賽，主要有以下兩點(diǎn)經(jīng)驗：（1）應(yīng)選擇競賽內(nèi)容較為全面、覆蓋知識面較廣的競賽，可以把課堂上的理論知識充分運(yùn)用到實(shí)際中，鞏固知識。（2）應(yīng)結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的就業(yè)能力需求，把工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)作為一項重要的內(nèi)容。通過競賽，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使他們畢業(yè)后，能夠獨(dú)立承擔(dān)工作，滿足醫(yī)學(xué)工程師的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘倩瑩.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)的模式及管理[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（7）：150-151.