《医学仪器原理与设计》课程教学方法探索

郑其斌 李星

【摘要】“医学仪器原理与设计”是一门集医学、物理、电子和计算机等多学科技术为一体的交叉学科;本文根据该课程的特点，进行了教学方法的探索和改革。在仪器通用设计部分采用传统教学方法，由教师主导课堂，融合实际项目需求和工程设计经验讲解知识点;在具体典型的医学仪器设计原理部分借鉴翻转课堂理念，由学生主导课堂，学生分组调研、整理材料、汇报和讨论。本文就该教学模式的设计思路和教学方法进行了探讨。

【关键词】翻转课堂  教学模式

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）27-0103-02

“医学仪器原理与设计”课程是生物医学工程专业学生的专业主干课程，该课程全面深入地介绍生物医学测量方法、现代医学仪器的原理与设计等相关重要知识，涵盖了较宽的专业综合理论，体现了较强的实践特点。主要内容包括现代医学仪器概论、生物电测量及仪器、生理参数测量及仪器、治疗和修复医学设备、医学仪器的干扰抑制等。该课程涉及到医学、物理、电子和计算机等方面的技术，通过该课程的学习使学生掌握医学仪器的分类与构成、理解基本测量原理、掌握基本设计方法。为生物医学工程专业学生今后就业和深入地研究学习奠定基础，并能够在实际工作中产生重要作用。

课程的主要特点首先在于课程内容均为最常用的医学仪器的原理、应用与设计;其次，在课程讲授中，着重强调医学仪器不同于其他电子仪器设计的特点，以经典的医学测量、治疗仪器的原理和设计为例详细讲解醫学仪器设计开发的正确思路和方法，使学生知其然也知其所以然，从而掌握医学仪器设计的一般规律，最终具备不同医学仪器开发需求的专业基础和工程素养;最后，教师长期从事医学仪器开发相关的科研工作，在动态心电、血压监测和有源植入医疗器械等方面都有很好的工作积累，在课程讲授和课下辅导方面都能够很好地体现科研反哺教学的教学改革理念。

作为一门隶属于生物医学工程专业的综合学科，它涉及知识面广、难度较大，在教学过程中如何将该课程的知识系统且清晰地呈现给学生，如何及时地将前沿设计理念传递给学生，如何培养学生的创新设计能力，正是目前课程教学中迫切需要解决的问题。为此，作者结合本课程特点和前期教学经验，对该课程的教学方法进行探索和改革，提出一种传统教学与翻转课堂相结合的教学模式。

1.教学模式的整体思路

该教学模式在仪器通用设计部分采用传统教学方法，以教师授课为主，融合实际项目需求和课题组前期积累的工程经验讲解知识点，给学生建立一个良好的仪器设计基础。通过学习生物医学测量和各种医学仪器的系统原理和组成，使学生掌握医学仪器的分类和构成、理解基本测量原理、掌握基本设计方法。为学生今后就业和深入地研究学习奠定基础，并能够在实际工作中产生重要作用。通过基础的课程教学以期达到三大目标：第一，了解医学仪器设计的基本流程、各类常见仪器的设计思路，仪器设计时的注意事项等专业知识;第二，培养学生的工程素养：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂医学仪器系统设计的工程问题;第三，培养学生分析问题的能力：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂医学仪器系统设计中的工程问题，以获得有效结论。

在具体仪器设计部分借鉴翻转课堂理念，老师准备多个医学仪器设计类题目供学生挑选，包括：心电检测电路的设计、心率变异性检测模块的设计、人体温度测量电路及体温的实时监测显示模块的设计、呼吸测量电路及体温显示模块的设计、脉搏/心音记录电路及其波形的实时显示模块的设计、脑电信号检测及脑电波形的实时显示模块的设计、肌电测量电路及其波形的实时显示模块的设计、血氧饱和度检测系统的设计等，供学生自主挑选自己感兴趣的部分，分组进行讨论，最终得出一份设计方案在课堂上进行讲演辩论。这样有助于提升学生的创新能力和知识运用的灵活性。该传统教学与翻转课堂相结合的教学模式，既能让学生系统地掌握课程理论知识，又能提高学生的动脑、动手能力，为以后进一步深造或步入工作岗位打下坚实的基础。

在具体设计部分主要期待达成以下目的：第一，培养学生设计、开发能力：能够设计针对复杂医学仪器系统的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。第二，培养学生具备初步的研究能力：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。第三，培养学生沟通能力：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。最后，培养学生终身学习能力：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

2.教学模式的具体实践

课程设计内容的安排既要符合教学计划的要求，又要兼顾学生的知识水平、实际情况及课程设计时间的限制，同时还要有利于培养学生的开拓创新能力、独立分析问题、解决问题能力。医学仪器及设备课程设计在自主学习环节安排了多个设计题目供学生选择，各个题目均是有一定代表性的医学仪器或医学电子仪器的功能模块。医学电子仪器的功能模块的设计需具备一定电子实验技能，并能综合运用所学电子理论知识和医学仪器与设备的理论知识，经过一定努力方可完成。在教师授课环节早期便布置下设计任务，安排学生自由组成固定人数的小队，以方便大家学以致用，更好地吸收课堂知识。自主学习的讲演展示阶段，由老师和学生共同打分点评，促进大家的学习积极性。

2.1医学仪器设计通用知识部分

教师总结讲解仪器设计通用的知识点，基础知识包括传输线理论与应用、测量中的噪声与干扰、放大器设计、时钟技术、模数转换和数据传输与存储等，专业知识包括X线成像的基本原理、PET的设计原理、核磁共振成像原理、全自动血气分析仪设计原理、除颤仪和心脏起搏器的设计原理等，通过讲授上述仪器设计的基础理论和设计经验，给学生系统地呈现仪器设计的通用知识。并引导学生联系自己的设计题目进行实际的应用，提升学生对知识理解的深度。并留出时间给学生就自己设计的部分进行提问，教师适当给出意见。

2.2具体的仪器设计部分

具体仪器设计部分是本节课的亮点所在，也是检查学生课堂知识掌握程度的重要途径。

将学生分为人数相等的几个小组，每组设置一名组长，选择本小组感兴趣的设计题目，在教师讲授阶段逐步确认每个成员的分工。学生课下先结合自己所掌握的知识，通过自己查阅相关资料，询问老师同学等方法，完善本组的设计。

在规定时间结束时，收集和整理全组整体的设计结果，并选出代表进行课堂讲演，其他小组可以对该小组的讲演内容进行提问。教师要引导、鼓励学生参与到讨论中来，指引自学和讨论的方向、广度、深度，提供教学资源，指导查找资料，解答疑难，协调小组活动，帮助有困难的同学。最后通过在课堂上的归纳总结，每组学生可以检查自己的学习情况，巩固所学的知识，分享整理好的设计结果，提出在讨论过程中遇到的问题。各组归纳结束后，由老师做最后的陈述。老师总结陈述时，概念要清楚，重点要突出，层次要分明，帮助学生掌握重点、弥补遗漏。课程的最后讓同学们以撰写论文的形式，总结自己本次课程中遇到的问题、学习到的知识以及本组的设计思路、自己的贡献等。通过这样一些开放式问题的设置，让学生积极思考问题，探索造成差异的原因，加深了对各生理参数采集原理和临床意义的认识。实验教学也极大巩固了对理论知识的掌握，初步培养学生一种探索式思维方式。

3.教学模式的优势

该教学模式同以往的教学相比，其优势主要表现在以下三个方面：

3.1传统教学和翻转课堂结合，优势互补

传统教学和翻转课堂，在教学实践上各有优势。传统教学，知识传授是通过教师在课堂上的讲授完成。在教师讲授的知识引导下，学生在课后自主进行知识的深化学习。而翻转课堂颠覆了传统的教学思维，学生在课前就完成有关知识的学习和思考，然后带着疑问入课堂，在课上进行答疑与讨论，调动了学生在医学仪器领域探索的积极性。两种教学方法各有优势。

虽然课前学习方便且不受课堂教学限制，但是经调查发现学生对自己的学习能力缺乏自信，而教师授课可根据学生的实际情况调整所授知识[1]，这是课前学习不具备的优势。所以在实际教学实践中，需要把控好课前学习与课堂讲解的结合，让传统教学与翻转课堂充分结合，优势互补。

3.2充分利用网络信息资源

虽然目前大多数同学都知晓网络上能够搜索到自己所需的学习内容，但是并不是所有同学均能掌握正确的筛选方法，网络上繁杂的资源影响了查询内容的正确性。因此，教师对网络资源的提前整合起到十分重要的作用。不仅节约了同学们的查询时间，也提高了学习效率。另外，课前学习相关内容不受传统课时的限制，教师分享的内容也会因此更加丰富。

3.3抓住学习关键点

学习的关键在于知识是否被吸收内化。翻转课堂与传统教学相比增加了课内讨论时间，与机械的接受知识灌输相比，这种形式使得学生主动寻找相关知识并进行发挥。翻转课堂无疑更能提高知识内化的比例，学生的学习效益得以大幅度提升。

教学课程的探索是为了提升教学质量，而不仅是为了完成教学任务。新式教学方法提升了学生对课程学习与探索的兴趣[2]，并且在其他课程中已然初见成效[3];传统的教学方法中教师可以根据学生的具体情况调整传授的知识，将理论知识和个人经验系统地传授给学生。因此，作者相信两种教学方法的结合将会给学习“医学仪器原理与设计”的学生带来很大的帮助。

参考文献：

[1]刘珂舟，严明，祝磊，薛凌云.基于MOOCs/SPOC的《医学仪器原理及设计》课程翻转课堂的改革与实践[J].教育教学论坛，2018（18）：118-119.

[2]王美玉，朱友华，许鹏，施敏，周晶，许小梅，曾凤.微课在实验教学中的运用研究——以医学电子仪器原理与设计课程为例[J].中国现代教育装备，2016（21）：56-58.

[3]顾艳，周莹，周芯羽，袁刚，骆孟.翻转课堂模式应用于医学影像教学的实验研究[J].当代教育实践与教学研究，2018（09）：16-17+19.