以電子競賽促進生物醫學工程專業學生工程實踐能力方法探討

焦騰+于霄+張楊+呂昊+李釗+梁福來+薛慧君+張華

摘要：從生物醫學工程專業學生所應具備的專業技能出發，介紹了目前學生的現狀，重點闡述了通過組織學生參加電子競賽，調動學生的學習興趣，發掘學生的創造潛能，使學生掌握系統的專業理論知識，提高學生解決實際問題的綜合職業能力和豐富的實際操作經驗。

關鍵詞：生物醫學工程；電子競賽；職業能力

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

生物醫學工程學（Biomedical Engineering，BME）是一門理學、工學和醫學高度綜合的交叉學科。應用現代自然科學和工程技術的理論和方法，從工程學角度，研究人體的結構、功能及其相互關系，揭示其生命現象；研究人體系統的狀態變化，并運用工程技術手段去控制這類變化；研究解決醫學防病、治病的新技術手段，保障人民健康的一門新興的邊緣科學。這門學科培養學生具備生命科學、電子技術、計算機技術及信息科學有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學研究能力，能在生物醫學工程領域、醫學儀器以及其他電子技術、計算機技術、信息產業等部門從事研究、開發、教學及管理的高級工程技術人才。

一、生物醫學工程專業需求分析

學科的交叉融合決定了就業選擇的多樣性，主要有教學科研型、醫療設備型、電子通信型。（1）教學科研型，主要在國內外高校或科研院所就業，從事人才培養和科學研究，屬于科研型人才，工作穩定，有較高的社會地位。教學科研型單位入門門檻高，通常要求具有碩士、博士學位，要求有良好的教育素養和較高的專業知識水平，創新能力強，有強烈而持久的進取心精神。（2）醫療設備型主要分為三大類：第一類在醫院設備、影像、放療、臨床工程、信息中心等相關科室，從事醫療設備和軟件的安裝、維修和管理等工作；第二類是去各大跨國以及國內醫療器械企業，比如GE、SIEMENS、邁瑞、安科等，從事研發、測試、銷售、售后服務等；第三類進入國家醫療器械司及各級醫療器械檢測所。醫療設備型需要實干型人才，能夠將所學的專業知識應用到工作中。（3）電子通信型，主要從事與生物醫學無關的純電子、通信以及計算機等相關工作。

目前，畢業生從事的工作按百分比排序依次為：醫療器械公司32.7%，醫院20.9%，高校和科研院所19.1%，與專業相關的其他公司7.3%，工廠2.8%，政府機關1.1%，其他單位16.1%。

二、我國生物醫學工程專業的學習現狀

生物醫學工程專業開設的專業基礎課程有：電路原理、模擬與數字電子技術、C語言程序設計、信號與線性系統、生物醫學傳感器與測量等。實驗課包括大學物理實驗、醫學實驗、電工實驗等。這些專業基礎課程既有豐富的理論體系，又有很強的實踐性，是一門抽象、難懂的學科。學生的興趣和動手能力是學好這些課程的關鍵。傳統的教學模式是教師講、學生聽；先理論、后驗證。這種模式不利于培養學生的操作能力和激發學生的求知欲，往往造成學生理論有余而實踐不足，極大地妨礙了學生發揮學習的主動性和積極性，不利于培養他們的職業素質和實際工作能力。在學校里學習的醫療設備特別是大型醫療設備，如CT機、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實中的醫療設備有機結合起來[1]。

三、以電子競賽的方式促進學生的工程實踐能力

處于醫科院校的生物醫學工程學科，其研究的主要特點是和醫學結合緊密，醫學大背景很深厚。在這樣醫學氛圍很濃的環境中，生物醫學工程自然成為小學科，工程力量相對薄弱。這就要求學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知識，而且要接受科學實驗研究能力、工程設計能力、新產品開發能力和生產過程組織管理能力的基本訓練，提升自身能力。

通過多年生物醫學工程專業的教學經驗，輔導學生參加電子競賽具有非常好的效果。2014年本專業組織學生參加了由教育部信息技術中心主辦的“第九屆全國信息技術應用水平大賽”。它是推動各有關院校信息技術相關專業教學體系的改革，引導學校積極開展應用型人才的培養，提高學生解決問題的能力和自主學習能力，培養學生的創新創業能力。根據學生理論課的學習情況，選擇了“飛行器控制設計”競賽組，要求選手使用指定芯片，自主設計、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。

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、數字電路占20%，高頻電路占5%，C語言的基本知識及應用占20%，主要測量儀器使用占5%，印制電路板設計及電路安裝調試占5%，單片機原理及外圍電路占40%，涵蓋了幾乎所有的專業基礎課程內容。

飛行器設計部分，將整個系統分為三大塊：遙控系統、通信鏈路、控制系統。學生需要使用STC公司的IAP15F2K61S2核心處理器實現控制板的設計，遙控器的設計，完成起飛、懸停、降落及其他指定任務。飛行器是將機械、電子、空氣力學、高頻發射等專業知識整合為一體的精密設備，需要正確組裝和調試才可避免事故發生。要實現起飛、懸停、降落以及指定方向的快速準確動作，學生必須學習掌握雙旋翼飛行器的飛行原理、旋翼速度的控制原理、舵機的控制原理等，通過查找相關技術資料，這些初次接觸的新概念的基本原理應用在基礎課程教學中的知識完全可以解決。比如，舵機是一種角度伺服的驅動器，在所有的飛行器機電控制中，舵機的控制效果是性能的重要影響因素，而舵機控制原理，所有的學生都是初次接觸，很茫然。指導教師要求一個學生查找資料后，面對其他學生進行講解，舵機的控制需要一個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范圍內的角度控制脈沖部分。該飛行器中所用的180°角的伺服，對應的控制關系是0.5ms—0°、1.0ms—45°、1.5ms—90°、2.0ms—135°、2.5ms—180°。而控制角度其實就是控制PWM的占空比，通過講解學生理解了原理，同時也和理論教學緊密結合，使學生認識到理論課的重要性。通過實際測試，學生感性認識并理解了直流電機控制中轉速與電壓、電流和功率的相互關系，對理論課程中學習的電壓、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、航向搖桿以及微調按鈕相關的機械操作轉換為可進行傳輸并且可以對直升機進行操控的數據。雙槳共軸直升機主要完成上升下降、前進后退、左右轉向等操作，學生需要自學相關的控制原理，這樣就把理論課上學習的電子技術知識、C語言編程、器件的感性認識、電路焊接、調試等融合在一起進行工程技術的實現，激發了學生學習的積極性，工程技術、資料查詢、科研能力也得到了提高。

故障排除部分，給每個學生發放一套開發學習板，要求在3小時內完成現場的硬件故障排除，軟件編程實現特定功能，其要求高，難度大。

通過競賽，學生把課堂上學習的電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、C語言編程技術、微型計算機技術等這些生物醫學工程專業的專業基礎課程連接在一起，鞏固了重要的知識點，比如AD轉換、DA轉換、功率放大、穩壓電路、PWM脈沖控制、SPI串行通信、振蕩電路以及C語言中的語法等，從工程實踐能力上加強了學生PCB電路的設計和制作、電路焊接與調試、電路綜合故障排除等能力。

四、效果分析

在學校和系領導的大力支持下，本次生物醫學工程專業組織大三學生組成了4組共12人參加了這次競賽，其中有2組進入決賽，我校是參加本屆大賽的唯一一所醫科院校。進入決賽的兩組學生參加了在北京航天航空大學舉行的全國總決賽，取得了一個一等獎、一個二等獎的好成績。通過這次比賽，參與的學生都充分認識到了理論學習的重要性，明白了實際的研究工作都是需要理論指導的，課堂理論知識在工程技術中都會用到。通過這次比賽，學生具備了很強的動手能力，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，大大提高了生物醫學工程學科的學生質量，促進了行業的發展。

通過這次比賽，主要有以下兩點經驗：（1）應選擇競賽內容較為全面、覆蓋知識面較廣的競賽，可以把課堂上的理論知識充分運用到實際中，鞏固知識。（2）應結合生物醫學工程專業的就業能力需求，把工程實踐能力的培養作為一項重要的內容。通過競賽，培養學生的工程實踐能力，使他們畢業后，能夠獨立承擔工作，滿足醫學工程師的需求。

參考文獻：

[1]潘倩瑩.生物醫學工程專業學生實習的模式及管理[J].醫療衛生裝備，2014，35（7）：150-151.