三維設計軟件在生物醫學工程實踐教學中的應用

趙 展，胡秀枋，徐秀林，嚴榮國

（上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093）

0 引言

在新工科創新型人才培養計劃背景下，對培養學生創新意識和創新能力無可替代的實踐教學進行改革創新勢在必行［1］。如何深化實踐教學改革，按照國務院《關于開展新工科研究與實踐的通知》要求，培養綜合性、創新型、復合型科技人才，提高學生實踐創新能力，助推教育轉型和新工科實踐，成為目前新的研究熱點［2］。綜合了生物學、醫學和工程學的多領域交叉學科——生物醫學工程，是21世紀最具發展優勢的學科之一，其順應了新工科建設趨勢——更加凸顯學科交叉融合［3-4］。特別是3D 技術應用于生物醫學工程的研究方興未艾，使得相關設計、分析、制造更加便利［5-7］。鑒于此，上海理工大學生醫專業實踐教學根據新工科建設目標，結合學校培養計劃，引入三維設計軟件進行醫療器械結構創新人才系列實踐教學改革探索。

1 生物醫學工程專業實踐教學模式

1.1 實踐教學培養體系

實踐教學對培養學生創新實踐能力，提高其綜合素質至關重要［8］。上海理工大學生醫專業為確保理論學習和實踐教學充分開展，所制定的本科培養計劃中開設了多門實驗實踐課，按照學習先后次序，主要分為認知實踐、驗證實驗、綜合實驗、課程設計、醫院實習及生產實習等［9］，分別對應醫療器械認知實踐、醫院設備及器械實驗、人體機能替代裝置實驗、醫療器械綜合設計、有源醫療器械檢測技術課程設計等課程，按照感性認知——實驗驗證——綜合運用所學知識解決碰到的實際問題——項目任務驅動創新研究等思路培養學生，涉及典型醫療器械功能組成、工作原理、操作使用、拆裝測繪、結構選型、計算校核、創新設計及外出實習等學習內容。此外，還有其它實踐能力培養方式，如開設創新創業課，鼓勵參加市級、校級大學生創新創業項目，參加學院微創基金項目，以及參加各類創新比賽等。

1.2 實踐教學改革

1.2.1 實踐教學改革必要性

上海理工大學生醫專業校內實踐課主要包括對現有實驗室中的醫療器械及檢測設備的學習掌握，涉及診斷、檢驗、有源無源、手術器械及設備、體外循環、醫用光學、康復理療、監護護理等醫療儀器，其范圍大、品種繁多，要想徹底掌握，需多學科知識的融會貫通。實踐教學中內容陳舊、學生被動接受、理論實踐脫節的模式無法適應國家卓越工程師培養計劃實施，跟不上新工科背景下對大學生素質和能力培養的改革新形勢。因此，必須進行實踐課深度改革，擴寬學生視野，幫助學生建立多學科交叉意識［10-11］。

1.2.2 實踐課內容改革

對于絕大部分醫療儀器，平時看不到其內部結構，想要徹底弄清楚其原理和結構組成，困難重重，不說其價格貴，就是一一拆開也很難實現，當務之急是如何快速響應綜合型、創新性教學實際需求，拓寬教學內容的廣度和深度，強化實際問題解決能力。計算機技術的蓬勃發展和廣泛應用，不僅對傳統行業產生了巨大影響，而且給學生課程教學帶來了一場新的革命，虛擬仿真實驗應運而生，它以虛補實，以虛驗實，以虛代實，能彌補目前諸多棘手的實驗問題［12-13］。生醫專業實踐課通過引入機械三維設計軟件對實驗室開設的實踐課編寫制作了多個虛實結合的實驗教學項目，順利解決了目前醫療器械結構相關的實踐教學難題。

1.2.3 教學方法改進

結合三維設計軟件和多媒體技術，對傳統教師教學方法、學生學習形式作出較大改進，避免單純教師講授、示范操作，學生聽、重復做的模式。不僅通過設定多個虛實結合的實驗項目，如原理圖繪制、虛擬拆裝、結構建模、仿真分析、結構創新設計等，激發學生學習熱情，重點培養學生實踐能力和創新意識，體現應用型本科實踐能力培養特色，同時加強學生非上課時間的自主實驗方式，形成實驗室上課、開放實驗室隨時預約訓練、寢室自主學習等形式多變的全方位立體育人方式。此外，課程考核結束時，綜合考慮學生平時學習情況，充分評估創新動手能力、應用軟件能力、問題解決情況，按一定分值比例綜合評定最終成績，推薦或鼓勵表現優秀的學生參加創新項目、撰寫論文專利、進一步深入研究學習等。

2 實踐教學中的三維設計軟件應用

2.1 三維設計軟件優勢

學生由于自身知識局限性，對復雜醫療儀器結構組成、工作原理很難深刻理解，僅憑平面圖紙難以想象醫療儀器內部結構。并且，實驗課內容多、時間短、任務重，灌輸式講課枯燥乏味。因此，學生學習積極性、主動性很難調動起來，這都給實踐教學帶來了挑戰。相比實際儀器，三維軟件對復雜醫療儀器的結構模型更易操控，通過透明、剖切、隱藏等功能可凸顯某些零部件、儀器內部結構造型、工作原理、連接關系和機構傳動驅動原理，加上動畫制作，可讓學生更生動形象、直觀逼真、清晰明了地觀察和學習。不僅能降低學習難度、激發學生學習興趣，采用三維軟件還可以節省成本，避免機械碰傷、夾傷、砸傷等傷害。

目前，流行的三維軟件主要包括Pro/E、UG、CATIA、SolidWorks 等，每款軟件各有特點，但都含有拉伸、旋轉、掃掠、放樣的建模方法，設有草圖、零件、裝配、曲線和曲面、動畫、有限元分析等模塊［14］。

2.2 三維設計軟件應用案例

在調研用人單位對人才培養要求的基礎上，查閱儀器有關資料，了解設備工作原理、關鍵技術點，并咨詢廠家提供相關設備原理圖、內部結構圖，或直接進行拆裝測繪等，對實驗室眾多醫療儀器進行零部件建模裝配，繪制結構簡圖，制作PPT。實踐教學實驗課中，結合實物直接打開三維軟件模型進行各種演示，配以必要的解釋和講解；課后將三維模型發給學生進行虛擬拆裝，或生成可執行的exe 文件，方便學生在自己電腦中運行查看。本文列舉了生物醫學工程專業實踐課程教學中的7 個具體應用。

應用1：應用草圖工具，講解醫療器械結構原理，繪制機構運動簡圖，提高學生感性認識，加深學生理解，讓學生一看便知，更樂于學。ICU 護理床虛擬樣機模型如圖1（a）所示，機構運動簡圖繪制如圖1（b）所示，運動簡圖AVI 視頻如圖1（c）所示。

應用2：應用零件建模、鈑金設計、曲線曲面功能，繪制基本醫療元器件及部件圖，將結構掰開揉碎展示給學生。通過布置設計任務還可以讓學生進行設計預練兵，圖2 為學生建模的醫用牙科椅三維圖。

圖1 ICU 護理床結構運動簡圖

圖2 醫用牙科椅建模

應用3：應用軟件裝配模塊，對醫療儀器進行虛擬拆裝，制作裝配動畫。指導老師可先畫好零件圖，學生用三維設計軟件導入各零件，根據儀器實際裝配情況進行虛擬組裝。此方法能避免儀器少、學生等待時間長、無操作機會等缺點，提高了學生學習效率和效果，也解決了傳統拆裝造成的細小零部件丟失、儀器損壞等問題。教師還可對學生自己繪制的零部件、裝配體進行檢查，檢驗其繪圖的準確性和對結構的理解。圖3（a）為離心機的虛擬拆裝，圖3（b）是對學生繪制的人工心肺機血泵裝配體進行干涉檢查分析。

應用4：應用運動仿真，生成運動參數曲線，通過修改安裝位置參數，查看分析結果變化，不僅能更真實、深刻地了解結構的運動傳動，將枯燥的學習變得生動可觸摸，而且對提升學生綜合設計能力，夯實應用三維軟件進行創新設計的基本功非常有益。圖4（a）是對按摩治療床的運動進行仿真分析，圖4（b）是對床上患者重心變化進行分析。

圖3 虛擬裝配及干涉分析

圖4 運動仿真分析

應用5：應用有限元分析，了解零部件受力情況，動態演示力加載過程中的結構變形。圖5 是對多功能下肢評估訓練設備主結構的力學分析。

圖5 有限元分析及動態演示

應用6：模型設計好后，或生成數控代碼進行加工仿真，或進行3D 打印驗證，或生成工程圖，制作簡單樣機模型等。圖6（a）為血泵泵槽的數控加工仿真，圖6（b）為學生在創新實驗課上，獨立進行藥盒結構設計、樣機制作的實踐訓練。

應用7：軟件其它模塊應用。圖7（a）、圖7（b）分別是對模擬手術實驗室設計的寫字板、牙科醫生手臂觸及范圍進行人機工程學分析［15］。

圖6 加工仿真或實際制作

圖7 人機工程學分析

3 教學效果及成果

三維設計軟件應用于生醫專業實踐教學，與實驗室醫療器械硬件相結合，對應用型、創新型人才培養起到較好促進作用，學生學習效率明顯提升。主要體現在：

（1）復習鞏固學生前修知識。學生在復習回顧機械制圖、機械原理、公差等課程內容，特別是在使用三維軟件制圖模塊時，對剖視圖、相貫線有更深的認識。學生制圖、讀圖及三維輔助設計軟件應用能力明顯提升，空間想象力也進一步增強。

（2）實驗教材更加豐富易懂。實驗指導書、課程設計指導書更加豐富完善、直觀易懂。通過重新撰寫指導書，刪去大段文字敘述，更新舊的平面圖、原理圖，指導書內容圖文并茂，讓學習內容更簡單明了，并開設了更多樣、更具深度的實驗內容。

（3）三維軟件應用能力得以提升。學生通過綜合實驗和課程設計訓練后，對申請創新項目的積極性和能力明顯提升。三維設計軟件應用對學生基礎創新能力培養、創新實踐鍛煉、創新思維形成等，都起到了積極作用。選修過三維設計軟件實踐課的學生，更偏向于選擇結構設計類畢業設計選題。

（4）教學成果顯著。近幾年，學院考研、保研率逐年提升，經過學習訓練的學生已有多人成功申請到市級、校級及院級創新項目，并連續多年獲得包括全國三維數字化創新設計大賽在內的多個獎項，僅筆者指導申請的國家專利就有30 余項，筆者本人也因此獲得了校級教學二等獎。

4 結語

三維設計軟件在生醫專業實踐課程教學中的應用，提高了教學質量和教學效率，對拓展學生認知廣度和深度，提升學生綜合素質起到了推動作用。但如何在有限的實踐課課時內，鞏固所學理論知識，強化自身實踐能力，提升就業競爭力，仍需長期探索、不斷嘗試、優化改進。