基于CDIO-SPBL模式的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)實訓教學探索與實踐

摘要：針對傳統(tǒng)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)教學中理論與實踐脫節(jié)、學生創(chuàng)新能力不足的問題，將CDIO工程教育模式（構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作） 與SPBL（螺旋式項目式學習） 相融合，構(gòu)建了“CDIO-SPBL”雙軌驅(qū)動的新型實訓教學模式。通過設(shè)計分階段遞進式教學框架，以醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)典型場景為項目載體，引導學生從需求分析、方案設(shè)計到軟硬件實現(xiàn)開展全流程實踐。研究結(jié)果顯示，該雙軌驅(qū)動模式顯著提升了學生的工程實踐能力，增強了教學與實際應(yīng)用需求的契合度，對培養(yǎng)復(fù)合型醫(yī)工交叉人才具有實踐參考價值，為智能醫(yī)療、精準醫(yī)學等新興領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提供了可復(fù)制的創(chuàng)新范式。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)；實訓教學；課程設(shè)計；CDIO-SPBL；工程教育

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）12-0131-04

開放科學（資源服務(wù)） 標識碼（OSID）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT） 是一種通過傳感器、通信技術(shù)、智能處理等手段，將物理設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和智能化管理的技術(shù)體系。其核心在于“萬物互聯(lián)”，通過互聯(lián)網(wǎng)連接萬物，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與智能協(xié)同的生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。預(yù)計到2030年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將大幅增長，達到全球超過241億臺設(shè)備，相當于每人近4臺設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被醫(yī)療行業(yè)迅速采用，收集、處理和分析大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的醫(yī)療數(shù)據(jù)的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Medical Things，IoMT） 也得到了迅速發(fā)展[3]。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的垂直應(yīng)用，通過傳感器、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)分析平臺，將醫(yī)療設(shè)備、患者、醫(yī)護人員及醫(yī)療資源互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與智能化管理。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括遠程監(jiān)護、智能診斷、健康管理、醫(yī)療資源調(diào)配等方面[4-5]。

當前醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)教學設(shè)計普遍面臨理論與實踐脫節(jié)的問題，學生創(chuàng)新能力不足等挑戰(zhàn)，課堂理論難以穿透至真實醫(yī)療場景，學生受限于單向知識輸入與碎片化實驗，無法形成“需求分析—原型開發(fā)—系統(tǒng)部署”的完整工程化思維，亟待教學改革。

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與實訓作為皖南醫(yī)學院醫(yī)學信息工程專業(yè)高年級核心課程，本課程以跨學科實踐為導向，深度融合醫(yī)療信息化、嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先修課程知識，專業(yè)核心課程體系如圖1所示，該圖展示了醫(yī)學信息工程專業(yè)的核心課程設(shè)置，涵蓋了從基礎(chǔ)到高級的各個課程模塊。核心課程在三年內(nèi)分開教授，通過這種方式，學生可以在各個領(lǐng)域建立能力，并且能夠在需要這些知識和技能的課程中應(yīng)用它們。盡管這種方法看起來是合理的，但實際上由于課程內(nèi)容之間缺乏聯(lián)系，導致學生很難將上一年學到的知識延續(xù)和應(yīng)用到下一年的學習中，學生在整合他們在每個課程模塊中學到的知識和技能時面臨挑戰(zhàn)。為此，本研究引入了基于CDIO-SPBL模式的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)實訓教學方法。

1 研究方法

通過與畢業(yè)生及就業(yè)單位的溝通反饋，以及在課程調(diào)查中征求意見，收到了關(guān)于畢業(yè)生需要能夠處理更復(fù)雜的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的反饋，畢業(yè)生應(yīng)該在系統(tǒng)級設(shè)計和集成技能方面做得更好。為達成提升學生工程實踐意識、強化課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)、培育學生靈活運用所學知識解決問題的能力，以及增強畢業(yè)生崗位能力與就業(yè)競爭力的目標，組建了課程團隊。該團隊聚焦于深入探索如何優(yōu)化課程的理論教學與實踐環(huán)節(jié)，在研究過程中，課程團隊探索了工程教育的構(gòu)思—設(shè)計—實施—運營（CDIO） 標準和教學大綱，基于問題的學習（PBL） 模式以及螺旋式課程教學（Spiral Learning） ，旨在設(shè)計一種新穎有效的學習模式，以獲得更有效的學習效果。

CDIO，即Conceive-Design-Implement-Operate，是一種致力于培育未來工程師的創(chuàng)新教育模式與方法。2000年至2004年間，麻省理工學院（MIT） 攜手瑞典皇家工學院（KTH） 等多所世界頂尖高校，經(jīng)深入研究探索，創(chuàng)立了這一模式，強調(diào)基于項目的體驗式學習，推動學生專業(yè)技能的發(fā)展[6]。CDIO模式成效顯著，已在國內(nèi)外高校的專業(yè)教育改革中廣泛推廣。其獨特之處在于能充分激發(fā)學生的學習主動性，促使他們積極主動地投入學習與探索[7]。在教學過程中，該模式以實踐為紐帶，將各類課程有機融合，讓學生在學校學習期間，就能通過實際操作，掌握工程設(shè)計與管理等關(guān)鍵能力[8]。

PBL（Problem Based Learning） 是指基于問題或項目的學習。在PBL模式里，學生的主動學習被擺在關(guān)鍵位置，一改傳統(tǒng)教學中教師主導講授的局面，著重發(fā)揮問題在整個學習進程里的引導效能[9]。PBL秉持“學生為中心，問題為基石”的理念。在教學時，學生會歷經(jīng)一段時長的調(diào)研與探究過程[10]。他們?nèi)\用創(chuàng)新思路與方案，去攻克復(fù)雜的問題、難關(guān)或挑戰(zhàn)。在這一過程中，學生并非被動接受知識，而是在這些真實且沉浸式的經(jīng)歷與體驗里，自然而然地學習新知識，掌握新技能。

CDIO教學模式側(cè)重從最終成果（目的） 中助力學生收獲知識與技能，而PBL教學方法則著重于讓學生在探索過程（手段） 里實現(xiàn)成長。盡管二者側(cè)重點不同，但它們在諸多方面存在重疊之處，且能夠相互補充，形成相得益彰的效果。與此同時，教師在引導學生運用兩種模式的過程中，自身創(chuàng)新思維也會得到激發(fā)，學生在探索中也能不斷挖掘創(chuàng)新潛能。

2 教學模式設(shè)計

在教學中引入項目任務(wù)時，學生會回顧之前學過的內(nèi)容，重新審視以前獲得的知識和技能，然后結(jié)合正在學習的課程，繼續(xù)往更深層次學習，在整合課程中，通過反復(fù)涉及相同或相似的項目任務(wù)來確保學習的連續(xù)性。這種學習模式的建立是為了培養(yǎng)學生在學習過程中開展項目的能力和信心，并為他們在最后一年的素質(zhì)拓展實踐中解決實際問題做好準備。這種實踐技能的建立是通過基于螺旋問題式學習與CDIO相結(jié)合的學習模型實現(xiàn)的，總體教學模型如圖2所示，該圖描述了基于CDIO和SPBL的教學模式在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)實訓課程中的應(yīng)用流程。

在開展教學項目設(shè)計工作時，以醫(yī)療健康行業(yè)的實際需求和應(yīng)用場景為參考依據(jù)，與皖南醫(yī)學院共建物聯(lián)網(wǎng)實驗室的深圳市訊方技術(shù)股份有限公司的工程師積極攜手合作，精心制定項目開發(fā)教學方案，對教學任務(wù)展開二次設(shè)計與深度開發(fā)，切實提升教學的針對性與實用性。

1） 構(gòu)思（Conceive） ——醫(yī)療場景需求分析與系統(tǒng)規(guī)劃。

核心任務(wù)：理解醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT） 的應(yīng)用場景，明確關(guān)鍵需求，完成項目立項。

教學內(nèi)容：①開課之前在網(wǎng)上布置一些應(yīng)用于醫(yī)療場景的實訓項目（如遠程監(jiān)護、智能病房、醫(yī)療設(shè)備管理、慢病跟蹤等） ；②學生根據(jù)選擇的實訓項目組成3人團隊，通過醫(yī)院實地調(diào)研或案例研討（如術(shù)后患者監(jiān)測、醫(yī)療資源調(diào)度） ，提煉功能需求與非功能需求（如實時性、數(shù)據(jù)隱私） ，撰寫《需求說明書》和《可行性報告》；③過程中邀請醫(yī)院信息科或醫(yī)療企業(yè)工程師參與需求評審，修正不符合實際需求的設(shè)計。

2） 設(shè)計（Design） ——系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)選型。

核心任務(wù)：完成技術(shù)方案設(shè)計，平衡功能實現(xiàn)與醫(yī)療場景約束。

教學內(nèi)容：①學生進行醫(yī)療傳感器選型（如血氧、體溫傳感器） 與低功耗設(shè)計，對通信協(xié)議選擇（如藍牙/BLE、LoRa、NB-IoT） 進行合理選擇并設(shè)計數(shù)據(jù)存儲方案；②使用工具（如UML、Fritzing） 繪制系統(tǒng)架構(gòu)圖、硬件連接圖、數(shù)據(jù)流程圖；③課程組教師模擬醫(yī)療產(chǎn)品立項會，學生答辯并接受“技術(shù)-成本-合規(guī)性”等多維質(zhì)詢。

3） 實現(xiàn)（Implement） ——軟硬件開發(fā)與集成測試。

核心任務(wù)：分模塊開發(fā)并驗證系統(tǒng)功能，強調(diào)醫(yī)療場景的可靠性。

教學內(nèi)容：①學生進行傳感器節(jié)點搭建（如Arduino+ESP32） 、低功耗優(yōu)化、EMC（電磁兼容） 測試，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（如濾波降噪） 并模擬醫(yī)療環(huán)境干擾（如Wi-Fi斷連、傳感器漂移） ，訓練異常處理能力；②在這一教學階段，教師給予學生足夠空間，全方位激發(fā)學生的工程創(chuàng)新思維，促使學生主動探索、積極思考，深度挖掘自身的創(chuàng)新潛能。

4） 運作（Operate） ——部署運維與持續(xù)優(yōu)化。

核心任務(wù)：系統(tǒng)部署、用戶反饋收集及迭代優(yōu)化。

教學內(nèi)容：①學生將系統(tǒng)部署到模擬醫(yī)療環(huán)境（如實訓室仿病房） ，測試長期運行穩(wěn)定性，進行日志監(jiān)控、OTA（遠程升級） 、設(shè)備生命周期管理；②學生分組扮演醫(yī)院、廠商、患者，模擬系統(tǒng)交付與售后支持流程；③教師組織學生圍繞“醫(yī)療AI誤診責任歸屬”“數(shù)據(jù)所有權(quán)”等話題展開討論。

在以上CDIO教學設(shè)計的過程中，隨著課程學習的深入，對于解決前期項目問題往往會有新的解決思路和更好的解決方案，此時教師及時引入SPBL教學，步驟如下。

1） 問題分析：在教學籌備階段，教師先仔細梳理過往課程教學中已取得初步成果的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)工程項目案例，明確其中的項目問題。接著，教師組建雨課堂班級群[11]，并借助微信向?qū)W生推送課前引導資料。隨后，將學生按項目組形式分成若干小組。教學過程中，教師先傳授文獻查閱方法，學生掌握后自主查找并閱讀相關(guān)文獻，進而針對項目問題分解知識點展開學習。

2） 調(diào)研與討論：以現(xiàn)實的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)工程問題為依托，秉持以學生為中心的理念，借助分組討論、交流、展示及闡述等方式，激發(fā)學生主動自學的熱情，培育其創(chuàng)新性思維模式。學生通過分組學習與討論，團隊協(xié)同學習能力得以提升，小組內(nèi)成員的頻繁交流也有效提高了學生的語言表達與溝通能力。

3） 方案實施與反思評估：整個教學進程里，學生作為主動學習者，其主體地位固然重要，但教師的作用同樣不可忽視。教師負責設(shè)計問題，精心規(guī)劃學習過程的每一個細節(jié)，引導學生查詢與收集學習資料，使學生的注意力始終聚焦于問題解決，同時從主客觀兩方面對學習過程及結(jié)果進行評價。教師以指導方法引領(lǐng)學生前行，學生則通過自主學習推動問題的解決，在學習知識的同時將其應(yīng)用于實際問題的攻克，并通過反復(fù)迭代項目深度來保障知識連續(xù)性。在這一探索過程中，學生逐步摸索出更優(yōu)的解決方案，自身學習能動性不斷增強，學習熱情也被充分點燃。授課結(jié)束后，教師利用雨課堂的投票功能，向?qū)W生手機推送調(diào)查問卷及課堂測試，以便及時了解學生的學習情況。

本研究采用問卷調(diào)查和訪談相結(jié)合的方法收集數(shù)據(jù)[12]，問卷涵蓋學生對課程滿意度、學習效果、團隊合作能力等方面的評價。選取皖南醫(yī)學院2020級醫(yī)學信息工程專業(yè)1～2班學生為傳統(tǒng)常規(guī)教學組（對照組，采用傳統(tǒng)教學模式） ，3～4班學生為CDIO-SPBL模式教學組（實驗組） 。其中每班30人，針對兩組數(shù)據(jù)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在年齡、性別等方面，兩組間的差異并不顯著，統(tǒng)計學檢驗結(jié)果顯示P＞0.05，這表明兩組具有良好的可比性。在數(shù)據(jù)處理過程中，運用SPSS軟件開展統(tǒng)計分析工作，具體分析手段涵蓋描述性統(tǒng)計以及獨立樣本t檢驗。對于計數(shù)資料，采用x2檢驗方法進行分析，這類資料以頻數(shù)和百分數(shù)[n（%）]的形式呈現(xiàn)；而計量資料則運用獨立t檢驗，以均數(shù)±標準差（Mean±SD） 的格式來表示。當P＜0.05時，即意味著兩組間的差異在統(tǒng)計學層面具有顯著性，實驗組和對照組分別進行不同的教學模式。對照組采用傳統(tǒng)教學模式，實驗組則采用CDIO-SPBL結(jié)合的教學方法。每個教學單元包括文獻查閱、自主學習、小組討論、項目實施和反饋評估等步驟。

單純從表1的成績對比來看，采用CDIO-SPBL教學模式已經(jīng)取得了很好的教學效果，課程成績固然重要，但更重要的是學習的目標應(yīng)該是學生能夠在解決現(xiàn)實生活中獲得醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)項目設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵能力，通過對實驗組和對照組學生觀察對比，采用CDIO-SPBL教學模式的學生對于實際項目鍛煉更有動力，建立了開發(fā)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)實踐項目的能力，近年來采用CDIO-SPBL教學模式后，皖南醫(yī)學院學生參加省教育廳舉辦的高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽獲得獎項屢創(chuàng)新高，其中2022年獲三等獎1項，2023年獲二等獎2項、三等獎1項，2024年獲二等獎3項、三等獎3項。圖3為實驗組學生在學習了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)案例后，主動投身設(shè)計與開發(fā)工作，為醫(yī)院場景量身打造出的“基于物聯(lián)網(wǎng)的藥品儲存管理系統(tǒng)”作品展示。

3 結(jié)論

無論是從學生和教學團隊的反饋，以及學生成績（平均成績提升超10%） 、參加學科競賽獲獎（近三年競賽獲獎名次不斷創(chuàng)新高） 等結(jié)果中來看，實施CDIO-SPBL的教學模式初步結(jié)果是令人鼓舞的，它已經(jīng)能夠幫助學生獲得所需的能力，學生在CDIO的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行全流程中，通過解決真實問題，強化了理論與實踐的結(jié)合，提升了綜合工程能力，在SPBL螺旋式課程學習中以團隊形式協(xié)作完成項目，培養(yǎng)了溝通、分工與協(xié)作能力，增強了團隊意識。

與此同時，教學團隊也看到了新模式面臨的新挑戰(zhàn)，如新教學模式要求教師從“講授者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑д摺保粌H需要大量實踐資源和前沿案例支持，還對教師項目設(shè)計、團隊協(xié)作指導及跨學科整合能力要求較高，部分學生因項目主題與興趣脫節(jié)或難度超出能力范圍而被動參與，學習負擔加重。未來，將繼續(xù)探索通過校企合作、教師工作坊等手段來提升教師的項目指導與跨學科整合能力，結(jié)合學生興趣及個體化差異來持續(xù)改進新模式教學。

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