案例教學法在醫療器械綜合設計課程中的應用

張敏燕，王殊軼，趙改平，周穎，趙展

上海理工大學 醫療器械與食品學院(上海，200093)

0 引言

案例教學法源于哈佛大學，是指通過一個具體教育情景的描述，從而引導學生對這些特殊情景進行討論的一種教學方法[1]?！秶抑虚L期教育改革與發展綱要(2010-2020)》中明確指出，鼓勵實行工學結合、校企合作、頂崗實習的人才培養模式[2-3]。將案例教學運用到醫療器械綜合設計課程中，正是最大限度地模擬實際現場，將課堂交給學生，以培養他們運用所學理論知識解決實際問題的能力，避免了理論知識與實踐環節之間的相互脫節，有助于實現高級實用型人才的培養目標。

1 醫療器械綜合設計課程分析

醫療器械綜合設計是生物醫學工程專業的主干實踐課，該課程可以使學生建立醫療器械產品的一體化設計思想，把機械技術、電子技術、傳感器技術、計算機技術和自動控制技術有機地結合起來，同時了解各項技術之間的接口關系，并且能運用所學知識對醫療器械產品進行分析和設計，使學生具備解決醫療器械生產過程中各種實際問題的初步能力。

這門課程注重學生的實際動手能力，因此非常適合運用案例教學法。通過設計合適的教學案例及實訓教學裝置來引導學生自主分析、理解案例中所包含的多學科問題和相關技術。采取即學即用、理論與實踐無縫對接的教學方法，形成一個為解決問題學習，帶著任務探索實踐的學習氛圍，最終達到教學目標[4]。本文將通過多功能醫用護理床傳動機構設計教學案例，完成從機械本體設計、裝配、電控系統搭建、程序框圖及程序代碼編寫的全部過程，培養學生設計、調試及研發的能力，提高學生解決工程實踐問題的能力[3]。

2 多功能醫用護理床傳動機構案例設置

2.1 案例內容

多功能醫用護理床是針對危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設計的醫用床類，要求能隨意調節床的背部和腳部的角度，可以讓患者輕松地在床上完成坐、躺、半躺、全躺、用餐包括上廁所在內的各種需求。它適合各種偏癱、行動不便、臥床不起等各種不同情況，即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制器進行操作，減少照顧病、殘患者的勞動強度。

本案例以多功能醫用護理床傳動機構為機械本體，結合單片機控制，讓學生系統地學習多功能護理床硬件及軟件開發的全過程，以便學生將來可在此基礎上開發一些更為復雜的控制系統。

2.2 案例分解

根據任務要求，將案例分解為以下三部分：機械結構設計；伺服系統設計；控制程序開發。

(1)機械結構設計包括：床體結構設計(包括頭板、護欄)；背板傳動機構設計(包括推桿/絲桿選型)；腿板傳動機構設計(包括推桿/絲桿選型)。

(2)伺服系統主要包括：單片機、步進電機驅動器、步進電機與開關電源等。

(3)運動控制程序開發要求，以Keil C51為開發系統編寫、調試運動控制程序，實現多功能護理床的電動控制。

按照上述三部分內容將學生分組，每組之間相互獨立又互相合作，最終完成總體設計任務，并按要求完成設計說明書。

2.3 考核方法

考核方式就可以分為出勤率、口試和案例設計書三個部分。其中，出勤率滿分20分，口試主要考核案例中理論知識，滿分20分，案例設計書滿分60分。

案例作業則需要完成以下內容：(1)案例設計說明書1份；(2)機械結構三維模型圖1張(電子版)，二維設計裝配圖1張及主要零件圖；(3)程序框圖及程序清單。其中，每項內容占20分，案例作業總分數為60分。

3 實施過程中應注意的問題

3.1 激發學生的主動性

在設計開始之前，要充分地介紹這一案例的目的和特點，調動起學生的積極性和主動性，讓他們從思想上重視這次案例項目。

在案例實施過程中，在遇到問題時，教師要鼓勵學生自己查找答案，只在必要的時候，進行一定的指導。在整個案例實施的全過程，教師要盡可能少地參與到其中，把主動權交給學生[3]。

3.2 培養學生之間的團隊合作

在案例實施過程中，采取創新型小團隊的教學方式，培養學生獨立思考能力、想象能力及自學能力，并同時鍛煉學生發現問題、解決問題以及團隊協作的能力[5]。出現共性問題時，在教師指導下，學生之間互相切磋更能提高學習的積極性和效率。建立了微信群，有問題都在群里商量討論，采取線上線下隨時溝通，收到了良好的學習效果。

3.3 培養學生精益求精的工匠精神

在設計過程中，結合專業特點，從醫療器械的安全性、有效性設計原則出發，通過講解醫用床類不良事件震撼學生，嚴格把關每個設計數據的驗算，培養學生嚴謹、一絲不茍的工作態度，弘揚精益求精的職業風范和追求卓越的敬業精神[6]。

3.4 嚴格把關考核環節

在案例實施過程中，教師可以通過觀察、提問、讓學生演示等手段，了解到學生每個人的情況，杜絕團隊合作中不勞而獲現象的出現。教師嚴格把關考核環節的最終目的是要讓每個學生都能有所收獲。

4 教學實踐

本次案例教學是在2016級生物醫學工程專業本科生中進行的，共有36名學生。根據案例分解將學生分為四組，每組9人，每組再分3個小組每個小組3人，分別負責機械結構設計、伺服系統設計和控制程序開發。效果分析如下：

(1)機械結構設計任務。由3名學生分別負責床體結構設計(包括頭板、護欄)；背板傳動機構設計(包括推桿/絲桿選型)；腿板傳動機構設計(包括推桿/絲桿選型)。參考實驗室現有多功能護理床的結構，完成設計計算及三維圖、二維圖、零件圖的繪制。

要求學生設計參數應符合YY 0571—2013醫用電氣設備第2部分：醫院電動床安全專用要求，并結合醫療器械人體工程學，床背與水平面夾角能從0～70°或更大可調，小腿板與水平面夾角能從0～20°或更大可調，接近人坐姿時生理角度且舒適。

該環節主要培養學生測繪機械本體、計算校核關鍵部件及機械制圖能力，并對醫療器械行業標準有深刻理解，同時培養嚴謹、一絲不茍的科學態度。

(2)伺服系統設計任務。在電氣元件選型這一環節，教師通過實驗室現有的實物向學生講解電氣元件選型及使用過程中需要注意的事項。在這一環節，主要培養學生電路連線及硬件檢測的能力。

(3)程序開發和調試任務。通過教師講解案例和學生自學相結合，學習單片機Keil C編程，增強了自主學習的意識和能力。

5 教學成果分析

多功能護理床案例作為案例教學法中一個典型案例，以系統設計的思路作為主線，闡釋有關的基本概念、原理和方法，將各個知識點用此案例有機統一結合起來。教學過程先了解案例，使學生了解醫療器械系統總體的性能要求是要符合行業標準，尤其是要符合安全性、有效性要求，并考慮人機工程學。教學過程中，融入思政元素，通過分析醫用床類故障和不良事件，培養學生精益求精的工匠精神、醫務工作者的生命責任感。

通過上述案例可以說明，將案例教學法引入醫療器械綜合設計這門課程是十分成功的。為進一步提高學生學習興趣和效果，計劃后期加入虛擬現實教學模式，使學生更加直觀地沉浸在醫療器械臨床使用和設計流程中。