以电子竞赛促进生物医学工程专业学生工程实践能力方法探讨

焦腾+于霄+张杨+吕昊+李钊+梁福来+薛慧君+张华

摘要：从生物医学工程专业学生所应具备的专业技能出发，介绍了目前学生的现状，重点阐述了通过组织学生参加电子竞赛，调动学生的学习兴趣，发掘学生的创造潜能，使学生掌握系统的专业理论知识，提高学生解决实际问题的综合职业能力和丰富的实际操作经验。

关键词：生物医学工程；电子竞赛；职业能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0233-02

生物医学工程学（Biomedical Engineering，BME）是一门理学、工学和医学高度综合的交叉学科。应用现代自然科学和工程技术的理论和方法，从工程学角度，研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象；研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化；研究解决医学防病、治病的新技术手段，保障人民健康的一门新兴的边缘科学。这门学科培养学生具备生命科学、电子技术、计算机技术及信息科学有关的基础理论知识以及医学与工程技术相结合的科学研究能力，能在生物医学工程领域、医学仪器以及其他电子技术、计算机技术、信息产业等部门从事研究、开发、教学及管理的高级工程技术人才。

一、生物医学工程专业需求分析

学科的交叉融合决定了就业选择的多样性，主要有教学科研型、医疗设备型、电子通信型。（1）教学科研型，主要在国内外高校或科研院所就业，从事人才培养和科学研究，属于科研型人才，工作稳定，有较高的社会地位。教学科研型单位入门门槛高，通常要求具有硕士、博士学位，要求有良好的教育素养和较高的专业知识水平，创新能力强，有强烈而持久的进取心精神。（2）医疗设备型主要分为三大类：第一类在医院设备、影像、放疗、临床工程、信息中心等相关科室，从事医疗设备和软件的安装、维修和管理等工作；第二类是去各大跨国以及国内医疗器械企业，比如GE、SIEMENS、迈瑞、安科等，从事研发、测试、销售、售后服务等；第三类进入国家医疗器械司及各级医疗器械检测所。医疗设备型需要实干型人才，能够将所学的专业知识应用到工作中。（3）电子通信型，主要从事与生物医学无关的纯电子、通信以及计算机等相关工作。

目前，毕业生从事的工作按百分比排序依次为：医疗器械公司32.7%，医院20.9%，高校和科研院所19.1%，与专业相关的其他公司7.3%，工厂2.8%，政府机关1.1%，其他单位16.1%。

二、我国生物医学工程专业的学习现状

生物医学工程专业开设的专业基础课程有：电路原理、模拟与数字电子技术、C语言程序设计、信号与线性系统、生物医学传感器与测量等。实验课包括大学物理实验、医学实验、电工实验等。这些专业基础课程既有丰富的理论体系，又有很强的实践性，是一门抽象、难懂的学科。学生的兴趣和动手能力是学好这些课程的关键。传统的教学模式是教师讲、学生听；先理论、后验证。这种模式不利于培养学生的操作能力和激发学生的求知欲，往往造成学生理论有余而实践不足，极大地妨碍了学生发挥学习的主动性和积极性，不利于培养他们的职业素质和实际工作能力。在学校里学习的医疗设备特别是大型医疗设备，如CT机、核磁共振、螺旋CT等都是纸上谈兵，无法将课本中的理论知识与现实中的医疗设备有机结合起来[1]。

三、以电子竞赛的方式促进学生的工程实践能力

处于医科院校的生物医学工程学科，其研究的主要特点是和医学结合紧密，医学大背景很深厚。在这样医学氛围很浓的环境中，生物医学工程自然成为小学科，工程力量相对薄弱。这就要求学生理论分析能力和动手能力要好，不仅要熟练掌握基本理论和基础知识，而且要接受科学实验研究能力、工程设计能力、新产品开发能力和生产过程组织管理能力的基本训练，提升自身能力。

通过多年生物医学工程专业的教学经验，辅导学生参加电子竞赛具有非常好的效果。2014年本专业组织学生参加了由教育部信息技术中心主办的“第九届全国信息技术应用水平大赛”。它是推动各有关院校信息技术相关专业教学体系的改革，引导学校积极开展应用型人才的培养，提高学生解决问题的能力和自主学习能力，培养学生的创新创业能力。根据学生理论课的学习情况，选择了“飞行器控制设计”竞赛组，要求选手使用指定芯片，自主设计、制作控制电路板，以控制大赛指定的一个飞行器完成起飞、悬停、降落及其他指定任务。

在综合知识考试部分，通过2014年试题分析，主要元件、信号及基本电路占15%，模拟电路、数字电路占20%，高频电路占5%，C语言的基本知识及应用占20%，主要测量仪器使用占5%，印制电路板设计及电路安装调试占5%，单片机原理及外围电路占40%，涵盖了几乎所有的专业基础课程内容。

飞行器设计部分，将整个系统分为三大块：遥控系统、通信链路、控制系统。学生需要使用STC公司的IAP15F2K61S2核心处理器实现控制板的设计，遥控器的设计，完成起飞、悬停、降落及其他指定任务。飞行器是将机械、电子、空气力学、高频发射等专业知识整合为一体的精密设备，需要正确组装和调试才可避免事故发生。要实现起飞、悬停、降落以及指定方向的快速准确动作，学生必须学习掌握双旋翼飞行器的飞行原理、旋翼速度的控制原理、舵机的控制原理等，通过查找相关技术资料，这些初次接触的新概念的基本原理應用在基础课程教学中的知识完全可以解决。比如，舵机是一种角度伺服的驱动器，在所有的飞行器机电控制中，舵机的控制效果是性能的重要影响因素，而舵机控制原理，所有的学生都是初次接触，很茫然。指导教师要求一个学生查找资料后，面对其他学生进行讲解，舵机的控制需要一个20ms的时基脉冲信号，该脉冲信号的高电平部分一般为0.5ms—2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。该飞行器中所用的180°角的伺服，对应的控制关系是0.5ms—0°、1.0ms—45°、1.5ms—90°、2.0ms—135°、2.5ms—180°。而控制角度其实就是控制PWM的占空比，通过讲解学生理解了原理，同时也和理论教学紧密结合，使学生认识到理论课的重要性。通过实际测试，学生感性认识并理解了直流电机控制中转速与电压、电流和功率的相互关系，对理论课程中学习的电压、电流和功率的概念有了更加深入的理解。

遥控端作为整个系统的控制中心，主要是将用户对油门摇杆、俯仰摇杆、航向摇杆以及微调按钮相关的机械操作转换为可进行传输并且可以对直升机进行操控的数据。双桨共轴直升机主要完成上升下降、前进后退、左右转向等操作，学生需要自学相关的控制原理，这样就把理论课上学习的电子技术知识、C语言编程、器件的感性认识、电路焊接、调试等融合在一起进行工程技术的实现，激发了学生学习的积极性，工程技术、资料查询、科研能力也得到了提高。

故障排除部分，给每个学生发放一套开发学习板，要求在3小时内完成现场的硬件故障排除，软件编程实现特定功能，其要求高，难度大。

通过竞赛，学生把课堂上学习的电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、C语言编程技术、微型计算机技术等这些生物医学工程专业的专业基础课程连接在一起，巩固了重要的知识点，比如AD转换、DA转换、功率放大、稳压电路、PWM脉冲控制、SPI串行通信、振荡电路以及C语言中的语法等，从工程实践能力上加强了学生PCB电路的设计和制作、电路焊接与调试、电路综合故障排除等能力。

四、效果分析

在学校和系领导的大力支持下，本次生物医学工程专业组织大三学生组成了4组共12人参加了这次竞赛，其中有2组进入决赛，我校是参加本届大赛的唯一一所医科院校。进入决赛的两组学生参加了在北京航天航空大学举行的全国总决赛，取得了一个一等奖、一个二等奖的好成绩。通过这次比赛，参与的学生都充分认识到了理论学习的重要性，明白了实际的研究工作都是需要理论指导的，课堂理论知识在工程技术中都会用到。通过这次比赛，学生具备了很强的动手能力，初步了解了科研工作的工作套路以及对疑难问题的分析解决能力。通过这种模式，大大提高了生物医学工程学科的学生质量，促进了行业的发展。

通过这次比赛，主要有以下两点经验：（1）应选择竞赛内容较为全面、覆盖知识面较广的竞赛，可以把课堂上的理论知识充分运用到实际中，巩固知识。（2）应结合生物医学工程专业的就业能力需求，把工程實践能力的培养作为一项重要的内容。通过竞赛，培养学生的工程实践能力，使他们毕业后，能够独立承担工作，满足医学工程师的需求。

参考文献：

[1]潘倩莹.生物医学工程专业学生实习的模式及管理[J].医疗卫生装备，2014，35（7）：150-151.