生物医学工程专业电磁兼容课程教学的实践与探索

张海生 陈明生 徐林 庄伟 宁旭

［摘 要］电磁兼容课程是一门交叉学科课程。针对生物医学工程专业本科生的专业背景与知识结构，电磁兼容课程教师应精选教学内容，优化教学设计，采用启发式、参与式、讨论式、问题式等教学方法调动学生的积极性。在教学实践中，学生的课堂表现反映出其有较浓厚的学习兴趣，考试成绩反映出其学科知识掌握较好，无记名问卷调查反映出其进行电磁兼容性设计的信心需进一步加强。因此，教师在为生物医学工程专业学生讲授电磁兼容工科知识时，要采用优化内容、引导讲授、分组讨论等方法，以调动学生学习的积极性，提高理论和实践教学效果。

［关键词］生物医学工程；电磁兼容；教材；教学内容；教学方法

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）09-0058-04

引言

现代医学中电子设备的应用越来越广泛，这些设备有的主动辐射电磁波（如微波成像、微波热疗等设备），有的被动泄露电磁波（如心电图机、监护仪、除颤仪等设备）。这些电磁辐射会在医疗设备间形成相互干扰[1]，轻则导致设备性能下降，重则导致设备无法工作。如何增强医疗设备电磁兼容能力，是一个重要的研究方向。医疗设备电磁兼容技术的学习对于生物医学工程专业学生从事科学研究、临床诊断和疾病治疗都有十分重要的意义。

电磁兼容是电子工程学科的一门专业性较强的课程，本课程讲授电磁兼容的理论基础、设计、防护以及测试技术，其特点是理论基础广、工程实践性强、所需先导课程较多，属于一门综合性的课程[2]。

目前国内高校多在电子工程专业研究生阶段开设电磁兼容课程[3]。陆军军医大学（以下简称我校）首次将电磁兼容课程提前到本科高年级开设，具有一定挑战性。生物医学工程专业与电子工程专业的课程体系有本质上的不同，生物医学工程专业虽然开设了电路分析、信号处理等部分先导课程，但相关课程的讲授深度不足，且最关键的先导课程——电磁场原理学生未曾接触，因此电磁兼容课程授课难度较大。

针对这一问题，我们合理选择电磁兼容课程的知识章节，优化教学内容，侧重医疗设备的电磁兼容防护，在概念理论、实例应用方面与医疗设备紧紧结合。考虑到生物医学工程专业的知识背景与知识运用，在授课中应避免复杂的公式推导算法设计，可采用仿真软件完成相关内容教学。针对生物医学工程背景，我们优化教学设计，采用研究式学习（Research?based Learning，RBL） 教学方法[4-5]，遵循“问题—理论—应用”的教学思路，帮助学生掌握课程内容。

本文系统地介绍医疗设备电磁兼容技术课程设计及教学实施，总结教学过程的得失经验，希望能够给国内其他高校生物医学工程专业开设此类课程提供参考。

一、课程设计

（一）课程目标与定位

为了适应生物医学工程专业的学科发展方向，做好本科毕业生课程学习与工作实习之间的衔接，我校为生物医学工程专业本科学生在大四上学期开设任职类专业课程——医疗设备电磁兼容技术。开设本课程的目的是让学生学习电磁兼容技术、进行电磁兼容的科学训练，系统地掌握电磁兼容的理论基础和基本方法，为进一步开展医疗仪器电磁兼容领域的科学研究、从事医疗设备开发及电路板和微电子的设计、解决实际工程中的电磁兼容问题等打下坚实的理论和技能基础。

（二）授课难点分析

我校生物医学工程专业大四学生一般有25人，属于典型的小班授课，师生课堂互动交流良好，教师可以更好地了解小班中的每位学生，便于进行有针对性的教学，学生也有较好的基础和学习习惯，这些都有利于本课程的开展。授课难点在于：

1.先导课程开设不充分。先导课程包括电路原理、信号与系统、模拟电路、数字电路、天线、电磁场原理等，其中后两门课程最重要但并未开设。学生仅在大学物理课程中学过电磁场理论相关内容，学习深度达不到本课程的要求。

2.本课程开课时间定在大四上学期，此时大部分学生准备考研，部分学生甚至在课堂上进行考研复习，因此投入本课程的时间和精力有限。如何提高课堂吸引力并在有限时间内取得良好的教学效果，这是一个挑战。

3.没有可以直接借鉴的同行课程，也没有针对性的教材。国内其他大学生物医学工程专业尚未开设类似课程（不完全统计），因此只能就近借鉴电子工程专业的电磁兼容课程，在课程标准、教学大纲上需要针对生物医学工程专业进行优化设计。医疗设备电磁兼容技术属于电磁兼容技术在生物医学工程中的应用，是一门交叉学科课程。目前，电磁兼容课程的教材相对丰富，但针对医疗设备电磁兼容技术的教材几乎没有。因此在教材选择与教学内容的设计上，需要在多部教材中进行取舍。

（三）教材选择与教学内容设计

为了突出本课程交叉学科的特点，本课程选用高等学校工程创新型“十二五”规划教材《电磁兼容基础》（第2 版）[6]与《医疗设备电磁兼容测试技术及应用》[7]（見图1）作为主要教材，其中电磁兼容基础知识部分以前者为主，医疗设备电磁兼容部分以后者为主。实验课程讲义由课程教学组自编。除了中文教材，还增加了学生课外阅读教材Electromagnetic Compatibility： Principles and Applications（Second Edition）[8]。这本教材兼顾理论性与实践性，关注电磁兼容问题的解决措施、方法、经验等，受到许多知名大学的正式推荐。同时，这本书的中文译本《电磁兼容原理与应用》[9]可以帮助学生更好地理解原书，有助于学生快速准确掌握本领域专业英文词汇，为今后独立查阅文献、开展科学研究打下基础。

医疗设备电磁兼容技术课程的教学内容与课时分布如表1所示。其中理论课程30个学时，包含基础理论、工程方法、预测与测试三部分；实验课程6个学时，包含2个典型电磁兼容测试实验，使学生掌握频谱仪与近场探头的使用方法。

为了突出本课程交叉学科的特点，对电磁兼容测试部分的内容采用案例教学法，引入了“多通道生理监护仪电磁兼容测试”与“超声影像设备电磁兼容测试”教学内容。这两种设备是医院常见设备，学生在前期实习时对这两种设备已有所接触，对仪器的结构原理已有所了解，这有助于他们快速掌握本课程内容。相关章节能让学生对电磁兼容测试的流程、方法、仪器、场地有深入的理解。

（四）教学案例分析

针对授课难点与学生特点，教师在教学过程中避免平铺直叙、教师为主的教学方式，采用研究型教学模式，利用启发与讨论等教学方法调动学生的积极性。下面是具体教学案例。

1.屏蔽与接地是电磁兼容工程方法中的常见措施，学生在日常生活中对这两个概念也有所接触，但尚未进行科学提炼。针对这一情况，教师在课堂讲授中不直接给出结论，而是引导学生参与分组讨论，逐步深入，直至获得最终结果。当学生在分析中遇到困难时，教师可以提供选择与引导，让学生在正确的方向上抽丝剥茧，通过分析学得知识。具体授课思路如图2所示。

2.电磁兼容预测章节的专业性很强，存在大量计算电磁学的内容，这对于生物医学工程专业的本科生而言很有难度。教师在有限的授课时间内，没有将学生带入复杂的公式推导中。考虑到前期学生在第二课堂学习了CST电磁仿真软件相关知识，教师通过一个仿真案例来展示电磁兼容预测过程。如电子医疗仪器在上市前必须满足《医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容  要求和试验》（YY 0505—2012）中的射频辐射抗扰度要求[10]，因此产品在设计时必须考虑机箱的电磁屏蔽效能，这是一个典型的电磁兼容预测问题。如图3、图4、图5（原图为彩图，本文仅作展示）所示，通过CST仿真软件对心电图机进行建模，给定电磁干扰源，观察机箱内电磁场特定位置的电磁强度与分布。这个仿真案例难度适宜，学生可以直接参与，学习与研究同步进行，充分调动了学生的积极性，同时对电磁兼容预测的全流程进行了一次实际演练，收到了较好的教学效果。

二、教学实施效果分析

（一）课程考试成绩分析

课程总成绩包含闭卷考试和实验报告两部分，二者权重比例分别为80%与20%。其中，试卷根据了解、掌握和综合应用三个目标层次，按照10∶20∶70的比例，全面覆蓋了上课讲授的6个章节的教学内容。最终总成绩如下：95分以上人数为0；90～95分人数为4，占比16％；85～89分人数为12，占比48％；80～84分人数为5，占比20％；75～79分人数为4，占比16％；低于75分人数为0。25名学生的平均成绩为84.9分，最高分为92.5分，最低分为77分，标准差为4.56，接近正态分布。最终成绩说明学生对本门课程内容的掌握普遍较好，达到了本门课程的教学目的。

试卷题目由选择题、填空题和问答题组成，三者分值比例为3∶3∶4。从统计分析来看，学生对选择题和填空题完成得较好，这两种题型注重考查学生对基本知识点的掌握和理解，学生普遍得分不错。问答题的发散性和启发性较强，尤其是问答题第8题设置得较为灵活，需要学生对知识进行拓展理解，因而学生得分偏低。这反映出大多数学生掌握了基本知识点，但掌握得不够深、不够透彻。教师在以后的教学中要鼓励学生学深、学精，不能停留在基本知识点的表面，以达到更好的教学效果。

（二）问卷调查与思考

为了进一步发现教学中的问题，便于后续针对性地改进，课程教学组在学期末进行了问卷调查。调查问卷的主体内容如表2所示，包含7个问题。问题1～3调查教学内容是否具有针对性、有利于学生的后续工作与学习；问题4～6研究教学设计的合理性，为进一步改进教学方法提供参考。问题1～6均采用4级打分法。问题7是开放性问题，收集学生的补充建议。为了保证问卷调查的真实性，本次问卷调查采用无记名方式进行，填写时间在考试成绩公布之后。

调查结果显示，针对问题1，学生普遍认可本课程对未来工作和学习有帮助，这与大部分学生准备读研有关（部分学生甚至跨学科选择电子工程专业），还有部分学生计划进入医院设备科工作。针对问题2～3，大部分学生认为自己较好掌握了本课程的知识点，但缺乏独立进行电磁兼容设计的能力。针对问题4～5，学生对本课程的教学方法给予了较好的评价，这与本课程采用研究型教学模式密切相关。针对问题6，学生普遍认为需要增加6～9个学时，这反映出理论课学时总数过少，尤其是第三章节的教学内容是本课程的重点，需要增加时间深入讲解。针对问题7，部分学生建议将本课程提前至大三下学期开设，因为本课程的确与考研复习存在时间冲突。

本课程机遇与挑战并存。生物医学工程的学科发展趋势与学生反馈均表明，生物医学工程专业有必要开设医疗设备电磁兼容技术课程，但学生知识结构的不足给本课程教学带来了很大难度。增加课时数并调整开课时间是解决上述矛盾的方法之一。研究型教学模式调动了学生的学习积极性，提高了教学质量，在后续教学中可进一步坚持并改进。学生对本门课程的基础知识掌握得较好，但缺乏对知识的灵活运用，后续可增加设计性实验，促进学生将知识融会贯通，加强基础知识与实践运用之间的衔接。

三、结语

2018年，教育部提出新医科的本科教育改革，强调了多种交叉学科在医学领域的应用[11]。在生物医学工程专业本科阶段开设一批有挑战性的交叉学科课程，并将课程讲好讲精，是生物医学工程专业的教育工作者不可推卸的责任。本文系统介绍了电磁兼容课程的设计思路、案例分析与教学经验。在教学内容上，结合学生的专业知识背景，精选知识点，并与医疗设备紧密结合，使学生在本课程中做到“可学、应学、尽学”；在教学方法上，避免概念要点“满堂灌”，采用研究型教学模式，让学生积极主动参与课堂讨论与互动；在教学实施上，避免复杂的公式推导，选择更具针对性的工具软件，让学生体验电磁兼容设计的流程，成为教学推进的主角。这种引导讲授、分组讨论、体验教学的方法在调动学生积极性与提高教学效果方面具有重要作用。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 乔峰，官辉，黄煜，等. 电磁兼容整改对医疗器械电气安全的影响[J]. 医疗卫生装备，2019，40（10）：70-73.

[2] 谭康伯，路宏敏，苏涛. 建设电磁专业核心课程的探索与实践[J]. 电气电子教学学报，2022，44（1）：87-92.

[3] 苏丽媛，马瑶，陈海林，等.军校研究生电磁兼容课程教学模式研究[J].电气电子教学学报，2019，41（1）：40-43.

[4] 于浩然，张柳蕙，刘威，等.RBL教学对临床医学本科生综合能力培养的作用[J].中华医学教育探索杂志，2016，15（10）：1034-1038.

[5] 谷超，苗绪红，刘义，等.医学本科专业遗传学实验中RBL教改研究[J].中华医学教育探索杂志，2020，19（3）：296-299.

[6] 刘培国，覃宇建，周东明，等.电磁兼容基础 [M].2版. 北京：电子工业出版社， 2015.

[7] 宋盟春，李伟松. 医疗设备电磁兼容测试技术及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2019.

[8] WESTON D A. Electromagnetic compatibility： principles and applications[M].2nd ed. New York：Marcel Dekker， 2001.

[9] 韦斯顿. 电磁兼容原理与应用：原书第2版[M]. 杨自佑，王守三，译.北京：机械工业出版社， 2015.

[10] 国家食品药品监督管理局.医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容  要求和试验：YY 0505—2012[S/OL].（2022-09-02）[2023-01-10]. https：//www.renrendoc.com/paper/219563808.html.

[11] 顾丹丹， 钮晓音， 郭晓奎，等. “新医科”内涵建设及实施路径的思考[J]. 中国高等医学教育， 2018（8）：17-18.

［责任编辑：周侯辰］