生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)電磁兼容課程教學(xué)的實(shí)踐與探索

張海生 陳明生 徐林 莊偉 寧旭

［摘 要］電磁兼容課程是一門交叉學(xué)科課程。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的專業(yè)背景與知識(shí)結(jié)構(gòu)，電磁兼容課程教師應(yīng)精選教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，采用啟發(fā)式、參與式、討論式、問題式等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的課堂表現(xiàn)反映出其有較濃厚的學(xué)習(xí)興趣，考試成績(jī)反映出其學(xué)科知識(shí)掌握較好，無記名問卷調(diào)查反映出其進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)的信心需進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，教師在為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生講授電磁兼容工科知識(shí)時(shí)，要采用優(yōu)化內(nèi)容、引導(dǎo)講授、分組討論等方法，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高理論和實(shí)踐教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］生物醫(yī)學(xué)工程；電磁兼容；教材；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）09-0058-04

引言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，這些設(shè)備有的主動(dòng)輻射電磁波（如微波成像、微波熱療等設(shè)備），有的被動(dòng)泄露電磁波（如心電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、除顫儀等設(shè)備）。這些電磁輻射會(huì)在醫(yī)療設(shè)備間形成相互干擾[1]，輕則導(dǎo)致設(shè)備性能下降，重則導(dǎo)致設(shè)備無法工作。如何增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容能力，是一個(gè)重要的研究方向。醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)的學(xué)習(xí)對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生從事科學(xué)研究、臨床診斷和疾病治療都有十分重要的意義。

電磁兼容是電子工程學(xué)科的一門專業(yè)性較強(qiáng)的課程，本課程講授電磁兼容的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)、防護(hù)以及測(cè)試技術(shù)，其特點(diǎn)是理論基礎(chǔ)廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)、所需先導(dǎo)課程較多，屬于一門綜合性的課程[2]。

目前國(guó)內(nèi)高校多在電子工程專業(yè)研究生階段開設(shè)電磁兼容課程[3]。陸軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）首次將電磁兼容課程提前到本科高年級(jí)開設(shè)，具有一定挑戰(zhàn)性。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)與電子工程專業(yè)的課程體系有本質(zhì)上的不同，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)雖然開設(shè)了電路分析、信號(hào)處理等部分先導(dǎo)課程，但相關(guān)課程的講授深度不足，且最關(guān)鍵的先導(dǎo)課程——電磁場(chǎng)原理學(xué)生未曾接觸，因此電磁兼容課程授課難度較大。

針對(duì)這一問題，我們合理選擇電磁兼容課程的知識(shí)章節(jié)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，側(cè)重醫(yī)療設(shè)備的電磁兼容防護(hù)，在概念理論、實(shí)例應(yīng)用方面與醫(yī)療設(shè)備緊緊結(jié)合?？紤]到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的知識(shí)背景與知識(shí)運(yùn)用，在授課中應(yīng)避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)算法設(shè)計(jì)，可采用仿真軟件完成相關(guān)內(nèi)容教學(xué)。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程背景，我們優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，采用研究式學(xué)習(xí)（Research?based Learning，RBL） 教學(xué)方法[4-5]，遵循“問題—理論—應(yīng)用”的教學(xué)思路，幫助學(xué)生掌握課程內(nèi)容。

本文系統(tǒng)地介紹醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施，總結(jié)教學(xué)過程的得失經(jīng)驗(yàn)，希望能夠給國(guó)內(nèi)其他高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)此類課程提供參考。

一、課程設(shè)計(jì)

（一）課程目標(biāo)與定位

為了適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)科發(fā)展方向，做好本科畢業(yè)生課程學(xué)習(xí)與工作實(shí)習(xí)之間的銜接，我校為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生在大四上學(xué)期開設(shè)任職類專業(yè)課程——醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)。開設(shè)本課程的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)電磁兼容技術(shù)、進(jìn)行電磁兼容的科學(xué)訓(xùn)練，系統(tǒng)地掌握電磁兼容的理論基礎(chǔ)和基本方法，為進(jìn)一步開展醫(yī)療儀器電磁兼容領(lǐng)域的科學(xué)研究、從事醫(yī)療設(shè)備開發(fā)及電路板和微電子的設(shè)計(jì)、解決實(shí)際工程中的電磁兼容問題等打下堅(jiān)實(shí)的理論和技能基礎(chǔ)。

（二）授課難點(diǎn)分析

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大四學(xué)生一般有25人，屬于典型的小班授課，師生課堂互動(dòng)交流良好，教師可以更好地了解小班中的每位學(xué)生，便于進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)，學(xué)生也有較好的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣，這些都有利于本課程的開展。授課難點(diǎn)在于：

1.先導(dǎo)課程開設(shè)不充分。先導(dǎo)課程包括電路原理、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電路、數(shù)字電路、天線、電磁場(chǎng)原理等，其中后兩門課程最重要但并未開設(shè)。學(xué)生僅在大學(xué)物理課程中學(xué)過電磁場(chǎng)理論相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)深度達(dá)不到本課程的要求。

2.本課程開課時(shí)間定在大四上學(xué)期，此時(shí)大部分學(xué)生準(zhǔn)備考研，部分學(xué)生甚至在課堂上進(jìn)行考研復(fù)習(xí)，因此投入本課程的時(shí)間和精力有限。如何提高課堂吸引力并在有限時(shí)間內(nèi)取得良好的教學(xué)效果，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.沒有可以直接借鑒的同行課程，也沒有針對(duì)性的教材。國(guó)內(nèi)其他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)尚未開設(shè)類似課程（不完全統(tǒng)計(jì)），因此只能就近借鑒電子工程專業(yè)的電磁兼容課程，在課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)大綱上需要針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)屬于電磁兼容技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用，是一門交叉學(xué)科課程。目前，電磁兼容課程的教材相對(duì)豐富，但針對(duì)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)的教材幾乎沒有。因此在教材選擇與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，需要在多部教材中進(jìn)行取舍。

（三）教材選擇與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了突出本課程交叉學(xué)科的特點(diǎn)，本課程選用高等學(xué)校工程創(chuàng)新型“十二五”規(guī)劃教材《電磁兼容基礎(chǔ)》（第2 版）[6]與《醫(yī)療設(shè)備電磁兼容測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》[7]（見圖1）作為主要教材，其中電磁兼容基礎(chǔ)知識(shí)部分以前者為主，醫(yī)療設(shè)備電磁兼容部分以后者為主。實(shí)驗(yàn)課程講義由課程教學(xué)組自編。除了中文教材，還增加了學(xué)生課外閱讀教材Electromagnetic Compatibility： Principles and Applications（Second Edition）[8]。這本教材兼顧理論性與實(shí)踐性，關(guān)注電磁兼容問題的解決措施、方法、經(jīng)驗(yàn)等，受到許多知名大學(xué)的正式推薦。同時(shí)，這本書的中文譯本《電磁兼容原理與應(yīng)用》[9]可以幫助學(xué)生更好地理解原書，有助于學(xué)生快速準(zhǔn)確掌握本領(lǐng)域?qū)I(yè)英文詞匯，為今后獨(dú)立查閱文獻(xiàn)、開展科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分布如表1所示。其中理論課程30個(gè)學(xué)時(shí)，包含基礎(chǔ)理論、工程方法、預(yù)測(cè)與測(cè)試三部分；實(shí)驗(yàn)課程6個(gè)學(xué)時(shí)，包含2個(gè)典型電磁兼容測(cè)試實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握頻譜儀與近場(chǎng)探頭的使用方法。

為了突出本課程交叉學(xué)科的特點(diǎn)，對(duì)電磁兼容測(cè)試部分的內(nèi)容采用案例教學(xué)法，引入了“多通道生理監(jiān)護(hù)儀電磁兼容測(cè)試”與“超聲影像設(shè)備電磁兼容測(cè)試”教學(xué)內(nèi)容。這兩種設(shè)備是醫(yī)院常見設(shè)備，學(xué)生在前期實(shí)習(xí)時(shí)對(duì)這兩種設(shè)備已有所接觸，對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)原理已有所了解，這有助于他們快速掌握本課程內(nèi)容。相關(guān)章節(jié)能讓學(xué)生對(duì)電磁兼容測(cè)試的流程、方法、儀器、場(chǎng)地有深入的理解。

（四）教學(xué)案例分析

針對(duì)授課難點(diǎn)與學(xué)生特點(diǎn)，教師在教學(xué)過程中避免平鋪直敘、教師為主的教學(xué)方式，采用研究型教學(xué)模式，利用啟發(fā)與討論等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。下面是具體教學(xué)案例。

1.屏蔽與接地是電磁兼容工程方法中的常見措施，學(xué)生在日常生活中對(duì)這兩個(gè)概念也有所接觸，但尚未進(jìn)行科學(xué)提煉。針對(duì)這一情況，教師在課堂講授中不直接給出結(jié)論，而是引導(dǎo)學(xué)生參與分組討論，逐步深入，直至獲得最終結(jié)果。當(dāng)學(xué)生在分析中遇到困難時(shí)，教師可以提供選擇與引導(dǎo)，讓學(xué)生在正確的方向上抽絲剝繭，通過分析學(xué)得知識(shí)。具體授課思路如圖2所示。

2.電磁兼容預(yù)測(cè)章節(jié)的專業(yè)性很強(qiáng)，存在大量計(jì)算電磁學(xué)的內(nèi)容，這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生而言很有難度。教師在有限的授課時(shí)間內(nèi)，沒有將學(xué)生帶入復(fù)雜的公式推導(dǎo)中?？紤]到前期學(xué)生在第二課堂學(xué)習(xí)了CST電磁仿真軟件相關(guān)知識(shí)，教師通過一個(gè)仿真案例來展示電磁兼容預(yù)測(cè)過程。如電子醫(yī)療儀器在上市前必須滿足《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容? 要求和試驗(yàn)》（YY 0505—2012）中的射頻輻射抗擾度要求[10]，因此產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮機(jī)箱的電磁屏蔽效能，這是一個(gè)典型的電磁兼容預(yù)測(cè)問題。如圖3、圖4、圖5（原圖為彩圖，本文僅作展示）所示，通過CST仿真軟件對(duì)心電圖機(jī)進(jìn)行建模，給定電磁干擾源，觀察機(jī)箱內(nèi)電磁場(chǎng)特定位置的電磁強(qiáng)度與分布。這個(gè)仿真案例難度適宜，學(xué)生可以直接參與，學(xué)習(xí)與研究同步進(jìn)行，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，同時(shí)對(duì)電磁兼容預(yù)測(cè)的全流程進(jìn)行了一次實(shí)際演練，收到了較好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)實(shí)施效果分析

（一）課程考試成績(jī)分析

課程總成績(jī)包含閉卷考試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分，二者權(quán)重比例分別為80%與20%。其中，試卷根據(jù)了解、掌握和綜合應(yīng)用三個(gè)目標(biāo)層次，按照10∶20∶70的比例，全面覆蓋了上課講授的6個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。最終總成績(jī)?nèi)缦拢?5分以上人數(shù)為0；90～95分人數(shù)為4，占比16％；85～89分人數(shù)為12，占比48％；80～84分人數(shù)為5，占比20％；75～79分人數(shù)為4，占比16％；低于75分人數(shù)為0。25名學(xué)生的平均成績(jī)?yōu)?4.9分，最高分為92.5分，最低分為77分，標(biāo)準(zhǔn)差為4.56，接近正態(tài)分布。最終成績(jī)說明學(xué)生對(duì)本門課程內(nèi)容的掌握普遍較好，達(dá)到了本門課程的教學(xué)目的。

試卷題目由選擇題、填空題和問答題組成，三者分值比例為3∶3∶4。從統(tǒng)計(jì)分析來看，學(xué)生對(duì)選擇題和填空題完成得較好，這兩種題型注重考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解，學(xué)生普遍得分不錯(cuò)。問答題的發(fā)散性和啟發(fā)性較強(qiáng)，尤其是問答題第8題設(shè)置得較為靈活，需要學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行拓展理解，因而學(xué)生得分偏低。這反映出大多數(shù)學(xué)生掌握了基本知識(shí)點(diǎn)，但掌握得不夠深、不夠透徹。教師在以后的教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)深、學(xué)精，不能停留在基本知識(shí)點(diǎn)的表面，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

（二）問卷調(diào)查與思考

為了進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題，便于后續(xù)針對(duì)性地改進(jìn)，課程教學(xué)組在學(xué)期末進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)查問卷的主體內(nèi)容如表2所示，包含7個(gè)問題。問題1～3調(diào)查教學(xué)內(nèi)容是否具有針對(duì)性、有利于學(xué)生的后續(xù)工作與學(xué)習(xí)；問題4～6研究教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性，為進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法提供參考。問題1～6均采用4級(jí)打分法。問題7是開放性問題，收集學(xué)生的補(bǔ)充建議。為了保證問卷調(diào)查的真實(shí)性，本次問卷調(diào)查采用無記名方式進(jìn)行，填寫時(shí)間在考試成績(jī)公布之后。

調(diào)查結(jié)果顯示，針對(duì)問題1，學(xué)生普遍認(rèn)可本課程對(duì)未來工作和學(xué)習(xí)有幫助，這與大部分學(xué)生準(zhǔn)備讀研有關(guān)（部分學(xué)生甚至跨學(xué)科選擇電子工程專業(yè)），還有部分學(xué)生計(jì)劃進(jìn)入醫(yī)院設(shè)備科工作。針對(duì)問題2～3，大部分學(xué)生認(rèn)為自己較好掌握了本課程的知識(shí)點(diǎn)，但缺乏獨(dú)立進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的能力。針對(duì)問題4～5，學(xué)生對(duì)本課程的教學(xué)方法給予了較好的評(píng)價(jià)，這與本課程采用研究型教學(xué)模式密切相關(guān)。針對(duì)問題6，學(xué)生普遍認(rèn)為需要增加6～9個(gè)學(xué)時(shí)，這反映出理論課學(xué)時(shí)總數(shù)過少，尤其是第三章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容是本課程的重點(diǎn)，需要增加時(shí)間深入講解。針對(duì)問題7，部分學(xué)生建議將本課程提前至大三下學(xué)期開設(shè)，因?yàn)楸菊n程的確與考研復(fù)習(xí)存在時(shí)間沖突。

本課程機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。生物醫(yī)學(xué)工程的學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)與學(xué)生反饋均表明，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)有必要開設(shè)醫(yī)療設(shè)備電磁兼容技術(shù)課程，但學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的不足給本課程教學(xué)帶來了很大難度。增加課時(shí)數(shù)并調(diào)整開課時(shí)間是解決上述矛盾的方法之一。研究型教學(xué)模式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了教學(xué)質(zhì)量，在后續(xù)教學(xué)中可進(jìn)一步堅(jiān)持并改進(jìn)。學(xué)生對(duì)本門課程的基礎(chǔ)知識(shí)掌握得較好，但缺乏對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用，后續(xù)可增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)融會(huì)貫通，加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐運(yùn)用之間的銜接。

三、結(jié)語(yǔ)

2018年，教育部提出新醫(yī)科的本科教育改革，強(qiáng)調(diào)了多種交叉學(xué)科在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[11]。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科階段開設(shè)一批有挑戰(zhàn)性的交叉學(xué)科課程，并將課程講好講精，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教育工作者不可推卸的責(zé)任。本文系統(tǒng)介紹了電磁兼容課程的設(shè)計(jì)思路、案例分析與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景，精選知識(shí)點(diǎn)，并與醫(yī)療設(shè)備緊密結(jié)合，使學(xué)生在本課程中做到“可學(xué)、應(yīng)學(xué)、盡學(xué)”；在教學(xué)方法上，避免概念要點(diǎn)“滿堂灌”，采用研究型教學(xué)模式，讓學(xué)生積極主動(dòng)參與課堂討論與互動(dòng)；在教學(xué)實(shí)施上，避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)，選擇更具針對(duì)性的工具軟件，讓學(xué)生體驗(yàn)電磁兼容設(shè)計(jì)的流程，成為教學(xué)推進(jìn)的主角。這種引導(dǎo)講授、分組討論、體驗(yàn)教學(xué)的方法在調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性與提高教學(xué)效果方面具有重要作用。

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［責(zé)任編輯：周侯辰］