张敏燕，王殊轶，赵改平，周颖，赵展

上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海，200093)

0 引言

案例教学法源于哈佛大学，是指通过一个具体教育情景的描述，从而引导学生对这些特殊情景进行讨论的一种教学方法[1]。《国家中长期教育改革与发展纲要(2010-2020)》中明确指出，鼓励实行工学结合、校企合作、顶岗实习的人才培养模式[2-3]。将案例教学运用到医疗器械综合设计课程中，正是最大限度地模拟实际现场，将课堂交给学生，以培养他们运用所学理论知识解决实际问题的能力，避免了理论知识与实践环节之间的相互脱节，有助于实现高级实用型人才的培养目标。

1 医疗器械综合设计课程分析

医疗器械综合设计是生物医学工程专业的主干实践课，该课程可以使学生建立医疗器械产品的一体化设计思想，把机械技术、电子技术、传感器技术、计算机技术和自动控制技术有机地结合起来，同时了解各项技术之间的接口关系，并且能运用所学知识对医疗器械产品进行分析和设计，使学生具备解决医疗器械生产过程中各种实际问题的初步能力。

这门课程注重学生的实际动手能力，因此非常适合运用案例教学法。通过设计合适的教学案例及实训教学装置来引导学生自主分析、理解案例中所包含的多学科问题和相关技术。采取即学即用、理论与实践无缝对接的教学方法，形成一个为解决问题学习，带着任务探索实践的学习氛围，最终达到教学目标[4]。本文将通过多功能医用护理床传动机构设计教学案例，完成从机械本体设计、装配、电控系统搭建、程序框图及程序代码编写的全部过程，培养学生设计、调试及研发的能力，提高学生解决工程实践问题的能力[3]。

2 多功能医用护理床传动机构案例设置

2.1 案例内容

多功能医用护理床是针对危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的医用床类，要求能随意调节床的背部和脚部的角度，可以让患者轻松地在床上完成坐、躺、半躺、全躺、用餐包括上厕所在内的各种需求。它适合各种偏瘫、行动不便、卧床不起等各种不同情况，即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。

本案例以多功能医用护理床传动机构为机械本体，结合单片机控制，让学生系统地学习多功能护理床硬件及软件开发的全过程，以便学生将来可在此基础上开发一些更为复杂的控制系统。

2.2 案例分解

根据任务要求，将案例分解为以下三部分：机械结构设计；伺服系统设计；控制程序开发。

(1)机械结构设计包括：床体结构设计(包括头板、护栏)；背板传动机构设计(包括推杆/丝杆选型)；腿板传动机构设计(包括推杆/丝杆选型)。

(2)伺服系统主要包括：单片机、步进电机驱动器、步进电机与开关电源等。

(3)运动控制程序开发要求，以Keil C51为开发系统编写、调试运动控制程序，实现多功能护理床的电动控制。

按照上述三部分内容将学生分组，每组之间相互独立又互相合作，最终完成总体设计任务，并按要求完成设计说明书。

2.3 考核方法

考核方式就可以分为出勤率、口试和案例设计书三个部分。其中，出勤率满分20分，口试主要考核案例中理论知识，满分20分，案例设计书满分60分。

案例作业则需要完成以下内容：(1)案例设计说明书1份；(2)机械结构三维模型图1张(电子版)，二维设计装配图1张及主要零件图；(3)程序框图及程序清单。其中，每项内容占20分，案例作业总分数为60分。

3 实施过程中应注意的问题

3.1 激发学生的主动性

在设计开始之前，要充分地介绍这一案例的目的和特点，调动起学生的积极性和主动性，让他们从思想上重视这次案例项目。

在案例实施过程中，在遇到问题时，教师要鼓励学生自己查找答案，只在必要的时候，进行一定的指导。在整个案例实施的全过程，教师要尽可能少地参与到其中，把主动权交给学生[3]。

3.2 培养学生之间的团队合作

在案例实施过程中，采取创新型小团队的教学方式，培养学生独立思考能力、想象能力及自学能力，并同时锻炼学生发现问题、解决问题以及团队协作的能力[5]。出现共性问题时，在教师指导下，学生之间互相切磋更能提高学习的积极性和效率。建立了微信群，有问题都在群里商量讨论，采取线上线下随时沟通，收到了良好的学习效果。

3.3 培养学生精益求精的工匠精神

在设计过程中，结合专业特点，从医疗器械的安全性、有效性设计原则出发，通过讲解医用床类不良事件震撼学生，严格把关每个设计数据的验算，培养学生严谨、一丝不苟的工作态度，弘扬精益求精的职业风范和追求卓越的敬业精神[6]。

3.4 严格把关考核环节

在案例实施过程中，教师可以通过观察、提问、让学生演示等手段，了解到学生每个人的情况，杜绝团队合作中不劳而获现象的出现。教师严格把关考核环节的最终目的是要让每个学生都能有所收获。

4 教学实践

本次案例教学是在2016级生物医学工程专业本科生中进行的，共有36名学生。根据案例分解将学生分为四组，每组9人，每组再分3个小组每个小组3人，分别负责机械结构设计、伺服系统设计和控制程序开发。效果分析如下：

(1)机械结构设计任务。由3名学生分别负责床体结构设计(包括头板、护栏)；背板传动机构设计(包括推杆/丝杆选型)；腿板传动机构设计(包括推杆/丝杆选型)。参考实验室现有多功能护理床的结构，完成设计计算及三维图、二维图、零件图的绘制。

要求学生设计参数应符合YY 0571—2013医用电气设备第2部分：医院电动床安全专用要求，并结合医疗器械人体工程学，床背与水平面夹角能从0～70°或更大可调，小腿板与水平面夹角能从0～20°或更大可调，接近人坐姿时生理角度且舒适。

该环节主要培养学生测绘机械本体、计算校核关键部件及机械制图能力，并对医疗器械行业标准有深刻理解，同时培养严谨、一丝不苟的科学态度。

(2)伺服系统设计任务。在电气元件选型这一环节，教师通过实验室现有的实物向学生讲解电气元件选型及使用过程中需要注意的事项。在这一环节，主要培养学生电路连线及硬件检测的能力。

(3)程序开发和调试任务。通过教师讲解案例和学生自学相结合，学习单片机Keil C编程，增强了自主学习的意识和能力。

5 教学成果分析

多功能护理床案例作为案例教学法中一个典型案例，以系统设计的思路作为主线，阐释有关的基本概念、原理和方法，将各个知识点用此案例有机统一结合起来。教学过程先了解案例，使学生了解医疗器械系统总体的性能要求是要符合行业标准，尤其是要符合安全性、有效性要求，并考虑人机工程学。教学过程中，融入思政元素，通过分析医用床类故障和不良事件，培养学生精益求精的工匠精神、医务工作者的生命责任感。

通过上述案例可以说明，将案例教学法引入医疗器械综合设计这门课程是十分成功的。为进一步提高学生学习兴趣和效果，计划后期加入虚拟现实教学模式，使学生更加直观地沉浸在医疗器械临床使用和设计流程中。