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生物医学工程专业工程力学课程教学改革探索

  • 教育论文
  • 2021-06-05

杨海胜 乔爱科 李蕊

[摘 要]工程力学作为生物医学工程专业的重要基础课程,在培养学生创新意识和解决复杂医学工程问题的创新能力方面具有重要作用。但是,现行的工程力学课程与生物医学工程专业联系不紧密,导致专业特色无法充分体现,严重制约专业人才的培养。文章总结了目前生物医学工程专业工程力学教学中存在的主要问题,并有针对性地提出了教学改革的建议和措施,以期建设具有生物医学工程专业特色、适合生物医学工程专业学生的工程力学课程。

[关键词]生物医学工程;工程力学;教学改革;专业特色

[基金项目]2019年度北京工业大学本科重点建设课程项目(KC2019RD011);2020年度北京工业大学内涵发展定额—专业建设—一流专业建设—生物医学工程(049000514120578)

[作者简介]杨海胜(1984—),男,内蒙古凉城人,工学博士,北京工业大学教授,生物医学工程专业负责人,主要从事生物医学工程/生物力学教学与研究工作;乔爱科(1967—),男,山西阳泉人,博士,北京工业大学教授,主要从事心血管医学工程及医疗装备研究;李 蕊(1996—),女,天津人,硕士在读,主要研究方向为生物医学工程/生物力学。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324(2020)46-0-03[收稿日期] 2020-09-24

一、引言

我国目前已进入老龄化社会,老年人口绝对数量居世界第一。未来几十年老龄化问题将日趋严重,随之而来的是庞大的医疗健康问题,将成为制约我国经济和社会发展的重要因素,同时也是我国医疗健康产业发展的重要机遇。生物医学工程(Biomedical Engineering,BME)是运用工程学原理和方法解决生物医学问题,提高人类健康水平的综合性学科。生物医学工程具有多学科交叉融合的特质,在生物学和医学领域融合数学、物理、化学、信息与计算机科学,运用工程学的原理和方法获取和产生新知识,促进生命科学和医疗卫生事业的发展[1]。在“健康中国”背景下,迫切需要大量生物医学工程专业人才。此外,我国目前医疗器械严重依赖进口,在国家创新驱动发展战略指引下,对培养具有创新意识和创新能力的生物医学工程专门人才提出了更高的要求。

工程力学是现代工程科学技术交叉发展的一门重要力学分支学科,其具有广泛性、复杂性和多样性。工程力学已成为土木、水利、机械、材料、自动化、海洋等工程科学的基础[2]。工程力学也是很多学校生物医学工程专业的学科基础必修课,旨在研究物体(包括人体器官、植介入物等)受力平衡问题,包括物体的受力分析、力系的等效替换及各种力系的平衡条件,揭示构件在外力作用下变形的基本规律,为构件提供强度、刚度、稳定性计算的理论和计算方法,培养学生生物力学分析与设计的专业基本能力,增强学生对抽象、理论、设计三个学科形态/过程的理解,学习基本思维方法和研究方法,培养学生应用工程力学知识分析与解决复杂生物医学工程问题的能力。

二、当前工程力学课程教学中存在的问题

国内外众多高校均设有生物医学工程专业,而且很多院校也开设了力学或工程力学相关的课程,如理论力学、材料力学、生物材料力学、生物力学等。但是,在力学类基础课程的教学过程中,普遍存在课程与专业联系不紧密、专业特色无法充分体现的现象[3]。工程力学课程在我校生物医学工程专业开设多个学期,经过几轮的教学实践并在收集学生反馈的基础上,总结出了三个主要问题。这些问题制约了生物医学工程专业工程力学课程的教学,阻碍了学生对生物医学工程专业的认知,不利于培养学生解决复杂医学工程问题的创新能力。以下将针对这些问题进行详细论述,并有针对性地提出可能的应对措施,以期解决生物医学工程专业在工程力学或力学类基础课程教学过程中遇到的困境,为建设具有生物医学工程专业特色、适合生物医学工程专业学生的工程力学课程提供一定指导。

(一)现有工程力学教材与生物医学工程专业契合度不高

传统的工程力學教材一般包含理论力学(或静力学)和材料力学两部分主要内容。静力学包括受力分析方法、力和力矩的概念、力偶的计算、力系的平衡条件和平衡方程、空间力对轴的力矩关系等[4]。材料力学包括材料力学的基本概念和方法、杆件轴向拉(压)强度计算和变形计算、圆轴扭转时的强度计算和变形计算、梁弯曲受力及其变形的求法等。这两部分内容丰富翔实,涉及从基础到应用、从单个构件到组合体的受力分析和设计等。

但现行工程力学教材多以土木工程、机械工程等专业为指向[5],对生物医学工程专业不具有针对性。例如,工程力学教材中的例题和课后习题多数以机械或建筑结构/构件为对象。实验部分也以工程常用的构件/材料为对象,没有针对医学或生物材料,这就使工程力学课程与生物医学工程专业教育脱节,无法很好地体现生物医学工程专业的特色。学生迫切希望学习与生物医学工程专业密切联系的工程力学基础知识,深入了解工程力学在医学工程中的应用;因此,迫切需要适合生物医学工程专业教学的工程力学教材。

(二)教学模式亟待调整

工程力学是一门理论性较强但同时又具有工程应用性的基础课程。传统授课方式以线下课堂讲授为主、实验为辅。课堂理论教学主要使学生掌握工程力学的基本概念、基本理论和基本方法,并将其应用在一些工程实际问题的求解中[3]。实验包括对工程常用材料(如低碳钢)的拉压测试,以了解其典型的应力-应变曲线和力学性能参数。工程力学课程的教学内容偏重基础理论,知识点繁多且逻辑性强。在学习过程中,面对很多复杂公式的推导,学生容易产生困惑,甚至还会出现厌学心理,进而导致学习兴趣不浓和对基础理论知识掌握不牢的问题[6]。

工程力学课程的教学除了使学生对力学的基本概念、基本理论、基本方法有较深刻的理解,还注重通过力学知识的学习,启发、培养学生的综合与扩散、求同与辨异等归纳和研究型思维,并在学习理论知识的同时,注重通过工程实际案例(包括生物医学工程案例)培养学生分析解决工程问题的研究性思维。目前工程力学课程的教学模式以教师输出知识、学生被动接受为主,启发性不强,不利于培养学生主动质疑和创新意识。此外,与传统工程学科相比,生物医学工程属于朝阳学科,众多未知的医学工程问题不断涌现,这就要求学生在掌握经典力学理论知识的同时,还能够紧跟学科和行业发展,将其应用于探究和创造性地解决新出现的医学工程问题。

(三)学生欠缺解决复杂医学工程问题的能力

如上所述,现行工程力学教材和教学模式多针对土木工程或机械等专业,力学知识点多以传统的工程结构/构件为承载对象。通过学习工程力学的基本概念、基本理论和基本分析方法,使学生具备工程力学相关的工程基础知识以及与力学相关的专业知识,并综合数学与自然科学知识用于对复杂机构拉、压、弯、扭等复杂受力条件下进行受力分析、设计和强度校核等。目前工程力学课程的考核也以检验学生掌握工程力学基本知识和解决机械结构设计等传统工程问题的能力为主。生物医学工程专业学生对于工程力学知识可以解决哪些医学工程问题并不清楚,对于如何利用工程力学理论来解决复杂医学工程问题更不明确;因此,迫切需要建立以检验学生解决生物医学工程问题能力为导向的教学和考核方式,以期提高本专业学生通过学习工程力学知识来解决复杂医学工程问题的能力。

三、应对措施

由于现行的工程力学课程的教学在教材、教学模式和能力培养等方面与生物医学工程专业联系不紧密,导致学生缺乏工程力学课程与本专业联系的认知,对力学理论知识的学习兴趣不浓,也无法有效提高解决复杂生物医学工程问题的能力。这需要相关的教育工作者及时调整教育方案,增强此课程与专业的联系,提高学生的对生物医学工程专业的认知和学习兴趣,提高学生解决复杂医学工程问题的能力,使生物医学工程学科研究与工程力学教学相结合,建设具有生物医学工程专业特色、适合生物医学工程专业学生学习的工程力学课程。为此,我们提出以下应对措施。

(一)建立适合生物医学工程专业的工程力学教材

针对现有工程力学教材与生物医学工程专业契合度不高的问题,以传统的工程力学教材为基础,深度挖掘医学工程问题中蕴含的经典力学理论和知识点,建立以医学工程研究对象(如人体器官、植介入物、人工关节)为知识载体、具有生物医学工程专业特色的工程力学教材,使学生直观地了解力学基础知识与医学工程问题之间的联系,形成良好的专业认知。在加强工程力学知识和医学工程专业之间联系的同时,需要注意工程力学课程与后续生物力学等课程之间的区分。生物力学是生物医学工程专业的专业课程,其涉及的专业知识范围较广,研究对象小到毛发,大到肌骨系统,研究层次可由器官跨越至细胞分子;而工程力学侧重于固体或流体力学基础知识。在实验教学方面,可设计以生物材料/医用材料为对象的力学测试方法和教材,以期加强学生医学工程实践能力。

(二)丰富教学模式

针对当前工程力学教学模式单一的问题,可建立以课堂讲授为主、实验为辅,结合小组合作、研讨和线上线下混合等多种教学模式与方法。可采用多媒体电子课件进行讲授,丰富的图片及动画使学生能直观了解工程结构(包括人体解剖结构)要点,结合设计型习题使学生掌握基本知识和运用工程力学知识解決工程问题的基本方法,特别是了解如何运用工程力学知识和方法来解决生物医学工程中的相关问题。实行线上线下相融合的教学模式,建立慕课资源,供学生课前线上预习和课后复习。课堂内容可融入与生物医学工程专业密切相关的工程案例,以加强学生对本课程与专业关系的认知,为后续学习生物力学、生理系统建模与仿真和组织工程与人工器官等打下基础。

为培养学生研究性思维和创新意识,将生物医学工程学科研究与工程力学教学相结合,发挥学科对专业建设和教育教学的促进作用,科学研究反哺本科教育,引入研究性教学和反转课堂模式,将生物医学工程专业与力学相关的案例与课程进行结合,深入探讨工程力学如何解决复杂医学工程问题,培养学生主动思考能力和创新意识。

(三)加强学生解决复杂医学工程问题的能力

在基础教学过程中,可尝试运用案例教学法组织教学内容和教学过程,搜集与生物医学工程专业相关的最新案例[7],并利用有限元软件进行案例的数值模拟分析,带动学生尽可能参与进来,鼓励学生自己动手操作,激发学生潜在的学习兴趣和乐趣,帮助学生夯实理论基础,培养学生抽象模型的能力,提高解决工程问题的能力。在考核中,加大与生物医学工程直接相关的题目的比重,考查学生利用所学力学知识解决生物医学工程问题的能力,并使学生在平时学习中,更加注重了解基础知识在生物医学工程领域的应用。

四、结语

生物医学工程是国家医疗卫生事业发展的重要基础和推动力量。在国家实施“健康中国”和创新驱动发展战略的背景下,对培养具有创新意识和创新能力的生物医学工程专业人才提出了更高的要求。工程力学作为生物医学工程专业的重要基础课程,在培养学生创新意识和解决复杂医学工程问题能力方面具有重要作用。但是,现行的工程力学课程与生物医学工程专业联系不紧密,导致专业特色无法充分体现,严重制约本专业的人才培养。本文总结了目前生物医学工程专业工程力学教学中存在的教材、教学模式和解决复杂医学工程问题能力培养方面的主要问题,并有针对性地提出了教学改革的建议和措施。通过教学改革,将会促进创新型人才的培养,有助于为国家医疗健康重大项目的实施提供人才支撑。同时教学改革的实施也将为提升高等教育理论化研究水平,促进生物医学工程专业发展,深化高等教育体系与国家战略的有机融合做出贡献。

参考文献

[1]普通高等学校本科专业类教学质量国家标准(部分)[J].山西教育(招考),2019(Z2):119-140.

[2]许月梅.新工科工程力学云教材建设的研究与实践[J].力学与实践,2020,42(03):368-371.

[3]张琴,方建士,张小朋等.应用型本科院校工程力学课程教学改革[J].中国冶金教育,2020(2):8-10.

[4]谢传锋编.静力学[M].北京:高等教育出版社,1999:141.

[5]李龙.独立学院工程力学教材改革探究[J].中国地质教育, 2016,25(2):67-68.

[6]肖霞,阮江涛,邢静忠.基于工程教育专业认证的基础力学课程教学改革探究[J].创新教育研究,2019,7(05):571-575.

[7]包含,晏長根,徐玮等.交通岩土工程岩体力学教学改革研究[J].教育教学论坛,2020(31):185-186.

Abstract: As an important basic course in biomedical engineering major, Engineering Mechanics plays an important role in cultivating students' innovative consciousness and innovative ability to solve complex medical engineering problems. However, the current Engineering Mechanics course is not closely related to biomedical engineering major, which leads to the problem that professional characteristics cannot be fully reflected. This situation seriously restricts the training of professional talents. This paper summarizes the main problems in the Engineering Mechanics teaching of biomedical engineering major, and puts forward some suggestions and measures for teaching reform in order to build the Engineering Mechanics course with biomedical engineering specialty characteristics and suitable for biomedical engineering students.

Key words: biomedical engineering; Engineering Mechanics; teaching reform; professional characteristics

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