三維設(shè)計(jì)軟件在生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

趙 展，胡秀枋，徐秀林，嚴(yán)榮國(guó)

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

0 引言

在新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)計(jì)劃背景下，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力無(wú)可替代的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革創(chuàng)新勢(shì)在必行［1］。如何深化實(shí)踐教學(xué)改革，按照國(guó)務(wù)院《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》要求，培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)新型、復(fù)合型科技人才，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，助推教育轉(zhuǎn)型和新工科實(shí)踐，成為目前新的研究熱點(diǎn)［2］。綜合了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科——生物醫(yī)學(xué)工程，是21世紀(jì)最具發(fā)展優(yōu)勢(shì)的學(xué)科之一，其順應(yīng)了新工科建設(shè)趨勢(shì)——更加凸顯學(xué)科交叉融合［3-4］。特別是3D 技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程的研究方興未艾，使得相關(guān)設(shè)計(jì)、分析、制造更加便利［5-7］。鑒于此，上海理工大學(xué)生醫(yī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)根據(jù)新工科建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)校培養(yǎng)計(jì)劃，引入三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行醫(yī)療器械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新人才系列實(shí)踐教學(xué)改革探索。

1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式

1.1 實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)體系

實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，提高其綜合素質(zhì)至關(guān)重要［8］。上海理工大學(xué)生醫(yī)專業(yè)為確保理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐教學(xué)充分開展，所制定的本科培養(yǎng)計(jì)劃中開設(shè)了多門實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課，按照學(xué)習(xí)先后次序，主要分為認(rèn)知實(shí)踐、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、醫(yī)院實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等［9］，分別對(duì)應(yīng)醫(yī)療器械認(rèn)知實(shí)踐、醫(yī)院設(shè)備及器械實(shí)驗(yàn)、人體機(jī)能替代裝置實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療器械綜合設(shè)計(jì)、有源醫(yī)療器械檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)等課程，按照感性認(rèn)知——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決碰到的實(shí)際問(wèn)題——項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新研究等思路培養(yǎng)學(xué)生，涉及典型醫(yī)療器械功能組成、工作原理、操作使用、拆裝測(cè)繪、結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算校核、創(chuàng)新設(shè)計(jì)及外出實(shí)習(xí)等學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，還有其它實(shí)踐能力培養(yǎng)方式，如開設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課，鼓勵(lì)參加市級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，參加學(xué)院微創(chuàng)基金項(xiàng)目，以及參加各類創(chuàng)新比賽等。

1.2 實(shí)踐教學(xué)改革

1.2.1 實(shí)踐教學(xué)改革必要性

上海理工大學(xué)生醫(yī)專業(yè)校內(nèi)實(shí)踐課主要包括對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室中的醫(yī)療器械及檢測(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)掌握，涉及診斷、檢驗(yàn)、有源無(wú)源、手術(shù)器械及設(shè)備、體外循環(huán)、醫(yī)用光學(xué)、康復(fù)理療、監(jiān)護(hù)護(hù)理等醫(yī)療儀器，其范圍大、品種繁多，要想徹底掌握，需多學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通。實(shí)踐教學(xué)中內(nèi)容陳舊、學(xué)生被動(dòng)接受、理論實(shí)踐脫節(jié)的模式無(wú)法適應(yīng)國(guó)家卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃實(shí)施，跟不上新工科背景下對(duì)大學(xué)生素質(zhì)和能力培養(yǎng)的改革新形勢(shì)。因此，必須進(jìn)行實(shí)踐課深度改革，擴(kuò)寬學(xué)生視野，幫助學(xué)生建立多學(xué)科交叉意識(shí)［10-11］。

1.2.2 實(shí)踐課內(nèi)容改革

對(duì)于絕大部分醫(yī)療儀器，平時(shí)看不到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，想要徹底弄清楚其原理和結(jié)構(gòu)組成，困難重重，不說(shuō)其價(jià)格貴，就是一一拆開也很難實(shí)現(xiàn)，當(dāng)務(wù)之急是如何快速響應(yīng)綜合型、創(chuàng)新性教學(xué)實(shí)際需求，拓寬教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，強(qiáng)化實(shí)際問(wèn)題解決能力。計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，不僅對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，而且給學(xué)生課程教學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，它以虛補(bǔ)實(shí)，以虛驗(yàn)實(shí)，以虛代實(shí)，能彌補(bǔ)目前諸多棘手的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題［12-13］。生醫(yī)專業(yè)實(shí)踐課通過(guò)引入機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的實(shí)踐課編寫制作了多個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，順利解決了目前醫(yī)療器械結(jié)構(gòu)相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)難題。

1.2.3 教學(xué)方法改進(jìn)

結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件和多媒體技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)教師教學(xué)方法、學(xué)生學(xué)習(xí)形式作出較大改進(jìn)，避免單純教師講授、示范操作，學(xué)生聽、重復(fù)做的模式。不僅通過(guò)設(shè)定多個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如原理圖繪制、虛擬拆裝、結(jié)構(gòu)建模、仿真分析、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，體現(xiàn)應(yīng)用型本科實(shí)踐能力培養(yǎng)特色，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生非上課時(shí)間的自主實(shí)驗(yàn)方式，形成實(shí)驗(yàn)室上課、開放實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)預(yù)約訓(xùn)練、寢室自主學(xué)習(xí)等形式多變的全方位立體育人方式。此外，課程考核結(jié)束時(shí)，綜合考慮學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)情況，充分評(píng)估創(chuàng)新動(dòng)手能力、應(yīng)用軟件能力、問(wèn)題解決情況，按一定分值比例綜合評(píng)定最終成績(jī)，推薦或鼓勵(lì)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生參加創(chuàng)新項(xiàng)目、撰寫論文專利、進(jìn)一步深入研究學(xué)習(xí)等。

2 實(shí)踐教學(xué)中的三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用

2.1 三維設(shè)計(jì)軟件優(yōu)勢(shì)

學(xué)生由于自身知識(shí)局限性，對(duì)復(fù)雜醫(yī)療儀器結(jié)構(gòu)組成、工作原理很難深刻理解，僅憑平面圖紙難以想象醫(yī)療儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并且，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容多、時(shí)間短、任務(wù)重，灌輸式講課枯燥乏味。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性很難調(diào)動(dòng)起來(lái)，這都給實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。相比實(shí)際儀器，三維軟件對(duì)復(fù)雜醫(yī)療儀器的結(jié)構(gòu)模型更易操控，通過(guò)透明、剖切、隱藏等功能可凸顯某些零部件、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造型、工作原理、連接關(guān)系和機(jī)構(gòu)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理，加上動(dòng)畫制作，可讓學(xué)生更生動(dòng)形象、直觀逼真、清晰明了地觀察和學(xué)習(xí)。不僅能降低學(xué)習(xí)難度、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，采用三維軟件還可以節(jié)省成本，避免機(jī)械碰傷、夾傷、砸傷等傷害。

目前，流行的三維軟件主要包括Pro/E、UG、CATIA、SolidWorks 等，每款軟件各有特點(diǎn)，但都含有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣的建模方法，設(shè)有草圖、零件、裝配、曲線和曲面、動(dòng)畫、有限元分析等模塊［14］。

2.2 三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用案例

在調(diào)研用人單位對(duì)人才培養(yǎng)要求的基礎(chǔ)上，查閱儀器有關(guān)資料，了解設(shè)備工作原理、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并咨詢廠家提供相關(guān)設(shè)備原理圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，或直接進(jìn)行拆裝測(cè)繪等，對(duì)實(shí)驗(yàn)室眾多醫(yī)療儀器進(jìn)行零部件建模裝配，繪制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，制作PPT。實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，結(jié)合實(shí)物直接打開三維軟件模型進(jìn)行各種演示，配以必要的解釋和講解；課后將三維模型發(fā)給學(xué)生進(jìn)行虛擬拆裝，或生成可執(zhí)行的exe 文件，方便學(xué)生在自己電腦中運(yùn)行查看。本文列舉了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)中的7 個(gè)具體應(yīng)用。

應(yīng)用1：應(yīng)用草圖工具，講解醫(yī)療器械結(jié)構(gòu)原理，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，提高學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生理解，讓學(xué)生一看便知，更樂(lè)于學(xué)。ICU 護(hù)理床虛擬樣機(jī)模型如圖1（a）所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制如圖1（b）所示，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖AVI 視頻如圖1（c）所示。

應(yīng)用2：應(yīng)用零件建模、鈑金設(shè)計(jì)、曲線曲面功能，繪制基本醫(yī)療元器件及部件圖，將結(jié)構(gòu)掰開揉碎展示給學(xué)生。通過(guò)布置設(shè)計(jì)任務(wù)還可以讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)練兵，圖2 為學(xué)生建模的醫(yī)用牙科椅三維圖。

圖1 ICU 護(hù)理床結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 醫(yī)用牙科椅建模

應(yīng)用3：應(yīng)用軟件裝配模塊，對(duì)醫(yī)療儀器進(jìn)行虛擬拆裝，制作裝配動(dòng)畫。指導(dǎo)老師可先畫好零件圖，學(xué)生用三維設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)入各零件，根據(jù)儀器實(shí)際裝配情況進(jìn)行虛擬組裝。此方法能避免儀器少、學(xué)生等待時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)操作機(jī)會(huì)等缺點(diǎn)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率和效果，也解決了傳統(tǒng)拆裝造成的細(xì)小零部件丟失、儀器損壞等問(wèn)題。教師還可對(duì)學(xué)生自己繪制的零部件、裝配體進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)其繪圖的準(zhǔn)確性和對(duì)結(jié)構(gòu)的理解。圖3（a）為離心機(jī)的虛擬拆裝，圖3（b）是對(duì)學(xué)生繪制的人工心肺機(jī)血泵裝配體進(jìn)行干涉檢查分析。

應(yīng)用4：應(yīng)用運(yùn)動(dòng)仿真，生成運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線，通過(guò)修改安裝位置參數(shù)，查看分析結(jié)果變化，不僅能更真實(shí)、深刻地了解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)，將枯燥的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)可觸摸，而且對(duì)提升學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力，夯實(shí)應(yīng)用三維軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本功非常有益。圖4（a）是對(duì)按摩治療床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，圖4（b）是對(duì)床上患者重心變化進(jìn)行分析。

圖3 虛擬裝配及干涉分析

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真分析

應(yīng)用5：應(yīng)用有限元分析，了解零部件受力情況，動(dòng)態(tài)演示力加載過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形。圖5 是對(duì)多功能下肢評(píng)估訓(xùn)練設(shè)備主結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

圖5 有限元分析及動(dòng)態(tài)演示

應(yīng)用6：模型設(shè)計(jì)好后，或生成數(shù)控代碼進(jìn)行加工仿真，或進(jìn)行3D 打印驗(yàn)證，或生成工程圖，制作簡(jiǎn)單樣機(jī)模型等。圖6（a）為血泵泵槽的數(shù)控加工仿真，圖6（b）為學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課上，獨(dú)立進(jìn)行藥盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作的實(shí)踐訓(xùn)練。

應(yīng)用7：軟件其它模塊應(yīng)用。圖7（a）、圖7（b）分別是對(duì)模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的寫字板、牙科醫(yī)生手臂觸及范圍進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析［15］。

圖6 加工仿真或?qū)嶋H制作

圖7 人機(jī)工程學(xué)分析

3 教學(xué)效果及成果

三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于生醫(yī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，與實(shí)驗(yàn)室醫(yī)療器械硬件相結(jié)合，對(duì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)起到較好促進(jìn)作用，學(xué)生學(xué)習(xí)效率明顯提升。主要體現(xiàn)在：

（1）復(fù)習(xí)鞏固學(xué)生前修知識(shí)。學(xué)生在復(fù)習(xí)回顧機(jī)械制圖、機(jī)械原理、公差等課程內(nèi)容，特別是在使用三維軟件制圖模塊時(shí)，對(duì)剖視圖、相貫線有更深的認(rèn)識(shí)。學(xué)生制圖、讀圖及三維輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用能力明顯提升，空間想象力也進(jìn)一步增強(qiáng)。

（2）實(shí)驗(yàn)教材更加豐富易懂。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書更加豐富完善、直觀易懂。通過(guò)重新撰寫指導(dǎo)書，刪去大段文字?jǐn)⑹?，更新舊的平面圖、原理圖，指導(dǎo)書內(nèi)容圖文并茂，讓學(xué)習(xí)內(nèi)容更簡(jiǎn)單明了，并開設(shè)了更多樣、更具深度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）三維軟件應(yīng)用能力得以提升。學(xué)生通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練后，對(duì)申請(qǐng)創(chuàng)新項(xiàng)目的積極性和能力明顯提升。三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)創(chuàng)新能力培養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐鍛煉、創(chuàng)新思維形成等，都起到了積極作用。選修過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件實(shí)踐課的學(xué)生，更偏向于選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。

（4）教學(xué)成果顯著。近幾年，學(xué)院考研、保研率逐年提升，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的學(xué)生已有多人成功申請(qǐng)到市級(jí)、校級(jí)及院級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目，并連續(xù)多年獲得包括全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽在內(nèi)的多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，僅筆者指導(dǎo)申請(qǐng)的國(guó)家專利就有30 余項(xiàng)，筆者本人也因此獲得了校級(jí)教學(xué)二等獎(jiǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

三維設(shè)計(jì)軟件在生醫(yī)專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，對(duì)拓展學(xué)生認(rèn)知廣度和深度，提升學(xué)生綜合素質(zhì)起到了推動(dòng)作用。但如何在有限的實(shí)踐課課時(shí)內(nèi)，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，強(qiáng)化自身實(shí)踐能力，提升就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，仍需長(zhǎng)期探索、不斷嘗試、優(yōu)化改進(jìn)。