劉學超，張 濤，徐燦華，楊 濱，劉本源，李 磊，付 峰

（空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系，西安 710032）

0 引言

在國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的支撐下，生物醫(yī)學工程（biomedical engineering，BME）將成為塑造多元化、創(chuàng)新人才的重要高地[1-2]。BME 是一門高度融合的交叉學科[3-4]，對BME 專業(yè)學員的教學也必須更加注重學科交叉融合，培養(yǎng)學員解決問題的能力和實踐創(chuàng)新能力[5]。然而，在教學過程中，如何將多學科知識有效融合，使課堂教學真正做到“授之以漁”[6]，使學員樂于學習、善于交叉融合，增強學員專業(yè)認同感一直是BME 專業(yè)教學中的難點問題。

醫(yī)學儀器原理與應用是空軍軍醫(yī)大學BME 專業(yè)開設的本科必修專業(yè)課程，在BME 專業(yè)人才培養(yǎng)中起重要作用。為滿足多元化、創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要，該課程不僅要求學員能夠理解各種醫(yī)學設備的基本原理，還要求學員能夠掌握并靈活運用以往學習的電子、計算機、物理學、生理學等多學科知識，為創(chuàng)新醫(yī)療設備應用與研發(fā)奠定基礎。該課程內容多、綜合性強，學員掌握難度大、學習熱情和參與感較低，因此需要在以往理論講授的基礎上探索融入一些新的教學手段。

目前，仿真技術已在BME 教學中發(fā)揮了重要作用。例如：陸軍軍醫(yī)大學利用高級智能模擬人等仿真技術，在BME 專業(yè)生物醫(yī)學傳感器教學中大大提高了學員的學習熱情[7]；華中科技大學建立的磁共振成像虛擬仿真實驗平臺進一步提升了BME 專業(yè)學員的綜合素質與創(chuàng)新能力[8]?；诖?，仿真技術有望為醫(yī)學儀器原理與應用課程高端醫(yī)療設備的教學提供一種新的教學方法。然而，目前的仿真教學大都局限于設備的使用方面，與其數學物理原理結合的教學案例較少。COMSOL 作為一款多物理場仿真軟件，已被廣泛用于其他專業(yè)本科教學中，特別是在聲學理論[9]、電磁場理論[10]、熱傳導[11]、力學[12]等課程中的應用大大提高了學生的學習興趣，加深了學生對抽象理論的理解。COMSOL 軟件用于BME 本科教學中，也有望提升教學效果。COMSOL 軟件中與BME 相關的主要物理場模塊包括電磁、傳熱、聲學、結構/固體力學、電化學、物質傳遞等。在BME 研究中通常需要使用多種物理場之間的耦合才能有效模擬真實情況。然而，目前基于COMSOL 的仿真教學局限于單個物理場的講解，沒有涉及多物理場耦合的思想，而BME 所關注的醫(yī)療設備研發(fā)、醫(yī)學傳感器設計等領域通常涉及多種物理場的耦合，因此加強學員的多物理場仿真思維、學習和掌握必要的仿真技術對培養(yǎng)具備設備研發(fā)能力的復合型人才也具有重要意義。

基于此，本文在BME 專業(yè)醫(yī)學儀器原理與應用課程中探索使用COMSOL 軟件引入多物理場仿真教學，引導學員理解和掌握醫(yī)療設備中涉及到的復雜的數學、物理基礎知識，培養(yǎng)其多物理場耦合的思維和實踐創(chuàng)新能力，為其今后學習、工作奠定基礎。

1 醫(yī)學儀器原理與應用課程教學難點分析

醫(yī)學儀器原理與應用課程融合了生物醫(yī)學、電子、計算機、信號測量與處理、傳感器技術等多課程的核心內容，在BME 專業(yè)第四學年上學期開展該課程教學。一方面，學員經過生物醫(yī)學電子學、醫(yī)用傳感器、數字信號處理等專業(yè)課程學習，已打下較好的專業(yè)基礎，在課程教學中要引導學員將所學理論知識進行交叉融合與實踐。另一方面，課程教學要著眼于幫助學員理解并掌握儀器工作的基本原理、了解儀器設計的基本方法，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的應用型、研究型人才。因此，分析醫(yī)學儀器原理與應用課程教學過程面臨以下教學難點：

（1）課程中涉及的一些操作較難的設備以及新型醫(yī)療設備無法進行實物教學，導致學員在理論學習中參與感和學習熱情較低，課后自主學習投入不足。

（2）課程中講授各類醫(yī)學設備常涉及電磁、流體、結構力學、聲學、傳熱等物理場過程。學員通常容易掌握上述基本過程，但對于設計原理復雜、公式較多、內容涉及多物理場耦合的醫(yī)療設備，如射頻治療設備、高強度聚焦超聲等，學員難以理解其多物理場耦合及計算過程，知識掌握難度大。

（3）傳統(tǒng)的板書和多媒體教學主要包含文字、靜態(tài)圖片、視頻等內容，雖然可以闡述理論知識，但醫(yī)學儀器設備的結構不夠直觀，教學效果仍需提高。純粹的理論講授已難以滿足培養(yǎng)具備設備研發(fā)能力的高層次人才需求。

2 多物理場仿真教學實踐

針對醫(yī)學儀器原理與應用課程教學中常見的多物理場問題，引導學員開展利用電磁熱耦合的射頻消融仿真實驗[13]、基于流固耦合的蠕動泵仿真實驗、基于壓電耦合的壓電傳感器仿真實驗以及聲熱耦合的生物組織聚焦超聲加熱實驗等。以生物組織聚焦超聲加熱為例，在教學過程中開展多物理場仿真教學，將仿真演示、學員實踐與理論講授相結合，幫助學員理解抽象的數學物理過程，使學員加深對知識的理解與掌握，提高學習興趣和技能。

2.1 理論講授

課堂教學以理論講授為主，主要采用幻燈片進行知識點講解，并通過板書和多媒體視頻滿足學員知識學習的需要。如教學中首先向學員講解聚焦超聲引起的人體組織發(fā)熱現象，主要包含聲場和生物傳熱2 個物理場之間的耦合。其次向學員闡述如何實現2 個物理場之間的耦合及計算。第一步，對生物組織中的聲場進行計算，獲得聲強分布，在該過程中主要利用Westervelt 方程進行計算[14]；第二步，計算吸收的聲能，將其作為熱源引入生物傳熱的物理場得到溫度場分布結果，在該過程中主要通過Pennes生物傳熱方程計算[15]；最后，講解實驗過程中的假設條件以及邊界條件設定。

同時，教學中注重運用啟發(fā)式教學方法。醫(yī)學儀器原理與應用課程包括生理檢查類儀器、治療類儀器、光學類儀器、臨床檢驗類儀器、生命支持類儀器等主要內容，每一大類儀器中各種設備之間存在一定的相關性、差異性、互通性，復雜儀器的數學物理基礎及實現過程也存在相通之處。因此，在教學中采用啟發(fā)式教學，引導學員發(fā)現和總結不同設備之間的異同點，有助于學員快速掌握所學知識，加深對不同設備原理的理解與應用。

2.2 仿真演示

教學過程中加強模擬法教學，通過引入多物理場仿真演示，將枯燥的數學物理過程及公式可視化，以更加形象地展示設備結構，從而幫助學員理解所學知識，激發(fā)學員學習的興趣，如課程中采用COMSOL軟件自帶案例庫中的模型進行生物組織聚焦超聲加熱過程演示操作。在理論講授基礎上，教員通過分步驟操作演示，引導學員認識聲-熱耦合仿真過程及理解其基本原理。首先，建立用于仿真的幾何模型：仿真模型的幾何結構如圖1 所示，其中聲換能器呈碗形，假設生物體為圓柱體，生物組織與聲換能器均浸在水中。簡化后的實際幾何結構分布如圖2 所示。其次，設置邊界條件進行有限元計算：利用壓力聲學模塊可以求得聲場分布；將聲場的解作為熱源引入生物傳熱模塊，計算生物組織的熱量分布。最后，分析結果：聲場的有限元計算結果如圖3 所示，可以看出聚焦區(qū)域與圖2 中預設區(qū)域幾乎一致；生物傳熱過程的計算結果如圖4 所示，可以看出加熱位置、大小與圖2 所示超聲聚焦區(qū)域大致相同，且聚焦區(qū)域外的組織損傷范圍很小。

圖1 仿真模型的幾何結構

圖2 簡化后的仿真模型

圖3 聲場有限元計算結果

圖4 生物傳熱過程計算結果

同時，教學中注重運用互動式教學方法。在教員的演示、引導和指導下，學員可自主完成多物理場仿真建模和求解，提高學員課堂參與度、學習積極性和實驗效果，強化相關理論知識。

2.3 學員實踐

教學過程中注重理論聯系實踐，培養(yǎng)學員的建模思維和實踐能力，激發(fā)學員學習動力和融合創(chuàng)新能力。在課堂的有限時間內，通過教員的理論講授和仿真演示，學員可以認識并了解所學設備的相關知識和實現過程，但很難做到真正掌握并靈活運用于解決實際問題。因此，我們采用以課后作業(yè)為牽引，加強學員對知識的掌握和運用，鍛煉其實踐動手能力的教學方法。教學組自2004 年起不斷探索醫(yī)學儀器原理與應用課程課后作業(yè)的內容與形式，確定了“項目式”課后作業(yè)的基本模式[16]。在此基礎上，一方面要求學員根據仿真演示完成相應內容的課后仿真實踐，獲得實驗結果并進行分析；另一方面要求學員能夠“舉一反三”，在所學內容中可選擇任意一種設備開展多物理場仿真實踐，通過數學物理理論分析、構建仿真模型、設定邊界條件、仿真計算及結果分析的基本過程，完成課后作業(yè)。這種方式既能鍛煉學員的實踐能力，也有助于培養(yǎng)其邏輯思維能力和科研思維，為今后學習和工作打下基礎。

此外，我們鼓勵學生積極參與學科相關競賽，在比賽中靈活運用所學知識和技能，提高個人能力。

3 教學效果評價

授課過程中通過COMSOL 軟件向學員傳達多物理場仿真理念、講授多物理場仿真技術，對于學員理解醫(yī)療設備的數學物理原理具有重要作用。同時，針對具備醫(yī)療設備研發(fā)能力的BME 專業(yè)人才而言，多物理場仿真技術也是應該具備的一個重要技能。

在教學過程中，學員普遍反映基于COMSOL 軟件的仿真將枯燥的數學方程進行可視化實現的教學方法，能夠幫助大家理解和掌握設備的基本原理。課后學員能夠自主利用仿真軟件，探索和設計與BME應用相關的仿真案例，在掌握了基本的操作后，也可以自己動手設置不同參數進行仿真計算，觀察理解不同參數的真正含義。這種教學模式提高了學員課堂參與的積極性，激發(fā)了學員的學習興趣。近3 a 的課程考核表明學員成績明顯提高，成績優(yōu)秀及良好比例分別為23.08%、35.71%和42.75%。

學員在課后實踐中，逐步探索完成了仿真模型建立、物理場求解、仿真結果可視化、實驗結果深度分析的“實踐小閉環(huán)”操作流程。這有助于學員從復雜的醫(yī)療設備設計的實際問題中發(fā)現本質，理解物理現象，提高自身的實踐創(chuàng)新能力和邏輯思維能力。通過調查問卷發(fā)現，上課前學員對多物理場仿真概念的了解度幾乎為零。課后的問卷調查結果表明，學員能夠接受多物理場仿真案例教學方法，對授課滿意度有所提高。此外，學員通過仿真實踐，認為自己掌握了一項重要技能，增加了自身對編程的興趣和自信心，能夠更積極主動參與相關專業(yè)競賽（如生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設計競賽）。

此外，開展仿真案例教學促進了教員自身能力的提升。教員在教學過程中除了講解簡單的多物理場耦合過程，幫助學員理解知識以及開展課后實踐，還需要掌握BME 前沿的一些仿真研究作為案例展示來拓寬學員視野。這些都對教員自身緊跟BME 研究熱點，加深對醫(yī)療設備數學物理過程的理解有明顯的推動作用。

4 結語

本文針對醫(yī)學儀器原理與應用課程中醫(yī)學儀器涉及的復雜數學物理原理講解難、學員掌握難度大、課后自主學習不足等問題，提出將多物理場仿真案例引入課堂，向學員講授醫(yī)療設備中蘊含的多物理場過程。通過教學實踐，學員提高了學習興趣并加深了對知識的理解，掌握了多物理場仿真技能，鍛煉了將實際問題進行抽象建模仿真的能力，這為培養(yǎng)具備設備研發(fā)能力的融合創(chuàng)新型BME 專業(yè)人才打下了良好的基礎。