基于增材制造技术的型医学传感器实验教学,该文是关于医学传感器相关自考开题报告范文和实验教学和材制造技术和传感器方面自考开题报告范文.
医学传感器论文参考文献：
中图分类号院G642 文献标识码院A DOI院10.16871/j.cnki.kjwha.2018.01.028
摘 要实验课程在工程专业培养中具有极其重要的地位.其中,医学传感器的理论与实验结合对于学生是否能接受并消化知识点有着举足轻重的作用,通过实验教学可以提高学生动手能力、培养学生创新意识以及将理论知识和实践相结合的能力.本文分析了传统医学传感器实验只利用了实验箱培训,在学生的创新能力培养方面的不足.基于此,本文提出了创新型医学传感器实验课程的分析与设计,基于传感器原理以及机械建模、三维成型技术,推动学生从设计传感器开始,根据自身对传感器的原理设计并制作传感器.该方法将会培养学生的创新型实践能力,显著地提高其在传感器实验中的动手能力与思考能力.
关键词传感器实验增材制造教学探索
Innovative Medical Sensor Experimental Teaching Basedon Additive Manufacturing Technology // Yang Runhuai,Chen Yueming,Gao Tianyun,Miao Anqi
Abstract The experimental courses take a very important positionin the engineering training. The combination of theory andexperiment plays an important role in the learning of medicalsensor. By experimental teaching, the practical ability, awarenessof innovation and the ability to combine theoretical knowledgewith practice of students can be improved. Traditional medicalsensor experiments are often carried out using the experimentalchamber and he disadvantages in the cultivation of innovationability. This paper presents a novel medical sensor experimentsdesign, based on sensor principle and mechanical modeling,three-dimensional molding technology. It can promote studentrom the design of the sensor, according to their own sensor designand production of sensors. The method will cultivate innovativepractical ability of students, and it can significantly improvetheir practical and elaborative ability in the sensor experiment.
Key words sensor experiment;additive manufacturing;teachingexploration
1 引言
工程开发类专业与实验密不可分.医学传感器课程是生物医学工程专业的核心专业课程,学生对于这门课的理解与运用会直接影响他们将来作为医学工程师的动手能力与开发能力[1-3].医学传感器的理论与实验结合对于学生是否能接受并消化知识点有着举足轻重的作用,通过实验教学可以提高学生动手能力、培养学生创新意识以及将理论知识和实践相结合的能力[4].其中,实验课对于学生动手能力的培养起到了决定性作用,同时也决定了学生是否可以将理论课的原理、公式、设计等知识点融会贯通[5-6].近年来,随着增材制造技术的迅速发展,制造业发生了巨大的变化,伴随着信息时代的急速推进,为工程专业实验课程带来了全新的挑战.同时,也提出“万众创新”的口号,培养创新能力迫在眉睫.如何紧随技术革新的脚步,为学生带来紧随时代步伐的医学传感器实验课程,是摆在相关课程教育者面前的问题.根据作者从事“医学传感器”实验课程教学经验,分析目前医学传感器实验课程中存在的问题.针对这些现存的问题与不足,结合增材制造技术与以学生主导的机械设计与数据采集技术,提出供学生自主创新的医学传感器实验设计,实现提高生物医学工程专业学生的创新能力与自主研发的兴趣.
2 医学传感器实验现有问题
传统的传感器实验课的组织形式一般是按照以下步骤进行：
（1）学生按照传感器实验箱材料预习实验.
（2）实验课上教师先讲解传感器实验相关内容,学生再开始进行实验,教师及时指导学生实验.
（3）学生撰写实验报告,教师和助教批改报告.
由于这样的固定的重复实验,虽然保证了实验可以顺利完成,但是,实验教学中发现传统的传感器实验课实施过程中存在着一些问题,如：
（1）大学生对实验的兴趣与乐趣体验不足,造成参与科技创新活动及进入实验室的热情不足,投入时间和精力也不够.
（2）实验设计内容古板教条,制约了大学生积极、主动地去思考设计创新和创造新型传感器的能力.
（3）创新实验资源的缺失和配套设施的不足,也是影响大学生进行传感器创新能力的重要因素.由于指导大学生传感器创新和提升实验科研能力,既需要有配套的实验平台,也需要教师具有全面和丰富的知识及业务素质.
（4）部分传感器实验使用测控技术与仪器专业的传感器试验箱,相比直接用于人体信号测量的生物医学工程专用的传感器实验箱而言,不能体现出学科特色,会影响学生对于人体信号测量的进一步理解.
3 传感器创新型实验课程设计
基于以上问题,我们的想法是尽力紧跟科技前沿,根据学科特点,制定新型的医用传感器创新实验平台,给学生一个设计平台的基础.增材制造技术是近三十年发展起来的快速制造技术,这一技术基于零件的CAD 模型设计,利用软件生成材料三维堆积的路径,再通过3D 打印机实现模型的三维成型.这一技术的出现极大地方便了在实验室中制造出极具个性化设计的产品模型,对于单个传感器设计而言,该方法相对传统方法大幅度降低了加工成本与效率[7].对于传感器实验而言,通过增材制造技术,学生们可以直接快速地将设计思想转化为具有特定功能的原型.
因此,结合增材制造技术,鼓励学生在这个基础上采用自己的设计思想和方案,根据我们提出的技术指标与功能需求,设计具备创新能力的医用传感器,最终提高学生对实验的兴趣和积极性,培养动手能力.为了实现在实验中培养学生的创新能力和基本的科研素养,可以在自主设计性实验的平台上,充分利用可自主开发的实验内容的优势,做到可拆解、可组合、可改动；实验内容多,方向多,可选择.引导学生开动脑筋,大胆尝试、创新,将自己的想法付诸实验；进行交叉学科内容的充分融合,加强对学生的工程与医学知识的结合,对传感器实验进行序列化教学,使学生从设计到自己动手制作有全面、详细的理解,从而达到良好的教学效果.
我们将每一个传感器实验课程分为三个部分,包括模型设计、原型制作、数据采集.
3.1 模型设计
现有的医学传感器实验,尤其是应变片、电容传感器等原理性实验,往往都利用已经开发完毕的原型机来让学生测量.学生直接使用原型机,无法充分理解传感器结构设计中需要注意的机械传动等功能.因此,鼓励学生从理论课中的机械结构出发,发挥创新精神,在基于传感器测量原理的基础上设计出每组不同的机械结构,可以充分锻炼学生的设计能力以及动手能力.
生物医学工程的学生基本在大一已经学习过机械设计以及CAD 软件,因此,在传感器实验课程中,学生们可以根据掌握的CAD 软件,从传感器测量原理出发,在软件中设计出自己想要加工的传感器模型.在这一阶段,教师可以通过理论课中讲解的传感器原理,对学生进行模型设计的指导.同时,教师可以提出相关传感器的指标需求,如压阻式传感器的指标需求（灵敏度、测量范围、响应频率等）.
3.2 原型制作
传感器原型制作包括两个部分,首先,机械部分通过切片软件将CAD 设计好的模型进行切片,生成的G 代码可以通过FDM 3D 打印机将学生们设计的传感器模型制造出来,并将传感器敏感元件安装到传感器模型上.另一部分,利用实验室自主开发的放大器模块（如电桥、基于AD620 的放大芯片组成的放大模块、高通或低通滤波模块）与敏感元件模块进行连接,实现将传感器采集到的电量以及非电量信号经过传感、放大环节形成模拟信号.这种模块化的设计可以使学生充分发挥动手能力,以及对每一个组成模块加深理解.相比试验箱中往往将放大模块直接集成到试验箱内部,学生仅仅靠在实验板上插线、调节几个旋钮就完成了放大倍率、调零等操作,学生通过对放大器、电桥、滤波模块的自主选择与连接更加能锻炼他们的设计能力,以及锻炼他们自主设计传感器的模拟电路部分的能力,让学生们从书本走向现实.
3.3 数据采集
从模拟电路采集到的信号,再通过自主开发的基于arduino的数据采集、通讯以及显示模块,可以完成从敏感元件的电量或非电量物理信号转成模拟信号再最终形成数字信号的过程.传统的试验箱往往要么直接通过电压表、万用表进行读数,要么通过示波器、或者试验箱上闭源的单片机或FPGA 开发的显示设备.这对于培养学生的动手能力不是最好的选择.实验室自主开发的arduino 模块,包括了AD数据采集、计算机串口通讯显示功能,同时所有的代码向学生开放.该模块具有以下优点,首先生物医学工程专业的学生已经学习过或者正在学习C 语言、微机原理以及单片机课程,在这样的基础上学生们可以轻松理解arduino 的编程语言.此外,学生可以在现有的代码基础上,稍加改动即可形成具有原创性的传感器功能,如实现读取5 次数据后取平均值、计算方差、分析系统误差等数据处理功能.相比传统的利用纸笔记录实验数据作图分析数据,直接在单片机代码上实现对数据处理、显示更具有现实意义,为学生将来毕业后进行产品研发能力打下基础.
4 教学效果分析
目前,本教学项目已经初步建立了以学生自发的创造力为驱动力的相对完善的医学传感器创新体系.学生们自主开发了皮肤触觉传感器以及基于应变片的机器手握力传感器,既丰富了实验教学的内容,也充分锻炼了学生的创新能力与设计动手能力；此外,学生们也设计出了多种脉率传感器、电容传感器等.从目前的教学效果来看,医学传感器创新实验运用在了理论课的教学中,提升了教学效果,学生对理论的理解得到了提高；此外,通过医学传感器创新实验,参与的学生基本养成了课前思考的好习惯,培养了学生自主学习的能力,激发对传感器开发的兴趣,提供了一个独立思考、创新思维的平台.在这一过程中,也充分发挥了教师的引导与指导作用,通过对设计原理、指标等多个方面的把握,推进学生完成设计.最终,通过自我设计,学生对实验实现了从感性到理性的认识,提高了其主动的动手能力.
5 总结
该实验教学项目在教研室老师和学生的积极配合下得到了顺利的推进,学生们自主开发了皮肤触觉传感器以及基于应变片的机器手握力传感器,既丰富了实验教学的内容,也充分锻炼了学生的创新能力与设计动手能力；此外,学生们也设计出了多种脉率传感器、电容传感器等.同时,该教学项目开发的实验平台包括数据采集显示功能的arduino单片机实验平台以及滤波、放大的模拟电路模块,同样也可以作为学生单片机、模电、电子设计以及相关课程的综合性实验平台.
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