从装置设计到系统建模：糖尿病工程分析中学生发展的评估

《Biomedical Engineering Education》：From Device Design to Systems Modeling: Evaluating Student Development in Diabetes Engineering Analysis

　　

摘要 目的：工程课程往往强调理论内容，而为学生提供参与真实工程挑战的机会有限，这造成了学术准备与专业实践之间的差距。基于工作室的学习（studio-based learning）已成为一种有前景的教学回应，但其支持系统性工程思维的能力在生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）情境中仍未得到充分探索。本研究考察了PRIME工作室模型——生理系统识别（Physiological system identification）、排序约束（Ranked constraints）、交互式框图（Interactive block diagrams）、数学建模（Mathematical modeling）和循证解决方案（Evidence-based solutions）——如何支持在糖尿病聚焦的设计挑战中应用工程原理，以及学生成果在有意搭建脚手架的大二和大三实施中如何不同。 方法：研究人员分析了大二（n = 6组）和大三（n = 12组）生物医学工程课程中糖尿病聚焦工作室挑战的最终设计展示。作业根据学生的课程准备情况有意差异化：大二作业强调概念性和定性系统分析，而大三作业明确纳入数学和计算建模。学生成果通过具有高度评分者间信度（AC1 = 0.733–1.000）的系统编码在三个维度上进行评估：约束开发、框图复杂性和解决方案-分析对齐。Mann–Whitney U检验评估了序数评分量规中课程水平差异，并报告了框图与解决方案-分析对齐比较族经Bonferroni校正的p值。 结果：所有团队均展示了PRIME工作室模型的应用，在所评估维度上存在选择性的课程水平差异。大三团队在约束特异性方面高于大二团队（Mdn=3 vs. 1；p < 0.001，r = 0.70），并在变量与常量（Mdn=3.5 vs. 0；Bonferroni校正p = 0.003，r = 0.82）、组件交互（Mdn=3 vs. 2；Bonferroni校正p = 0.002，r = 0.85）和系统思维（Mdn=3 vs. 1.5；Bonferroni校正p = 0.005，r = 0.79）方面表现出更强的框图表现。与有意差异化的作业期望一致，定量支持在大三团队中更高，大三团队被要求提供定量建模和计算证据，而大二团队的作业强调概念性和定性分析（Mdn=3 vs. 0；Bonferroni校正p < 0.001，r = 0.94）。 结论：研究结果阐明了PRIME工作室模型如何跨课程水平进行适应，以搭建从概念推理向系统性定量分析的转变，为生物医学工程教育提供了一种可扩展的教学方法，以弥合临床灵感与分析严谨性之间的差距。

论文解读：从装置设计到系统建模——糖尿病工程分析中学生发展的评估

一、研究背景与问题

工程专业能力的有效发展依赖于将理论置于反映真实世界应用的情境中。然而，工程课程往往过度强调理论内容，为学生提供的真实问题解决机会有限，造成学术准备与专业实践之间的显著鸿沟。这一问题在生物医学工程领域尤为突出。与更成熟的工程学科不同，生物医学工程历来缺乏关于所有毕业生应具备的基础工程知识的共识，这加剧了培养学生系统分析复杂生物系统所需方法的难度。传统的设计教学往往侧重于设计实现，而忽视了支撑有效生物医学创新的分析过程——即对决定设备成败的生理和病理变量进行严格识别与优先级排序，这一过程需要借助数学建模来理解生物系统固有的交互性和定量特性。若缺乏这种理论根基，学生可能只关注表面的设计考量，而缺乏理解基本性能要求的分析工具。为此，研究人员所在系进行了课程重新设计，将PRIME工作室模型引入课程中所有整合工作室的课程。PRIME代表生理系统识别、排序约束与考量、交互式框图、数学建模和循证解决方案，是一种引导学生进行系统化工程分析的结构化教学模型。该模型强调"工程先于设计"的问题解决方法，确保工程基础指导并约束设计选择。糖尿病被选为教学情境，因其呈现了多层次相互关联的生物、生理和工程概念，需要系统理解和整合，且工作室整合课程贯穿生物医学工程课程核心，为学生提供多次以不同技术视角重新审视同一疾病的机会。本研究旨在回答两个关键问题：其一，PRIME工作室模型如何使生物医学工程学生在糖尿病聚焦设计中应用工程原理；其二，生物医学工程学生的糖尿病工程方法如何从应用概念知识（大二）演进到生理系统建模（大三）。

二、主要技术方法

研究人员对来自大二（n=6组）和大三（n=12组）生物医学工程课程的糖尿病聚焦工作室挑战最终设计展示进行了系统比较分析。两个课程均招收约70名学生，同一队列从大二课程（2024年春季）进入大三课程（2024年秋季），但团队在大三课程开始时重新组建。分析聚焦于三个维度：约束开发、框图复杂性和解决方案-分析对齐。约束分类采用归纳编码，识别出六类约束主题，并分别用1-3分评估可测量性和特异性。框图评估涵盖数学内容（方程与公式、定量参数、变量与常量）和系统整合（组件交互、反馈机制、系统思维）六个指标，各0-4分。解决方案-分析对齐评估包括约束-解决方案对齐、框图-解决方案对齐和定量支持三个指标，各0-3分。两名研究人员使用Gwet's AC1统计量进行编码信度分析（AC1 = 0.733–1.000）。Mann–Whitney U检验评估课程水平差异，对框图六项比较和解决方案-分析对齐三项比较分别进行Bonferroni校正。

三、研究结果

工程约束与考量：所有团队均展示了系统性约束开发，识别了多个不同类别的约束。大二团队识别了66项约束，大三团队识别了87项约束。15/18的团队（83%）开发了明确的优先级排序系统。大三团队在特异性（Mdn = 2.79 vs. 1.31；Bonferroni校正p = 0.002，r = 0.79）和可测量性（Mdn = 1.38 vs. 1.00；Bonferroni校正p = 0.004，r = 0.73）方面均显著高于大二团队。约束主题分布存在显著差异（χ2(4) = 51.71，p < 0.001，Cramér's V = 0.58）：大二团队以用户中心约束为主（48%），而大三团队以技术/工程约束为主（60%）。

工程框图：大二团队通常通过描述性、过程导向的关系和涉及运动、血糖、胰岛素产生和细胞代谢的基本反馈回路来表征葡萄糖调节。其数学内容中位数为1（可能范围0-12），框图主要为文字密集型流程图。大三团队在变量与常量（Mdn = 3.5 vs. 0；Bonferroni校正p = 0.003，r = 0.82）、组件交互（Mdn = 3 vs. 2；Bonferroni校正p = 0.002，r = 0.85）和系统思维（Mdn = 3 vs. 1.5；Bonferroni校正p = 0.005，r = 0.79）方面显著优于大二团队。然而，方程与公式（Mdn = 0 vs. 1）和定量参数（Mdn = 0 vs. 0）在两组间无显著差异，表明尽管大三作业明确要求方程和计算，至少半数大三展示仍缺乏正式数学表达，数值参数在两组中普遍缺失。

解决方案-分析对齐：定量支持在大三团队中显著更高（Mdn = 3 vs. 0；Bonferroni校正p < 0.001，r = 0.94），与作业期望一致。大三团队被要求提供定量建模和计算证据，而大二作业强调概念性和定性分析。

四、结论与讨论

研究结果表明，PRIME工作室模型可跨课程水平适应，有意搭建从概念推理向系统性定量分析的转变。大三团队在约束特异性、系统思维和定量支持方面表现更强，反映了其课程准备和作业期望。然而，即使在明确要求定量建模的大三课程中，方程和定量参数的纳入仍不一致，表明学生在将生物需求转化为完全量化的工程标准方面仍需支持。该研究为生物医学工程教育提供了一种可扩展的教学方法，以弥合临床灵感与分析严谨性之间的差距，通过重复的课程内真实挑战参与，支持学生从概念理解向系统定量分析的渐进发展。