資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第 四 節 醫療器械
教學設計
教學背景
習近平總書記在全國教育大會上強調，要在黨的堅強領導下，全面貫徹黨的教育方針，堅持馬克思主義指導地位，堅持中國特色社會主義教育發展道路，堅持社會主義辦學方向，立足基本國情，遵循教育規律，堅持改革創新，以凝聚人心、完善人格、開發人力、培育人才、造福人民為工作目標，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解生活中常見醫療器械的分類，理解醫療器械的重要價值。
2.掌握Arduino開源硬件的應用方法和圖形化編程方法。
3.了解常見醫療器械的系統構成與設計方法，及其涉及的科學、技術和工程知識。
4.通過脈搏檢測儀的設計實踐，經歷科技人文融合創新項目活動過程。
教學內容分析:
以《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）為依據，以全面貫徹落實《標準》所倡導的以提高學生的技術素養和創新能力為目標。本模塊的核心價值在于多學科知識的綜合運用，科技人文融合創新項目的實施以興趣、問題、活動等為中心，充分結合科學、技術、工程、藝術、數學、社會等學科知識，適當利用信息技術，注意在教學中融入愛國主義教育和革命傳統教育，注意與中華優秀傳統文化相結合。
學情分析:
學生對通用技術的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關通用技術的知識。
通過本模塊的學習，同學們能理解科學、技術、工程、藝術、數學、社會等各學科之間的緊密聯系和科技人文融合創新的重要性；初步掌握相關科學原理及其應用、數學知識及其應用、材料及其加工、模型制作及其工藝等基本知識與基本技能，初步形成在具體領域中運用結構與功能、權衡與優化、設計與創新等技術思想與方法的能力，提高設計創新能力；弘揚勞動精神和創新精神；形成系統思維與工程思維，培養團隊意識和合作能力，樹立投身我國科技創新以及中華民族偉大復興事業的人生理想。
教學重難點:
了解生活中常見醫療器械的分類，理解醫療器械的重要價值。
掌握Arduino開源硬件的應用方法和圖形化編程方法。
了解常見醫療器械的系統構成與設計方法，及其涉及的科學、技術和工程知識。
通過脈搏檢測儀的設計實踐，經歷科技人文融合創新項目活動過程。
教學策略:
以案例或項目引入，介紹從事科技人文融合創新項目活動的基礎條件，工具、材料、圖樣、工藝、技術參數等技術要素，以及性能需求、生命周期、標桿分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合創新項目活動中的獨特作用。以技術與工程問題為牽引，以項目實踐為指引，通過設計多種專題實踐項目，讓同學們經歷科技人文融合創新項目活動的全過程。通過這些實踐活動，同學們可了解技術與工程項目所蘊含的科學、技術、工程、藝術、數學、社會等因素，并能通過比較、權衡等方法剖析這些因素間的制約關系和通約特性。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題　第二章 科技人文融合創新專題實踐　第 四 節 醫療器械。
科技人文融合創新項目以活動為牽引，提出并明確需解決的技術與工程問題，提取和分析其中蘊含的科學與數學原理；設計和選用適當工具來收集、記錄、分析信息與數據；應用科學、技術、工程和數學知識與方法，系統考慮藝術、社會因素，提出解決問題的綜合方案；制作并使用工程模型進行測試、生成數據，解釋和預測現象；依據科學證據、技術試驗結論，完善解決方案；以科學觀點、經驗證據、邏輯論證的相關因素，比較和評估同一問題的不同技術解決方案。
橋梁、交通工具、航空器、醫療器械、礦山工程是當今社會生活的重要領域，這些領域里的技術與工程活動，需要跨學科的視野，需要系統的方法論和工程思維，需要綜合運用科學、技術、工程、藝術、數學和社會等學科的知識、方法和基本技能。通過典型科技人文融合創新項目的案例分析和團隊合作實踐，促進團隊成員對結構設計、電子控制、編程等技術的掌握及工程實施能力的提高，提升參與社會創新活動的能力。
中醫藥是我國優秀傳統文化的組成部分。春秋戰國時期，扁鵲在總結前人經驗的基礎上，提出“望、聞、問、切”四診合參的方法，成為中醫診斷和治療的基礎（圖2-60）。
中醫藥學凝聚著深邃的哲學智慧和中華民族幾千年的健康養生理念及其實踐經驗，是中國古代文化的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙。
中醫中通過“望、聞、問、切”診斷患者身體狀況的技能不是每個人都可以掌握的，需要有豐富的臨床經驗。西醫中則常采用聽筒、CT、B超等方法采集患者的生理信息。借助現代科技手段，可以促進中醫藥文化的傳承和創新，推動健康中國的建設。
思考
（1）能不能利用現代技術來代替中醫的“望、聞、問、切”呢？
（2）可不可以把脈搏的跳動通過圖形、光電指示的方式直觀顯示出來，讓普通人也可以掌握中醫的診斷技術呢？
一、常見的醫療器械
醫療器械是指單獨或者組合使用于人體的儀器、設備、器具、體外診斷試劑及校準物、材料以及其他類似或者相關的物品，包括所配套的計算機軟件（圖2-61）。醫療器械的使用主要有以下目的：
（1）對疾病的診斷、預防、監護、治療或者緩解。
（2）對損傷的診斷、監護、治療、緩解或者功能補償。
（3）對解剖、生理結構或者生理過程的研究、檢驗、替代、調節。
（4）對生命的支持或者維持。
（5）通過對來自人體的樣本進行檢查，為醫療或者診斷目的提供信息。
醫療器械涉及醫藥、機械、電子、材料等多個行業，是一個多學科交叉、知識密集、資金密集的高技術產業。而高新技術醫療設備的基本特征是數字化、智能化和計算機化，是多學科、跨領域的現代高科技的結晶。
醫療器械涉及治療、護理、保健、康復等多方面，常見的類型有：家庭保健器材、家庭保健按摩產品、家庭醫療康復設備、家庭護理設備、醫院常用醫療器械、綜合運用新材料以及傳感、智能電子、信息處理、互聯網等高新科技的新一代醫療器械。
二、人體生理指標測量傳感器
1．重要人體生理指標測量
心率是指正常人安靜狀態下每分鐘心跳的次數，一般為60～100 次/min，可因年齡、性別或其他生理因素產生個體差異。心率是心臟收縮舒張活動次數的統計，脈搏是外周的血管受到心臟收縮活動時，血液對血管的沖擊次數的統計。一般情況下，心率和脈搏應該是一致的。有心臟疾病的患者，會出現心率和脈搏不一致的情況。
血氧飽和度是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結合的血紅蛋白容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環的重要生理參數。肺氣腫、慢性支氣管炎和慢性阻塞性肺疾病會阻礙足夠氧氣到達血液，導致血氧飽和度大幅降低。另外，在高原地區運動會出現血氧飽和度降低的情況，學習或勞動中容易感到疲勞也可能是身體中血氧飽和度偏低導致的。因此，及時檢測人體血氧飽和度非常重要。
傳統的血氧飽和度測量方法要借助人體采血和電化學分析，在臨床醫療以及個人保健中應用都不方便。針對這些實際問題，近年出現了測量血氧飽和度及脈搏的光電容積法。其基本原理是利用人體組織在血管搏動過程中，會造成組織透光率的變化，據此進行脈搏和血氧飽和度測量。光源一般采用對動脈血中氧合血紅蛋白和血紅蛋白有選擇性的特定波長的發光二極管（一般選用波長為660 nm附近的紅光和900 nm附近的紅外光）。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致組織透光率變化，此時由光電傳感器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器輸出的電信號變化周期就是脈搏。
2．心率血氧傳感器
心率血氧傳感器集成了脈搏血氧儀和心率檢測功能的傳感器模塊，傳感器內部集成兩個LED燈、一個光電探測器及信號處理器，可于人體手指、耳垂、手腕等處測量脈搏、血氧等生理參數。圖2-62是以開源硬件形式提供的心率血氧傳感器模塊，成本低，結構尺寸便于重新設計。采用光電容積法測量心率和血氧指標，常應用于家庭保健、健身輔助設備、醫療監控設備、可穿戴設備中。
3．紅外非接觸式溫度傳感器
紅外非接觸式溫度傳感器內部集成紅外感應熱電堆探測器芯片和信號處理專用集成芯片，具有系統管理總線和脈寬調制PWM兩種數據輸出方式，能夠測量環境溫度和物體表面溫度。圖2-63是以開源硬件形式提供的紅外非接觸式溫度傳感器，測量精度比較高，便于家庭保健、醫療監控設備中快速測量人體溫度。傳感器的測溫范圍為-70~ 380 °C，分辨率為0.01°C。
三、醫療器械的設計與開發過程
醫療器械的設計和開發流程與一般的產品或項目的實施過程有類似之處，如圖2-64所示。
不同的是，醫療器械關系到人們的健康和生命安全，需要嚴格保證其安全性和有效性，因此，計劃、設計、生產和試用過程的每一個階段都必須嚴謹和規范。
四、脈搏檢測儀設計與制作
1. 制作目標
采用超亮紅外（IR）LED和光敏晶體管來探測手指的脈搏，作出脈搏隨時間變化的曲線，并且讓一個紅色LED隨著脈搏閃動。
2. 器材準備
本項目將使用到的元器件及電子模塊如表2-6所示。（參見教材P69～70）
表2-6 脈搏檢測儀元器件及電子模塊
編號 元器件及模塊名稱
Arduino Arduino學習板
D1 直徑5 mm紅色LED、脈搏指示燈
D2 直徑5 mm紅外LED，發射波長940 nm
R1 56 K 1/4 W
R2 270 1/4 W
R3 390 1/4 W
T 紅外光敏三極管，波長940 nm
M 1 脈搏跳動采集模塊 （降低制作難度可選用此模塊）
M 2 發光模塊 （降低制作難度可選用此模塊）
3. 工作原理
本項目的電路原理如圖2-65所示。
脈搏監視器是這樣工作的：紅外發光LED在手指的一面，光敏三極管在手指的另一面，光敏三極管T用來接收紅外發光D 1 發射的光通量。當血壓脈動時，光通量發生變化，光敏三極管的電阻會發生微小的變化。通過這個變化，來檢測脈搏的跳動，控制一個LED燈D2 ，讓D 2 隨著脈搏的跳動而閃爍，作出脈搏隨時間變化的曲線。
因為D1發出的紅外光通過手指后大部分被吸收，我們選擇了一個阻值較大的電阻R1，以便光敏三極管T足夠靈敏。可以通過實驗來選擇這個電阻用哪個阻值可以得到最佳的結果。
4. 制作技巧
（1）遮光指套：因為燈光大多是以50 Hz波動的，會給微弱的心跳信號帶來干擾，所以要盡可能屏蔽進入光敏三極管的雜散光。因此，我們制作一個黑色的指套把外來的光線隔離。指套內部只有D 1 發出的光，并且T只接收到D 1 發出的光。怎么制作這個指套？可以參考圖2-66。請同學們根據這個原理開動腦筋，做出實用的遮光結構。
（2）電路模塊：為了使制作更簡單，我們可以使用兩個電路模塊。
①脈搏跳動采集模塊：脈搏跳動采集模塊的電路原理如圖2-67所示。
脈搏跳動采集模塊的引腳（圖2-68）。
測量時手指放在紅外發射與紅外接收之間，同學們可以設計一個指套，遮住外來的光線，避免受到干擾。紅外發射LED的頂部相當于凸透鏡，有聚焦作用，紅外光從頂部射出，所以我們要適當彎折一下紅外發射LED，讓它對準紅外接收T，并且調節適當寬度，可以讓手指伸進去，讓手指在兩者之間，紅外光透過手指，被T接收。
②發光模塊：發光模塊的電路原理如圖2-69所示。發光模塊的引腳如圖2-70所示。
（3）脈搏跳動采集模塊、發光模塊與Arduino電路板連接（圖2-71）。
脈搏跳動采集模塊接線方法：模塊“GND”接Arduino“G”或者“GND”，模塊“VCC”接Arduino的“V”或者“5 V”，模塊“OUT”接Arduino“A0”（也可以選擇其他模擬I/O口，設置程序時要相應變化）。
發光模塊與Arduino電路板連接方法：模塊“GND”接Arduino“G”或者“GND”，模塊“VCC”接Arduino的“V”或者“5 V”，模塊“IN”接Arduino“D13”（也可以選擇其他數字I/O口，設置程序時要相應變化）。
Arduino產品很多，但標記是相同的，仔細辨認不要接錯即可，圖2-72是兩種不同產品接線方式。
（4）編程：每100 ms采集一次數據，如果大于數據的平均值，LED發光模塊發光，否則不發光。圖2-73中 t 為變量，714為平均值。
（5）測試：上述程序上傳后，打開串口監視器，將手指置于脈搏跳動采集模塊的紅外發射與接收之間，先用一塊黑布遮住外來光線，可以看到每100 ms出現一個數據。這個數據是紅外接收到的紅外光的強度，該強度隨脈搏而變化。
幾秒鐘后，關掉電路板的電源（如果電路板上沒有電源開關就拔掉USB數據線），停止測試，選擇串口監視器中的全部數據（圖2-75），按Ctrl+C復制，粘貼到Excel等工具中。
選擇“數據”，點擊“插入”，選擇“帶平滑線和數據標記的散點圖”，可以得到如圖2-76所示脈搏隨時間變化的曲線，每一點的時間間隔是100 ms。
根據以上脈搏隨時間變化的曲線，利用總體特征數估計的方法求出平均值：
X = （x1 + x2 + ... + xn）／n
在Excel求出數據的平均值，在程序中修改平均值重新上傳程序，就可以看到發光模塊的指示燈隨脈搏閃爍。手指的位置如果改變了，平均值也會改變，所以在實驗的過程中應該始終保持手指的位置不變。如果發光模塊不閃爍，也可以適當調整一下手指的位置，直到發光模塊均勻閃爍為止。
思考
（1）通過分立元件搭建的檢測系統與通過電子模塊設計的系統相比，在工程、調試、性能、成本等方面各有哪些優劣？
（2）進一步分析采樣實驗數據，討論以樣本平均值作為檢測閾值是否最好？基于數學統計知識，還有哪些特征數估計方法可以用來確定檢測閾值？
5. 項目拓展
本實驗也可以用聲音檢測模塊來代替脈搏跳動采集模塊，方法相同，同學們可以試一試。還可以加上發聲模塊，讓脈搏每跳動一下都發出“滴”一聲。聲音檢測模塊和發聲模塊見圖2-77。
思考
（1）怎么編程和連接線路來實現我們的項目目標？
（2）用聲音檢測與紅外透光檢測有什么不同，你認為哪一種方法更能準確判斷患者的疾病？
課后作業
習 題
通過本節的實踐活動，我們知道醫療器械的設計除了考慮功能和性能外，還需要特別關注人的健康和生命安全，需要嚴格保證其安全性和有效性。請進一步思考及回答以下問題：
（1）通過上網、閱讀、查找資料等方式，了解人脈搏的跳動與疾病的關系。
（2）進一步了解人體的其他常見生理指標與疾病的關系，了解這些相關生理指標的檢測方法，有哪些相對成熟的檢測器件可以使用？
（3）分析本節的實踐活動，哪些環節經歷了科技人文融合創新的哪些過程？填寫下表。
科技人文融合創新元素 項目環節
科學 脈搏的跳動與疾病關聯的科學原理
技術
工程
人文
藝術
數學
社會
（4）結合本節實踐活動，討論物理、數學等學科知識在醫療器械設計過程中發揮的作用？
板書設計
一、常見的醫療器械
二、人體生理指標測量傳感器
三、醫療器械的設計與開發過程
四、脈搏檢測儀設計與制作
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第 四 節 醫療器械
一、飛行器的發展史
二、航空器的飛行原理
三、航空器的設計與制作
四、創新設計與拓展實踐
通用技術
選擇性必修10：科技人文融合創新專題
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：徐 明
本冊副主編：李鮒瑞 劉海峰
廣東教育出版社
廣東科技出版社

展開更多......

收起↑