Hackathon e sfida della presa a mano
Tecnologia medica II è un hackathon di una settimana per gli studenti di bachelor di Medicina umana, incentrato sull'apprendimento basato su progetti. Il design sprint di 5 giorni sfida i partecipanti a creare un modulo di presa per un esoscheletro a gomito, incorporando meccanismi di controllo. Ispirata a Cybathlon, la competizione prevede l'utilizzo della tecnologia di assistenza sviluppata per le attività quotidiane.
Basato sulla tecnologia medica I, il corso esplora il ripristino del movimento nei pazienti con lesioni al midollo spinale attraverso la tecnologia degli esoscheletri. Integra i fattori umani, la progettazione, il rilevamento, l'attuazione, il controllo e la valutazione dell'utente, promuovendo competenze transdisciplinari. La settimana comprende workshop interattivi, presentazioni e lavori di gruppo, con l'assegnazione agli studenti di ruoli quali la progettazione, l'ingegneria del software, l'elettronica, la valutazione dell'utente e la conduzione del gruppo, per migliorare la loro esperienza di apprendimento.
Il corso a blocchi di Ingegneria medica II (Tecnologia medica II) è un hackathon di una settimana che promuove l'apprendimento basato su progetti attraverso un intenso progetto pratico sull'interazione tra medicina e ingegneria. Si svolge sotto forma di uno sprint di progettazione di 5 giorni in cui gli studenti di Bachelor di Medicina Umana concettualizzano e sviluppano una tecnologia di assistenza sotto forma di un modulo di presa per un esoscheletro del gomito. Successivamente, implementano i mezzi per controllare la pinza e competono in una sfida ispirata al Cybathlon, in cui le attività della vita quotidiana devono essere svolte utilizzando la tecnologia assistiva sviluppata.
Il corso si basa direttamente sull'Ingegneria Medica I (Tecnologia Medica I), che fornisce le basi scientifiche e ingegneristiche e le competenze pratiche sul ripristino del movimento nelle persone con lesioni al midollo spinale attraverso la tecnologia degli esoscheletri, compresi i fattori umani, la progettazione, il rilevamento, l'attuazione, il controllo e la valutazione dell'utente, sfruttando così le conoscenze pregresse e promuovendo le competenze transdisciplinari.
La settimana consiste in un mix di workshop altamente interattivi, presentazioni di persone con disabilità e di aziende di tecnologia medica, nonché lavori di gruppo. Durante questo, gli studenti lavorano in gruppi di 5 e sono incaricati di distribuire i diversi ruoli di gruppo (ad esempio, concentrandosi sulla progettazione/prototipazione, sull'ingegneria del software, sull'elettronica/sensing, sulla valutazione/presentazione dell'utente e sulla conduzione del gruppo) per i quali ricevono introduzioni separate (Input, vedi Figura 1).
Durante il project work, gli studenti ripassano gli apprendimenti teorici del semestre precedente e applicano le loro conoscenze in modo pratico durante lo sviluppo del loro prototipo individuale del modulo di presa. Essi controllano i loro progressi e discutono i modi per affrontare le sfide impreviste in riunioni quotidiane di avanzamento e feedback con un coach dedicato (assistente didattico), per promuovere il pensiero critico, la pianificazione del progetto e le capacità di gestione (Progress Meeting, vedi Figura 1). Gli studenti valutano il prototipo sviluppato in uno studio interno al gruppo e lo confrontano con quelli degli altri gruppi nella competizione finale alla fine della settimana.
I workshop di input, le presentazioni di esperti esterni e le presentazioni/competizioni di gruppo costituiscono circa il 10% della settimana, mentre il restante 70% è dedicato al lavoro di gruppo attivo e alle riunioni di avanzamento.
Gli studenti ricevono un feedback continuo durante la settimana. I workshop di input contengono elementi interattivi, come ad esempio lo sviluppo di uno storyboard nel workshop sulle esigenze degli utenti, che viene poi discusso tra i partecipanti al workshop. Il lavoro di gruppo viene valutato nelle riunioni di avanzamento dei giorni 2-4, in cui gli studenti ricevono e possono anche chiedere un feedback specifico. Inoltre, gli studenti possono autovalutare i loro risultati preparandosi e osservando le loro prestazioni nella sfida.
L'impegno attivo degli studenti è richiesto per circa il 70% della settimana, in particolare durante un progetto di team-building, le fasi di lavoro del progetto, una presentazione di 5 minuti e durante la competizione.
Gli studenti possono porre domande durante e dopo i workshop di input, le presentazioni altamente interattive da parte di persone con disabilità e gli incontri quotidiani con i responsabili del progetto. Ricevono inoltre un supporto tecnico da parte di assistenti qualificati per tutta la settimana. Il piano del progetto presentato il primo giorno consente di seguire i progressi del gruppo e la persona selezionata come capogruppo ha il compito di assicurare e facilitare la comunicazione tra i membri del gruppo. Inoltre, gli studenti sono incoraggiati a scambiare con i membri degli altri gruppi che svolgono lo stesso ruolo (feedback tra pari).
Il lavoro viene valutato sia attraverso una presentazione di 5 minuti da parte di ciascun team, in cui viene chiesto di evidenziare un aspetto particolare del loro sviluppo, sia attraverso la loro performance in una gara (vedi Figura 2) che si ispira alla gara di protesi del braccio del Cybathlon. Nel concorso vengono valutate le prestazioni e il tempo per completare specifiche attività della vita quotidiana con l'assistenza del dispositivo sviluppato.
Quali metodi, strumenti o strategie ha utilizzato per incoraggiare il coinvolgimento degli studenti per il successo dell'apprendimento?
Utilizziamo un mix di elementi e strumenti didattici per rendere la settimana coinvolgente e varia. Dopo un'introduzione generale e la definizione del problema, gli studenti formano gruppi e svolgono un'attività di team building. In seguito, ricevono workshop interattivi su diversi argomenti rilevanti per l'intero gruppo, e/o in base al loro ruolo all'interno del gruppo, per acquisire ulteriori competenze rilevanti per il progetto. Ulteriori presentazioni interattive da parte di persone con disabilità e di un'azienda di tecnologia medica completano il lavoro di gruppo. Le scadenze per la presentazione del piano di progetto il primo giorno e dei disegni tecnici entro le ore 12.00 del terzo giorno, insieme alle riunioni giornaliere programmate sui progressi e alla competizione dell'ultimo giorno, assicurano un elevato impegno degli studenti durante tutta la settimana.
L'hardware di prototipazione rapida fornito permette agli studenti di implementare e testare le loro idee, rendendo questo corso un'opportunità potenzialmente unica per gli studenti di medicina di concettualizzare un dispositivo tecnologico dall'inizio alla fine e di affrontare le relative sfide dello sviluppo della tecnologia medica. Questo, unito al ritmo serrato del formato dell'hackathon, alla stretta supervisione da parte di allenatori qualificati e al desiderio di ottenere buoni risultati nella competizione di gruppo, garantisce un elevato coinvolgimento degli studenti. Nei quattro anni in cui abbiamo realizzato questo corso, ogni anno con 20 gruppi, tutti i gruppi sono riusciti a presentare un prototipo funzionante, a dimostrazione dell'alto livello di coinvolgimento degli studenti.
A differenza della tecnologia medica I, che è valutata, la tecnologia medica II è pass/fail, e quindi si basa sulla partecipazione attiva degli studenti. L'elevato impegno degli studenti nello sviluppo e nell'ottimizzazione dei loro prototipi e gli impressionanti risultati ottenuti dimostrano il successo di questo approccio. I tre migliori gruppi della sfida ricevono un piccolo regalo e un premio e vengono festeggiati dai loro coetanei.
Gli elementi innovativi del corso
Abbiamo implementato diversi elementi innovativi all'interno di questo corso, con l'obiettivo specifico di aumentare la consapevolezza e l'interesse degli studenti di medicina per l'ingegneria e i processi di sviluppo dei prodotti, e di prepararli a una futura collaborazione con gli ingegneri:
- Il corso si basa direttamente sulle competenze teoriche e pratiche acquisite dagli studenti nel semestre precedente, consentendo di rafforzarle in un progetto pratico. La possibilità di costruire un prototipo funzionante e di vederlo all'opera in una competizione è molto gratificante per gli studenti, in quanto dimostra ciò che possono ottenere sulla base delle loro conoscenze.
- Per consentire agli studenti di valutare il ruolo di gruppo con cui si sentono più a proprio agio, la mattina del primo giorno, subito dopo la formazione dei gruppi, svolgiamo un'attività di teambuilding. Nella "sfida delle uova che volano", ogni gruppo riceve 2 fogli di carta, 2 palloncini, 1 metro di corda, 1 rotolo di nastro adesivo, 1 paio di forbici e due ovetti Kinder a sorpresa.
- Entro 30 minuti, ogni gruppo deve progettare e costruire una struttura che possa guidare in modo sicuro l'uovo dalla politerrasse al terreno sottostante senza che l'uovo si rompa. Dopo questa attività di team building, gli studenti sono incoraggiati a riflettere sul ruolo che hanno assunto all'interno del gruppo (ad esempio, capo progetto, progettazione, realizzazione). Questa sfida ricreativa iniziale stabilisce il ritmo veloce dell'hackathon e serve come esercizio per promuovere l'ideazione e la comunicazione all'interno dei gruppi per ottimizzare il team building.
- L'impegno attivo degli studenti è richiesto per tutta la settimana, per preparare e presentare i documenti richiesti, controllare e aggiornare i loro progressi e riflettere sulle possibilità di reagire a sfide impreviste durante le riunioni giornaliere sui progressi, e quando presentano i loro risultati in una presentazione e gareggiano nella sfida dell'ultimo giorno. Il primo giorno, i partecipanti devono presentare un piano di progetto in cui definiscono il loro obiettivo e il modo in cui intendono raggiungerlo. Questi aspetti promuovono il lavoro di squadra, il pensiero critico e la gestione dei progetti, al di là di quanto viene solitamente trattato nelle lezioni standard in classe.
- Oltre al supporto degli assistenti, forniamo video interattivi e liste di controllo per aiutare gli studenti a riflettere e risolvere autonomamente i loro problemi prima di rivolgersi agli assistenti. Per consentire agli studenti di realizzare i loro prototipi, forniamo e supportiamo infrastrutture per la prototipazione in cartone, il taglio laser, la stampa 3D, la saldatura e l'assemblaggio meccanico di base. L'accesso a questi strumenti e la loro formazione costituiscono un'esperienza unica per gli studenti di medicina e favoriscono la loro consapevolezza della complessità e delle sfide, nonché delle numerose opportunità, della progettazione e della produzione di prodotti di tecnologia medica.
- Come assistenti, abbiamo reclutato ex studenti che hanno svolto questo corso e continuano i loro studi di master in medicina all'Università di Zurigo, così come studenti che hanno già raccolto esperienze con hardware simili nel nostro corso Physical Human-Robot Interaction. Ciò offre il vantaggio di ricevere un feedback dai loro coetanei, nonché l'opportunità di discutere i percorsi di carriera e lo sviluppo personale.
- Per evidenziare meglio la rilevanza del progetto per le persone con disabilità e introdurre elementi coinvolgenti durante la settimana, invitiamo le persone con disabilità a presentare le loro storie in sessioni interattive e a rivolgere i loro desideri agli studenti che diventeranno futuri medici. Lo consideriamo un modo unico per sperimentare concretamente la progettazione incentrata sull'utente e andare oltre i concetti teorici.
- Il corso a blocchi è concepito come uno sprint di progettazione di cinque giorni, come spesso avviene nelle aziende (ad esempio, Google), e serve come strumento che può essere esteso e applicato a qualsiasi tipo di progetto di sviluppo. Copre le fasi di definizione del problema/obiettivo, ideazione, selezione della soluzione che meglio risolve il problema, realizzazione di un prototipo e suo perfezionamento in diverse rapide iterazioni, per poi valutare il prototipo con i "clienti", qui rappresentati dalla valutazione degli utenti all'interno del gruppo e dalla partecipazione al concorso.
Tutti i gruppi (circa 80 gruppi negli ultimi quattro anni in cui abbiamo svolto questo corso a blocchi) hanno ottenuto buoni risultati nella competizione, alcuni in modo eccezionale e con elementi altamente innovativi (ad esempio, il controllo della pinza da parte del muscolo facciale, o progetti innovativi di pinze che utilizzano una struttura a parallelogramma che consente un movimento parallelo delle pinze), dimostrando agli studenti che possono trasferire le loro conoscenze del semestre precedente, applicarle per risolvere con successo un problema specifico e andare oltre ciò che pensavano di essere in grado di fare.
Gli studenti si sono impegnati molto, hanno realizzato rapidamente i primi prototipi con il cartone e li hanno perfezionati prima di passare al taglio laser e alla stampa 3D. Diversi gruppi hanno chiesto componenti più avanzati per realizzare le loro idee innovative, che abbiamo cercato di fornire durante la settimana. Molti studenti hanno detto che la possibilità di tenere in mano il loro progetto e di vederlo funzionare durante la competizione è stata molto gratificante.
In sintesi, questo corso tocca l'essenza di ciò che l'ETH può aprire agli studenti di medicina. Un'esperienza di sviluppo di tecnologie mediche veramente pratica, secondo le metodologie dell'ingegneria, che nessun altro curriculum di medicina è in grado di aprire.
Quali elementi del vostro progetto consigliereste ad altri?
Crediamo fermamente che l'apprendimento di gruppo basato su progetti aiuti gli studenti a rafforzare la comprensione dei concetti teorici e a collegarli all'applicazione pratica. La possibilità di realizzare le loro idee progettuali sotto forma di prototipi fisici rafforza ulteriormente questo processo. La necessità di testare, valutare e migliorare continuamente i loro sviluppi promuove le capacità di pensiero critico degli studenti. Infine, la partecipazione alla competizione ispirata a Cybathlon mostra agli studenti cosa possono ottenere utilizzando le competenze acquisite durante il semestre precedente (tecnologia medica I) e l'hackathon.
Nel nostro caso specifico, inquadrare il progetto intorno alle sfide di specifiche popolazioni di pazienti (persone con lesioni al midollo spinale di alto livello e amputati) offre agli studenti di medicina un contesto con cui possono relazionarsi direttamente. Questo approccio può essere applicato a qualsiasi programma di studio specifico.
Team di progetto
Ingegneria della riabilitazione
Gloriastrasse 37/ 39
8092 Zurigo
Svizzera
Ist. f. Robotica e Intell. Robotica e Sistemi Intellettuali.
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Ingegneria della riabilitazione
Gloriastrasse 37/ 39
8092 Zurigo
Svizzera
Ingegneria della riabilitazione
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