基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

王琦 王金海 鄭羽 田磊 崔軍 韋然

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387）

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

王琦 王金海 鄭羽 田磊 崔軍 韋然

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387）

針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程存在理論性強(qiáng)、缺乏實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，且課程的考核評(píng)價(jià)機(jī)制缺乏科學(xué)性等問(wèn)題，本文提出基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式，將理論教學(xué)單元和實(shí)踐教學(xué)單元聯(lián)合起來(lái)實(shí)施教學(xué)任務(wù)。該教學(xué)方法明確了課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，適合學(xué)生特點(diǎn)，使教與學(xué)生動(dòng)有趣、易于接受。

任務(wù)驅(qū)動(dòng) 醫(yī)學(xué)成像 電磁學(xué)仿真 實(shí)踐教學(xué) matlab編程

引言

由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對(duì)于臨床診斷的重要性，產(chǎn)生了對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像專業(yè)人才的大量需求。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)也是國(guó)家計(jì)委提出的四大專項(xiàng)支持重點(diǎn)技術(shù)方向之一［1］。為了滿足這些人才需要，我校及很多理工類高等學(xué)校將掌握醫(yī)學(xué)成像技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生培養(yǎng)的目標(biāo)之一。而先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像課程也是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生教育的核心課程，同時(shí)也是一門(mén)能直接應(yīng)用于工程實(shí)際的技術(shù)課程，其教學(xué)質(zhì)量和效果直接決定了該專業(yè)學(xué)生的理論理解程度和實(shí)際操作能力。根據(jù)新的高等教育形式及社會(huì)需求，該課程的教學(xué)內(nèi)容必須和人才培養(yǎng)崗位具有一定對(duì)應(yīng)性，教學(xué)過(guò)程應(yīng)注重理論與實(shí)踐的緊密合作，使得學(xué)生不僅掌握基本理論知識(shí)，而且具有較好的時(shí)實(shí)際動(dòng)手能力［2］。但本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系還存在以下問(wèn)題：

1.該課程的教學(xué)體系現(xiàn)狀屬于封閉的“學(xué)院式”，偏重理論教學(xué)。由于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備往往造價(jià)昂貴，醫(yī)學(xué)成像實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展受到學(xué)校教學(xué)資源的限制。目前的教學(xué)方法僅限于課堂講授醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的原理，缺乏實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生所學(xué)知識(shí)都是紙上談兵。

2.現(xiàn)行教育教學(xué)內(nèi)容學(xué)科性、理論性較強(qiáng)，但是對(duì)于一些基本圖像重建算法的講解以及算法實(shí)現(xiàn)步驟和重點(diǎn)不夠細(xì)致甚至沒(méi)有講述，學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程后并不能真正掌握和理解這些算法的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程，缺乏對(duì)學(xué)生編程能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)完這門(mén)課程后對(duì)于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的理解比較膚淺，缺乏針對(duì)具體算法和問(wèn)題的編程訓(xùn)練，學(xué)生積累的編程經(jīng)驗(yàn)不足。教師費(fèi)力，學(xué)生也提不起學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果并不理想；達(dá)不到真正實(shí)踐教學(xué)的目的與效果。

3.課程的考核評(píng)價(jià)機(jī)制缺乏科學(xué)性。目前所采用的考評(píng)方法僅以課堂表現(xiàn)、結(jié)課考試以及程序設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量作為考核依據(jù)。先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。目前的考核機(jī)制顯然不能科學(xué)評(píng)價(jià)以“應(yīng)用型人才”為培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)生的綜合素質(zhì)和技能。

綜上所述，出現(xiàn)以上問(wèn)題主要在于：課程的目標(biāo)僅局限在知識(shí)的理解層面，沒(méi)有圍繞培養(yǎng)和訓(xùn)練工程素質(zhì)和技能。先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有著極為重要的意義，它們是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入工程應(yīng)用的入門(mén)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。鑒于它的關(guān)鍵地位，其教學(xué)效果直接影響到學(xué)生能否樹(shù)立強(qiáng)烈的專業(yè)意識(shí)和興趣、獲得最基本的創(chuàng)新設(shè)計(jì)素質(zhì)和技能。因此有必要去探索先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)的新模式。在這里，提出解決該課程實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題新改革方法：

1.以理論教學(xué)單元和實(shí)踐教學(xué)單元聯(lián)合起來(lái)實(shí)施教學(xué)任務(wù)。將生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像作為主要實(shí)踐對(duì)象，增加生物醫(yī)學(xué)電磁學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)以及基于Matlab軟件的圖像重建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。這種教學(xué)方法符合電子信息工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的基本要求。

2.對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)運(yùn)用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式。這種教學(xué)模式適用于學(xué)習(xí)操作類的知識(shí)和技能［3］?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)使學(xué)習(xí)目標(biāo)十分明確，適合學(xué)生特點(diǎn)，使教與學(xué)生動(dòng)有趣、易于接受。

3.對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃、仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)以及循序漸進(jìn)的改革與創(chuàng)新，努力在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力上取得突破。學(xué)生們掌握了這些解決問(wèn)題的基本方法，就能使用先進(jìn)的工具，發(fā)揮他們的獨(dú)立性和創(chuàng)新性，完成課堂外的實(shí)踐，從而進(jìn)一步拓展他們的知識(shí)和能力。

一、教學(xué)方法改革內(nèi)容

根據(jù)前面所述的目前現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題及現(xiàn)有基礎(chǔ)與條件，改革研究的主要內(nèi)容是：

1.確立提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力為核心，并以此為培養(yǎng)目標(biāo)，重新安排現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)教學(xué)大綱。以生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像技術(shù)為主要實(shí)踐對(duì)象，增加生物醫(yī)學(xué)電磁仿真和圖像重建實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容與理論課程并行。

2.建立基于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)實(shí)踐課程體系，開(kāi)設(shè)醫(yī)學(xué)成像仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)容以課程中有關(guān)生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像原理以及圖像重建算法的實(shí)踐為主。學(xué)生通過(guò)仿真軟件設(shè)計(jì)電學(xué)傳感器，對(duì)人體器官模型進(jìn)行正問(wèn)題仿真，獲取仿真數(shù)據(jù)，理解醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本工作原理［4］；再通過(guò)課堂上介紹的常用重建算法，在Matlab環(huán)境下對(duì)仿真數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)圖像重建，提高學(xué)生的編程能力［5］。實(shí)踐任務(wù)難度由易到難，層層深入，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在實(shí)踐中了解醫(yī)學(xué)成像方法的概貌。

3.精心設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)既要反映醫(yī)學(xué)成像的主要檢測(cè)部位及檢測(cè)方法，還要考慮不同病變的因素。運(yùn)用仿真軟件分別建立健康與不同種病變條件下人體肺部、腦部、胃部和腹部的三維仿真模型，供學(xué)生設(shè)計(jì)傳感器、獲取仿真數(shù)據(jù)；建立Matlab圖像重建算法庫(kù)，為學(xué)生算法編程實(shí)踐提供參考。

4.制定一套能反映出學(xué)生理論和實(shí)踐綜合素質(zhì)的課程考核評(píng)價(jià)體系。能夠綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的理論知識(shí)水平以及運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

5.從本項(xiàng)目個(gè)案的探索改革過(guò)程中，最終建立起生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生實(shí)踐教學(xué)的一般性體系模型，為其它專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供借鑒。

二、改革實(shí)施方案

1.通過(guò)對(duì)政府、行業(yè)、企業(yè)相關(guān)部門(mén)進(jìn)行調(diào)研，了解臨床常用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的方法和種類。

2.考察、調(diào)研國(guó)內(nèi)外高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像課程實(shí)踐教學(xué)體系

建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合調(diào)研結(jié)果，制定以課程的實(shí)踐教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃，編寫(xiě)課程實(shí)踐部分的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

3.自行研制網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)基于COMSOL Multiphysics仿真軟件的三維人體仿真模型［4，5］和基于Matlab軟件的圖像重建算法包［6］，增加現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自選操作等功能。

4.整合優(yōu)化課程教學(xué)資源，精心設(shè)計(jì)并行于理論教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。

5.改革實(shí)踐教學(xué)考評(píng)機(jī)制。對(duì)學(xué)生基本專業(yè)實(shí)踐能力、綜合設(shè)計(jì)能力的評(píng)估的手段和方法進(jìn)行改革。實(shí)踐能力的考核標(biāo)準(zhǔn)可以與本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)考證、電子競(jìng)賽、科技創(chuàng)業(yè)計(jì)劃等內(nèi)容相結(jié)合，以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

三、結(jié)論

對(duì)我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2012級(jí)本科生先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程進(jìn)行了改革。共開(kāi)設(shè)12課時(shí)實(shí)驗(yàn)課程，其中用4課時(shí)熟悉仿真軟件和Matlab編程環(huán)境，2課時(shí)以人體器官三維模型為實(shí)踐對(duì)象，設(shè)計(jì)醫(yī)用電學(xué)傳感器，4課時(shí)Matlab圖像重建實(shí)驗(yàn)，2課時(shí)討論課。實(shí)踐教學(xué)采用教師導(dǎo)學(xué)為輔，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的教學(xué)方法，堅(jiān)持學(xué)生為本的教育理念。學(xué)生們通過(guò)使用仿真軟件工具增強(qiáng)對(duì)醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)工作原理理解，同時(shí)也在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備傳感器設(shè)計(jì)以及圖像重建方法方面獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)

課程改革收到了較好的效果。學(xué)生普遍反應(yīng)編程能力得到鍛煉和提高，并且對(duì)生物醫(yī)學(xué)成像的建模方法與傳感器設(shè)計(jì)方法有了更加深入的認(rèn)識(shí)。從而證明了本文提出的教學(xué)改革方案的可行性。

［1］邱建峰，謝晉東，王曉燕，王鵬程，侯慶峰，醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)（醫(yī)學(xué)影像成像理論）教學(xué)與實(shí)踐改革的探討，中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2008，25（3）：700-702.

［2］梁高峰，景愛(ài)華，宋衛(wèi)東，胡志剛，李振偉，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課程教學(xué)的改革與實(shí)踐，中國(guó)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新，2014，11（24）：76-78.

［3］王春婷，淺談任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用，太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，29（2）：103-105.

［4］楊慶華，李薇，賀超，虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)類課程教學(xué)中的應(yīng)用，中國(guó)科技信息，2011，23：212，215.

［5］張建武，孔紅菊，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，電化教育研究，2010，4：109-112.

［6］張國(guó)鵬，常小紅，劉洋，李寶娟，焦純，盧虹冰，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程改革設(shè)計(jì)，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（7）：147-149.