NIST在線數(shù)據(jù)庫在醫(yī)學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王建杰　楊克檉　李懿

摘要：X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律是醫(yī)學(xué)物理學(xué)的基本問題之一，涉及到許多復(fù)雜抽象的理論，而實驗教學(xué)由于條件所限往往難以開展，影響教學(xué)質(zhì)量。利用NIST物理學(xué)數(shù)據(jù)庫開展模擬實驗，學(xué)生不但加深了對理論知識的理解和掌握，而且提高了綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)物理；實驗教學(xué)；NIST在線數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）37-0262-03

實驗是物理學(xué)教學(xué)的重要組成部分，不但能加深對復(fù)雜、抽象的理論知識的理解和掌握，而且有助于培養(yǎng)理論聯(lián)系實踐的動手能力。醫(yī)學(xué)物理學(xué)，作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，基本問題之一是X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，所涉及的光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)等概念僅通過課堂講授往往難以達(dá)到滿意的效果。但是，由于缺乏實驗設(shè)備和存在輻射傷害等各種原因?qū)嶒灲虒W(xué)往往難以開展，客觀上影響后續(xù)教學(xué)的順利進行。

近年來，得益于計算機模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實驗的研究日益受到重視，并在醫(yī)學(xué)物理學(xué)教學(xué)中展現(xiàn)了良好的前景[1-3]。另一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，許多學(xué)術(shù)機構(gòu)對外開放在線數(shù)據(jù)庫，共享各個學(xué)科的經(jīng)過權(quán)威認(rèn)證的實驗數(shù)據(jù)，極大地方便了科研和教學(xué)[4]。順應(yīng)教學(xué)改革大潮，我們對放射物理實驗教學(xué)進行了積極的改革嘗試，取得了良好的效果。下面以“X射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律”內(nèi)容為例，介紹如何利用NIST物理學(xué)數(shù)據(jù)庫設(shè)計和開展模擬實驗課。

一、教學(xué)實踐

物理實驗課分為實驗準(zhǔn)備、實驗實施和實驗報告撰寫三個階段。與傳統(tǒng)實驗課不同，本實驗不需要在實驗室進行，布置在自習(xí)課和課后自行完成。教師根據(jù)情況調(diào)整進度，對出現(xiàn)的問題進行集中講解。

（一）實驗準(zhǔn)備

在理論課后教師以布置作業(yè)的形式安排學(xué)生利用課后時間上網(wǎng)了解NIST官網(wǎng)，掌握相關(guān)資源的使用方法。根據(jù)學(xué)習(xí)進度，實驗準(zhǔn)備可分若干次按步驟進行。這樣，教師可及時了解學(xué)生的準(zhǔn)備情況，合理安排實驗任務(wù)，對存在的問題進行答疑。

NIST從事物理、生物和工程等學(xué)科的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，提供標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)及有關(guān)服務(wù)，在國際上享有盛譽。其定期更新的可靠、權(quán)威的科學(xué)數(shù)據(jù)庫，被廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研和生產(chǎn)。其中，在物理學(xué)的“X-Ray and Gamma-Ray Data”和“Radiation Dosimetry Data”兩個數(shù)據(jù)庫內(nèi)可分別檢索物質(zhì)的線性衰減系數(shù)和阻止本領(lǐng)等[5]。為使學(xué)生熟練掌握XCOM程序檢索數(shù)據(jù)庫，教師可結(jié)合具體的例子講授。例如，計算水對70keV的X線衰減系數(shù)，按如圖1所示流程，進入XCOM主頁，在“Database Search Form”表格中選擇物質(zhì)類別（水為“Compound”），然后在主界面“Fill the form”相應(yīng)位置輸入水的分子式（H2O）和X線能量（0.07 MeV），程序自動生成總的質(zhì)量衰減系數(shù)和各相互作用（瑞利散射、康普頓散射、光電效應(yīng)、電子對效應(yīng)）截面。以此類推，可得到不同物質(zhì)與不同能量的X射線相互作用的數(shù)據(jù)。

（二）實驗實施

實驗實施階段教學(xué)的重點是設(shè)置實驗內(nèi)容。為鍛煉學(xué)生獨立思考和解決問題的能力，關(guān)鍵是提出問題，讓學(xué)生始終圍繞問題去采集數(shù)據(jù)、完成實驗，典型的包括：X射線與物質(zhì)的相互作用過程及其對成像的影響；在醫(yī)學(xué)放射成像應(yīng)用中，“物質(zhì)”具體指什么；為達(dá)到成像的目的，即分辨體內(nèi)不同組織，X射線的能級應(yīng)該選擇什么范圍；等等。這樣，整個實驗實施過程就會有很強的目的性，學(xué)生在課后可根據(jù)情況獨立或自由組隊協(xié)作進行。教師在每節(jié)理論課結(jié)束時安排時間檢查實驗進度，對出現(xiàn)的問題做提示和講解。

實驗數(shù)據(jù)應(yīng)該采集多少樣本，并不需要設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只要能回答預(yù)設(shè)的問題，達(dá)到實驗?zāi)康募纯伞１?所示為某一份作業(yè)，列出了體內(nèi)幾種組織及主要組成元素與70keV的X線的相互作用數(shù)據(jù)。

（三）實驗報告撰寫

為了鍛煉學(xué)生的科技論文的寫作能力，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法，我們對實驗報告部分的內(nèi)容做了適當(dāng)?shù)母淖?，要求學(xué)生單獨或組隊按照“四段式”科技論文的格式完成一篇小論文。

背景部分主要內(nèi)容是闡明科學(xué)問題和實驗?zāi)康?，而不是把課本上的公式照抄一遍。材料與方法部分除了描述數(shù)據(jù)采集過程外，更重要的是描述數(shù)據(jù)分析方法。結(jié)果部分主要以圖、表形式直觀、定量地反映科學(xué)規(guī)律，回答實驗前布置的問題。如圖2所示，通過繪制百分比堆積柱形圖可直觀地顯示不同相互作用占比隨物質(zhì)不同而變化的規(guī)律，為后續(xù)討論部分的寫作做好了鋪墊?？萍颊撐牡暮诵氖怯懻摬糠郑康氖墙忉尙F(xiàn)象、分析原因、闡述觀點，是論文質(zhì)量優(yōu)劣的標(biāo)尺。對于本科生來說，寫好討論是一件很不容易的事。為引導(dǎo)學(xué)生順利完成，一是在課堂上通過范圍講解寫作思路和技巧；二是提出問題，讓學(xué)生帶著問題來組織內(nèi)容，比如實驗結(jié)果反映了什么規(guī)律及其對臨床應(yīng)用有何指導(dǎo)意義。

此外，我們采取多種形式提升實驗教學(xué)效果。鼓勵學(xué)生交流實驗報告的寫作體會，在課堂上對論文給予點評，對優(yōu)秀的論文進行單獨指導(dǎo)、修改，選擇合適的雜志投稿。

二、教學(xué)效果

經(jīng)過幾年來不斷的摸索和實踐，我們充分利用諸如NIST在線數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)資源，逐漸形成了一套行之有效的模擬實驗教學(xué)方法，達(dá)到了預(yù)期目的。首先，通過實驗加深了學(xué)生對深奧理論的理解，從一知半解提高到定量掌握，為放射物理學(xué)這一章節(jié)的教學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)。從圖2容易理解，由于鈣的光電效應(yīng)占優(yōu)勢，所以圖像上含鈣高的骨骼表現(xiàn)為亮區(qū)。同樣，碘的光電效應(yīng)占比達(dá)93.8%，在相互作用中占絕對優(yōu)勢，因此被用作對比劑。其次，引導(dǎo)學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、資料的能力，同時有助于了解最新的科研動態(tài)和前沿知識，拓寬視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。為了獲得體內(nèi)組織的數(shù)據(jù)，學(xué)生要查閱之前所學(xué)的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課本，綜合應(yīng)用能力得到提高。第三，通過論文寫作的訓(xùn)練，學(xué)生初步了解了科技論文的基本要求和一般格式，提高了數(shù)據(jù)分析能力和圖表的制作水平，對科研思維和創(chuàng)新能力的養(yǎng)成起到了積極的促進作用。部分學(xué)生還積極參與教研室組織的第二課堂活動，在老師的指導(dǎo)下申請學(xué)院的獎學(xué)金資助課題。此外，自主實驗促進了同學(xué)之間的相互討論和交流，有利于增進友誼和培養(yǎng)團結(jié)協(xié)作精神。

三、結(jié)論

利用網(wǎng)絡(luò)資源（比如NIST在線數(shù)據(jù)庫）進行模擬實驗可作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的醫(yī)學(xué)物理實驗教學(xué)的有益補充，不但簡便易行，無需額外的實驗條件，而且效果良好，在使學(xué)生加深對理論知識掌握的基礎(chǔ)上，還有助于提高查閱資料能力、鍛煉科技論文寫作水平。這樣的實驗方法可擴展應(yīng)用到醫(yī)學(xué)物理教學(xué)的其他環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅紅，吳靜.虛擬實驗在醫(yī)學(xué)物理實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)教育探索，2008，7（10）：1044-1045.

[2]李光仲，劉俊英，王云創(chuàng)，等.計算機模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2009，26（4）：1352-1360.

[3]崔紅新，陳雪能，張靈帥，等.探討醫(yī)學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)改革與實踐[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014，（28）：175-177.

[4]費旭，田晶，徐龍權(quán)，等.將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于儀器分析教學(xué)的研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（32）：159-161.

[5]http：//www.nist.gov/pml/data/.