基于任務驅動式的醫學成像技術仿真實驗教學方法研究

王琦 王金海 鄭羽 田磊 崔軍 韋然

（天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387）

基于任務驅動式的醫學成像技術仿真實驗教學方法研究

王琦 王金海 鄭羽 田磊 崔軍 韋然

（天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387）

針對生物醫學工程專業醫學成像技術課程存在理論性強、缺乏實踐教學環節，且課程的考核評價機制缺乏科學性等問題，本文提出基于任務驅動的實踐教學模式，將理論教學單元和實踐教學單元聯合起來實施教學任務。該教學方法明確了課程的學習目標，適合學生特點，使教與學生動有趣、易于接受。

任務驅動 醫學成像 電磁學仿真 實踐教學 matlab編程

引言

由于現代醫學成像設備對于臨床診斷的重要性，產生了對于醫學圖像專業人才的大量需求。醫學成像技術也是國家計委提出的四大專項支持重點技術方向之一［1］。為了滿足這些人才需要，我校及很多理工類高等學校將掌握醫學成像技術作為生物醫學工程專業本科生培養的目標之一。而先進醫學成像課程也是生物醫學工程專業本科生教育的核心課程，同時也是一門能直接應用于工程實際的技術課程，其教學質量和效果直接決定了該專業學生的理論理解程度和實際操作能力。根據新的高等教育形式及社會需求，該課程的教學內容必須和人才培養崗位具有一定對應性，教學過程應注重理論與實踐的緊密合作，使得學生不僅掌握基本理論知識，而且具有較好的時實際動手能力［2］。但本課程的教學內容和教學體系還存在以下問題：

1.該課程的教學體系現狀屬于封閉的“學院式”，偏重理論教學。由于醫學成像設備往往造價昂貴，醫學成像實驗的開展受到學校教學資源的限制。目前的教學方法僅限于課堂講授醫學成像設備的原理，缺乏實踐教學環節，使學生所學知識都是紙上談兵。

2.現行教育教學內容學科性、理論性較強，但是對于一些基本圖像重建算法的講解以及算法實現步驟和重點不夠細致甚至沒有講述，學生學習該門課程后并不能真正掌握和理解這些算法的數學模型以及數學公式推導過程，缺乏對學生編程能力的培養，使得學生在學習完這門課程后對于醫學成像技術的理解比較膚淺，缺乏針對具體算法和問題的編程訓練，學生積累的編程經驗不足。教師費力，學生也提不起學習興趣，教學效果并不理想；達不到真正實踐教學的目的與效果。

3.課程的考核評價機制缺乏科學性。目前所采用的考評方法僅以課堂表現、結課考試以及程序設計報告質量作為考核依據。先進醫學成像技術的培養目標是培養學生解決實際問題的能力。目前的考核機制顯然不能科學評價以“應用型人才”為培養目標的學生的綜合素質和技能。

綜上所述，出現以上問題主要在于：課程的目標僅局限在知識的理解層面，沒有圍繞培養和訓練工程素質和技能。先進醫學成像技術課程的實踐教學環節有著極為重要的意義，它們是引導學生進入工程應用的入門實驗訓練環節。鑒于它的關鍵地位，其教學效果直接影響到學生能否樹立強烈的專業意識和興趣、獲得最基本的創新設計素質和技能。因此有必要去探索先進醫學成像技術課程實踐教學的新模式。在這里，提出解決該課程實踐教學問題新改革方法：

1.以理論教學單元和實踐教學單元聯合起來實施教學任務。將生物醫學電阻抗成像作為主要實踐對象，增加生物醫學電磁學仿真實驗以及基于Matlab軟件的圖像重建實驗教學環節。這種教學方法符合電子信息工程專業實踐教學的基本要求。

2.對現代醫學成像技術課程的實踐教學運用“任務驅動”教學模式。這種教學模式適用于學習操作類的知識和技能［3］。“任務驅動”教學使學習目標十分明確，適合學生特點，使教與學生動有趣、易于接受。

3.對現代醫學成像技術的實踐教學計劃、仿真實驗內容、仿真實驗平臺進行精心設計以及循序漸進的改革與創新，努力在培養學生運用已有知識解決實際問題能力上取得突破。學生們掌握了這些解決問題的基本方法，就能使用先進的工具，發揮他們的獨立性和創新性，完成課堂外的實踐，從而進一步拓展他們的知識和能力。

一、教學方法改革內容

根據前面所述的目前現代醫學成像實踐教學中存在的問題及現有基礎與條件，改革研究的主要內容是：

1.確立提高學生解決實際問題能力為核心，并以此為培養目標，重新安排現代醫學成像技術教學大綱。以生物醫學電阻抗成像技術為主要實踐對象，增加生物醫學電磁仿真和圖像重建實驗，實驗時間和內容與理論課程并行。

2.建立基于“任務驅動”的先進醫學成像技術實踐課程體系，開設醫學成像仿真實驗平臺，平臺內容以課程中有關生物醫學電阻抗成像原理以及圖像重建算法的實踐為主。學生通過仿真軟件設計電學傳感器，對人體器官模型進行正問題仿真，獲取仿真數據，理解醫學成像設備的基本工作原理［4］；再通過課堂上介紹的常用重建算法，在Matlab環境下對仿真數據實現圖像重建，提高學生的編程能力［5］。實踐任務難度由易到難，層層深入，培養學生的學習興趣，使學生在實踐中了解醫學成像方法的概貌。

3.精心設計仿真實驗內容，實驗內容應既要反映醫學成像的主要檢測部位及檢測方法，還要考慮不同病變的因素。運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，供學生設計傳感器、獲取仿真數據；建立Matlab圖像重建算法庫，為學生算法編程實踐提供參考。

4.制定一套能反映出學生理論和實踐綜合素質的課程考核評價體系。能夠綜合評價學生的理論知識水平以及運用理論知識解決實際問題的能力。

5.從本項目個案的探索改革過程中，最終建立起生物醫學工程專業本科生實踐教學的一般性體系模型，為其它專業的實踐教學提供借鑒。

二、改革實施方案

1.通過對政府、行業、企業相關部門進行調研，了解臨床常用醫學成像技術的方法和種類。

2.考察、調研國內外高校生物醫學工程專業現代醫學成像課程實踐教學體系

建設現狀，結合調研結果，制定以課程的實踐教學大綱、教學計劃，編寫課程實踐部分的實驗指導書。

3.自行研制網絡開放型仿真實驗平臺，開發基于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］，增加現代醫學成像技術課程的實驗內容。實現實驗預習、實驗復習、實驗項目自選操作等功能。

4.整合優化課程教學資源，精心設計并行于理論教學的仿真實驗課程內容。

5.改革實踐教學考評機制。對學生基本專業實踐能力、綜合設計能力的評估的手段和方法進行改革。實踐能力的考核標準可以與本專業領域的技術考證、電子競賽、科技創業計劃等內容相結合，以增強學生的創新設計能力。

三、結論

對我校生物醫學工程專業2012級本科生先進醫學成像技術課程進行了改革。共開設12課時實驗課程，其中用4課時熟悉仿真軟件和Matlab編程環境，2課時以人體器官三維模型為實踐對象，設計醫用電學傳感器，4課時Matlab圖像重建實驗，2課時討論課。實踐教學采用教師導學為輔，學生自主學習為主的教學方法，堅持學生為本的教育理念。學生們通過使用仿真軟件工具增強對醫學成像系統工作原理理解，同時也在醫學成像設備傳感器設計以及圖像重建方法方面獲得了寶貴的經驗

課程改革收到了較好的效果。學生普遍反應編程能力得到鍛煉和提高，并且對生物醫學成像的建模方法與傳感器設計方法有了更加深入的認識。從而證明了本文提出的教學改革方案的可行性。

［1］邱建峰，謝晉東，王曉燕，王鵬程，侯慶峰，醫學影像物理學（醫學影像成像理論）教學與實踐改革的探討，中國醫學物理學雜志，2008，25（3）：700-702.

［2］梁高峰，景愛華，宋衛東，胡志剛，李振偉，現代醫學成像技術課程教學的改革與實踐，中國醫學創新，2014，11（24）：76-78.

［3］王春婷，淺談任務驅動教學法在計算機教學中的應用，太原大學教育學院學報，2011，29（2）：103-105.

［4］楊慶華，李薇，賀超，虛擬實驗在醫學成像技術類課程教學中的應用，中國科技信息，2011，23：212，215.

［5］張建武，孔紅菊，虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用，電化教育研究，2010，4：109-112.

［6］張國鵬，常小紅，劉洋，李寶娟，焦純，盧虹冰，生物醫學工程專業《醫學圖像處理》課程改革設計，醫療衛生裝備，2014，35（7）：147-149.