NIST在線數據庫在醫學物理實驗教學中的應用

王建杰　楊克檉　李懿

摘要：X（γ）射線與物質的相互作用規律是醫學物理學的基本問題之一，涉及到許多復雜抽象的理論，而實驗教學由于條件所限往往難以開展，影響教學質量。利用NIST物理學數據庫開展模擬實驗，學生不但加深了對理論知識的理解和掌握，而且提高了綜合應用能力。

關鍵詞：醫學物理；實驗教學；NIST在線數據庫

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

實驗是物理學教學的重要組成部分，不但能加深對復雜、抽象的理論知識的理解和掌握，而且有助于培養理論聯系實踐的動手能力。醫學物理學，作為生物醫學工程專業本科生的必修專業基礎課，基本問題之一是X（γ）射線與物質的相互作用規律，所涉及的光電效應、康普頓散射和電子對效應等概念僅通過課堂講授往往難以達到滿意的效果。但是，由于缺乏實驗設備和存在輻射傷害等各種原因實驗教學往往難以開展，客觀上影響后續教學的順利進行。

近年來，得益于計算機模擬技術的飛速發展，虛擬仿真實驗的研究日益受到重視，并在醫學物理學教學中展現了良好的前景[1-3]。另一方面，隨著互聯網技術的普及，許多學術機構對外開放在線數據庫，共享各個學科的經過權威認證的實驗數據，極大地方便了科研和教學[4]。順應教學改革大潮，我們對放射物理實驗教學進行了積極的改革嘗試，取得了良好的效果。下面以“X射線與物質的相互作用規律”內容為例，介紹如何利用NIST物理學數據庫設計和開展模擬實驗課。

一、教學實踐

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

（一）實驗準備

在理論課后教師以布置作業的形式安排學生利用課后時間上網了解NIST官網，掌握相關資源的使用方法。根據學習進度，實驗準備可分若干次按步驟進行。這樣，教師可及時了解學生的準備情況，合理安排實驗任務，對存在的問題進行答疑。

NIST從事物理、生物和工程等學科的基礎和應用研究，提供標準、標準參考數據及有關服務，在國際上享有盛譽。其定期更新的可靠、權威的科學數據庫，被廣泛應用于教學、科研和生產。其中，在物理學的“X-Ray and Gamma-Ray Data”和“Radiation Dosimetry Data”兩個數據庫內可分別檢索物質的線性衰減系數和阻止本領等[5]。為使學生熟練掌握XCOM程序檢索數據庫，教師可結合具體的例子講授。例如，計算水對70keV的X線衰減系數，按如圖1所示流程，進入XCOM主頁，在“Database Search Form”表格中選擇物質類別（水為“Compound”），然后在主界面“Fill the form”相應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量衰減系數和各相互作用（瑞利散射、康普頓散射、光電效應、電子對效應）截面。以此類推，可得到不同物質與不同能量的X射線相互作用的數據。

（二）實驗實施

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

實驗數據應該采集多少樣本，并不需要設置統一的標準，只要能回答預設的問題，達到實驗目的即可。表1所示為某一份作業，列出了體內幾種組織及主要組成元素與70keV的X線的相互作用數據。

（三）實驗報告撰寫

為了鍛煉學生的科技論文的寫作能力，培養科學的思維方法，我們對實驗報告部分的內容做了適當的改變，要求學生單獨或組隊按照“四段式”科技論文的格式完成一篇小論文。

背景部分主要內容是闡明科學問題和實驗目的，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據采集過程外，更重要的是描述數據分析方法。結果部分主要以圖、表形式直觀、定量地反映科學規律，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不同而變化的規律，為后續討論部分的寫作做好了鋪墊。科技論文的核心是討論部分，目的是解釋現象、分析原因、闡述觀點，是論文質量優劣的標尺。對于本科生來說，寫好討論是一件很不容易的事。為引導學生順利完成，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，讓學生帶著問題來組織內容，比如實驗結果反映了什么規律及其對臨床應用有何指導意義。

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

二、教學效果

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

三、結論

利用網絡資源（比如NIST在線數據庫）進行模擬實驗可作為生物醫學工程專業本科生的醫學物理實驗教學的有益補充，不但簡便易行，無需額外的實驗條件，而且效果良好，在使學生加深對理論知識掌握的基礎上，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用到醫學物理教學的其他環節。

參考文獻：

[1]羅紅，吳靜.虛擬實驗在醫學物理實驗教學改革中的應用[J].醫學教育探索，2008，7（10）：1044-1045.

[2]李光仲，劉俊英，王云創，等.計算機模擬技術在醫學物理學教學中的應用研究[J].中國醫學物理學雜志，2009，26（4）：1352-1360.

[3]崔紅新，陳雪能，張靈帥，等.探討醫學物理虛擬仿真實驗教學改革與實踐[J].科技創新導報，2014，（28）：175-177.

[4]費旭，田晶，徐龍權，等.將網絡數據庫應用于儀器分析教學的研究[J].教育教學論壇，2012，（32）：159-161.

[5]http：//www.nist.gov/pml/data/.