以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革

韓貴來+詹和慶+李曉玲+李海霞

摘要：本文首先分析了醫學圖像處理課程的特點，針對目前醫學圖像處理教學中所面臨的問題，提出以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革。簡要介紹了以問題為導向的教學方法的基本特征，闡述了以問題為導向的醫學圖像處理教學方法的課程安排、問題設計和具體組織實施方法等。實踐表明，該方法能更有效地調動學生學習的積極性和主動性，提高學生的資料查找能力和實踐能力，也能更好地培養學生的團隊合作意識。

關鍵詞：以問題為導向 醫學圖像處理 PBL

醫學圖像處理是一門講述如何運用數學的方法利用計算機對醫學圖像進行處理的課程，它在生命科學研究、醫學診斷與臨床治療等方面都起著重要的作用，是培養高素質復合型人才的一門重要學科。隨著醫學影像技術的日益成熟以及各種各樣的醫學影像設備在醫院中的廣泛使用，醫院每天都獲取大量人體內部組織圖像。樊代明院士來我校講座曾經半開玩笑地說過，他曾經帶了一個醫療團隊下鄉，結果沒有了這些影像設備這些醫生到了鄉下都不會看病了。因此如何對這些醫學圖像進行有效的處理與分析，具有重大的社會效益和廣泛的應用前景。目前越來越多的醫學院校已開始開設醫學圖像處理這門課，本文將從醫學圖像處理課程的特點、目前教學所面臨的問題以及以問題為導向的醫學圖像處理教學方法等幾個方面進行探討。

一、醫學圖像處理課程的特點

醫學圖像處理是以數字圖像處理為基礎，結合醫學院校的特點和教學要求，以醫學影像為處理方向，開展的一門課程。醫學圖像處理教學的基本要求是：了解醫學圖像的基本特點和圖像處理的基本概念，掌握醫學圖像處理和分析的基本原理及方法，能夠利用計算機完成各種醫學圖像處理，包括醫學圖像的增強、分割、配準、三維重建和三維可視化。該課程具有以下特點：

1.多學科交叉

醫學圖像處理涉及醫學、計算機科學、數學、物理、數字信號處理、生物生理學等多個領域的知識。課程內容廣泛，各學科之間的交叉、滲透，對教學和實踐均提出了較高的要求，學生較難理解相關知識和技術 [1]，尤其是醫學院校學生數學基礎薄弱，對醫學圖像處理中各種算法的理解更加困難。

2.理論和實踐并重

醫學圖像處理的實現過程是建立在堅實的理論基礎之上的，每一實現方法都有嚴格抽象的理論基礎。醫學圖像處理的實現又是建立計算機編程實踐的基礎上的，醫學圖像處理的算法最終要在計算機上編程實現。只有通過計算機編程才能使相關醫學圖像處理理論得以驗證，進而得到應用。因此，理論和實踐相結合是醫學圖像處理研究與教學的關鍵，既要注重基礎知識的教學，同時又要加強學生實踐能力的培養。計算機編程恰恰是醫學院校學生普遍的弱項，多數學生都沒有系統學過編程語言。但是該課程的理論性和實踐性都比較強， 尤其強調編程實踐，因此該課程起點高、難度大，對任課老師和學生都提出了比較高的要求[2]。

二、目前教學所面臨的問題

我校目前有醫學影像和信息管理與信息系統兩個專業開設了醫學圖像處理這門課。醫學影像專業的學生對各種醫學圖像的特點比較清楚，但是醫學影像專業的學生在先導課程中只學過大學計算機基礎和Visual Foxpro兩門計算機課程，他們普遍編程基礎弱，面對各種醫學圖像處理算法就像讀天書一樣。而信息管理與信息系統專業的學生系統學習過數據結構、c++、java等計算機課程，在數學實驗課上也接觸過Matlab編程，編程對他們來說問題不是很大，對醫學圖像處理各種算法的接受能力也比醫學影像專業學生強，但是信息管理與信息系統專業的學生在先導課程中沒有學過醫學影像學等課程，他們對各種醫學圖像的特點不夠清楚。為了能順利開展醫學圖像處理這門課程，結合學生的特點，對于醫學影像專業的學生，我們通常在醫學圖像處理課程的前幾節課給學生補習一些Matlab編程的內容，而對于信息管理與信息系統專業的學生則給他們補習幾種常見的醫學成像比如X射線、CT、MRI、超聲、PET等，讓學生熟悉它們各自成像的特點。根據多年的醫學圖像處理教學經驗，即便如此，學生往往在醫學圖像處理前半部分課程還聽的比較認真，但到后面面對鋪天蓋地的各種醫學圖像處理算法，大多數學生都招架不住了，僅有極少數學生能跟上老師的節奏。 盡管老師在講臺上講的很辛苦，但是學生收獲不多。究其原因，并不是學生不想學，學生前面聽課也挺認真的；也并不是老師講的不好，老師講的滿頭大汗、口干舌燥。只是面對大量醫學圖像處理算法的填鴨式灌輸，學生逐漸變麻木了，以至于越落越遠。因此醫學圖像處理教學方法必須改，化被動為主動，充分調動學生學習的積極性和主動性，開展以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革。

三、以問題為導向的醫學圖像處理教學方法

以問題為導向（Problem-Based Learning，PBL）是以學生為中心的教學方式，其特點在于在教師的指導下，將學生放在主體地位，通過小組討論的方式，以某一具體案例或問題為中心的展開討論，在具體的案例討論過程中不斷“發現問題、分析問題和解決問題” [3]。為了解決問題，學生需要分工合作積極主動地去查找各種資料，包括課本中的各種醫學圖像處理算法。通過交流討論，不僅可以促使一些懶惰的學生也要主動去查資料，而且通過學生間分享學習成果，也使一些學習差的學生不知覺中得到幫助。以問題為導向的教學方法，強調以問題解決為中心、多種學習途徑相結合，強調小組成員間交流合作。為了解決問題促使學生主動地去學習各種醫學圖像處理算法，積極地開展小組討論，從而達到學生主動學習的目的。

1.課程安排及問題設計

為了更好地開展以問題為導向的醫學圖像處理教學，我們初步將醫學圖像處理內容分為三部分[4]：一是醫學圖像處理基礎部分，包括醫學圖像處理的發展歷史、課程特點、研究內容以及臨床中實際應用例子，這部分主要有老師來講解，目的是把學生領進門，讓學生了解圖像處理的特點，明白數字圖像是可以處理的，并通過一些真實的應用例子調動學生的學習興趣。對于影像專業的學生還要給學生補充一些Matlab編程方面的知識。醫學影像的各種成像技術對于醫學影像專業的學生來說更是他們的長處，應該讓學生在講臺上充分展現出來，以增強他們的自信心；而信息管理與信息系統專業的學生對于醫學成像技術則比較陌生，則可以引導學生分組去查資料，通過分組展示和老師補充來完成這部分的學習。二是醫學圖像處理主要內容部分，包括圖像變換、圖像增強、圖像分割等。這部分需要老師根據教學內容結合自己的科研設計合適的問題，引導學生分組去查資料，通過團隊合作去解決這些問題。第三部分為醫學圖像處理的高級內容，包括醫學圖像配準融合和醫學圖像三維重建部分。這部分讓學生去實現會有些難度，但可以讓每組學生針對某一問題查資料以課程論文的形式提交他們的成果，如果能實現出來或者課程論文寫的比較好，則可以在平時成績等方面給與他們適當鼓勵，也可充分調動學生的學習積極性。

2.組織實施

讓學生按自愿原則分成若干組，每組5人左右，每組選出一個組長，負責每組的分工和協調工作。任課老師在上次課下課前20分鐘左右將下次課要討論解決的問題公布出來，通過老師簡單講解分析將問題拆分成若干子問題或同一問題的不同解決方向。不同組學生以抽簽方式抽取自己組的問題。學生課后就可以抽時間去查資料，討論分析問題的解決方法。考慮到學生平時的學習任務也比較重，課下可能沒有那么多時間，因此下次課任課老師可以根據實際情況，給學生留出一、兩節課時間繼續討論解決各自的問題，并記錄討論過程和每個組員在問題解決過程中所起的作用或給出的建議。在學生討論的過程中，任課老師可以適當參與每組的討論，解答學生討論中出現的疑問。這時候往往也是學生學習效率最高的時候。針對不同專業的學生基礎不一樣，則可以因材施教。影像專業的學生則要求他們通過查資料運用Matlab編程實現自己要解決的問題。針對醫學影像專業學生計算機編程基礎弱的問題，我們專門開發了一個醫學圖像處理教學實驗系統[5]。該系統包含了各種常見的醫學圖像處理算法及其Matlab實現代碼。學生可以參考該系統實現也可以自己查資料實現。而對于信息管理和信息系統專業的學生，由于他們系統學習過C++、java等編程語言，編程基礎比較好，任課老師則可以要求他們用C++編程來實現。這樣做的好處一是可以與他們學的其他課程有機結合起來，二是運用C++編程實現可以更好地了解各種醫學圖像處理算法的實現過程，三是可以拓寬學生的就業門路。目前大多數圖像處理相關公司在招聘時都要求學生要有VC++圖像處理經驗。最后一節課則由學生展示他們通過討論后實現的程序代碼及運行的結果，并由其他小組對該組進行評分。最后老師再針對學生的實現情況進行總結，對于學生沒有考慮到的問題進行補充。最后每個學生在平時成績問題討論部分的得分則由兩部分組成：一是小組分，由其他小組根據該組的表現和實現情況所給的評分；二是任課老師根據學生的每組討論記錄及其表現所給的組內表現分。

結語

以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革對任課老師提出了更高的要求，問題設計的好壞直接影響著該方法的教學效果。只有任課老師在教學科研方面見多識廣才能設計出即能與臨床實際相結合又能緊密聯系醫學圖像處理各知識點的好問題。因此以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革也可以反過來促進老師的科研，使得教學與科研相得益彰。以問題為導向的醫學圖像處理教學方法改革在我校也是剛剛開始，還有許多問題有待解決完善。但是從學生的表現來看，學生的學習積極性比以前有了明顯提高。

參考文獻

[1] 梁佩鵬，李坤成. 基于問題的學習（ PBL） 結合Matlab 在醫學圖像處理中的應用[J]. 山西師范大學學報（ 自然科學版）. 2015.29（2）：35：38

[2]韓貴來. 醫學圖像處理課程教學方法探討[J]. 時代教育. 2011年第4期：14

[3] 石盼. PBL 教學法在醫學圖像處理教學中的應用探索[J]. 科技經濟導刊. 2016年第26期：123-124.

[4] 周濤，陸惠玲. PBL 教學模式在《醫學數字圖像處理》中的實踐[J]. 中國西部科技 2014.13 （5）：108-113.

[5] 韓貴來，詹和慶，李曉玲. 醫學圖像處理系統設計與開發. 福建電腦[J].2016.10：31-32.