基于任务驱动式的医学成像技术仿真实验教学方法研究

王琦 王金海 郑羽 田磊 崔军 韦然

（天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387）

基于任务驱动式的医学成像技术仿真实验教学方法研究

王琦 王金海 郑羽 田磊 崔军 韦然

（天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387）

针对生物医学工程专业医学成像技术课程存在理论性强、缺乏实践教学环节，且课程的考核评价机制缺乏科学性等问题，本文提出基于任务驱动的实践教学模式，将理论教学单元和实践教学单元联合起来实施教学任务。该教学方法明确了课程的学习目标，适合学生特点，使教与学生动有趣、易于接受。

任务驱动 医学成像 电磁学仿真 实践教学 matlab编程

引言

由于现代医学成像设备对于临床诊断的重要性，产生了对于医学图像专业人才的大量需求。医学成像技术也是国家计委提出的四大专项支持重点技术方向之一［1］。为了满足这些人才需要，我校及很多理工类高等学校将掌握医学成像技术作为生物医学工程专业本科生培养的目标之一。而先进医学成像课程也是生物医学工程专业本科生教育的核心课程，同时也是一门能直接应用于工程实际的技术课程，其教学质量和效果直接决定了该专业学生的理论理解程度和实际操作能力。根据新的高等教育形式及社会需求，该课程的教学内容必须和人才培养岗位具有一定对应性，教学过程应注重理论与实践的紧密合作，使得学生不仅掌握基本理论知识，而且具有较好的时实际动手能力［2］。但本课程的教学内容和教学体系还存在以下问题：

1.该课程的教学体系现状属于封闭的“学院式”，偏重理论教学。由于医学成像设备往往造价昂贵，医学成像实验的开展受到学校教学资源的限制。目前的教学方法仅限于课堂讲授医学成像设备的原理，缺乏实践教学环节，使学生所学知识都是纸上谈兵。

2.现行教育教学内容学科性、理论性较强，但是对于一些基本图像重建算法的讲解以及算法实现步骤和重点不够细致甚至没有讲述，学生学习该门课程后并不能真正掌握和理解这些算法的数学模型以及数学公式推导过程，缺乏对学生编程能力的培养，使得学生在学习完这门课程后对于医学成像技术的理解比较肤浅，缺乏针对具体算法和问题的编程训练，学生积累的编程经验不足。教师费力，学生也提不起学习兴趣，教学效果并不理想；达不到真正实践教学的目的与效果。

3.课程的考核评价机制缺乏科学性。目前所采用的考评方法仅以课堂表现、结课考试以及程序设计报告质量作为考核依据。先进医学成像技术的培养目标是培养学生解决实际问题的能力。目前的考核机制显然不能科学评价以“应用型人才”为培养目标的学生的综合素质和技能。

综上所述，出现以上问题主要在于：课程的目标仅局限在知识的理解层面，没有围绕培养和训练工程素质和技能。先进医学成像技术课程的实践教学环节有着极为重要的意义，它们是引导学生进入工程应用的入门实验训练环节。鉴于它的关键地位，其教学效果直接影响到学生能否树立强烈的专业意识和兴趣、获得最基本的创新设计素质和技能。因此有必要去探索先进医学成像技术课程实践教学的新模式。在这里，提出解决该课程实践教学问题新改革方法：

1.以理论教学单元和实践教学单元联合起来实施教学任务。将生物医学电阻抗成像作为主要实践对象，增加生物医学电磁学仿真实验以及基于Matlab软件的图像重建实验教学环节。这种教学方法符合电子信息工程专业实践教学的基本要求。

2.对现代医学成像技术课程的实践教学运用“任务驱动”教学模式。这种教学模式适用于学习操作类的知识和技能［3］。“任务驱动”教学使学习目标十分明确，适合学生特点，使教与学生动有趣、易于接受。

3.对现代医学成像技术的实践教学计划、仿真实验内容、仿真实验平台进行精心设计以及循序渐进的改革与创新，努力在培养学生运用已有知识解决实际问题能力上取得突破。学生们掌握了这些解决问题的基本方法，就能使用先进的工具，发挥他们的独立性和创新性，完成课堂外的实践，从而进一步拓展他们的知识和能力。

一、教学方法改革内容

根据前面所述的目前现代医学成像实践教学中存在的问题及现有基础与条件，改革研究的主要内容是：

1.确立提高学生解决实际问题能力为核心，并以此为培养目标，重新安排现代医学成像技术教学大纲。以生物医学电阻抗成像技术为主要实践对象，增加生物医学电磁仿真和图像重建实验，实验时间和内容与理论课程并行。

2.建立基于“任务驱动”的先进医学成像技术实践课程体系，开设医学成像仿真实验平台，平台内容以课程中有关生物医学电阻抗成像原理以及图像重建算法的实践为主。学生通过仿真软件设计电学传感器，对人体器官模型进行正问题仿真，获取仿真数据，理解医学成像设备的基本工作原理［4］；再通过课堂上介绍的常用重建算法，在Matlab环境下对仿真数据实现图像重建，提高学生的编程能力［5］。实践任务难度由易到难，层层深入，培养学生的学习兴趣，使学生在实践中了解医学成像方法的概貌。

3.精心设计仿真实验内容，实验内容应既要反映医学成像的主要检测部位及检测方法，还要考虑不同病变的因素。运用仿真软件分别建立健康与不同种病变条件下人体肺部、脑部、胃部和腹部的三维仿真模型，供学生设计传感器、获取仿真数据；建立Matlab图像重建算法库，为学生算法编程实践提供参考。

4.制定一套能反映出学生理论和实践综合素质的课程考核评价体系。能够综合评价学生的理论知识水平以及运用理论知识解决实际问题的能力。

5.从本项目个案的探索改革过程中，最终建立起生物医学工程专业本科生实践教学的一般性体系模型，为其它专业的实践教学提供借鉴。

二、改革实施方案

1.通过对政府、行业、企业相关部门进行调研，了解临床常用医学成像技术的方法和种类。

2.考察、调研国内外高校生物医学工程专业现代医学成像课程实践教学体系

建设现状，结合调研结果，制定以课程的实践教学大纲、教学计划，编写课程实践部分的实验指导书。

3.自行研制网络开放型仿真实验平台，开发基于COMSOL Multiphysics仿真软件的三维人体仿真模型［4，5］和基于Matlab软件的图像重建算法包［6］，增加现代医学成像技术课程的实验内容。实现实验预习、实验复习、实验项目自选操作等功能。

4.整合优化课程教学资源，精心设计并行于理论教学的仿真实验课程内容。

5.改革实践教学考评机制。对学生基本专业实践能力、综合设计能力的评估的手段和方法进行改革。实践能力的考核标准可以与本专业领域的技术考证、电子竞赛、科技创业计划等内容相结合，以增强学生的创新设计能力。

三、结论

对我校生物医学工程专业2012级本科生先进医学成像技术课程进行了改革。共开设12课时实验课程，其中用4课时熟悉仿真软件和Matlab编程环境，2课时以人体器官三维模型为实践对象，设计医用电学传感器，4课时Matlab图像重建实验，2课时讨论课。实践教学采用教师导学为辅，学生自主学习为主的教学方法，坚持学生为本的教育理念。学生们通过使用仿真软件工具增强对医学成像系统工作原理理解，同时也在医学成像设备传感器设计以及图像重建方法方面获得了宝贵的经验

课程改革收到了较好的效果。学生普遍反应编程能力得到锻炼和提高，并且对生物医学成像的建模方法与传感器设计方法有了更加深入的认识。从而证明了本文提出的教学改革方案的可行性。

［1］邱建峰，谢晋东，王晓燕，王鹏程，侯庆峰，医学影像物理学（医学影像成像理论）教学与实践改革的探讨，中国医学物理学杂志，2008，25（3）：700-702.

［2］梁高峰，景爱华，宋卫东，胡志刚，李振伟，现代医学成像技术课程教学的改革与实践，中国医学创新，2014，11（24）：76-78.

［3］王春婷，浅谈任务驱动教学法在计算机教学中的应用，太原大学教育学院学报，2011，29（2）：103-105.

［4］杨庆华，李薇，贺超，虚拟实验在医学成像技术类课程教学中的应用，中国科技信息，2011，23：212，215.

［5］张建武，孔红菊，虚拟现实技术在实践实训教学中的应用，电化教育研究，2010，4：109-112.

［6］张国鹏，常小红，刘洋，李宝娟，焦纯，卢虹冰，生物医学工程专业《医学图像处理》课程改革设计，医疗卫生装备，2014，35（7）：147-149.