数学虚拟仿真实验平台存在价值研究与分析

王红 张千惠 刘淑贤 范素军

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.005

摘 要 医学影像技术专业作为新兴专业，发展势头良好。

目前，医学影像技术专业对数学知识的要求越来越高，工程数学作为主要数学类课程，对教学方式和课程建设都进行了初步改革。结合医学院校影像技术专业工程数学目前已经进行的教学实际，对医学院校工程数学教学引进虚拟仿真实验平台的必要性以及存在价值进行初步探讨。

关键词 医学影像技术专业；工程数学；数学虚拟仿真实验平台；实验课

中图分类号：G647.6 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）04-0005-03

Research and Analysis of Existence Value of Mathematics

Virtual Simulation Experiment Platform： Based on Investi-

gation of Mathematics Experiment Course of Image Tech-

nology Specialty//WANG Hong， ZHANG Qianhui， LIU Shu-

xian， FAN Sujun

Abstract Medical imaging technology is a new specialty with good development momentum. Now， the medical ima-ging technology major has a higher and higher requirement for mathematical knowledge. Engineering mathematics， as its main mathematical course， has carried out a preliminary reform in teaching methods and curriculum construction. Based on the teaching practice of engineering mathematics of

imaging technology specialty in medical colleges， the nece-ssity and value of introducing virtual simulation experimental platform into engineering mathematics teaching in medical colleges are discussed in this paper.

Key words medical imaging technology; engineering mathe-

matics; mathematics virtual simulation experiment platform; experiment course

0 引言

我国医学影像技术专业是依据医疗对各学科的需要而发展起来的专业性极强的学科，在要求学生不断学习医学知识的同时，对数学知识的要求也越来越高[1]。但是，目前多数院校本专业的工程数学课时少，教学任务重，课时基本上均被理论课占用，没有相应的实验课，导致学生对工程数学的应用知之甚少。同时，传统教学方式只是让学生掌握课本知识，并没有涉及今后在实践工作中对知识的应用，导致学生毕业后的后劲不足，难以适应高新科技迅速发展的变化，不能满足社会与市场的需求[2]。本文针对河北医科大学影像技术专业引进数学虚拟仿真实验平台的教学成果进行探讨。

1 改革实践

数学实验课是一门软件课程，需要学生进行上机操作，教师适当引导，学生独立调试程序[3]。仿真实验平台为学生提供以下几个实验部分。

实验一：傅里叶变换基础知识

开展本次实验旨在让学生充分掌握函数展开成傅里叶级数的方法。实验基本原理：满足狄利克雷条件的周期函数能够展开为三角级数，非周期函数可进行傅里叶变换。熟知连续函数与离散函数的傅里叶变换以及傅里叶逆变换；一维傅里叶变换与逆变换实现时域与频域的相互转换。在实验课上，学生通过改变频率和振幅来观察正弦信号和矩形波的傅里叶变换，通过调整正弦波的周期和幅值观察叠加信号的傅里叶变换。

实验二：分析傅里叶变换典型案例

本次实验旨在让学生掌握傅里叶变换的具体应用。实验原理为：采用傅里叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数，可对波形进行变换，以此分析声波和电磁波的一维傅里叶变换。本次实验分为三部分：首先让学生录制声音，通过软件生成音频时域信号，通过低通滤波，对比前后波形；其次，进行心电信号的傅里叶变换，观察其包含的频率成分，去噪，然后进行傅里叶逆变换，将处理后的信号与之前信号进行对比；最后，对二维灰度图像进行傅里叶分析，观察其振幅和相位频谱图。

实验三：图像矩阵

开展本次实验旨在让学生掌握矩阵的定义及两个矩阵之间的加法、减法、乘法运算。实验原理为：一幅灰度图像和彩色图像都对应一个像素矩阵；两个行列数相同的矩阵可进行基本运算，将处于同一位置的元素相加、减、乘，作为新矩阵中的元素值。实验课上，首先要求学生提取简单灰度图像的像素矩阵，观察矩阵数值与图像灰度之间的关系；其次，根据提供的两个图像，提取两个像素矩阵，当进行基本运算时，矩阵发生变化，则图像发生相应改变，观察矩阵前后变化。

实验四：图像卷积滤波

本次实验旨在让学生理解一维卷积和二维卷积的意义。实验原理利用一维及二维函数的卷积公式。实验课要求学生进行一维卷积的计算；利用不同卷积模板对图像进行去噪、锐化、边缘检测等处理，进行分析。教师在每个数学模型知识模块中选取几个例子讲解。这些例子的选择标准为：1）贴切实际生活；2）用MATLAB软件进行数据处理[4]。

2 调查分析

本次研究所需要的数据采用问卷调查的方式获得。调查内容分为三部分：第一部分是受访者简单的个人信息，包括姓名、年级、班级；第二部分是学生对仿真实验平台实验内容的反馈；第三部分是学生对于实验平台的评价。为保证数据的客观性和真实性，采取线上线下调查相结合的方式，共发放问卷500份，回收问卷300份，回收率60%。由于网页的提交功能按钮只允许提交完整问卷，故有效率100%。受访者主要集中在近两年完成实验课程的大二、大三影像技术专业学生，以确保问卷调查的准确性。问卷主要内容及结果通过Excel的数据统计分析功能得到，分析如下。

2.1 实验内容反馈

1）调查学生对于开设实验内容的满意程度。如表1所示，95%的学生对开设实验内容表示满意或基本满意，肯定了实验内容存在价值。

2）调查学生对于实验内容的印象深刻程度以及对今后学习的影响程度。如表2所示，四大板块均有分布，说明实验平台的这几大板块都很有趣，都有其存在的价值。

2.2 实验平台评价

1）调查学生对于实验平台的整体评价，如表3所示。

2）进一步探究存在价值具体体现在哪些方面，将这个问题设置成多选形式，综合考虑实验平台存在价值，使结果更加全面，如表4所示。

3）通过此次调查发现实验平台存在的问题。如表5所示，调查表明，15%的学生不能熟练操作软件。进一步调查其原因发现，60%的学生是因为网络造成的软件卡顿。由于班级容量较大，教学任务重，网络问题是无法避免的一个问题。

此次问卷调查，可以反映出数学虚拟仿真实验平台的存在价值及存在的问题，针对问题积极改正，对于存在价值给予肯定。

3 存在价值

基于以上问卷调查分析，医学影像技术专业学生对于数学虚拟仿真实验平台存在价值的认可主要体现在以下几点。

3.1 充分调动学习积极性

问卷调查结果显示，75%的学生认为通过实验平台充分调动了学习积极性，对工程数学的学习产生浓厚的兴趣。高等数学课程相比其他学科更晦涩、枯燥，实验课的设立使得书面内容更加形象化。由于亲身实践，学生对于实验现象记忆会更深刻，更有利于对于高等数学知识的掌握。同时，由于学生学习积极性的提高，教师在讲课过程中更有激情，教学效率更高，课堂会更生动有趣，进而提高学生的积极性，学生和教师之间相互影响，从而有利于建立良好的师生关系与课堂氛围。总之，针对传统教学枯燥无味、学生积极性不高的问题，仿真实验平台提供了一个很好的解决方法，实验发展可谓是大势所趋。

3.2 培养学生实践能力

调查结果显示，90%的学生认为引进实验平台加深了自己对理论识的理解，培养了实践能力。很多医学院校影像技术专业开设了高等数学、工程数学及其实验课，从而达到理论与应用结合，让学生能够更好地掌握知识，灵活应用。“实践是检验真理的唯一标准。”仿真实验使得学生在学习枯燥知识的同时，了解具体操作事宜，有助于培养学生实干能力，培养实干型人才，这样可以满足影像技术专业对于人才的技术要求，从而推动影像技术专业在国内的发展。为了更好地将工程数学与影像专业技术相结合，应该积极利用虚拟仿真实验平台，以适应时代和科技的发展，培养新型的医学影像技术人才。

3.3 培养学生多方面能力

虚拟仿真实验平台对培养全方面人才的作用主要体现在三个方面。

1）引入仿真实验平台，通过实验课测评可以更全面地评估学生能力。目前，对于工程数学的考核基本上是通过期末考试一锤定音，反映的结果较为局限，不能很好地反映学生的综合能力。加入实验课程后，不仅可以考查学生理论知识的掌握程度，还可以反映学生的活学活用能力，有助于检验学生对知识的实际掌握，从而全面评估学生能力。

2）开设实验课，有助于培养学生的动手能力，利于本专业后续课程（如医学图像处理等）的开展和教学。

3）通过实验平台的利用，发现问题及时纠正，促进教学发展。平台不断完善，尽可能满足学生学习需要，使得学生的自身能力不断提升，满足医学影像技术专业的高要求，培养新时代要求的医学影像技术人才。

4 结束语

随着当今社会的不断发展，医学影像学也快速发展。医学影像学的发展，需要大批的技术人员[5]。工程数学在专业课程中的作用越来越大。因此，为了更好地发展医学影像技术专业，培养相关人才，工程数学的相关改革尤为重要。虚拟仿真实验的设立，有利于推动理论与实践相结合，提升教学水平，丰富教学手段，让学生体验到工程数学的乐趣，从而培养出适合新时代要求的医学影像技术实干型人才。为了更加远大的目标，应不断探索，推动工程数学发展，在总结经验和教训的基础上不断探讨和实践。

参考文献

[1] 刘东艳，范素军，刘桂然，等.医学影像技术专业工

程数学教学改革[J].中国教育技术装备，2019（17）：

92-94.

[2] 余建明，冯敢生，曾军.21世纪医学影像技术教育的

几点思考[J].临床放射学杂志，2001（7）：553-554.

[3] 楚智媛.医学院校数学实验课程教学研究[J].国际

公关，2020（12）：72-73.

[4] 欧阳云，许敏明.在《数学模型》课程教学中渗透

Matlab软件教学[J].产业与科技论坛，2021，20（2）：

165-166.

[5] 卞读军，肖恩华，周顺科，等.医学影像技术的发

展与展望[J].医院管理论坛，2005（8）：52-55.

*项目来源：河北医科大学创新性实验计划校级项目“数学虚拟仿真实验平台存在价值的研究与分析”（USIP2020

250）；“春晖计划”一般项目“医学院校数学‘课程思政教育教学改革的研究与实践”（2020CHYB-19）；创新训练项目“医学生专业认同现状与影响因素调查分析”（202013415008）。

作者：王红、张千惠，河北医科大学本科在读，研究方向为医学影像技术；刘淑贤，河北医科大学，助教，研究方向为医学影像数学教学、医学数据挖掘；范素军，通信作者，河北医科大学，副高，研究方向为医学影像数学教学（050017）。