以学生为中心的医学图像处理课程设计实践教学研究

    张爱桃　安东兴　单春燕　周旭

    

    

    摘? 要 为了在医学图像处理课程实践教学过程中实现以学生为中心，提高学生的自主学习能力，提高教学水平，河北医科大学设置了分层次的课程设计的教学环节。通过对学生的期末成绩进行统计分析，表明教学质量明显提高;对学生进行调查问卷的结果表明，本课程改革得到大多数学生的肯定，能够加强学生的自主学习、创新能力。

    关键词 医学图像处理;课程设计;雨课堂;实践教学

    中图分类号：G642.0? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）04-0132-03

    Research on Practice Teaching of Medical Image Processing Course Design with Students Centered//ZHANG Aitao， AN Dong-

    xing， SHAN Chunyan， ZHOU Xu

    Abstract In order to realize student-centered， improve students independent learning ability and improve the teaching level in the practical teaching process of medical image processing course， our school has set up the teaching link of hierarchical course design. The?statistical analysis of students final results shows that the teaching?quality has been improved significantly; the results of the question-naire show that the curriculum reform has been affirmed by most stu-dents， which can strengthen students independent learning and inno-vation ability.

    Key words medical image processing; curriculum design; rain class-room; practice teaching

    1 引言

    医学图像处理是医学影像技术专业的一门比较重要的主干课程，是以数字图像处理的基础知识为理论奠基，融合计算机应用技术和医学影像学，依托于医科院校开展的一门综合学科[1]。医学图像处理是一门应用技术，能够运用现代自然科学与工程技术的原理和方法，从工程学的角度对医学影像进行从定性到定量的分析。计算机技术实现对数字图像的获取、传输、存储、变换、理解等功能，使得从图像中自动或半自动提取人们感兴趣的图像特征成为可能，进而可以辅助医疗工作。

    医学图像处理是一门交叉学科，涉及学科较多（如数学、物理、计算机语言、医学影像学等）[2]。在课程教学中，如何通过运用丰富的创新教学手段培养学生的自主学习能力，激发学生的课程创新意识以及提高学生解决应对实际问题的能力，是当前一线教育教学工作者面临并亟待解决的现实问题。素质教育伴随着教育改革在我国深入推行，“以学生为中心”的教育理念已经获得越来越多的教育工作者的认可[3-4]。传统的讲授教学模式以教师为主导，一味地将知识单向灌输给学生，学生知识接受度差，无法发挥主观能动性。“以学生为中心”的教学模式充分认识到学生才是教学的中心，学生应该作为教学过程的主要参与者、教学过程中的教学主体，而教师则作为学生学习过程中的引领者和启发者，角色明确才能因材施教。教师和学生之间教学相长，教师改进“教”的手段和方法，学生发挥“学”的积极和主动。

    课程设计是一种实践教学环节[5]。本文通过在课堂中引入课程设计环节，将教学大纲和临床医学图像相结合，设计面向实际临床问题的小组作业，学生充分运用课堂知识来解决临床问题，真正做到自主学习和独立思考，同时对培养学生的团队协作能力有极大的促进作用。

    2 研究对象

    本研究在2018年3月—2019年7月期间，选取河北医科大学医学影像技术2015级（一个班）和2016级（一个班）两个班级（共计129人）为研究对象。在课程设计的改革研究中，两个班均使用雨课堂进行课堂教学活动的辅助手段。设定2015级（55人）为对照班级，该班级只采用课程设计第一个层次的六个实验;2016级为实验班级，采用课程设计第一个层次前四个实验和第二个层次的实验。选取课程为72学时的医学图像处理。

    3 课程设计内容

    医学图像处理课程是医学影像技术专业课的核心课程，是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的课程，因而实践教学在整个课程的教学过程中起着重要的作用。河北医科大学医学影像技术专业的医学图像处理课程在实践教学过程中设置了分层次的课程设计环节。此过程以学生为中心，分两个层次来完成：第一个层次引导学生对所学的理论知识进行综合，理解掌握知识之间内在关系，培养学生的编程和应用实践能力;第二个层次培养了学生运用所学知识，发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力。课程设计主要以MATLAB编程语言为实验教学平台，采用以学生为中心、教师给予指导的方式，充分发挥学生的主观能动性。

    课程设计教学环节的设计? 本课程设计共18个学时，分两个层次完成。

    1）基本功能的实现。目的是加深学生对课堂上所学的理论知识的理解及应用，包括图像的基本操作及灰度变换、图像空域增强、图像频率域增强、图像恢复、图像重建、图像分割，六个实验，每个实验三个学时，要求所有学生独立完成。每个实验给出实验题目、实验内容及供参考的实验结果图，需要学生自行设计实验步骤、流程及编写程序，实验完成后提交实验报告。在理论教学完成相应部分的内容之后，将实验题目、实验内容及相关要求布置给学生，让学生提前通过查阅资料准备相关知识。实验课上，学生主要就算法实现上的問题及图像效果和教师进行讨论，教师对学生实验结果进行验收评分。

    2）专题研究。目的是加深对所学专业的理解，培养他们利用所学知识解决实际医学问题的能力，激发学生的科研兴趣。专题研究在完成第一层次课程设计基础上进行，共六个学时，课程设计要求以课程设计任务书的形式发送给所有学生。课程设计任务书包括课程设计进度时间要求、课题题目、每个课题的目的、每个课题的内容、课程设计报告书的格式要求、课程设计答辩要求。采取小组合作制，按照宿舍进行分组，每组4～7人，随机分配实验课题，每组指定一个课题，学生课下可以协商调换题目。该课程设计主要是学生利用课余时间自行检索、查阅相关文献资料，设计实验方案，编写程序及分析结果，实验课上就遇到的问题与教师讨论，教师分别给予指导。学生按照规范格式撰写课程设计报告，进行课程设计答辩。

    实验组班级完成第一个层次的前四个实验及第二层次的专题研究;对照组班级只要求完成第一层次的基本功能实现的全部六个实验，不做专题研究。

    课程设计的题目设置? 本课程设计选择的题目既考虑到医学影像技术专业的医学背景，又具有一定的工程应用性，采用的医学图像主要包括X线图像、CT图像、MRI图像、冠脉造影图像等。基本功能实现部分的选题和理论课的讲解内容与顺序是一致的;专题研究的选题涉及图像增强、恢复、重建、分割及边缘提取等处理方法，目前题目有主动脉造影图像血管边缘提取、脂肪瘤的B超图像边缘轮廓提取、MRI图像的有约束恢复和几何失真校正、胸部CT图像边缘提取及标记、PET图像的空域增强、X-ray图像的频域滤波和空域增强、脑积液区域的分割、脊柱肿瘤的边缘提取、CT图像重建。

    4 考核方式

    1）基本功能的实现部分，学生每次实验课结束时提交实验报告，教师针对实验的完成情况打分，每个实验2分。

    2）专题研究部分，每组学生需要提交课程设计报告书及成果汇报（PPT）答辩。课程设计的基本要求是小组分工合作，每位学生都能独立完成答辩，因此，教师随机抽取该小组的一位学生进行答辩。评委由九位教师组成，就学生汇报内容进行提问，特别鼓励学生之间互相提问，参与答辩的教师现场给出答辩成绩。答辩完成后，任课教师综合答辩成绩及课程设计报告书的完成情况给出总的成绩，总分30分。

    这种全新的考核方式，加强了学生的积极思维，使他们勇于表达自己的想法，提高了自主创新能力及团队合作意识。在实施过程中通过师生调查表监控教学改革的效果。

    5 结果分析

    1）本文对专题研究部分的课程设计对教学质量的影响做了统计分析，分析专题研究得分与期末理论课成绩的关系，如表1所示。专题研究分数高的学生，期末理论课成绩也相应较高。同时比较了实验班级和对照班级的学生理论考试的平均分（实验班级为83.29分，对照班级为78.18分），采用t检验，P=0.01<0.05，差异有统计学意义，说明该层次的课程设计能有效提高教学质量。

    2）教学过程是双向的，教学改革能否得到学生认可是决定教学效果的关键因素之一。在2016级影像技术专业的学生中进行问卷调查，调查结果如表2所示。可见，85.4%以上的学生认可本课程设计的分组方式、题目设置及考核方式，并认为对其相关知识的理解巩固、分析问题与解决问题能力的培养及将来的职业生涯有帮助。

    3）通过学生提交的实验报告和课程设计报告书可以感觉到，学生的自主学习能力、编程能力和分析能力都明显增强，对医学图像处理课程也有了整体的更深层次的理解。课程学习之初，大部分学生对自行查阅文献、寻找解决方法有为难情绪，反映算法设计及编程基础不够;学期末课程设计结束时，几乎所有学生都可以独立完成第一层次的课程设计，感觉到自己真正能够通过编程解决临床的医学图像问题，动手能力方面的信心大大增强，同时对图像处理课程有了更深层次的理解，一些优秀学生的课程设计无论在算法设计、编程还是结果的分析讨论上都达到很高的水准。同时，通过进行限时PPT答辩，学生的归纳总结能力和表达能力也都得到提高。

    6 结语

    医学图像处理是理论性和实践性结合紧密的课程，也是影像技术专业的主干课程。本文结合教学实践，对该课程的实践教学方法进行教学探讨，设置课程设计教学环节，以学生为中心培养学生的自主学习能力，分析解决问题能力、创新能力及表达能力。课程设计改革教学效果较好，学生的满意度高，考核成绩、自主创新能力都有所提升。同时，研究型教学对承担课程的教也师提出更高的要求：教师必须不断更新自己的知识结构，处于学科的前沿，把研究与教学有机地结合起来，正确引导学生进行自主尝试，以培养学生独立探索、独立创造为己任，为培养更适合当今医学科技发展的高素质综合人才而努力。

    参考文献

    [1]孟雪，钟亚鼎，陈月明，等.加强大学生医学图像处理创新实践能力探索：以安徽医科大学为例[J].科教文汇，2019（9）：103-104，107.

    [2]董默，苏奎，周志尊，等.生物医学工程专业《医学图像处理》实践教学的改革[J].软件，2017（2）：37-41.

    [3]李宗帅，王修岩.以学生为中心的教学理念在教学中的应用[J].大学教育，2019（12）：35-37，51.

    [4]张策，李剑雄，吕为工，等.以学生为中心的《计算机组成原理》课程教学改革探索[J].软件导刊，2019（11）：45-49.

    [5]刘设，刘巍巍，刘杰.工业工程专业课程设计体系改革与实践[J].科教文汇，2019（11）：81-82.

    项目来源：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“网络环境下基于《医学图像处理》课程的学生自主学习能力的培养与评价研究”（基金编号：2018GJJG160）;河北医科大学教育教学研究项目“以学生为中心的《医学图像处理》教学改革的研究”。

    作者：张爱桃，河北医科大学影像学院，讲师，研究方向为信号处理、图像处理;安东兴，河北医科大学影像学院，讲师，研究方向为图像处理、嵌入式系统;单春燕，河北医科大学影像学院，讲师，研究方向为医学信号与系统;周旭，通讯作者，河北医科大学影像學院，讲师，研究方向为图像处理、数据挖掘（050017）。