面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“醫(yī)學(xué)圖像處理”實(shí)驗教學(xué)改革研究

王克難 王亞平 李福星 李子軍

摘 要：以“醫(yī)學(xué)圖像處理”實(shí)驗課程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為目的，以“醫(yī)學(xué)圖像處理”實(shí)驗課程教學(xué)改革為例展開研究，通過實(shí)驗教學(xué)改革，激發(fā)了醫(yī)學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高了學(xué)生的動手能力，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立從事科研工作的能力。實(shí)踐證明，教學(xué)改革方案對于提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力和提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果有顯著作用。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像處理；實(shí)驗改革；創(chuàng)新能力

醫(yī)學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展，有賴于醫(yī)學(xué)自身認(rèn)識能力的提高，更有賴富于獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力的醫(yī)學(xué)人才的成長，在大學(xué)階段培養(yǎng)和造就富于創(chuàng)新能力的醫(yī)學(xué)人才，是時代賦予我們的神圣使命。

醫(yī)學(xué)圖像處理是一門系統(tǒng)地研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的較新的課程，實(shí)驗教學(xué)在“醫(yī)學(xué)圖像處理”課程中起著越來越重要的作用，數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗教學(xué)的目的在于讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)成像和圖像處理方面的基本原理、方法和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學(xué)生解決該方面實(shí)際問題的能力。本文通過對醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗課程進(jìn)行改革研究，通過實(shí)踐動手環(huán)節(jié)，有效培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，并為醫(yī)療學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)驗教學(xué)模式提供借鑒。

一、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考的積極性

通過實(shí)驗教學(xué)改革，設(shè)計新的實(shí)驗方案，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)主動參與意識。學(xué)生對實(shí)驗內(nèi)容產(chǎn)生了好奇，就會積極主動地查找相關(guān)資料，與老師和同學(xué)討論。實(shí)驗過程嘗試多種教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗內(nèi)容的濃厚興趣。同時，采用醫(yī)院實(shí)際應(yīng)用案例，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣和解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力。醫(yī)學(xué)圖像處理課程相關(guān)的數(shù)學(xué)理論抽象，算法難度偏大，給教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)造成了很大的困難。利用影像物理課程的“醫(yī)學(xué)圖像處理”實(shí)驗教學(xué)中的Matlab軟件使用Matlab圖像處理工具箱函數(shù)將大大減輕圖像數(shù)據(jù)的繁雜操作，使學(xué)生更加快捷地完成圖像處理任務(wù)，可以把更多的精力傾注于各種圖像處理算法的效果上。Matlab為醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的學(xué)生提供了一個很好的編程平臺，使學(xué)生能夠編程實(shí)現(xiàn)簡單的圖像處理算法，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力和實(shí)際動手能力，使學(xué)生能更快、更好掌握圖像處理和圖像分析的基本理論和分析方法。對于醫(yī)學(xué)圖像處理這門課程的特點(diǎn)，布置大量上機(jī)操作訓(xùn)練，讓學(xué)生體驗圖像處理的樂趣。例如，圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗，圖像增強(qiáng)技術(shù)是圖像處理的重要內(nèi)容，用來改善圖像的質(zhì)量，一幅視覺效果很差的圖像，其灰度直方圖都集中在很窄的一段區(qū)間內(nèi)，為了增強(qiáng)該圖像的對比度，提高圖像的視覺效果，就需要采用一種圖像增強(qiáng)方法。Matlab工具箱中有求直方圖函數(shù)imhist和均衡化函數(shù)histeq函數(shù)，讀取原始圖像后，直接調(diào)用工具箱的相應(yīng)函數(shù)就可以處理圖像，可以讓學(xué)生自己編寫函數(shù)，嘗試用不同的方法改善圖像，將增強(qiáng)后的圖像與原圖像進(jìn)行相比，觀察處理結(jié)果，不斷改進(jìn)，這樣就可以使學(xué)生對直方圖均衡化圖像增強(qiáng)方法產(chǎn)生興趣。

二、通過開展研究性教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考能力

開展研究性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在教學(xué)中的主動性和創(chuàng)造性，它是以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新實(shí)踐能力為核心的一種教學(xué)活動方式，可以提高學(xué)生的觀察、操作、研究的能力且開發(fā)其創(chuàng)新思維。具體實(shí)施步驟為：首先，教師根據(jù)課程內(nèi)容，提出問題，解釋實(shí)驗題目的內(nèi)容和研究目標(biāo)。其次，學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，找到感興趣的課題題目。再次，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生提出解決問題的方案，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的動機(jī)，鼓勵學(xué)生自己編程調(diào)試實(shí)現(xiàn)，學(xué)生開動腦筋，親自動手，開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力并使其對該學(xué)科產(chǎn)生興趣。最后，實(shí)驗總結(jié)和評價。實(shí)驗結(jié)束，有針對性地找出典型實(shí)驗，對于最優(yōu)解決方案和尚有不足的解決方案，分別對各方案的研究方法、技術(shù)路線、研究結(jié)論進(jìn)行總結(jié)和評價。以醫(yī)學(xué)圖像處理的直方圖知識點(diǎn)為例，首先教師解釋該實(shí)驗題目的內(nèi)容和研究目標(biāo)，認(rèn)識直方圖在圖像處理中的基本概念，接下來需要學(xué)生對教材的知識進(jìn)行系統(tǒng)的掌握，并且要查閱相關(guān)資料，根據(jù)課本上直方圖的數(shù)學(xué)公式，利用Matlab軟件仿真出一幅圖像的直方圖分布，進(jìn)而得出的仿真圖與利用Matlab圖像處理工具箱的imhist函數(shù)得到的直方圖分布圖片進(jìn)行比較，根據(jù)兩者圖像曲線的相似度來判斷自己編寫的程序是否合理。學(xué)生完成上述步驟后，教師需進(jìn)行實(shí)驗總結(jié)和評價并對本實(shí)驗進(jìn)行統(tǒng)一演示，對共性問題統(tǒng)一解決，對個別問題應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)。

三、充分利用實(shí)驗室條件，通過實(shí)驗室教學(xué)，解決一些圖像處理問題

配合20學(xué)時的理論課程，安排了12學(xué)時的實(shí)驗課。設(shè)計了5個多達(dá)20學(xué)時的實(shí)驗內(nèi)容供學(xué)生選擇，其中驗證性實(shí)驗2個8學(xué)時，目的是鞏固和掌握在醫(yī)學(xué)圖像處理理論內(nèi)容中的基本的原理、算法及思想；綜合性實(shí)驗2個8學(xué)時，使理論課程中的重要知識點(diǎn)的綜合運(yùn)用能力得到提高；設(shè)計創(chuàng)新性實(shí)驗1個4學(xué)時，運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題、與本學(xué)科前沿研究相結(jié)合、注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效手段。選擇圖像處理中最重要的算法作為實(shí)驗課教學(xué)的主要內(nèi)容，覆蓋了醫(yī)學(xué)圖像處理中圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像分割、圖像特征描述、彩色圖像處理等各個重要部分，并利用實(shí)驗室開放管理的模式為學(xué)生課下做實(shí)驗提供了條件，以滿足因材施教，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的思想，以及滿足不同層次學(xué)生的需要。

四、通過實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)，開展拓展性探究學(xué)習(xí)

通過醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)，了解社會對該課程應(yīng)用方向的實(shí)際需求情況以及創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行項目開發(fā)，積累實(shí)踐經(jīng)驗和工作技能，培養(yǎng)地科研、生產(chǎn)實(shí)踐一體化的創(chuàng)新型人才。增加課外設(shè)計實(shí)驗，鼓勵學(xué)生對算法改進(jìn)或提出新的解決算法，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力。加強(qiáng)科研訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐意識，重視實(shí)際研究性問題實(shí)驗，有針對性地提出研究性問題，讓學(xué)生利用所學(xué)知識進(jìn)行解決。例如，我們提出了附屬醫(yī)院實(shí)際MRI圖像分割問題，讓學(xué)生利用圖像分割的方法去解決，提高學(xué)生開展科學(xué)研究的能力。這些科研訓(xùn)練能提高學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新實(shí)踐意識，從而提高學(xué)生開展科學(xué)研究的能力，為今后工作打下良好基礎(chǔ)。

總之，針對醫(yī)學(xué)圖像處理課程的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)科組多年的教學(xué)經(jīng)驗，在實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐等環(huán)節(jié)中對如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維這個課題進(jìn)行了一些具有改革性的嘗試，結(jié)合實(shí)驗教學(xué)案例，簡要闡述了如何利用實(shí)際的案例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新動機(jī)。通過教學(xué)效果能夠看出該實(shí)踐可以有效地激發(fā)學(xué)生的興趣，在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力同時可以加深學(xué)生對實(shí)際問題的理解，加強(qiáng)了學(xué)生對知識綜合運(yùn)用和創(chuàng)新研究的能力。

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基金項目：本文系2012遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項（2012-821），遼寧醫(yī)學(xué)院2012教改重大項目（ZD201205）子課題資助。

作者簡介：王克難，1961年2月出生，男，漢族，遼寧錦州人，副教授，從事物理學(xué)與電子技術(shù)教學(xué)工作。

編輯 魯翠紅