高宏建 王笑茹 吳水才

摘要：自學(xué)型課程對于提高學(xué)生專業(yè)水平、增強學(xué)生綜合素質(zhì)具有極其重要的意義。我們結(jié)合專業(yè)特色，在多年教學(xué)研究的基礎(chǔ)上，開展了《MATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》自學(xué)型課程，通過利用易于自學(xué)的開發(fā)平臺MATLAB來分析和處理各種醫(yī)學(xué)信號，鍛煉學(xué)生深入掌握專業(yè)理論知識的技能。教學(xué)實踐證明，MATLAB自學(xué)型課程能夠有效地培養(yǎng)和塑造學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：自學(xué)型課程;MATLAB;生物醫(yī)學(xué)工程;自主學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0111-04

生物醫(yī)學(xué)工程是理學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，其中所涉及的工程理論知識和實際應(yīng)用技能廣博深奧。課堂教育的知識對于學(xué)生而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)尤為重要。研究表明，當(dāng)學(xué)生能夠?qū)⒖菰锏睦碚撝R付諸實踐時，他們的學(xué)習(xí)動力和學(xué)習(xí)興趣就會極大地提高[1]。因此在教學(xué)實踐中，如何提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實踐技能，并進(jìn)而改善學(xué)生的綜合素質(zhì)是重中之重。MATLAB（Mathworks Inc.，Natick，MA，USA）開發(fā)環(huán)境可允許學(xué)生通過程序設(shè)計來解決實際專業(yè)問題，從而增強對課堂抽象概念的理解[2]。但在專業(yè)教學(xué)中，普遍存在課時有限、學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足、重視程度欠缺等問題[3]。因此，基于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)要求和特點，我院開設(shè)了基于MATLAB平臺的自學(xué)型課程《MATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》，其目的是使學(xué)生利用MATLAB實際處理各種醫(yī)學(xué)信號，獲得工程師的成就感[4]，由此來培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在自主性課程的教學(xué)中，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)，探索方法，自主完成課程考核的要求，從而培養(yǎng)和塑造學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事科學(xué)研究和工程設(shè)計奠定扎實的基礎(chǔ)。

一、MATLAB自學(xué)型課程開設(shè)現(xiàn)狀

MATLAB開發(fā)平臺易于掌握并且封裝了許多成熟的信號處理算法，因此MATLAB已成為大學(xué)生解決各種問題的優(yōu)選工具。北京工業(yè)大學(xué)自2007年開始自學(xué)型課程的實踐探索，以學(xué)生需求為導(dǎo)向[5]，在全國高校中率先設(shè)置了自學(xué)型課程，并深入地研究了小組學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)教育、自主實驗、團隊競賽的學(xué)習(xí)模式[6]。上海大學(xué)在自學(xué)型課程的教學(xué)過程中采用“分步實施，逐步推進(jìn)”的方式來培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新實踐能力。上海外國語學(xué)院教育系采用“網(wǎng)絡(luò)教育結(jié)合自主學(xué)習(xí)的方法”來培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力[7]。在自學(xué)型課程的開展過程中，多所大學(xué)基于MATLAB平臺并結(jié)合專業(yè)特點來進(jìn)行實施。中國石油大學(xué)地球物理和信息工程學(xué)院在MATLAB自學(xué)課程的設(shè)計中，采用“重應(yīng)用，輕編程”的方法，使學(xué)生利用軟件包來實現(xiàn)水印圖像的處理[2]。廣西民族大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)對于MATLAB的學(xué)習(xí)采用“綜合實驗”的方法，讓學(xué)生根據(jù)課程要求自主采集專業(yè)數(shù)據(jù)、自主設(shè)計以及自主分析，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生在實踐中實現(xiàn)理論的目的[8]。東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院采取“適量講授、上機實踐和綜合實例”的方法來完成MATLAB的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生借助參考書和電子資源進(jìn)行自學(xué)的能力并為他們提供獨立分析解決問題的機會[9]。西安科技大學(xué)通信與信息學(xué)院在圖像處理的教學(xué)實踐中采用了MATALB綜合實驗教學(xué)，取得了較好的效果[10]。華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院基于案例教學(xué)、遞進(jìn)式任務(wù)設(shè)計來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[11]。國外許多大學(xué)也采用MATLAB鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。德國亞琛工業(yè)大學(xué)電氣工程和信息技術(shù)學(xué)院采取“八天、全封閉實驗室”的方法，要求學(xué)生將數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換成MATLAB中的算法來控制樂高機器人，在封閉實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、編程能力、自主學(xué)習(xí)能力和協(xié)作能力，取得了優(yōu)異的教學(xué)效果[12]。

基于國內(nèi)外多所大學(xué)開展MATLAB自學(xué)型課程的先進(jìn)經(jīng)驗，我們結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)特點開設(shè)了自學(xué)型課程《MATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》。

二、本專業(yè)開展MATLAB自學(xué)型課程的概況

MATLAB自學(xué)型課程在本專業(yè)課程的設(shè)置中作為專業(yè)限選課，安排32學(xué)時供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中，經(jīng)常涉及醫(yī)學(xué)相關(guān)信號的處理，例如，心電信號、腦電信號、各種醫(yī)學(xué)圖像信息（包括CT圖像、磁共振圖像、超聲圖像）等。因此，在《MATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》的教學(xué)中，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)掌握MATLAB編程語言，并自主查閱文獻(xiàn)和自主設(shè)計方案來實現(xiàn)醫(yī)學(xué)信號和醫(yī)學(xué)圖像的分析處理，從而增強對生物醫(yī)學(xué)信號和圖像處理理論和方法的理解。本課程的重點在于如何調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性來實現(xiàn)自學(xué)型課程的要求和目標(biāo)。

三、MATLAB自學(xué)型課程在本專業(yè)教學(xué)中的具體實施

本學(xué)院在MATLAB自學(xué)型課程開展的過程中，采取自學(xué)為主，教學(xué)為輔，專題訓(xùn)練，層層推進(jìn)的策略來培養(yǎng)學(xué)生實際解決專業(yè)問題的能力，由此來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1.適當(dāng)講授，夯實基礎(chǔ)。為了幫助學(xué)生快速地入門并且培養(yǎng)良好的編程習(xí)慣，本課程選擇朱仁峰教授編譯的《精通MATLAB 7》（2006年清華大學(xué)出版社出版）作為參考教材，通過適當(dāng)教學(xué)，使學(xué)生掌握操作平臺的基本使用方法，包括MATLAB編程環(huán)境、基本MATLAB語句、m文件的編寫以及基本調(diào)試過程，由此為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.專題訓(xùn)練，深化學(xué)習(xí)。在后續(xù)教學(xué)中，根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色設(shè)計專題內(nèi)容對學(xué)生進(jìn)行專題訓(xùn)練，具體如表1所示。在專題訓(xùn)練教學(xué)中，教師適當(dāng)指導(dǎo)，每周檢查學(xué)生的自學(xué)效果，由此督促學(xué)生對MATLAB和專業(yè)知識的深化學(xué)習(xí)。

通過專題訓(xùn)練，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)和塑造學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使得他們在各專題實踐中掌握利用MATLAB處理醫(yī)學(xué)信號或圖像的基本技巧，由此可以層層推進(jìn)，為課程的后續(xù)開展奠定基礎(chǔ)。圖1—2示出了圖像處理專題訓(xùn)練和心電信號處理專題訓(xùn)練的一些結(jié)果。

3.綜合設(shè)計，自主鍛煉。在專題訓(xùn)練結(jié)束后，要求學(xué)生基于上述基礎(chǔ)并通過自主學(xué)習(xí)完成綜合課程設(shè)計，這是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的關(guān)鍵步驟。本課程綜合設(shè)計的題目為“在MATLAB開發(fā)平臺下對肝臟CT圖像進(jìn)行三維重建”，該題目為非常開放性的題目，要求學(xué)生最終獲得理想的肝臟三維立體模型。學(xué)生可以采用各種各樣的圖像處理算法來實現(xiàn)最終的課程設(shè)計要求，這樣可以給予學(xué)生充分自由發(fā)揮的空間。研究表明，小組合作學(xué)習(xí)方式通常有助于學(xué)生獲得團隊管理、交流和表達(dá)方面的社會和專業(yè)技能[13]。因此在綜合課程設(shè)計中，要求每3個學(xué)生組成MATLAB合作小組，由組長統(tǒng)一協(xié)調(diào)，綜合設(shè)計，最終形成具有小組特色的課程設(shè)計，這樣避免了有些同學(xué)懶散和抄襲的不良習(xí)慣。在該課程設(shè)計中，主要涉及醫(yī)學(xué)CT序列圖像的讀取、醫(yī)學(xué)圖像的對比度改變、直方圖處理、肝臟的三維分割、肝臟的三維重建、三維模型后處理（包括網(wǎng)格化簡和表面光滑等）。通過以上方式，可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性。在綜合課程設(shè)計中，學(xué)生需要查閱文獻(xiàn)，自主調(diào)用優(yōu)化的圖像處理算法來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，由此能夠極大地提高學(xué)生的動手能力和自主學(xué)習(xí)能力。圖3示出了學(xué)生在綜合課程設(shè)計中的一些結(jié)果。

4.課程考核，鞏固效果。一些學(xué)者對自學(xué)型課程的考核進(jìn)行了深入的探索，獲得了不錯的教學(xué)效果[14]。我們在借鑒這些考核方法的同時，形成了具有專業(yè)特色的考核方式。課程考核包括專題成績（40%）和綜合課程設(shè)計（60%）。專題成績主要對學(xué)生的動手能力和階段性學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價，綜合課程設(shè)計主要針對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行評價，以小組成績來對給學(xué)生評定成績。由學(xué)生演示其編程運行結(jié)果，根據(jù)其掌握程度和演示效果給學(xué)生判定成績。綜合課程設(shè)計的另外一部分為課程設(shè)計報告和科研論文的書寫。課程設(shè)計報告主要側(cè)重討論部分，總結(jié)出自主學(xué)習(xí)過程中的問題和心得體會，科研論文要求學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，結(jié)合自己的課程設(shè)計書寫相關(guān)的論文。課程考核的各個環(huán)節(jié)都對自主學(xué)習(xí)能力提出了較高要求，從而對于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和綜合素質(zhì)具有極大的推動作用。

四、MATLAB自學(xué)型課程的教學(xué)反饋和實踐總結(jié)

隨著對素質(zhì)教育的重視，自學(xué)能力的塑造成為學(xué)生綜合素質(zhì)中非常重要的一環(huán)。MATLAB自學(xué)型課程的開設(shè)極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性。一方面他們在自學(xué)過程中不存在考核壓力和教師督促的束縛;另一方面，可以在MATLAB平臺上將空洞的信號和圖像處理理論變成現(xiàn)實，獲得特有的成就感。

在MATLAB自學(xué)型課程的實踐過程中，學(xué)生普遍感覺自主學(xué)習(xí)能力得到了極大提高，同時相關(guān)的專業(yè)理論知識也得到了更好的理解。學(xué)生在MATLAB自主學(xué)習(xí)的過程中，感覺這種課程能夠填補課余時間，提高自己的綜合能力。同時MATLAB自學(xué)型課程的開設(shè)為樂于自主學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了非常有價值的鍛煉機會。

另外MATLAB自學(xué)型課程的開設(shè)為學(xué)生提供了自由發(fā)揮的空間，使得學(xué)生能夠在MATLAB平臺上發(fā)揮想象力，通過算法設(shè)計來實現(xiàn)自己的目標(biāo)，由此可消除傳統(tǒng)課程教學(xué)方式的束縛，培養(yǎng)學(xué)生的開放思想。

因此，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，我們在MATLAB自學(xué)型課程的開展過程中，適當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的自主學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生擴展視野，增強動手能力，全面提高自己的素質(zhì)。

五、結(jié)論

通過《MATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》自學(xué)型課程，學(xué)生熟練地掌握了MATLAB的使用方法，并能夠在MATLAB平臺上充分發(fā)揮自己的能力，按照自己的設(shè)計思想解決專業(yè)相關(guān)問題，極大地提高了學(xué)生的主觀能動性和自主學(xué)習(xí)能力。另外，為了進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，可針對學(xué)生的愛好設(shè)計合適的綜合課程設(shè)計題目，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，真正實現(xiàn)“我要學(xué)”，從而獲得更好的自主學(xué)習(xí)效果?！禡ATLAB及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用》自學(xué)型課程的開展，不僅鍛煉了學(xué)生的設(shè)計能力、動手能力和創(chuàng)新能力，而且使得學(xué)生能夠在接受知識教育的同時實現(xiàn)良好的科學(xué)素質(zhì)訓(xùn)練，因此對于培養(yǎng)和塑造學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力以及提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題的綜合素質(zhì)具有極其重要的作用。

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