MATLAB自學型課程在生物醫學工程專業的教學探索

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　　摘要：自學型課程對于提高學生專業水平、增強學生綜合素質具有極其重要的意義。我們結合專業特色，在多年教學研究的基礎上，開展了《MATLAB及其醫學應用》自學型課程，通過利用易于自學的開發平臺MATLAB來分析和處理各種醫學信號，鍛煉學生深入掌握專業理論知識的技能。教學實踐證明，MATLAB自學型課程能夠有效地培養和塑造學生的自主學習能力。
　　關鍵詞：自學型課程;MATLAB;生物醫學工程;自主學習
　　中圖分類號：G642.0     文獻標志碼：A     文章編號：1674-9324（2019）20-0111-04
　　 生物醫學工程是理學、工學和醫學相結合的交叉學科，其中所涉及的工程理論知識和實際應用技能廣博深奧。課堂教育的知識對于學生而言遠遠不夠，因此自主學習能力的培養尤為重要。研究表明，當學生能夠將枯燥的理論知識付諸實踐時，他們的學習動力和學習興趣就會極大地提高[1]。因此在教學實踐中，如何提高學生自主學習的興趣，培養學生的動手能力和實踐技能，并進而改善學生的綜合素質是重中之重。MATLAB（Mathworks Inc.，Natick，MA，USA）開發環境可允許學生通過程序設計來解決實際專業問題，從而增強對課堂抽象概念的理解[2]。但在專業教學中，普遍存在課時有限、學生學習動力不足、重視程度欠缺等問題[3]。因此，基于生物醫學工程專業要求和特點，我院開設了基于MATLAB平臺的自學型課程《MATLAB及其醫學應用》，其目的是使學生利用MATLAB實際處理各種醫學信號，獲得工程師的成就感[4]，由此來培養學生的自主學習能力。在自主性課程的教學中，要求學生查閱文獻，探索方法，自主完成課程考核的要求，從而培養和塑造學生自主學習、分析問題和解決問題的能力，為學生畢業后從事科學研究和工程設計奠定扎實的基礎。
　　一、MATLAB自學型課程開設現狀
　　MATLAB開發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已成為大學生解決各種問題的優選工具。北京工業大學自2007年開始自學型課程的實踐探索，以學生需求為導向[5]，在全國高校中率先設置了自學型課程，并深入地研究了小組學習、網絡教育、自主實驗、團隊競賽的學習模式[6]。上海大學在自學型課程的教學過程中采用“分步實施，逐步推進”的方式來培養學生的綜合能力和創新實踐能力。上海外國語學院教育系采用“網絡教育結合自主學習的方法”來培養學生的自學能力[7]。在自學型課程的開展過程中，多所大學基于MATLAB平臺并結合專業特點來進行實施。中國石油大學地球物理和信息工程學院在MATLAB自學課程的設計中，采用“重應用，輕編程”的方法，使學生利用軟件包來實現水印圖像的處理[2]。廣西民族大學和廣東工業大學對于MATLAB的學習采用“綜合實驗”的方法，讓學生根據課程要求自主采集專業數據、自主設計以及自主分析，從而達到鍛煉學生在實踐中實現理論的目的[8]。東南大學儀器科學與工程學院采取“適量講授、上機實踐和綜合實例”的方法來完成MATLAB的學習，提高學生借助參考書和電子資源進行自學的能力并為他們提供獨立分析解決問題的機會[9]。西安科技大學通信與信息學院在圖像處理的教學實踐中采用了MATALB綜合實驗教學，取得了較好的效果[10]。華東交通大學電氣與自動化工程學院基于案例教學、遞進式任務設計來提高學生的學習積極性[11]。國外許多大學也采用MATLAB鍛煉學生的自主學習能力。德國亞琛工業大學電氣工程和信息技術學院采取“八天、全封閉實驗室”的方法，要求學生將數學方法轉換成MATLAB中的算法來控制樂高機器人，在封閉實驗過程中培養學生的學習興趣、編程能力、自主學習能力和協作能力，取得了優異的教學效果[12]。
　　基于國內外多所大學開展MATLAB自學型課程的先進經驗，我們結合生物醫學工程的專業特點開設了自學型課程《MATLAB及其醫學應用》。
　　二、本專業開展MATLAB自學型課程的概況
　　MATLAB自學型課程在本專業課程的設置中作為專業限選課，安排32學時供學生自主學習。在生物醫學工程專業中，經常涉及醫學相關信號的處理，例如，心電信號、腦電信號、各種醫學圖像信息（包括CT圖像、磁共振圖像、超聲圖像）等。因此，在《MATLAB及其醫學應用》的教學中，要求學生自主學習掌握MATLAB編程語言，并自主查閱文獻和自主設計方案來實現醫學信號和醫學圖像的分析處理，從而增強對生物醫學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動學生的積極性和創造性來實現自學型課程的要求和目標。
　　三、MATLAB自學型課程在本專業教學中的具體實施
　　本學院在MATLAB自學型課程開展的過程中，采取自學為主，教學為輔，專題訓練，層層推進的策略來培養學生實際解決專業問題的能力，由此來提高學生的綜合素質。
　　1.適當講授，夯實基礎。為了幫助學生快速地入門并且培養良好的編程習慣，本課程選擇朱仁峰教授編譯的《精通MATLAB 7》（2006年清華大學出版社出版）作為參考教材，通過適當教學，使學生掌握操作平臺的基本使用方法，包括MATLAB編程環境、基本MATLAB語句、m文件的編寫以及基本調試過程，由此為學生的自主學習奠定堅實的基礎。
　　2.專題訓練，深化學習。在后續教學中，根據生物醫學工程專業特色設計專題內容對學生進行專題訓練，具體如表1所示。在專題訓練教學中，教師適當指導，每周檢查學生的自學效果，由此督促學生對MATLAB和專業知識的深化學習。
　　通過專題訓練，提高學生的學習興趣，培養和塑造學生的自主學習能力，使得他們在各專題實踐中掌握利用MATLAB處理醫學信號或圖像的基本技巧，由此可以層層推進，為課程的后續開展奠定基礎。圖1—2示出了圖像處理專題訓練和心電信號處理專題訓練的一些結果。 　　3.綜合設計，自主鍛煉。在專題訓練結束后，要求學生基于上述基礎并通過自主學習完成綜合課程設計，這是培養學生綜合素質的關鍵步驟。本課程綜合設計的題目為“在MATLAB開發平臺下對肝臟CT圖像進行三維重建”，該題目為非常開放性的題目，要求學生最終獲得理想的肝臟三維立體模型。學生可以采用各種各樣的圖像處理算法來實現最終的課程設計要求，這樣可以給予學生充分自由發揮的空間。研究表明，小組合作學習方式通常有助于學生獲得團隊管理、交流和表達方面的社會和專業技能[13]。因此在綜合課程設計中，要求每3個學生組成MATLAB合作小組，由組長統一協調，綜合設計，最終形成具有小組特色的課程設計，這樣避免了有些同學懶散和抄襲的不良習慣。在該課程設計中，主要涉及醫學CT序列圖像的讀取、醫學圖像的對比度改變、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（包括網格化簡和表面光滑等）。通過以上方式，可以充分調動學生的積極性。在綜合課程設計中，學生需要查閱文獻，自主調用優化的圖像處理算法來實現相應的功能，由此能夠極大地提高學生的動手能力和自主學習能力。圖3示出了學生在綜合課程設計中的一些結果。
　　4.課程考核，鞏固效果。一些學者對自學型課程的考核進行了深入的探索，獲得了不錯的教學效果[14]。我們在借鑒這些考核方法的同時，形成了具有專業特色的考核方式。課程考核包括專題成績（40%）和綜合課程設計（60%）。專題成績主要對學生的動手能力和階段性學習成果進行評價，綜合課程設計主要針對學生的自主學習能力進行評價，以小組成績來對給學生評定成績。由學生演示其編程運行結果，根據其掌握程度和演示效果給學生判定成績。綜合課程設計的另外一部分為課程設計報告和科研論文的書寫。課程設計報告主要側重討論部分，總結出自主學習過程中的問題和心得體會，科研論文要求學生自主查閱文獻，結合自己的課程設計書寫相關的論文。課程考核的各個環節都對自主學習能力提出了較高要求，從而對于培養學生的自學能力和綜合素質具有極大的推動作用。
　　四、MATLAB自學型課程的教學反饋和實踐總結
　　隨著對素質教育的重視，自學能力的塑造成為學生綜合素質中非常重要的一環。MATLAB自學型課程的開設極大地調動了學生的積極性和主動性。一方面他們在自學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實，獲得特有的成就感。
　　在MATLAB自學型課程的實踐過程中，學生普遍感覺自主學習能力得到了極大提高，同時相關的專業理論知識也得到了更好的理解。學生在MATLAB自主學習的過程中，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自學型課程的開設為樂于自主學習的學生提供了非常有價值的鍛煉機會。
　　另外MATLAB自學型課程的開設為學生提供了自由發揮的空間，使得學生能夠在MATLAB平臺上發揮想象力，通過算法設計來實現自己的目標，由此可消除傳統課程教學方式的束縛，培養學生的開放思想。
　　因此，基于學生的學習反饋，我們在MATLAB自學型課程的開展過程中，適當指導學生掌握科學的自主學習方法，提高學生的學習興趣，促進學生擴展視野，增強動手能力，全面提高自己的素質。
　　五、結論
　　通過《MATLAB及其醫學應用》自學型課程，學生熟練地掌握了MATLAB的使用方法，并能夠在MATLAB平臺上充分發揮自己的能力，按照自己的設計思想解決專業相關問題，極大地提高了學生的主觀能動性和自主學習能力。另外，為了進一步提高學生自主學習的興趣，可針對學生的愛好設計合適的綜合課程設計題目，充分調動學生的積極性，真正實現“我要學”，從而獲得更好的自主學習效果?！禡ATLAB及其醫學應用》自學型課程的開展，不僅鍛煉了學生的設計能力、動手能力和創新能力，而且使得學生能夠在接受知識教育的同時實現良好的科學素質訓練，因此對于培養和塑造學生的自主學習能力以及提高學生發現新問題和解決新問題的綜合素質具有極其重要的作用。
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