立德樹人背景下醫學影像物理學實驗改革探索*

張瑞蘭 劉迎九 李 寧 華 晶 蘭玉艷 周久光

(北華大學基礎醫學院 吉林 吉林 132013)

“立德樹人”是教育的根本任務,大學教育要培養具有愛國主義情懷、堅定理想信念的社會主義建設者和接班人.我們要把立德樹人融入教學各個環節,要把能力培養、價值引領工作貫穿教育教學全過程,實現全程育人、全方位育人[1].

教育教學過程又體現在一系列課程教學中,各類課程中都蘊含有豐富的思政教育資源,課程育人要結合本課程的特點發揮育人的作用,涉及教學內容、方法、途徑等各個方面.

1 醫學影像物理學實驗的重要性

醫學影像專業始建于1984年,37年來我國的醫學影像學科高速發展,日新月異,對醫學影像學人才的需求也不斷提高.醫學影像設備是當今診斷領域內發展速度最快、技術最為復雜的一類大型醫療設備,雖然醫學影像設備、技術的研發及有效合理的使用需要多方面共同努力,但處于核心地位的是醫學影像物理學.醫學影像從宏觀形態進入到微觀形態、從細胞水平上升到分子水平,都是以醫學影像物理學為發展基礎的,醫學影像物理學是醫學影像的源頭和基礎[2].

醫學影像物理學是醫學影像學本科生重要的專業基礎課程,專門講授現代醫學影像成像原理及圖像評價.醫學影像物理學以物理學的知識為基礎,研究和解決與醫學診斷、治療有關的問題,為醫學影像診斷提供物理學依據,即看到影像能夠知其所以然.醫學影像物理學是影像專業學生所學課程中為數不多的偏理工性質的課程之一,是一門實驗科學,與其相關的物理現象和定律無不依賴于實驗.

課程教學幫助學生增長知識見識的同時,更要在厚植愛國主義情懷上下功夫,要在加強品德修養上下功夫,要在培養奮斗精神上下功夫,要在增強綜合素質上下功夫[3].物理學課程蘊含著豐富的思政元素,巧妙融入實驗教學中,有助于訓練學生科學的思維方法、培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感.醫學影像物理學實驗課程在培養學生科學素質、創新能力、研究能力方面有著突出優勢,是學生科學素養養成的重要環節.

2 醫學影像物理學實驗現狀

醫學影像物理學實驗在醫學影像人才塑造方面有著不可替代的作用,然而,通過調研,目前國內醫學影像專業本科生醫學影像物理學實驗開設情況很不樂觀,主要原因有3個:

(1)實驗設備普遍比較昂貴,儀器不具備直接制約了醫學影像物理學實驗教學的開展.

(2)涉及放射防護,實驗室防護措施很難保障,也阻礙了實驗的開設.

(3)缺乏恰當、便于實施又能充分培養學生素養的實驗項目及實驗指導.

教材是教學內容的載體,不僅要反映學科的最新進展,而且還要生動地體現教育思想和觀念的更新.教育教學改革的成果最終要體現在教材中并通過教材加以推廣,這就要求教材建設應貫徹全國教育大會精神,與教育教學改革相一致,把傳授知識、培養能力、提高素質融為一體.

目前,國內大多數醫藥院校醫學影像物理學課程普遍使用的是2017年由人民衛生出版社出版的國家衛生和計劃生育委員會“十三五”規劃教材《醫學影像物理學》第4版(吉強、洪洋)及其配套實驗教材《醫學影像物理學實驗》第4版(仇惠、張瑞蘭),該教材有兩方面不足之處.

(1)難懂抽象的醫學影像物理原理類實驗的仿真實驗項目偏少.

(2)教材內容更注重知識目標的達成,對技能目標達成度有待提升,欠缺達成素質目標的意識.

3 改革措施

3.1 增設仿真實驗項目 彌補無法開設實驗的不足

X射線對人體存在輻射損傷,實驗室很難做到有效防護,加之設備昂貴,大部分學校無法開設此類實驗,X射線影像又是現代醫學影像的主要組成部分,必須補缺,因而開發了仿真實驗項目——X射線能譜仿真實驗、X-CT成像仿真實驗、X-CT窗口技術等,如圖1所示.

圖1 X射線影像仿真實驗界面

核磁共振成像原理抽象難懂,一直以來是學生普遍反映的難點,但同樣核磁共振影像也是現代醫學影像的主要組成部分,而且設備昂貴,很少有學校能開設,故開發了仿真實驗項目——連續譜磁共振、核磁共振基礎仿真實驗、磁共振成像定位與K空間填充、磁共振成像仿真實驗等,如圖2所示.

圖2 磁共振影像仿真實驗界面

上述仿真實驗項目希望能對兄弟院校開設醫學影像物理學實驗有所幫助.

3.2 在實驗項目中體現立德樹人育人目標的設計與實現

醫學影像物理學屬于物理學科范疇,蘊含著豐富的科學思想、方法、態度和科學精神等德育元素.推動醫學影像的發展有賴于眾多物理學家的豐功偉績,實驗教學中可通過相關科學家事跡潛移默化培養學生勇于探索、敢于創新的精神,以及堅忍不拔、永不言棄的科學品質.借規律定理強化辯證唯物主義哲學思想,以前沿成果樹立責任意識[4],通過調節實驗數據培養精益求精、實事求是的科學作風,探索科學的方法、解決問題的途徑[5].具體設計與實現體現在每個實驗項目從實驗目標到實驗內容、步驟、思考題所有環節、整個過程中.融知識傳授、能力培養、價值引領于一體--“三位一體”,鑄魂育人.

3.2.1 實驗目標中增加素質目標

每個實驗項目都有實驗目標,根據實驗內容、實驗步驟、實驗方法、數據處理、涉及的規律原理、科學家事跡等等不同,在原有知識目標基礎上增加了相應的素質目標.表1所示為幾個實驗項目的實驗目標.

表1 實驗目標中增加素質目標(舉例)

3.2.2 實驗內容及步驟中增加選做部分,提升“兩性一度”

2018年11月24日,吳巖司長在第十一屆中國大學教學論壇上做了題為“建設中國金課”的報告,報告中提出了“兩性一度”的金課標準.“兩性一度”,即高階性、創新性、挑戰度[6].高階性就是知識能力素質的有機融合.創新性是課程內容反映前沿性和時代性,教學形式上體現先進性和互動性,學習結果具有探究性和個性化.挑戰度是指有一定難度,需要跳一跳才能夠得著.學生水平參差不齊,一部分學有余力的學生,可以增設選作部分,提升高階性、創新性、挑戰度,給學生們提供踮起腳尖夠一夠的機會,培養學生勇于探索、挑戰自我、不斷進取的科學精神.

【例1】實驗六 X射線半價層的測定

基本實驗內容:在固定管電壓及固有附加濾過的情況下,使用標準鋁片作為濾過片,測其X射線的第一半價層H1、第二半價層H2,并計算其均質性系數h.在此基礎上,設計選作部分:為了更深入地了解X射線在物質中的穿透能力會受到哪些因素的影響,分別嘗試在附加濾過不變,改變管電壓數值以及管電壓不變而增加附加濾過兩種情況下重復上述實驗,并計算出第一半價層H1、第二半價層H2及均質性系數h.

【例2】實驗三十一 筆形束X-CT成像仿真

完成基本實驗基礎上,增加了選做實驗:(1)保存模擬采集的原始正弦圖數據,自行應用iradon函數在Matlab或python環境下編程重建圖像.(2)應用單機版軟件,同學們可自行設計樣品,經數據采集后重建圖像.

【例3】實驗四十 磁共振弛豫時間測量

完成基本實驗基礎上,增設了選做部分:試從布洛赫方程出發通過數值模擬手段計算橫向磁化強度矢量Mxy和縱向磁化強度矢量Mz隨時間的變化關系,并給出橫向弛豫時間T2和縱向弛豫時間T1.(拓展自我的部分,有助于學生對知識的系統學習,培養他們汲取新知識、新經驗的能力,體現挑戰度,鼓勵學生完成).

3.2.3 實驗過程中恰當融入思政元素

習近平總書記在2016年12月全國高校思想政治工作會議上要求:其他各門課都要守好一段渠、種好責任田,使各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協同效應.2019年3月在學校思想政治理論課教師座談會上又強調:要堅持顯性教育和隱性教育相統一,挖掘其他課程中蘊含的思想政治教育資源,實現全員全程全方位育人.2020年5月教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》,全面部署課程思政建設,要求所有課程所有教學環節擔負起育人責任.作為影像專業本科生重要的專業基礎課,醫學影像物理學實驗堅決貫徹中央、教育部大會精神,積極挖掘課程思政元素,努力發揮理工類課程在培養學生科學素養、創新精神及正確的世界觀等方面應有的作用[7].

【例4】實驗二十 磁共振二維成像

在實驗步驟“8.改變成像縱橫比及有關參數調節”進行過程中,提醒學生思考:不同頻率編碼電流和不同相位編碼時間對圖像是如何影響的?如何正確完成脈沖序列設置?(總結上述問題,培養學生精益求精的科學素養和實事求是的科學作風,以及分析、比對、判斷的思維方法和能力.)

【例5】實驗二十二 磁共振四維成像

選作部分:將本實驗中的水換為其他類似的液體物質研究化學位移成像的區別.(通過新穎的教學活動,喚起學生的創新意識,有助于培養學生的創新精神,提高學生的創新能力.)

3.2.4 思考題中體現能力、價值達成

通過實驗整個過程,思考題中適當增加主觀思考題,答案對錯是其次,目的是引發學生積極思考,思考的過程中會經歷發現問題、自主求索、解決問題、再提出問題的環節,整個過程中提升學習能力,訓練高階思維能力.

【例6】實驗五 利用Photoshop處理數字圖像

經過4學時的實驗,學生利用“圖像”菜單中各個命令對數字圖像進行處理,簡單方便,興致盎然.深刻體會數字圖像強大的圖像后處理特性的基礎上,思考:試想每一條命令操作如此方便,而功能如此強大,其背后是怎樣的程序在支撐?(探究其樂無窮)

【例7】實驗三十八 連續譜磁共振

實驗中選作部分為:應用醫學物理學中的知識,通過編寫程序實現李薩如圖形,與本實驗中觀察到的李薩如圖像進行對比(體現高階性的部分,有助于養成良好的自學和綜合知識運用能力,培養勇于探究的科學素養).針對選作部分,給出思考題:通過選做部分學習,對李薩如圖形的形成有哪些認識?

4 結束語

通過增設仿真實驗項目,并在實驗目標、實驗內容、步驟、思考題全方位改革、設計、融入思政元素,充分發揮實驗環節在培養學生探索精神、創新能力、科學素養等方面的優勢.助力學生達成三維目標:知識目標、能力目標、價值目標,成長為具有良好職業素質、一定科學素養的創新型醫學影像學人才.

本文所述醫學影像物理學實驗改革已用于北華大學醫學影像本科2017級、2018級、2019級三屆學生醫學影像物理學實驗課程教學中,效果良好.并于2021年獲批北華大學重點教改項目,2022年該項目獲批吉林省重點教改項目,包含47個實驗項目的《醫學影像物理學實驗》教材獲批吉林省首批本科重點教材.