核磁共振成像技术理实一体化教学的研究与实践

夏 天， 陈珊珊， 周敏雄， 汪红志

(上海健康医学院 医学影像学院，上海 200093)

核磁共振成像技术理实一体化教学的研究与实践

夏 天， 陈珊珊， 周敏雄， 汪红志

(上海健康医学院 医学影像学院，上海 200093)

针对核磁共振成像技术教学特点，引进先进的教学理念与方法，开发了14个实践项目,并联合企业研发适用于实践教学的磁共振实验设备和相关配套教材。为了克服硬件设备实验效率低的困难,开发了虚拟教学软件，不仅可以完全模拟硬件设备的全部实验,而且可以开展高级序列的仿真成像等实验教学。通过问题引导、自主讨论、实验操作的形式开展教学，结合有效的考核体系，在不断探索与实践中，形成了理实一体化课程教学模式，取得了很好的教学效果。

实验教学； 核磁共振成像技术； 虚拟实验

0 引 言

根据《国家中长期教育和发展规划纲要(2010-2020)》要求，我国实施了“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[1-2]。卓越工程师培养不仅要注重岗位胜任力的培养，更要考虑学生可持续发展能力的培养，其中核心是自主学习能力的培养，这是因为人才培养工作的核心是学生的自主学习能力，未来社会竞争的焦点也在于学习能力。因此，大学生自主学习能力的培养，不仅是大学生在校期间学好知识的需要，也是走上工作岗位后可持续发展的需要[3-5]。

“核磁共振成像(MRI)技术及装置”课程是医学影像工程专业、医学影像技术专业课程体系中的一门重要专业核心课程，任务是培养MRI操作、维护与研发的工程技术型人才。

本课程以“知识与能力并重”为原则，一方面培养学生职业素养和实践动手能力，培养职业岗位胜任力；另一方面培养学生具备大型MRI技术的基本理论和分析问题、解决问题的思维能力，奠定其可持续发展的基础。

1 明确课程任务、建立课程标准

通过国内外6家研发生产企业(GPS三巨头，联影，新高益，万东等)和3家三甲医院影像科核磁共振室的调研，了解具体工作岗位以及所涉及到的知识、技术和能力要求，明确课程教学的主要任务，并对其进行职业能力进行分析，归纳出对应的课程结构，并转换为单元设计，最终制定出本课程的课程标准。

课程教学的主要任务如下：

(1) 知识与技能培养。通过MRI技术和结构的理论实践学习，使学生掌握MRI设备的基本原理、设备结构、成像序列、图像质量控制等方面的基本理论，以及核磁共振生产、安装、调试、操作、维修、辅助研发等岗位的工作任务、关键步骤、故障判断和维修方法。

(2) 可持续发展能力培养。通过基于MRI技术理论和MRI技术实验的理实一体化教学情境的构建，培养学生核磁共振成像设备相关的生产、调试、维修过程中发现、提出、分析和解决问题的能力。

2 构建理实一体化教学体系的指导思想

在构建理实一体化项目过程中，主要考虑采用以项目驱动和问题导向相结合的教学模式贯穿于其中。

以项目驱动和问题导向的教学模式是建立在建构主义教学理论基础上[6-11]，建构主义教学模式强调以学生为中心, 视学生为认知的主体, 是知识意义的主动建构者, 教师只对学生的意义建构起帮助和促进作用。建构主义的教学方法多种多样, 其共性则是在教学环节中都包含有情境创设和协作学习, 并在此基础上由学习者自身最终实现对所学知识的意义建构。建构主义环境下的教学设计和传统教学相比已发生很大变化, 开始建立一种能与建构主义学习理论相适应的全新的教学设计理论与方法体系[12]。

以项目与问题驱动教学，教师与学生通过共同实施“项目”进行的教学活动；教师在教学过程中精讲教学内容中的重点、难点、疑点和关键点，启迪学生的思维，营造一个师生互动、生生互动和激发学生学习兴趣、引导学生探究的学习氛围。

3 理实一体化教学体系的构建过程

首先，调研相关企业的岗位需求。由调研的装调、操作、维修、研发助理等五个岗位工作任务，归纳出对应的典型工作任务，总结出核磁共振成像设备装调与操作维修的学习内容，以实现课程与岗位需求的对接，同时注重基础理论的掌握和可持续发展能力的需要[13-14]。另将国家卫生部颁布的《大型医疗设备上岗证考试大纲》所规定的MRI设备技术技能融入到课程内容中。

理实一体化项目构建的原则是先感性后理性，在动手过程中学习相关理论。每个项目都需有项目任务、知识目标和能力目标。其项目内容和能力须满足装调、操作、维修、应用等岗位的知识和技能需求。

课程总课时56学时，分为14个子项目，8个技术类子项目，5个结构类子项目，1个应用类子项目,每个子项目4学时(见表1)。

表1 项目列表

3.1 子项目的设计

子项目的设计体现出“基于工作的学习”原则，即设计的子项目与实际图像获取过程、安装调试过程和应用过程相关。

选取调试操作维修岗位所需知识技能设计项目，以获取一幅能满足临床要求高质量的MRI图像过程为载体，设计了核磁共振信号检测等8个理论实践一体化项目；通过学习和实践，使学生掌握核磁共振设备的基本操作方法，MRI基本原理，参数对图像质量的影响，强化基础理论知识的学习和设备操作技能，同时提高软故障分析的能力。

选取与实际硬件安装调试岗位工作所需知识技能设计项目，以硬件安装调试的过程为载体，设计了超导磁体结构等5个设备安装调试方面的项目内容。

应用具有国际技术标准的品牌核磁共振设备，针对学生志愿者进行身体某个部位(如颅脑)的临床检查真实全过程，包括预甄别，摆位，预扫描，扫描，打片。

通过学习和实践，让学生掌握核磁共振设备的基本结构与作用，部件参数对图像质量的影响，相关部件生产、测试与调试的基本方法和工具，培养锻炼安装调试、操作维护、测试维修等基本技能。

3.2 合作开发实验设备

实现理论与实践一体化教学，首先解决的是实验设备问题，由于现有的磁共振设备结构庞大、价值高昂、系统固定、信号采集及处理过程后台化、参数设置程式化等都无法满足工科类实验教学需求。因此，课程组与相关公司合作，在其台式核磁共振成像仪基础上，设计操作界面和软件，成为满足核磁共振设备类工程师培养需求的实验教学仪器。联合开发的小型核磁共振成像技术教学实验仪，为理实一体化教学的实施提供了重要载体。该实验仪器已被推广到多所学校，使用效果良好。

目前，实验实训场条件已经发展到拥有14套台式核磁共振成像实验仪；并和企业共建“纽迈核磁共振分析测试中心”，获捐赠的核磁共振弛豫分析仪一台；海关捐赠的超导全身核磁共振系统以及小动物核磁共振成像系统一台；通过校企合作、捐助共建形式新添置一台永磁1.5T全身核磁共振设备。完全满足相关教学项目的需求。

3.3 自主开发实验教材与虚拟实训软件

有了实验条件，还需要满足教学要求的教材，通过参阅相关文献，发现满足理实一体化教学要求的教材应具有以下特点：理实一体化教材是实践为主理论为辅的教材；是教师和企业一线专家合作编写的教材；是为了培养学生技术能力与自主学习能力的教材。

课程组与企业工程师基于现有实验条件共同开发了31个教学实验项目，创新MRI技术教学实验内容，成立国内第一家现代化脉冲MRI技术专门化实验室，率先编写理实一体化教材《核磁共振成像技术实验教程》(科学出版社，2008年1月)，还参编了国家十一五规划教材《医学影像物理学实验》(人民军医出版社，2009年10月)MRI部分的实验项目。应用该设备和实验教材，把原来空洞抽象的理论直观可视化，相关参数调节对信号和图像的影响直接显现出来，同学对核磁共振课程的学习兴趣和学习效果都明显提高了。

为了满足学生课前预习与课后复习的要求，同时为了克服由于操作不当或硬件指标不够，导致图像采集时间长，使实验效率低的问题，本团队还自行编程开发了MRI虚拟数据采集和图像重建软件[15-16]。通过该软件，实验者可随意更改设定参数,观察图像权重变化、磁共振数据采集及图像重建的全过程,达到技术训练的目的。该软件除了实现硬件实验仪的全部功能外,还可实现EPI等高级成像序列的仿真成像，另外还可设定不同的场强、磁场均匀性以及电子学噪声来观察对图像质量的影响。在脱离硬件设备的运行环境下，可获得与硬件成像教学仪相仿的实验效果。应用该软件可实现的教学实验有：拉莫尔频率测定、射频脉冲角度确定、电子匀场、FID信号的频谱测量、7种常用序列的成像实验、各种序列的权重成像、采样参数对MRI图像形状影响、IR序列的脂肪抑制成像、IR序列的水抑制成像、反弹点成像、半傅里叶扫描技术、化学位移显示、一维编码成像、截断伪影、卷褶伪影等。在实际MRI实践教学过程中，该MRI虚拟教学软件与硬件仪器形成合理搭配，为学习者提供了一个更快速、高效的实验实训平台。

3.4 教学过程与方法

课程采用14个子项目展开，每个子项目实施过程中将理论和实践融合一起进行教学,达到理论指导实践,实践促进理论,最终实现技术技能融通的效果。教学方法主要是在项目情境下构建以问题引导学生自主学习的过程。给学生讲的应该尽量少些，更多地引导学生去发现；把学生推到教学过程的主体地位，在课堂教学中，有一个环节是要求学生在课堂教学中基于问题进行自主学习，独立解决和回答问题，为了使这个过程更有效，还要求学生在课前预习。学生在进入课堂教学之前必须按教学计划阅读教材，并回答教师提出的问题，其目的是检查学生是否读书、对书中内容理解程度和要求学生写出预习过程中产生的疑问和兴趣点。教师负责引导整个教学过程，具体实验操作由同学们自主完成，教师在其中做适当指导。子项目中涉及到的技术基础采用多媒体教学，实验室配置了多媒体投影。通过切换，可以将理论讲授和实验界面投影到黑板，做到教室实验室一体。涉及到基本理论时偏重于基本概念的描述，结合生活常识和基本电磁学概念阐述核磁共振成像原理。不采用公式推导，整个课程只出现2个基本公式。教学过程中，增加大量实践案例，针对非正常的实验实践现象，以问题引导取代理论推导，根据具体情况采用归纳、演绎、推导等方法实现理论和实践的有机结合，在完成任务的操作和思考中完成教学。

3.5 考核评价

课程教学评价分为实践操作技能考核、学习态度和知识考核等三大部分。在传统教学方法中，教师是通过批改作业、测验和考试等方式得到学生对概念理解的信息，但这些方式都是发生在教学之后；在项目情境中，采用问题引导教学，教师可以通过学生对问题的回答情况与实际操作情况，在课堂教学的过程中及时掌握学生对理论与实践的掌握程度，鼓励学生讨论，自主解决问题，教师可以走到学生中间，或倾听或提问，了解学生对他们的答案是如何解释的，这些反馈信息使教师可以在课堂教学中第一时间作出相应的教学调整，从而使教学过程更有效。在考核方式上既关注态度，也关注实效，并且考核最终的总体学习效果。实验实训操作效果∶课程参与程度∶卷面考试成绩=3∶3∶4。在后期的实习过程中，接受相关企业带教工程师的检验评价，并将评价反馈意见放到学生的实训操作成绩中去。

3.6 教学实例

以核磁共振信号检测项目单元为例，该教学单元的任务有2个：① 使系统产生核磁共振信号；② 识别核磁共振信号。知识目标有2个：① 掌握核磁共振信号的产生机理；② 掌握射频脉冲的作用特性。能力目标有2个：① 掌握FID信号检测方法和关键要素；② 能够正确分析设备“无信号”的故障原因及维修策略。

教学过程中，首先让学生通过步进调整射频频率，操作设备使系统产生核磁共振；提出问题，引导同学思考核磁共振信号的产生机理；再让同学通过自行无规律操作，观察共振与非共振状态下的信号特征，总结核磁共振信号的特点，并自行归纳核磁共振的硬件条件和技术条件。同时引导给出连续波核磁共振与脉冲核磁共振的概念区别和应用优势，让学生进行自主讨论。最后提出问题：如果实际的核磁共振系统无法检测到核磁共振信号，同学们应该从哪些方面进行分析故障原因，引导同学逐步给出相应维修策略。

4 结 语

合作开发的实验仪器以及编写出版的配套教材，得到领域内专家的高度评价。目前，已有复旦大学、同济大学、西安交通大学、天津医学高等专科学校等50余所本、专科院校采用本实验设备和配套教材。

举办两届“MRI技术实验教学研讨会”，为来自上述30余所高校的60余名教师开展了理实一体化的MRI技术实验教学内容与教学实施过程的培训演示，获得了同行教师的高度评价。

本课程的教学设备、教材和教学模式，与本专业的国际合作交流一起，拓展到海外。目前已经将MRI虚拟数据采集和图像重建软件英文化后，成功拓展到美国麻省大学医学物理系作为研究生和本科生学习MRI技术的实训平台。双方正在合作开展MRI实验教材的编写和出版工作。

本课程今后的规划是更加注重与行业、企业的联系与沟通，瞄准高端职业岗位能力和可持续发展能力，共促课程发展。主要的工作有：

(1) 更加注重教研结合。继续鼓励教师积极参与到合作企业实际的技术开发中，提高自身的开发能力。同时加深对课程内容和关键部件的了解，课程教学更加具有针对性，同时也为少数学有余力的同学开展探究性学习提供项目保障和探究对象。

(2) 课程组教师将自己的实际研发课题，进行子任务分解，吸收一部分同学参与到课题中，承担一些辅助性开发任务，锻炼同学们的实践动手能力，切实掌握相关理论知识，构建学生可持续发展能力。

(3) 在专业国际化过程中，内外联手，着力将本课程开发成双语课程，开发英文版项目化教材以及双语教学，合作建立本课程的国际化标准。

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Research and Practice for Integration of Theory and Practice Teaching of “MRI Technology and Equipment”

XIATian,CHENShanshan,ZHOUMinxiong,WANGHongzhi

(College of Medical Imaging, Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, China)

Magnetic resonance imaging (MRI) technology is a comprehensive subject. Because its theory is very abstract, it is always the teaching difficulty. In order to overcome the problem, an integration of theory and practice teaching model based on the advanced teaching theory has been established after many years exploration and development. Fourteen experiments were developed depending on the actual demands. A small MRI experiment teaching apparatus and the corresponding experimental textbook were developed by the collaboration with the enterprise. Meanwhile, the virtual teaching software was developed independently to overcome the shortcomings of hardware, The software could not only simulate all experiments on the teaching apparatus but also provide the advance sequence simulations. Based on the learning theory of constructivism, the question exploring teaching model could help the students realize the active learning. It has achieved very good effect for this teaching model combining with the reasonable evaluation system.

experiment teaching； magnetic resonance imaging technology; virtual experiment

2016-05-05

科技部重大科学仪器专项(2013YQ170463)；上海健康医学院种子基金

夏 天(1978-)，男，江苏徐州人，博士，讲师，研究方向：磁共振技术开发与应用。

Tel.：15000635210；E-mail：bruce_xiatian@163.com

汪红志(1975-)，男，湖北黄岗人，博士，副教授，研究方向：磁共振技术开发与应用。

Tel.：13916346546；E-mail：wanghzhi2000@sina.com

G 482；G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0181-04