医学图像处理智慧课堂探究型教学实践

刘雅楠 李靖宇 赵添羽 郝利国 孙跃

杜威是探究学习法的提出者，他指出教育的目的不仅是为了学生可以掌握大量的基础知识和技能，更重要的是需要学生可以掌握学习和研究方法，更注重学习过程。随着“互联网+”概念的提出，互联网教育改革应运而生，随着微课、慕课、雨课堂等多种教学形式的出现，智慧课堂作为一种新型课堂建设方向，受到广大教师的青睐[1]。结合我校医学影像技术、生物医学工程专业培养目标，以及医学图像处理课程特点[2]：涉及的理论及概念内容多，不仅包括临床医学、影像学等专业内容，同时还包括计算机科学、数学等方面的知识，导致学生学习难度大还容易使学生反感，失去学习兴趣[3]。在智慧课堂建设中引入探究型教学模式，是对专业特点和课程知识的有力丰富和补充[4]。

1 智慧课堂+探究型教学模式的教学优势

智慧课堂的主要优势为教学灵活性强，能够准确展现探究型模式的特点，是具有信息化时代特点的临床问题导入与解决的有效载体，有利于提升师生间互动[5]。从高校教学特点看，大部分课程采用的大课形式，课堂表现量化率低，师生互动效果不好[6]。因此，主要设计是理论教学与 MATLAB 软件编程相结合[7]，在师生交流及课堂反馈的动态过程中调整该门课程的理论与实践教学模式。秉持理论指导实践技能，实践促进理论理解的原则，在智慧课堂环境下实现探究型模式对于学生基础理论理解能力、促进实际问题解决能力、激发创新思维转化成果能力的提高。此外，利用文字说、美拍等软件导入课程思政内容[8]，让学院的教育教学风格与互联网+结成纽带[9]，将前沿的信息技术融合到课堂教学中，以学生喜闻乐见的传媒形式达到潜移默化的育人效果，推进学院教育教学改革。

2 智慧课堂+探究型教学模式的设计与实施

医学图像处理课程基于探究型教学模式进行设计，充分体现了教师的指导性，发挥了学生的主观能动性，基于此设计希望推动学生构建科学完备的知识体系，养成良好科学素养[10]。按照课程特点分配课时如下：理论课时40 学时，实验课时24 学时。课程考核中期末理论考试占比60%，形成性考核成绩共占比40%：分为个人作业、小组课程设计、实验成绩三部分。“雨课堂”、MATLAB 软件、美拍等多种现代科技手段全要素参与教学活动[11-12]。

2.1 理论教学设计

医学图像处理课程具有理论知识难度大，实践操作方法多，多学科知识高度融合、彼此渗透的显著特点[13]，涉及课程相关专业学生实习及工作过程中解决实际问题的能力。鉴于上述特点，教育工作者有必要“因课致宜”，在传统的按照演示/介绍现象、启发提问、课程讨论、验证及应用教学环节中全方位融入探究型教学内容[14]。下面我们以医学图像处理中医学图像分割这一章为例，进行设计，教学内容及方法如图1 所示。

图1 教学内容及方法

课前准备：传统教学情景中，预习并不受到学生重视，大部分学生在医学图像处理课程学习中仅是对教材进行简单的浏览，往往事倍功半。而通过“雨课堂”的引入，教师将学生需要预习的知识内容上传到网络教学平台，学生通过登录网络平台获取预习资料，并结合预习资料自主查找相应的知识和答案，提升学生知识的自主搜索和学习能力。达到事半功倍的效果。学生预习情况通过“雨课程”平台反馈，进而指导教师设置合理的教学计划。教师同时查阅学生留言，将共性问题纳入教学内容，提高课堂教学效率。

课堂教学：课堂教学是整个教学过程的核心，在课堂教学中融入“雨课堂”，促进了师生的实时沟通，形成了良好的互动，活跃了课堂氛围。按照演示/介绍现象、启发提问、课程讨论、验证及应用步骤，借助雨课堂发布各阶段教学内容，同时教学过程收集学生反馈情况。例如，医学图像分割具体方法—边缘检测分割法。教师以精准确定放疗患者病灶需求例子为引导，引出进行医学图像分割的必要性，组织大家积极讨论解决方法，同时进行方法验证。“雨课堂”还可以将教学课件直接发送到学生的智能终端，课件中包括幻灯片和教师的语音，有利于学生结合课件进行课下复习。

课后总结：课堂教学完成后，“雨课堂”会将本节课的相关信息自动发送到教师的智能终端，包括学生的出勤、答题情况、学习问题以及讨论等。可以利用“雨课堂”平台向学生发送习题和测试题等，加强对课堂教学内容的巩固。依据答题情况及相关数据分析作出后续教学方案的调整。学生的智能终端能够接收到教师批改后的错题，并自动生成错题集，有利于学生对这些错题的整理和针对性复习。此外，学生通过“雨课堂”平台对教师的课件进行随时查看和翻阅，对课堂中不懂的问题进行反复观看和学习。针对自己无法独立完成的问题，可以通过“雨课堂”平台与教师和同学进行互动、讨论。

课程思政：在师生共同参与智慧教学这一过程中就蕴含着丰富的课程思政教学要素[15]，“雨课堂”这一普及率高、实用性强的教学平台工具正是以清华大学为代表的广大教育和科技工作者，坚持独立自主的奋斗精神、实事求是的科学精神、敢为人先的创新精神，结合我国教育的实际情况，具有原创自主知识产权的现代教学工具。使用这一工具本身，即是对本课程相关专业学生培养科学探索精神的最好引领，对于激发学生以中国科技工作者为榜样，为服务祖国卫生健康事业贡献力量具有重要的现实教育价值。

医学图像分割，主要介绍了医学图像分割的各种方法，如基于阈值的分割方法、基于边缘检测的分割方法、基于边界跟踪的分割方法等，图像分割是医学图像处理承上启下的关键环节，对于最终医学图像处理具有决定性作用，理论难度大，操作实践性强，经过几代科学家的努力已经创建了成熟的技术路线，现提供这一章节的教学设计片段，以便后续说明和总结。

案例一：（1）知识内容：各种图像分割特征的特点。教师解说：①灰度特征的每个像素都有各自的贡献，同样，每位同学对国家，对社会只要努力学习、提升自我，实现自己的价值，就是对国家最大的贡献。②边缘特征易受灰度特征和噪声的影响，学生在校园期间也会出现自身的迷茫，易受外界环境的影响，要坚定远大理想、抵制不良诱惑。③几种特征都有各自的优缺点，就像每个人一样都有自己的长处和不足，如果综合利用起来，发挥彼此的长处，能够得到有价值的医学图像，人也能取得更大的成功。凡事都要把握局部和整体的关系。（2）思政概念：唯物辩证法是科学的认识方法。（3）智慧手段：雨课堂播放漫动画病毒侵入机体的过程，展示图像分割的效果图。

案例二：（1）知识内容：图像分割的概念。教师解说：①举一纲而众目张，无论是科研还是生活，学生都要抓住问题的关键。②医生治愈疾病，是要解决疾病给患者带来的痛苦；工程人员进行图像处理，为了寻找疾病，为医生提供决策和参考。医生的治疗过程是主要矛盾的体现，图像处理的过程是矛盾的主要方面。（2）思政概念：社会基本矛盾及其运动规律。（3）智慧手段：雨课堂播放对影像医师的采访视频。

医学图像处理“课程思政”是教科技之书，育大医之人重要组成部分，是课程教学对于培养理工科人才人文情怀、影像类医师工程素养的价值回归，既是对专业知识的升华和凝练，更是激发学生领悟科技创新过程中所蕴含的实践哲理的重要教学手段，是对全课程育人理念的全面落实。对于建立在理工科专业知识基础上的课程开展课程思政，要进一步适应理工科学生专业背景和知识结构，多采用数据、图表、视频等形式，同时结合医学院校有利教学环节，增强课程思政的人文价值观引导。

2.2 实验教学设计

对于实验教学，主要按照“做中学”的教育理论指导这一部分教学设计[12]。即理论课程结束后，安排一节与理论相对应的MATLAB 语言编程课，引导学生上机操作。这一安排主要考虑的是医学图像处理课程知识多以数学关系式和符号为代表的较为概念化、抽象化的算法设计[13]，而学生的基本任务是对医学图像获取及输出过程中可能遇到的各种问题提供解决方案，医学图像及相关处理具有较强的实践性和可视化，而通过MATLAB软件平台进行实验教学设计，充分利用了这一软件的图像处理功能，并能实现对数学和计算机语言的有效输出，让学生对理论知识在实践过程中的应用有了深刻理解，能够实现上述两个环节的有效衔接。在40 个学时的理论课程中，相对应的实验课程为24 个学时。通过MATLAB 软件的转化，医学图像处理结果更为直观，学生根据这些结果不断尝试比较，保证结果处理质量。这种教学模式提升了学生学习的主动性，增加了学习的趣味性，验证了知识的科学性。

3 智慧课堂+探究型教学模式的教学成果

医学图像处理的智慧课堂，不是教师通过技术手段对课程知识的简单呈现，而是抓住课堂的主体和对象：即在探究性模式指导下，用智慧手段调动学生主动学习的积极性，增强枯燥的理论知识的趣味性。对2017 级生物医学工程学生开展智慧教学。采用SPSS 22.0 软件对两组平均分进行统计分析，2017 级生物医学工程专业学生成绩相较于2016级更高，差异有统计学意义（t=15.786，P=0.000），见表1。

表1 学生成绩分布表

4 智慧课堂+探究型教学模式的总结

综上所述，智慧课堂+探究型教学模式不是单纯的将探究型教学场景和教学活动置于高度信息化、智能化的环境中，关键在于教师在教学活动中对智慧教学资源的利用、对智慧教学手段的选取，以及结合培养方案和具体课程做出的选择性的使用和结合。要站在高等医学教育承担为党育人，为国储才的高度上看待医学教育创新发展的问题和途径，要在准确把握医学核心内涵的基础上，围绕前沿医疗领域，先进医疗技术方向进行教学规划和设计，才是医学教育创新发展的动力和方向。

因此，智慧课堂中探究型教学的设计理念是：基于雨课堂平台、辅以常规教学工具如MATLAB 等，实现育人全要素参与，科学评价学生学习效果并推动优秀价值观入脑入心，是医学教育创新举措的一种探索。在大规模的应用中还需要广大医学教育工作者群策群力、因地制宜、进一步加快医学创新教育培养全面发展、医工并用的新型医疗卫生人才的步伐。

智慧课堂中探究型教学的实践重点是：一方面实现教学素材的整合和教学形式的丰富，实现教学工具的轻量化，另一方面建立师生良好的沟通渠道，积极落实教学改革要求，便于及时回应学生关切、调整教学节奏。促进医学图像处理教学的立体化，鼓励学生利用医学图像处理理论解决实际问题。教师需要利用智慧课堂的高效运转带来的可利用时间的增加，通过对教学内容的深度加工，保证以问题为导向的探究型模式真正达到育人效果。教学设计与学生的学习规律相符，释放教师教学能量和学生学习潜力，促进教学信息化的发展，实现教学质量跨越式提升。