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MATLAB自学型课程在生物医学工程专业的教学探索
2020-03-13

 高宏建*王笑茹,吴水才   

北京工业大学生命科学与生物工程学院, 北京, 100124

 

摘要:自学型课程对于提高学生专业水平增强学生综合素质具有极其重要的意义。我们结合专业特色,在多年教学研究的基础上,开展了《MATLAB及其医学应用》自学型课程,通过利用易于自学的开发平台MATLAB来分析和处理各种医学信号, 锻炼学生深入掌握专业理论知识的技能。教学实践证明MATLAB自学型课程能够有效培养和塑造学生的自主学习能力。

关键词:自学型课程;MATLAB;生物医学工程;自主学习;教育教学论坛

 

Education Exploration of MATLAB Self-study Course in Biomedical Engineering

 

Hongjian Gao*, Xiaoru Wang, Shuicai Wu

(College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)

 

Abstract: Self-study courses play extremely important roles in improving students’ professional levels and enhancing their comprehensive qualities. In combination with biomedical engineering characteristics, the self-study course for “MATLAB and Its Medical Application” has been set up on the basis of many years of teaching experiences. By analyzing and processing various medical signals via MATLAB platform that is prone to grasp, students can better master and understand professional theoretical knowledge. The teaching practices demonstrate that MATLAB self-study course can efficiently cultivate and shape students’ autonomic learning ability.

Keywords: Self-study course; MATLAB; Biomedical engineering; Autonomic learning

 

MATLAB自学型课程在生物医学工程专业的教学探索生物医学工程是理学、工学医学相结合的交叉学科,其中涉及的工程理论知识和实际应用技能广博深奥课堂教育的知识对于学生而言远远不够,因此自主学习能力的培养尤为重要。研究表明,当学生能够将枯燥的理论知识付诸于实践时,他们的学习动力和学习兴趣就会极大地提高[1]。因此在教学实践中,如何提高学生自主学习的学习兴趣,培养学生的动手能力和实践技能,并进而改善学生的综合素质是重中之重。MATLAB (Mathworks Inc., Natick, MA, USA) 开发环境可允许学生通过程序设计来解决实际专业问题,从而增强对课堂抽象概念的理解[2]但在专业教学中,普遍存在课时有限、学生学习动力不足、重视程度欠缺等问题[3]。因此,基于生物医学工程专业要求和特点,院开设了基于MATLAB平台的自学型课程《MATLAB及其医学应用》,其目的是使学生利用MATLAB实际处理各种医学信号,获得工程师的成就感[4]由此来培养学生的自主学习能力。在自主性课程的教学中,要求学生查阅文献,探索方法,自主完成课程考核的要求,从而培养和塑造学生自主学习、分析问题和解决问题的能力,为学生毕业后从事科学研究和工程设计奠定扎实的基础。

1. MATLAB自学型课程开设现状

MATLAB开发平台易于掌握并且封装了许多成熟的信号处理算法,因此MATLAB已成为大学生解决各种问题的优选工具。北京工业大学自2007年开始自学型课程的实践探索,以学生需求为导向[5]在全国高校中率先设置自学型课程,并深入地研究了小组学习、网络教育、自主实验、团队竞赛的学习模式[6]上海大学在自学型课程的教学过程中采用分步实施,逐步推进的方式来培养学生的综合能力和创新实践能力。上海外国语学院教育系采用网络教育结合自主学习的方法来培养学生的自学能力[7]。在自学型课程的开展过程中,多所大学基于MATLAB平台并结合专业特点来进行实施。中国石油大学地球物理和信息工程学院在MATLAB自学课程的设计中,采用重应用,轻编程的方法,使学生利用软件包来实现水印图像的处理[2]广西民族大学和广东工业大学对于MATLAB的学习采用综合实验的方法,让学生根据课程要求自主采集专业数据、自主设计以及自主分析,从而达到锻炼学生在实践中实现理论的目的[8]。东南大学仪器科学与工程学院采取适量讲授、上机实践和综合实例的方法来完成MATLAB的学习,提高学生借助参考书和电子资源进行自学的能力并为他们提供独立分析解决问题的机会[9]西安科技大学通信与信息学院在图像处理的教学实践中采用了MATALB综合实验教学,取得了较好的效果[10]华东交通大学电气与自动化工程学院基于案例教学、递进式任务设计来提高学生的学习积极性[11]国外许多大学也采用MATLAB锻炼学生的自主学习能力。德国亚琛工业大学电气工程和信息技术学院采取八天、全封闭实验室的方法,要求学生将数学方法转换成MATLAB中的算法来控制乐高机器人,在封闭实验过程中培养学生的学习兴趣、编程能力、自主学习能力和协作能力,取得了优异的教学效果[12]

基于国内外多所大学开展MATLAB自学型课程的先进经验,我们结合生物医学工程的专业特点开设了自学型课程《MATLAB及其医学应用》。

2. 专业开展MATLAB自学型课程的概况

MATLAB自学型课程在本专业课程的设置中作为专业限选课,安排32学时供学生自主学习。在生物医学工程专业中,经常涉及医学相关信号的处理,例如,心电信号、脑电信号、各种医学图像信(包括CT图像、磁共振图像、超声图像)等。因此,MATLAB及其医学应用》的教学中要求学生自主学习掌握MATLAB编程语言,并自主查阅文献和自主设计方案来实现医学信号和医学图像的分析处理,从而增强对生物医学信号和图像处理理论和方法的理解。本课程的重点在于如何调动学生的积极性和创造性来实现自学型课程的要求和目标。

3. MATLAB自学型课程在本专业教学中的具体实施

本学院在MATLAB自学型课程开展的过程中,采取自学为主,教学为辅,专题训练,层层推进的策略来培养学生实际解决专业问题的能力,由此来提高学生的综合素质。

3.1 适当讲授,夯实基础为了帮助学生快速地入门并且培养良好的编程习惯,本课程选择朱仁峰教授编译的《精通MATLAB 7》(2006清华大学出版社出版)作为参考教材,通过适当教学,使学生掌握操作平台的基本使用方法,包括MATLAB编程环境、基本MATLAB语句、m文件的编写以及基本调试过程,由此为学生的自主学习奠定坚实的基础。

3.2 专题训练,深化学习 在后续教学中,根据生物医学工程专业特色设计专题内容对学生进行专题训练,具体如表1所示。在专题训练教学中,教师适当指导,每周检查学生的自学效果,由此督促学生对MATLAB和专业知识的深化学习。

1 MATLAB及其医学应用》的专题训练

专题训练内容

考核要求

心电信号的读取和显示

利用MATLAB实现医学心电信号的读取、存储、显示,并掌握心电信号的基本参数和特点

滤波器的设计

设计平滑滤波器、FIRIIR滤波器等,并对心电信号进行除噪操作

心电信号的特征参数提取和功率谱分析

掌握傅里叶变换的基本实现算法以及R-R间期、平均心率、QRS间期、ST段时间等特征参数的检测方法

心电信号的分析和诊断

MATLAB平台上实现一些常见病理心电信号(心律不齐、心动过缓、心动过速等)的诊断和分析

医学图像的读取与显示

掌握DICOM格式图像的特点和读取方法

医学图像的直方图显示和处理

绘制出医学图像的直方图,在此基础上对图像进行直方图处理,例如,直方图均衡化

图像去噪和图像增强

掌握医学图像的噪声分布以及MATLAB的基本实现方法,根据需要实现图像增强

医学图像的分割训练

实现阈值分割、区域增长、水平集、活动轮廓线等基本图像分割算法

医学图像的压缩和传输

在最小失真的前提下,完成医学图像的压缩和传输

 

通过专题训练,提高学生的学习兴趣,培养和塑造学生自主学习能力,使得他们在专题实践中掌握利用MATLAB处理医学信号或图像的基本技巧,由此可以层层推进,为课程的后续开展奠定基础。1-2示出了图像处理专题训练和心电信号处理专题训练的一些结果。


   a 医学切片图像的读取         b医学图像的直方图显示       c 医学图像的直方图均衡化

1 图像处理专题训练结果

3.3 综合设计,自主锻炼

在专题训练结束后,要求学生基于基础通过自主学习完成综合课程设计,这是培养学生综合素质的关键步骤。本课程综合设计的题目为MATLAB开发平台下对肝脏CT图像进行三维重建,该题目为非常开放性的题目,要求学生最终获得理想的肝脏三维立体模型学生可以采用各种各样的图像处理算法来实现最终的课程设计要求,这样可以给予学生充分自由发挥的空间。研究表明,小组合作学习方式通常有助于学生获得团队管理、交流、和表达方面的社会和专业技能[13]因此综合课程设计中,要求每3个学生组成MATLAB合作小组,由组长统一协调,综合设计,最终形成具有小组特色的课程设计,这样避免了有些同学懒散和抄袭的不良习惯。在该课程设计中,主要涉及医学CT序列图像的读取、医学图像的对比度改变直方图处理肝脏的三维分割肝脏三维重建三维模型后处理(包括网格化简和表面光滑等)。通过以上方式,可以充分调动学生的积极性。在综合课程设计中,学生需要查阅文献自主调用优化图像处理算法来实现相应的功能,由此能够极大地提高学生的动手能力和自主学习能力。图3示出了学生在综合课程设计中的一些结果。

3.4 课程考核,巩固效果

一些学者对自学型课程的考核进行了深入的探索,获得了不错的教学效果[14]。我们在借鉴这些考核方法的同时,形成了具有专业特色的考核方式。课程考核包括专题成绩40%和综合课程设计60%。专题成绩主要对学生的动手能力和阶段性学习成果进行评价,综合课程设计主要针对学生的自主学习能力进行评价,以小组成绩来对给学生评定成绩。由学生进行演示其编程运行结果,根据其掌握程度和演示效果给予学生判定成绩。综合课程设计的另外一部分为课程设计报告和科研论文的书写。课程设计报告主要侧重讨论部分,总结出自主学习过程中的问题和心得体会,科研论文要求学生自主查阅文献,结合自己的课程设计书写相关的论文。课程考核的各个环节都对自主学习能力提出了较高要求,从而对于培养学生的自学能力和综合素质具有极大推动作用。

1. MATLAB自学型课程的教学反馈和实践总结

随着对素质教育的重视,自学能力的塑造成为学生综合素质中非常重要的一环。MATLAB自学型课程的开设极大地调动了学生的积极性和主动性。一方面他们在自学过程中不存在考核压力和教师督促的束缚;另一方面,可以在MATLAB平台上将空洞的信号和图像处理理论变成现实,获得特有的成就感。

MATLAB自学型课程的实践过程中,学生普遍感觉自主学习能力得到了极大提高,同时相关的专业理论知识也得到了更好的理解。学生在MATLAB自主学习的过程中,感觉这种课程能够填补课余时间,提高自己的综合能力。同时MATLAB自学型课程的开设为乐于自主学习的学生提供了非常有价值的锻炼机会。

 另外MATLAB自学型课程的开设为学生提供了自由发挥的空间使得学生能够MATLAB平台上发挥想象力,通过算法设计来实现自己的目标,由此消除传统课程教学方式的束缚,培养学生的开放思想。

因此,基于学生的学习反馈,我们在MATLAB自学型课程的开展过程中,适当指导学生掌握科学的自主学习方法,提高学生的学习兴趣,促进学生扩展视野,增强动手能力,全面提高自己的素质。

2. 结论

 通过MATLAB及其医学应用》自学型课程,学生熟练地掌握了MATLAB的使用方法,能够在MATLAB平台上充分发挥自己的能力,按照自己的设计思想解决专业相关问题,极大地提高了学生的主观能动性和自主学习能力。另外,为了进一步提高学生自主学习的兴趣,可针对学生的爱好设计合适的综合课程设计题目,充分调动学生的积极性,真正实现我要学,从而获得更好的自主学习效果。《MATLAB及其医学应用》自学型程的开展,不仅锻炼了学生的设计能力、动手能力和创新能力,而且使得学生能够在接受知识教育的同时实现良好的科学素质训练,因此对于培养和塑造学生的自主学习能力以及提高学生发现新问题和解决新问题的综合素质具有极其重要的作用。

 

[参考文献]

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[2] 耿敏,梁华庆. 基于MATLAB数字信号处理课程设计方案[J]. 电脑知识与技术,2010,6(31):8795-8797

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