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摘要:“生物医学图像编程实现技术”是生物医学工程专业研究生的选修课。教学方式主要采用课堂讲授和学生上机讨论同步结合的形式。教学思路围绕利用VC等编程工具实现图像处理程序的编写展开:以ITK学习作为算法理论指导的基础和主线,在学生理解具体算法的核心内容后,再利用VC完成算法的实现,进而使学生掌握VC进行生物医学图像处理的编程技巧。实践表明,新的教学模式能够充分发挥学生的积极性,有助于培养学生的创新精神和团队合作意识。
关键词:生物医学图像;编程;教学改革
作者简介:杨春兰(1980-),女,河北石家庄人,北京工业大学生命科学与生物工程学院,讲师,主要研究方向:生物医学信号处理、医学图像分析;吴水才(1964-),男,江西九江人,北京工业大学生命科学与生物工程学院,教授,主要研究方向:生物医学信号处理、医学电子仪器设计。(北京 100022)
基金项目:本文系北京工业大学2009研究生建设项目(项目编号:CR2009-B-045)、北京工业大学教育教学研究项目(项目编号:ER2009-B-68、ER2009-B-70)的研究成果。
目前北京工业大学(以下简称“我校”)设有生物医学工程一级学科博士学位、硕士学位授权点和生物医学工程本科专业,该学科是北京市重点建设学科。为了适应社会对生物医学工程专业人才的需求,要为学生构建合理的知识平台,使其具备良好的理论基础和熟练的操作技能。“生物医学图像编程实现技术”是为硕士研究生新开设的计算机类选修课。
本课程的主要内容是分别利用Visual C++和ITK两种编程工具实现常见生物医学图像的读写、点运算、配准、分割等涉及医学图像分析基本问题的程序编制。本课程共32学时,包括7个章节:常用医学图像处理软件编程环境介绍;生物医学图像的类型及其数据表达;各种医学图像的读写方法和显示;生物医学图像处理类库的实现;医学图像配准;医学图像分割;基于医学图像的统计分析。
北京工业大学生命科学与生物工程学院(以下简称“我院”)生物医学工程中心下设两个生物电子与仪器研究室、一个生物力学与仿真工程研究室。生物医学图像处理是生物医学工程领域的主要研究方向之一,上述研究室均开展了涉及生物医学图像处理的研究工作。我院历届研究生有很多从事生物医学图像处理方面的课题研究,因此开设与此相关的课程在研究生培养过程中具有非常重要的意义。[1,2]此前“医学图像处理”课程已开设数年,主要讲述生物医学图像处理的基本概念和基本原理,偏重理论方法的讲授。
由于生物医学工程专业学生的整体编程水平有待进一步提高,学生普遍反映应加强实际动手操作的实践环节。“生物医学图像编程实现技术”课程即是从该目标出发,以期使学生在掌握医学图像处理相关基本理论的同时,进行具体程序代码的编写和调试,提高灵活运用所学知识的能力。
一、改革教学方式
培养学生的创新意识和动手实践能力是研究生教学的基本指导思想。计算机程序设计类课程需要足够的上机操作练习以保证教学效果。只强调课堂讲授往往使学生的思路受到限制,不能同步跟随讲解、通过上机实践达到掌握编程要点和技巧的目的。因此,完善和改进教学方式对提高该课程的教学效果至关重要。
鉴于授课学生数目相对较少,与传统本科生教学班相比,课堂氛围可以相对开放和活跃,增加师生及学生间的交流和讨论等内容。
教学思路围绕利用VC等编程工具实现图像处理程序的编写展开:以ITK学习作为算法理论指导的基础和主线(ITK是美国国家卫生院下属的国立医学图书馆投入巨资支持三家科研机构开发医学影像分割与配准算法的研发平台,现已开发了初步版本,是医学影像算法平台的重要组成部分),在学生理解具体算法的核心内容后,再利用VC完成算法的实现,进而使学生掌握VC进行生物医学图像处理的编程技巧。
为培养学生的动手能力和利用编程理解各种理论算法的学习能力,根据该课程实践性较强的特点,教学方式主要采用课堂讲授和学生上机讨论同步结合的形式。在教学过程中充分发挥学生的主动性和创新意识,鼓励团队合作完成较复杂程序的设计。在每个专题内容的教学中,首先由教师给出具体的设计任务,以ITK示例程序作为基础理论指导,利用VC演示经典程序的编写调试过程,重点强调编程中的技术要点并对易错点进行提示。根据设计任务,鼓励学生在实现程序基本功能的基础上,加入自己对算法的理解和功能扩展,并请学生对程序设计思路在课堂上进行讲解和交流。在医学图像配准、分割专题的教学中,让学生分析查阅的文献资料,结合自己今后的科研方向制作简单的软件实现配准、分割的常用算法。在这些专题中组织学生进行口头报告和学术讨论。对于功能模块较复杂的程序,让学生自由分组,注重培养学生团队协作精神和个性特长的发挥。
二、精选教学内容
生物医学图像处理的基本概念和相关算法是本课程的理论基础,利用VC等工具进行编程是学生学习本课程应掌握的基本技能。如何将理论基础内容与上机操作有效地紧密结合是本课程教学建设需要解决的重要问题。因此,安排合理的教学内容以适应理论和实践相结合的需求,精选能够提高我院研究生科研水平的课程内容是非常必要的。
结合我院学生的计算机水平,目前本课程使用ITK用户指导教程作为理论学习的依据;选用VC图像编程相关参考书作为利用VC实现图像处理程序设计的主要参考教材。学生认为现阶段选用的参考书难度适中,教学内容与之联系较为紧密。生物医学工程中心配备机房可满足学生跟随教师讲解同步上机的要求。目前多媒体课件中突出使用了动画显示效果,后期可以添加程序编制具体过程的视频等素材。
本课程教学内容是在了解学生知识水平和专业背景的前提下,结合我院生物医学工程中心各研究室的研究方向和主要工作而安排的。在对教学内容进行完善的基础上,今后还将充分结合目前参考书中的关键知识点,自主编写学生上机实验指导书。教材内容涉及实验目的、基本算法理论、ITK程序运行步骤及结果示例、VC编程设计思路及技巧要点等。由于该课程实践性强,在编写教材的同时,对重要的教学内容和教学难点可以制作视频讲解的VCD光盘予以辅助。
如前所述,本课程主要以利用ITK和VC两种工具进行生物医学图像处理的程序设计展开。ITK的学习相对易于掌握和理解,可作为引导和帮助学生形成编程思路和整体框架的基础部分;针对生物医学图像的特点,在ITK相应内容学习的基础上,重点使学生掌握利用VC进行各种处理算法的程序实现。由于课时数的限制,教学内容将紧密联系目前医学图像处理领域的热点问题,参照国内外常用生物医学图像编程软件的基本功能,精选有助于学生今后开展科研工作的内容。将每次课程设为一个专题,从简单的二维图像入手,在利用ITK实现处理过程并得到正确运行结果后,编写VC相应程序,实现二维图像到三维图像的扩展。在医学图像的配准、分割两个专题中,进一步融入国内外已有科研成果和目前研究室在此基础上开展的各项科研工作。[3-5]根据学生的知识水平和专业特色,不断完善课程教学大纲,使学生在掌握基本理论和编程技能的基础上,结合今后自己的科研方向和学习兴趣有重点地选择专题进行深入学习。
三、小结
专业选修课的教学是研究生培养中的重要环节。学生根据自身的兴趣爱好和发展规划,在专业选修课中期望得到相关专业技能的提高。“生物医学图像编程实现技术”注重培养研究生解决实际问题的能力和创新意识,在强化理论学习的同时重点提高编程水平。课堂讲授与上机操作同步进行,在结合我校科研项目的基础上精选教学内容,注重课堂交流与讨论,进一步做到理论联系实际。相信随着教学改革的不断完善和深入,该课程会取得更加良好的教学效果。
参考文献:
[1]李福华.实行开放式研究性教学,培养研究生的实践能力与创新能力[J].实验技术与管理,2009,(5):18-23.
[2]文贤惠,王晓春.研究生创新能力培养与就业和创业相结合的探讨[J].湖南医科大学学报(社会科学版),2009,(3):240-241.
[3]刘志毅.让编程教学摆脱枯燥——谈行为引导型教学方法在编程教学中的运用[J].中国科教创新导刊,2009,(7):198.
[4]陈国鞠,吴筱颖.谈通过设置小课题提高研究生实验课的教学质量[J].中国校外教育,2009,(5):79.
[5]郝中超.运用项目教学法实施编程语言教学的教学设计过程[J].常州轻工职业技术学院学报,2008,(3):34-36.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:生物医学图像;编程;教学改革
作者简介:杨春兰(1980-),女,河北石家庄人,北京工业大学生命科学与生物工程学院,讲师,主要研究方向:生物医学信号处理、医学图像分析;吴水才(1964-),男,江西九江人,北京工业大学生命科学与生物工程学院,教授,主要研究方向:生物医学信号处理、医学电子仪器设计。(北京 100022)
基金项目:本文系北京工业大学2009研究生建设项目(项目编号:CR2009-B-045)、北京工业大学教育教学研究项目(项目编号:ER2009-B-68、ER2009-B-70)的研究成果。
目前北京工业大学(以下简称“我校”)设有生物医学工程一级学科博士学位、硕士学位授权点和生物医学工程本科专业,该学科是北京市重点建设学科。为了适应社会对生物医学工程专业人才的需求,要为学生构建合理的知识平台,使其具备良好的理论基础和熟练的操作技能。“生物医学图像编程实现技术”是为硕士研究生新开设的计算机类选修课。
本课程的主要内容是分别利用Visual C++和ITK两种编程工具实现常见生物医学图像的读写、点运算、配准、分割等涉及医学图像分析基本问题的程序编制。本课程共32学时,包括7个章节:常用医学图像处理软件编程环境介绍;生物医学图像的类型及其数据表达;各种医学图像的读写方法和显示;生物医学图像处理类库的实现;医学图像配准;医学图像分割;基于医学图像的统计分析。
北京工业大学生命科学与生物工程学院(以下简称“我院”)生物医学工程中心下设两个生物电子与仪器研究室、一个生物力学与仿真工程研究室。生物医学图像处理是生物医学工程领域的主要研究方向之一,上述研究室均开展了涉及生物医学图像处理的研究工作。我院历届研究生有很多从事生物医学图像处理方面的课题研究,因此开设与此相关的课程在研究生培养过程中具有非常重要的意义。[1,2]此前“医学图像处理”课程已开设数年,主要讲述生物医学图像处理的基本概念和基本原理,偏重理论方法的讲授。
由于生物医学工程专业学生的整体编程水平有待进一步提高,学生普遍反映应加强实际动手操作的实践环节。“生物医学图像编程实现技术”课程即是从该目标出发,以期使学生在掌握医学图像处理相关基本理论的同时,进行具体程序代码的编写和调试,提高灵活运用所学知识的能力。
一、改革教学方式
培养学生的创新意识和动手实践能力是研究生教学的基本指导思想。计算机程序设计类课程需要足够的上机操作练习以保证教学效果。只强调课堂讲授往往使学生的思路受到限制,不能同步跟随讲解、通过上机实践达到掌握编程要点和技巧的目的。因此,完善和改进教学方式对提高该课程的教学效果至关重要。
鉴于授课学生数目相对较少,与传统本科生教学班相比,课堂氛围可以相对开放和活跃,增加师生及学生间的交流和讨论等内容。
教学思路围绕利用VC等编程工具实现图像处理程序的编写展开:以ITK学习作为算法理论指导的基础和主线(ITK是美国国家卫生院下属的国立医学图书馆投入巨资支持三家科研机构开发医学影像分割与配准算法的研发平台,现已开发了初步版本,是医学影像算法平台的重要组成部分),在学生理解具体算法的核心内容后,再利用VC完成算法的实现,进而使学生掌握VC进行生物医学图像处理的编程技巧。
为培养学生的动手能力和利用编程理解各种理论算法的学习能力,根据该课程实践性较强的特点,教学方式主要采用课堂讲授和学生上机讨论同步结合的形式。在教学过程中充分发挥学生的主动性和创新意识,鼓励团队合作完成较复杂程序的设计。在每个专题内容的教学中,首先由教师给出具体的设计任务,以ITK示例程序作为基础理论指导,利用VC演示经典程序的编写调试过程,重点强调编程中的技术要点并对易错点进行提示。根据设计任务,鼓励学生在实现程序基本功能的基础上,加入自己对算法的理解和功能扩展,并请学生对程序设计思路在课堂上进行讲解和交流。在医学图像配准、分割专题的教学中,让学生分析查阅的文献资料,结合自己今后的科研方向制作简单的软件实现配准、分割的常用算法。在这些专题中组织学生进行口头报告和学术讨论。对于功能模块较复杂的程序,让学生自由分组,注重培养学生团队协作精神和个性特长的发挥。
二、精选教学内容
生物医学图像处理的基本概念和相关算法是本课程的理论基础,利用VC等工具进行编程是学生学习本课程应掌握的基本技能。如何将理论基础内容与上机操作有效地紧密结合是本课程教学建设需要解决的重要问题。因此,安排合理的教学内容以适应理论和实践相结合的需求,精选能够提高我院研究生科研水平的课程内容是非常必要的。
结合我院学生的计算机水平,目前本课程使用ITK用户指导教程作为理论学习的依据;选用VC图像编程相关参考书作为利用VC实现图像处理程序设计的主要参考教材。学生认为现阶段选用的参考书难度适中,教学内容与之联系较为紧密。生物医学工程中心配备机房可满足学生跟随教师讲解同步上机的要求。目前多媒体课件中突出使用了动画显示效果,后期可以添加程序编制具体过程的视频等素材。
本课程教学内容是在了解学生知识水平和专业背景的前提下,结合我院生物医学工程中心各研究室的研究方向和主要工作而安排的。在对教学内容进行完善的基础上,今后还将充分结合目前参考书中的关键知识点,自主编写学生上机实验指导书。教材内容涉及实验目的、基本算法理论、ITK程序运行步骤及结果示例、VC编程设计思路及技巧要点等。由于该课程实践性强,在编写教材的同时,对重要的教学内容和教学难点可以制作视频讲解的VCD光盘予以辅助。
如前所述,本课程主要以利用ITK和VC两种工具进行生物医学图像处理的程序设计展开。ITK的学习相对易于掌握和理解,可作为引导和帮助学生形成编程思路和整体框架的基础部分;针对生物医学图像的特点,在ITK相应内容学习的基础上,重点使学生掌握利用VC进行各种处理算法的程序实现。由于课时数的限制,教学内容将紧密联系目前医学图像处理领域的热点问题,参照国内外常用生物医学图像编程软件的基本功能,精选有助于学生今后开展科研工作的内容。将每次课程设为一个专题,从简单的二维图像入手,在利用ITK实现处理过程并得到正确运行结果后,编写VC相应程序,实现二维图像到三维图像的扩展。在医学图像的配准、分割两个专题中,进一步融入国内外已有科研成果和目前研究室在此基础上开展的各项科研工作。[3-5]根据学生的知识水平和专业特色,不断完善课程教学大纲,使学生在掌握基本理论和编程技能的基础上,结合今后自己的科研方向和学习兴趣有重点地选择专题进行深入学习。
三、小结
专业选修课的教学是研究生培养中的重要环节。学生根据自身的兴趣爱好和发展规划,在专业选修课中期望得到相关专业技能的提高。“生物医学图像编程实现技术”注重培养研究生解决实际问题的能力和创新意识,在强化理论学习的同时重点提高编程水平。课堂讲授与上机操作同步进行,在结合我校科研项目的基础上精选教学内容,注重课堂交流与讨论,进一步做到理论联系实际。相信随着教学改革的不断完善和深入,该课程会取得更加良好的教学效果。
参考文献:
[1]李福华.实行开放式研究性教学,培养研究生的实践能力与创新能力[J].实验技术与管理,2009,(5):18-23.
[2]文贤惠,王晓春.研究生创新能力培养与就业和创业相结合的探讨[J].湖南医科大学学报(社会科学版),2009,(3):240-241.
[3]刘志毅.让编程教学摆脱枯燥——谈行为引导型教学方法在编程教学中的运用[J].中国科教创新导刊,2009,(7):198.
[4]陈国鞠,吴筱颖.谈通过设置小课题提高研究生实验课的教学质量[J].中国校外教育,2009,(5):79.
[5]郝中超.运用项目教学法实施编程语言教学的教学设计过程[J].常州轻工职业技术学院学报,2008,(3):34-36.
(责任编辑:苏宇嵬)