劉東艷 崔麗娟 劉桂然 范素軍 李芳 秦瑞平

摘? 要 針對(duì)“卷積”知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，挖掘其蘊(yùn)含的課程思政元素，形成微課設(shè)計(jì)案例。引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技發(fā)展不斷推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，應(yīng)用卷積解決醫(yī)學(xué)影像問題，并利用調(diào)查和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)此微課的教學(xué)效果進(jìn)行分析，實(shí)踐表明：教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞 卷積；課程思政；醫(yī)學(xué)影像技術(shù)；微課

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）13-0032-03

0? 引言

微課是指運(yùn)用信息技術(shù)按照認(rèn)知規(guī)律呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容、過程及擴(kuò)展素材的結(jié)構(gòu)化數(shù)字資源，其以教學(xué)內(nèi)容短小精悍、教學(xué)目標(biāo)清晰明確、應(yīng)用方式靈活方便的特點(diǎn)深受教師和學(xué)生的青睞[1]。2016年10月，習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)：“要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng)，提升思想政治教育親和力和針對(duì)性，滿足學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)。”[2]本文探討在卷積微課中融入課程思政，在傳授知識(shí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)立德樹人。

1? 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)卷積教學(xué)現(xiàn)狀

卷積是復(fù)變函數(shù)與積分變換課程的重要內(nèi)容之一，是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)后續(xù)課程醫(yī)學(xué)影像成像原理、醫(yī)學(xué)圖像處理等的重要基礎(chǔ)，也是人工智能核心技術(shù)——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)。卷積內(nèi)容理論性較強(qiáng)且計(jì)算復(fù)雜，學(xué)生不易掌握，更難以應(yīng)用。

1.1? 教師直接講定義公式，導(dǎo)致學(xué)生理解困難

大多教師在講解卷積時(shí)，一般都是直接給出連續(xù)函數(shù)的卷積定義式，而不講卷積的實(shí)際意義。卷積的定義式較長(zhǎng)且復(fù)雜，學(xué)生不理解就容易記錯(cuò)，導(dǎo)致計(jì)算不正確，更談不上在本專業(yè)中應(yīng)用。

1.2? 教師注重理論推導(dǎo)和計(jì)算，但缺乏應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足

目前，大部分醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)數(shù)學(xué)教師為純數(shù)學(xué)專業(yè)教師，講授知識(shí)時(shí)重點(diǎn)大多在純數(shù)學(xué)的理論推導(dǎo)上[3]，由于缺乏對(duì)醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的了解，難以將卷積與醫(yī)學(xué)影像聯(lián)系起來，更難以講解其在醫(yī)學(xué)影像中的重要應(yīng)用，這樣會(huì)直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

2? 卷積微課教學(xué)設(shè)計(jì)

基于教學(xué)現(xiàn)狀，有必要將卷積內(nèi)容重新加以設(shè)計(jì)，制作成微課，以便醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生理解和應(yīng)用。此微課教學(xué)設(shè)計(jì)堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的理念，整體思路為：?jiǎn)栴}引入—實(shí)例引出定義—卷積計(jì)算—卷積應(yīng)用（解決問題）。

2.1? 引入

由于卷積定義較為復(fù)雜枯燥，因此從與本專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容入手，以引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。從醫(yī)學(xué)影像的第一張X光照片——倫琴夫人的手的影像入手，這是一張布滿很多噪點(diǎn)的不清晰影像，設(shè)置問題：如何得到清晰的影像呢？答案就是應(yīng)用卷積，從而引出微課要講的主題。

2.2? 卷積的定義

在講授卷積定義時(shí)，從“往平靜的水面扔石頭”的例子開始講解，一般化后引出離散卷積的定義，再轉(zhuǎn)化為連續(xù)函數(shù)的卷積定義。

【例1】往平靜的水面扔一個(gè)“單位石塊”，將此時(shí)定義為0時(shí)刻，水面產(chǎn)生的水花高度為h（0），隨著時(shí)間的流逝，高度逐漸降低。在t=1時(shí)刻，衰減為h（1）；在t=2時(shí)刻，衰減為h（2）。假設(shè)t時(shí)刻后，“單位石塊”產(chǎn)生的水花高度為h（t）。在t=0，t=1，t=2時(shí)刻，各扔一個(gè)石塊。假設(shè)t時(shí)刻投入水中的石塊是單位石塊的f（t）倍，則在t=0，t=1，t=2時(shí)刻產(chǎn)生的水花高度各為多少？

2.4? 卷積的應(yīng)用

再回到有噪點(diǎn)的倫琴夫人的手的影像，影像上每一個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)像素值，提取全部像素值得到一個(gè)二維矩陣。為應(yīng)用卷積去噪點(diǎn)，首先將一維離散卷積定義推廣到二維：

選取一個(gè)合適的矩陣，與原影像像素矩陣做卷積，就可以得到一個(gè)新的矩陣，即沒有噪點(diǎn)的清晰影像。

【課程思政點(diǎn)】科技推動(dòng)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步。從倫琴發(fā)現(xiàn)第一張醫(yī)學(xué)影像X光照片開始，影像技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)在可以獲得清晰的二維影像，但這仍然不符合現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，醫(yī)學(xué)影像三維可視化技術(shù)為醫(yī)學(xué)的智能化發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)，能夠幫助醫(yī)務(wù)人員更直接地觀察病人的病灶，更準(zhǔn)確地提出精確的診療方案。如何將二維影像轉(zhuǎn)化為清晰光滑的三維影像，使之符合現(xiàn)代的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)要求呢？卷積在里面起著什么樣的作用？如何計(jì)算？讓學(xué)生課下查閱資料認(rèn)真思考。此外，卷積在許多領(lǐng)域都有所應(yīng)用，可以用于各種信號(hào)的處理，如手機(jī)通信信號(hào)、地震信號(hào)等，在地圖導(dǎo)航系統(tǒng)中也應(yīng)用到了卷積。

2.5? 小結(jié)

卷積和加減乘除一樣，是一種運(yùn)算，但又有自身的神奇之處。領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵，將其應(yīng)用到醫(yī)學(xué)影像人工智能領(lǐng)域，不斷創(chuàng)新，引領(lǐng)醫(yī)學(xué)影像智能化。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技在不斷推動(dòng)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步，引發(fā)其科學(xué)研究熱情和創(chuàng)新精神。

3? 卷積微課教學(xué)實(shí)踐

為檢驗(yàn)此微課的教學(xué)效果，在對(duì)河北醫(yī)科大學(xué)2018級(jí)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)教學(xué)時(shí)，將班級(jí)分為兩組進(jìn)行教學(xué)，一組（實(shí)驗(yàn)組：90人）使用此微課教學(xué)，另外一組（對(duì)照組：41人）采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行教學(xué)。其中，傳統(tǒng)方式教學(xué)過程為：直接給出卷積定義，接下來講卷積的計(jì)算，不講應(yīng)用。課后統(tǒng)計(jì)學(xué)生自我評(píng)價(jià)并進(jìn)行測(cè)試。

3.1? 學(xué)生自我評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

兩組學(xué)生的自我評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。從圖2可以看出，使用此微課教學(xué)，約90%的學(xué)生更容易理解卷積，學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性大大提高，認(rèn)為數(shù)學(xué)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)高度相關(guān)，能夠促進(jìn)其創(chuàng)新和進(jìn)行科學(xué)研究。

3.2? 測(cè)試成績(jī)對(duì)比分析

兩組學(xué)生的測(cè)試成績(jī)結(jié)果如表1所示。可以看出，實(shí)驗(yàn)組平均成績(jī)和優(yōu)秀率明顯高于對(duì)照組，不及格率明顯低于對(duì)照組，說明此微課的教學(xué)效果較好。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本微課的教學(xué)設(shè)計(jì)旨在引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用卷積知識(shí)解決醫(yī)學(xué)影像問題。本微課能夠改變學(xué)生認(rèn)為數(shù)學(xué)枯燥乏味的印象，從實(shí)際生活中的現(xiàn)象“往平靜的水面扔石頭”出發(fā)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其主動(dòng)學(xué)習(xí)。同時(shí)，本微課改變了學(xué)生認(rèn)為數(shù)學(xué)與本專業(yè)相關(guān)度不高的想法，從第一張影像圖片入手，提出問題，讓學(xué)生通過所學(xué)能夠最終解決問

題；再提出現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的要求，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技發(fā)展不斷推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，引發(fā)學(xué)生求知探索的欲望和不斷創(chuàng)新的科學(xué)精神。將卷積知識(shí)點(diǎn)制作成微課，可以讓學(xué)生利用碎片時(shí)間學(xué)習(xí)，實(shí)用性強(qiáng)，也可以為教師講授此知識(shí)點(diǎn)提供思路。

參考文獻(xiàn)

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[2]習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程 開創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（1）.

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