培养逻辑思维，加强知识运用

培养逻辑思维，加强知识运用——“医疗仪器的临床应用”课程

包家立
　公共卫生系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

医学—基础医学

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:通过本课程学习，使医学生了解医疗仪器的种类，掌握与临床医师使用密切相关的医疗仪器物理和生理原理、特性和技术性能、临床应用等知识；训练医学生运用物理和数学知识分析和解决医疗难题的逻辑思维方法和医疗新技术创新能力，为培养创新型医师奠定基础。

（2）教学内容:电子医疗仪器、放射成像设备、核医疗设备、医用电磁成像设备、电磁治疗设备、医用超声仪器、生命支持系统、微创与手术导航设备等。

4.教学对象

已有临床见习经历的高年级临床医学专业学生。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:课堂教学24学时。

（2）教学场景:多媒体教室和医院相关科室。

二、课程教学重点解决的问题

我国的临床医学教育主要分基础课和专业课两个阶段的学习。专业课学习阶段存在的主要问题有基础课知识在专业课阶段不会运用；基础课学习中的逻辑思维在专业课阶段严重退化；基础课与专业课知识脱节、不融合等。其主要表现如下:

（1）专业课需要的知识在基础课中没有学习。例如在超声诊断中有一个多普勒频谱的知识点，许多医学生不能阐述频谱这一概念。实际上，频谱是数学的内容，但是数学课为了节省学时，把这部分内容删除了。频谱这个知识点不仅在超声诊断出现，在心电、脑电分析中也出现，例如脑电图各种波形是如何提取出来的？高频心电又是怎么回事？这些问题只有很好地理解“频谱”这个概念才能理解其医学真谛。

（2）专业课知识与基础课知识联系不起来。例如心电图形成的医学教学是从生理学细胞膜动作电位开始，由于没有引入物理学电偶极子和电偶矢量概念，没法阐述心电矢量与心电图之间的时序关系和Einthoven三角形的时空特性。原本在这个知识点上生理学与物理学可以很好地结合，但实际教学没有这样做。自然科学知识与医学科学知识还是桥归桥，路归路，没有做到学科交叉融合。

（3）专业课学习缺少逻辑思维的训练，高年级医学生的逻辑思维能力衰退，限制创新力的发挥。进入专业课学习阶段，学生的思维形式逐步从逻辑思维转向形象思维，学习方式也从推理式转向背诵式。专业课阶段的后续课程除医学统计之外很少有与数理相关的课程，学生缺少逻辑思维训练的环境，即使医学统计也只是公式套用，没有推理和求证内容。

本课程设置在高年级医学生中开设，一方面增加高年级医学生获得逻辑思维训练的机会，使学生们逻辑思维得到强化；另一方面通过医疗仪器知识的传授，强化物理数学知识在医学教育中的运用，使医学生们从物理数学知识中获益。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

本课程学习对象要求是已经进入临床见习或实习，有接触医疗仪器的经历，但不知道医疗仪器原理、特性特点，且有强烈求知欲望的高年级临床医学生。课程类型为选修课，以保证来学的学生对医疗仪器有兴趣。教学实施策略采用理论教学与见习实践相结合，教学方法主要有:

（1）以医疗仪器知识为基础的知识传授。如果没有基本的基础知识，学生是不会从医疗仪器方向上思考问题的。因此，2010年我们为临床医学专业开设了“医疗仪器的临床应用”新课。这门课设置了与临床医师使用密切相关的八大类医疗仪器为教学内容，重点传授这些医疗仪器作用的生理基础、工作原理、特性特点、适应症和禁忌症等，为学生医疗仪器创新和运用奠定基础。

（2）以物理数学知识为基础在医学中的知识运用。医疗包括诊断和治疗两大过程，诊疗手段包括药物和器械的使用，药物的基础是化学，器械的基础是物理。因此，物理学是运用医疗仪器解决临床难题的重要理论基础。在教学中采取设问，诱导学生回顾物理知识，来启发学生运用物理知识解决临床问题的思维。

（3）以临床难题为中心的逻辑思维训练。在教学过程中，列举一些医学难题，诱导学生学会运用学过的知识进行思考，尤其是运用理工知识的思考，如生物系统建模与仿真。教育学生根据已知的理论和定律推演医学难题可能的结果，学会用建模和仿真进行结果预测和实验设计，培养学生逻辑分析能力。

（4）采用图表等表达手段训练学生观察力和想象力。在教学中，从现实的研究论文中下载一些图表，提问:学生从这些图表中观察到了什么？训练学生的观察力和想象力。答案是以科学性、逻辑性和创新性为准，不预设标准答案。教师可预备几个答案，但可以是多于预备答案。从教学效果看，学生找答案的热情高涨，课堂气氛活跃，有真正的互动。

（5）用发明家发明故事激励学生的创新意识。在教学过程中，穿插一些医疗仪器发明的背景和发明故事，激励学生勇于用创新思维思考问题，勇于对教科书中的传统知识提出疑问，鼓励批判性学习，学习发明家的创新思想。

2.具体实施方法举例

临床难题1:由于能源的问题，埋藏式心脏起搏器一般使用寿命只有5～8年，对于长寿者具有很大安全风险，如何延长起搏器寿命？

教学方法:以临床难题为中心的逻辑思维训练。

思维路径:延长起搏器寿命有两种方法:一是提高电池的蓄能量或外源充电方式；二是降低起搏器本身的消耗功率。

降低起搏器消耗功率的方法是降低所有电子器件的功耗，包括运算控制器的功耗。运算控制器是一种定制的计算器，小型微型化是降低功耗的重要途径，如何做到小型微型化？可以将起搏算法固化到计算器中，那么起搏算法又是什么？可以运用生理学中的H—H方程，通过H—H方程的建模与仿真建立起搏算法并可以设计离体试验。

上述思维，起源于临床需求，解决手段为电子工程，理论归结为生理学。

临床难题2:血液透析每周要做2～3次，非常麻烦，能否发明一种简易家用的血液透析机？

教学方法:以临床难题为中心的逻辑思维训练。

思维路径:血液透析的两个基本条件是:一是半透膜上要有通道；二是膜两侧要有动力，透析器的小型微型化是发明关键。

透析器小型微型化的最佳途径是透析器制成与肾单位功能相等的器件，建立透析器尿生成系统模型和尿动力学仿真，模拟透析器的血液透析功能。教学路径是生理学尿生成理论→物理化学物质转运理论→半透膜→人工肾单位设计。

上述思维，起源于临床需求，解决手段为化学工程，理论归结为生理学。

临床难题3:如何用最小人体伤害控制恶性肿瘤的复发？

教学方法:以临床难题为中心的逻辑思维训练。

思维路径:治疗恶性肿瘤最有效的手段是手术疗法、化学疗法和放射疗法。化学疗法和放射疗法在术后巩固性治疗更有效，但是这两种疗法对人体的伤害也非常大。因此，可以考虑采用其他的物理治疗手段，如微波热疗和射频消融等。

微波热疗和射频消融都是利用电磁场进行肿瘤消除的物理治疗方法，其共同点都是运用了电磁能量。教学过程中重点阐述电磁能量原理和控制，以及术前预测和术后评估。手段是利用微波理论建立人体非均匀体电磁特性模型，模拟各种微波在人体中的分布，从而控制微波能量。

教学路径:物理学电磁波理论→生物电磁效应理论→能量控制理论→医学微波治疗。

上述思维，起源于临床需求，解决手段为微波工程，理论归结为物理学。

教学法1:图解法Fourier变换和频谱教学

教学方法:以物理数学知识为基础在医学中的知识运用。

Fourier变换可以将时域信号变换到频域中，在医学中非常有用。例如，脑电图的α、β、θ、δ波的判别在频域中是一件很容易的事。由于医学教育中，数学课是不教Fourier变换的，因此，医学生不能理解频谱的概念。在我们的教学中，首先以一个方波序列为例，将方波序列分解成基波和各次谐波的图序，如图1所示。从各个图序中找到对应的谱，将这些谱按照频率的大小秩序排列构成一个频谱图。在频谱图基础上，教授滤波器、频带、时间常数、频率响应等概念，以及利用这些概念在心电图、脑电图检查中的应用。学生回家作业:将心电图序列分解成基波和各次谐波的图序。

图1　图解Fourier变换

教学法2:用电偶极子阐述心电图的形成

教学方法:以物理数学知识为基础在医学中的知识运用。

考虑细胞的正负电中心不重合可以构成一个电偶极子，该电偶极子可以构成一个电偶极子向量。心脏特殊传导系统是由可兴奋细胞链组成，在每一个时刻，每一个细胞都有特定的向量（见图2），这些向量加和构成心电综合向量（见图3），将心电综合向量在时间域上展开就是我们熟悉的心电图波形（见图4）。

图2　细胞电偶极子与电偶极子向量

图3　心脏电偶极子综合向量环

图4　心电向量与心电图波形关系

教学法3:用声学理论阐述超声耦合剂的正确使用

教学方法:以物理数学知识为基础在医学中的知识运用。

超声的临床应用包括诊断和治疗两种，无论是诊断还是治疗，都需要将超声导入到体内。当声波传递到不同密度的介质时，发生反射和透射两种情况，反射和透射的量值分别用反射系数r和透射系数t表示:两种系数均与介质的声学特征阻抗有关:人体组织的声学特征阻抗如表1所示。

表1　人体组织的声学特性阻抗

用表1的数据可以计算当超声从空气与脂肪相遇，其r■1，t■0，表明超声从空气进入人体，基本反射，对成像困难；当超声从水与脂肪相遇，其r■0，t■1，表明超声从水进入人体，基本透射，对成像有利。超声耦合剂的特性阻抗与水相当，因此，超声耦合剂的作用使声波能充分进入人体。

这样的教学从理论上阐明了超声耦合剂的作用，让学生明白超声耦合剂的原理。

教学法4:从表2中寻找，你观察到了什么？

教学方法:采用图表等表达手段训练学生观察力和想象力。

课堂上，让学生说出从表2中观察到什么知识？26位同学至少回答了18个观察结果，其中有几个结果是非常有意义的。下面是其中6个有意义的观察:

（1）医师是医疗仪器的创新主体；

（2）科学家和工程师有知识和思维的优势；

（3）理工教育对原创医疗仪器起重要作用；

（4）发明者具有良好的教育背景和工作环境；

（5）双学历教育是培养卓越医师的一种好的模式；

（6）双学历医师可以更快做出发明。

教学法5:医用磁共振成像技术的发明故事

教学方法:用发明家发明故事激励学生的创新意识。

Damadian是一位美国肿瘤医师，他在临床实践中发现用X线检查肿瘤一般都已经到了晚期，于是他就想能不能有一种方法可以在肿瘤还没有形成器质性病变就能够被发现。根据他的医学知识，认识到肿瘤组织与正常组织在水的含量上是有区别的。还有，Damadian在大学时主修的是数学，他知道核磁共振的知识。他把医学知识和理学知识结合起来发明了世界上第一台医用磁共振设备。

这个故事告诉同学们医学的创新是宽广的知识＋积极主动的思考。我们时常告诫同学:你们到浙大来不是仅做一个合格的医师就够了，二三流的医学院校也可以培养出合格的医师，你们到浙大来是来学做卓越医师，是未来医学的开拓者和领导者，而创新是开拓者和领导者最基本的要素。

表2　原创医疗仪器发明人职业与教育背景（服务机构和学习学校后的数字为泰晤士高等教育大学排位）

3.教学方法特点分析

（1）知识的信息量大:本课程涉及数学、物理、化学、电子、电工、化工、材料、计算机、控制、信息、生理、生化、病理生理、诊断等自然科学和医学科学两大门类的知识。

（2）知识的整合度高:在本课程中，综合运用了已经学过的物理学、数学、生理学、诊断学等知识。在教学过程中，一方面复习学过的基础知识，另一方面综合运用这些知识来分析、解决临床医学中的实际问题。

（3）逻辑思维训练强:在基础知识传授中，强调自然规律、特性特点、理论定律。在解决具体问题时，强调运用理论定律分析、预测可能结果，尤其是运用建模与仿真的逻辑思维，预测结果。这种思维的培养对术前疗效预测、医疗方案制定等临床实践有重要意义。

（4）学生学习兴趣高:通过讲故事、找知识的教学方法，大大提高学生的学习兴趣。学生可以在任何时候提问，增强了教学的互动性。互动式教学对教师的知识和应对能力要求较高，至少要能够回答得上学生的问题。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

（1）课间测试:每次课间有约5分钟的小测试，测试的问题是本节课中的关键知识点，测试方式是5个4选1题。4选1的优点是用最短的时间（5分钟）回答最多的问题，缺点是不能阐述理论。每个问题记1分，8次课共有40个问题，共40分，作为平时考核成绩。

除了课间测试外，课后留有2～8个思考题。思考题是医师在临床实践中经常发生的错误或概念不清的问题，如将耦合剂当导电膏在除颤器中使用等问题的分析，其深度和难度比课间测试题高，学生需要做一点复习才能完成。思考题不做成绩，但有可能在期终考核中出现，以提高学生平时的重视度。

（2）期终考核:采用闭卷考试，占总成绩的60%。考核学生的基本知识、科学判断和综合分析的能力，对应的考题是名词解释、判断和问答三种题型。问答题中需要带一定量的计算，用数据来支持问题答案的正确性。

例1:设水、骨、空气的吸收系数分别为1、2、0，计算它们的CT值分别是多少？早期肿瘤组织含水量较高，设其吸收系数为1.02，当CT图像灰阶为64，试问用CT可以检查出来吗？为什么？

例2:设空气、水、脂肪的声特性阻抗分别是0.000407×10⁶、1.500×10⁶、1.410×10⁶kg/m²・s，计算声波从空气入射到脂肪和从水入射到脂肪两种情况的反射系数和透射系数，比较这两种情况的差别，分析超声耦合剂在临床中的意义。

这两个问题表面看是问答题，但实际上是要依靠计算数据来提供支持，参考答案将计算过程作为采分点。

2.支撑手段

（1）教材:整合中外有关文献，自编教材，形成.doc文件作为参考资料。

（2）教案:每一节课均有PPT。

（3）教室:30人以内小班上课的多媒体教室。

（4）医院:至少三乙以上的医院作为教学基地，以确保学生在这些医院中可以见到课中所涉及的医疗仪器。

（5）题库:每一节课后有2～8个思考题，加上大约有20个名词、20个判断和40个问答的复习题。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

本课程于2010年开始在医学院临床医学专业大五学生中做了3次教学实践，并且大五及以上年级的医学生都可以选。由于学生已经进入临床，对临床中的医疗仪器或多或少都有接触，因此本课程就不安排实践课。由于是一门任意选修课，选修的学生都是以获得知识的心态来学，学习都比较认真。学生带着临床问题学习本课程的优点是求知欲较强，但也暴露了学生知识量和对学过的知识运用能力的不足，反映在课堂讨论中往往不能恰到知识点。

在课程结束时，我们做了一个课堂调查，被调查者26人，回答3个问题，分别是:

（1）你认为该课程应该是传授知识为主还是以启发思维为主？

（2）你认为该课程的临床案例以多少为好？

（3）你认为该课程医学和物理结合程度以多少为好？

以百分比计量，多数同学认为启发思维应占57.31%，临床案例占48.08%，医学物理结合度50.77%，有1人认为最好每节课都有一个典型临床案例，有2人认为数学物理知识太深。

通过本课程的教学探索，获得两点重要提示:一方面需要增加一些临床应用的案例，案例式教学可能是最有效的教学方式；另一方面需要增强学生数学物理知识的运用能力，通过用数据来分析和佐证定性知识的逻辑思维方法。

2.推广性分析

自20世纪80年代中以来，我国乘改革开放之势，开始大量引入国外的先进医疗仪器，医疗技术水平得到显著提高。医疗仪器的应用对医学进步的影响是深刻的和革命性的，大量医学新学科都是随医疗仪器的发明而出现，例如有了监护仪就有了监护医学，有了漂浮导管就有了介入放射学，有了CT、MRI、超声就有了影像医学，有了腔镜就有了微创医学等。

从现实上说，医疗仪器与未来医学发展相适应，这是因为:

（1）医疗仪器的临床应用越来越多。根据卫生部《中国卫生统计年鉴》公布的数据表明，2008年和2009年我国医院万元以上医疗设备数量增长率均达11.9%。大量医疗仪器的临床应用形成了使用者（医护人员）对相应知识和技能的需求。

（2）医疗仪器的技术难度越来越高。根据2010年卫生部公布的19项首批允许临床应用的第三类医疗技术中，需要医疗仪器作技术支持的医疗技术有12项，占63%。以高技术为特征的医疗仪器临床应用形成使用者对专业知识和技能的需求。

（3）医疗仪器使用为医学生择业提供了一条新途径。我们培养出来的医学生可能会成为各种与医疗仪器密切相关的专科医师，如放射医师、介入医师等。根据卫生部大型医疗设备临床使用管理规定，包括医师在内的从业人员必须进行上岗考试，取得上岗资格证。

然而，我国医学教育还没有认识到医疗仪器教育的重要性，大多数医学院校都不在医学教育中开设医疗仪器课。医师没有医疗仪器的必要知识，在使用上存在很多问题，如安全使用问题、功能冗余问题、不恰当应用问题等。带来的后果是诊断不精确、医疗不良事件频发、医疗费用快速上涨、医疗资源被侵占等一系列临床和公共卫生问题，这就形成了现实需求与现有制度之间的冲突。可以预期，随着医疗仪器对医学进步作用的凸显，医学教育管理者终会认识到医疗仪器在医学教育中的重要性。浙江大学城市学院医学院曾在护士中做过关于是否有必要开设医疗仪器课的调查，结果是87%的在职护士认为有必要。为此，该校于2013年在护理专业中首次开设“护理中的医疗仪器”课程。

六、课程教材及实验参考书

［1］王成.医疗仪器原理.上海:上海交通大学出版社，2008

［2］燕树林等.全国医用设备使用人员（CT/MR/DSA）上岗考试指南.北京:军事医学科学出版社，2009