戴逢亮，孫九愛(ài)，趙夢(mèng)蝶，唐懿文，畢 昕，黃清明

1 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院， 上海 200093；2 上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 上海 201318

醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)作為醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生的必修課，內(nèi)容主要是關(guān)于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中系統(tǒng)電路的基本組成結(jié)構(gòu)及工作原理、單元電路的基本組成及工作原理等[1]。這門課程對(duì)學(xué)習(xí)各類醫(yī)學(xué)影像設(shè)備及其攝影技術(shù)尤為重要。

大多數(shù)X線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，單元電路較多，相互之間有較強(qiáng)的聯(lián)系。一般教學(xué)過(guò)程中采用以教師講授為主的教學(xué)手段，很難將相關(guān)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)較為形象地呈現(xiàn)出來(lái)[2]。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為了提高教學(xué)效果的重要方式[3]。但是X線機(jī)、CT等大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備存在高壓和電離輻射等危險(xiǎn)，學(xué)生難以進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)[4]。另外，大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備價(jià)格昂貴，普通高校不可能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)配備種類齊全、數(shù)量眾多的設(shè)備，學(xué)生缺乏親自動(dòng)手機(jī)會(huì)[5-7]?；谏鲜鲈?，如何在實(shí)驗(yàn)室資源有限的情況下，能夠更好地向?qū)W生講授醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中電路的相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，便于學(xué)生理解，成為醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)教學(xué)過(guò)程中的難題。

針對(duì)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備(如X線機(jī))內(nèi)部電路較為復(fù)雜以及電路存在上千伏的高壓危險(xiǎn)、電路運(yùn)行過(guò)程不易觀察等教學(xué)難點(diǎn)，Multisim仿真軟件的優(yōu)勢(shì)則可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，使得學(xué)生更加直觀、清晰地觀察到醫(yī)學(xué)影像設(shè)備內(nèi)部電路運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程，掌握各部分單元電路的功能。利用Multisim仿真軟件所搭建的電路教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)或升級(jí)，達(dá)到與理論教學(xué)同步的效果，使得學(xué)生能夠更好地掌握醫(yī)學(xué)影像設(shè)備電路的工作原理和相關(guān)電路工作過(guò)程。同時(shí)，教師也可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式，將抽象和難以理解的內(nèi)容進(jìn)行更直觀、生動(dòng)、具體地講解。

1 Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子電路仿真軟件被用于電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]，Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它為學(xué)生提供了一個(gè)直觀的類似電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作界面，使得學(xué)生進(jìn)行電子電路仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以方便地修改電路參數(shù)和實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Multisim仿真軟件已經(jīng)廣泛用于模擬電子電路教學(xué)[9]，并取得良好的教學(xué)效果。在國(guó)內(nèi)，宋莉[10]等應(yīng)用Multisim仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)硬件電路實(shí)驗(yàn)箱的不足，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率；李素玲[11]應(yīng)用Multisim進(jìn)行RC積分電路仿真時(shí)，可以使學(xué)生歸納出參數(shù)變化對(duì)輸出波形及幅值的影響規(guī)律；金巧芳[12]發(fā)現(xiàn)利用Multisim仿真軟件學(xué)生更加容易接受疊加原理的電路驗(yàn)證；尹均萍[13]等采用Multi- sim仿真軟件輔助講授差分放大電路，可有效地幫助學(xué)生理解抽象的電路理論知識(shí)。在國(guó)外，Udit Mamo- diya[14]等利用Multisim仿真半波整流電路，在負(fù)載阻值變化的情況下，學(xué)生能實(shí)時(shí)觀察到電路的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該研究以醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)課程中X線機(jī)單向全波整流電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)為例探討新的教學(xué)方法。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中利用模擬電路實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)，由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易發(fā)生誤操作，時(shí)常導(dǎo)致元器件損壞；同時(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量有限，需要多個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)儀器，另外，測(cè)量結(jié)果也缺乏準(zhǔn)確性。

有鑒于此，筆者利用Multisim軟件平臺(tái)構(gòu)建X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)系統(tǒng)。圖1為X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)系統(tǒng)仿真圖。由于實(shí)際X線球管電氣特性跟電子管類似，只是工作電壓比一般電子管大，因此在Multisim中可以利用電子管仿真X線球管。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成X線球管陽(yáng)極特性曲線分析實(shí)驗(yàn)：當(dāng)改變滑動(dòng)變阻器R1的值時(shí)，相應(yīng)的模擬管電壓變化，進(jìn)而使得管電流變化。通過(guò)管電壓、管電流測(cè)量?jī)x表可以記錄每次調(diào)節(jié)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)取點(diǎn)繪圖，從而進(jìn)行陽(yáng)極特性分析實(shí)驗(yàn)。另外，還可以通過(guò)觀察管電壓波形圖這一實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生更好地了解電路動(dòng)態(tài)變化特性；通過(guò)拓展此教學(xué)系統(tǒng)，還可以模擬單向全波整流電路中某個(gè)整流二極管斷路時(shí)產(chǎn)生的故障現(xiàn)象[15]。以下為了方便介紹，我們將利用Multisim仿真軟件構(gòu)建的X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為：“仿真電路教學(xué)系統(tǒng)”?，F(xiàn)將該仿真電路教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)情況報(bào)道如下。

圖1 X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)系統(tǒng)仿真圖

2 對(duì)象與方法

選取41名大學(xué)二年級(jí)醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)學(xué)生，這些學(xué)生前期已完成電路，模/數(shù)電等課程的學(xué)習(xí)。利用他們正在學(xué)習(xí)的X線機(jī)單元電路課程，由同一名教師講解X線機(jī)單向全波整流電路的工作原理及電路組成，在理論教學(xué)結(jié)束后，分別要求學(xué)生利用Multisim仿真軟件構(gòu)建X線機(jī)單向全波整流電路和采用傳統(tǒng)的X線機(jī)整流模擬電路實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查的內(nèi)容包括：①對(duì)兩種教學(xué)方法進(jìn)行總體評(píng)價(jià)：選項(xiàng)有“好”與“一般”；②對(duì)教學(xué)方法細(xì)節(jié)的評(píng)價(jià)，具體的評(píng)價(jià)包括“有利于對(duì)不同型號(hào)X線球管電氣特性的掌握”“方便實(shí)時(shí)觀察X線機(jī)單元電路的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果”“有助于X線機(jī)單元電路實(shí)驗(yàn)操作安全性的提高”“有利于課后對(duì)電路功能的復(fù)習(xí)”“可以促進(jìn)開放性思維的培養(yǎng)，提升自主設(shè)計(jì)電路的能力”，選項(xiàng)有“完全同意”“同意”“基本同意”“不同意”。

2.1 統(tǒng)計(jì)分析方法

利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)于兩種教學(xué)方法的總體評(píng)價(jià)，采用四表格χ2檢驗(yàn)，以α=0.05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[16]。對(duì)于教學(xué)方法細(xì)節(jié)的評(píng)價(jià)，在兩種教學(xué)方法之間采用非參數(shù)的秩和檢驗(yàn)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 兩種教學(xué)方法的總體評(píng)價(jià)比較

從表1調(diào)查結(jié)果可以看出，37人(90.2%)對(duì)利用Multisim仿真軟件構(gòu)建電路教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)的方法總體評(píng)價(jià)好，比較認(rèn)同該教學(xué)方法；另外，有36人(87.8%)對(duì)模擬電路實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)方法總體評(píng)價(jià)為一般。二者的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=49.98，P<0.01)。

表1兩種教學(xué)方法進(jìn)行X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)的總體評(píng)價(jià)n(%)

教學(xué)方法 人數(shù)教學(xué)效果評(píng)價(jià) 好一般χ2P仿真電路教學(xué)系統(tǒng)4137(90.2)4(9.8)模擬電路實(shí)驗(yàn)箱415(12.2)36(87.8)49.98<0.01

3.2 兩種教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)

對(duì)于教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)，如表2所示。關(guān)于仿真電路教學(xué)系統(tǒng)“有利于對(duì)不同型號(hào)X線球管電氣特性的掌握”的問(wèn)題，有34(82.9%)位學(xué)生表示完全同意；2(4.9%)位學(xué)生表示同意；2(4.9%)位學(xué)生表示基本同意；3(7.3%)位學(xué)生表示不同意。而對(duì)于模擬電路實(shí)驗(yàn)箱，有1(2.4%)位學(xué)生表示完全同意；2(4.9%)位學(xué)生表示同意；2(4.9%)位學(xué)生表示基本同意；36(87.8%)位學(xué)生表示不同意。從表2可以看出，問(wèn)題1的秩和檢驗(yàn)結(jié)果Z=-7.534，P<0.01，關(guān)于兩種教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其他問(wèn)題的細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所述。

表2教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果n(%)

題序評(píng)價(jià)內(nèi)容仿真電路教學(xué)系統(tǒng)模擬電路實(shí)驗(yàn)箱ZP1有利于對(duì)不同型號(hào)X線球管電氣特性的掌握 完全同意34(82.9)1(2.4) 同意2(4.9)2(4.9) 基本同意2(4.9)2(4.9) 不同意3(7.3)36(87.8)-7.63<0.012方便實(shí)時(shí)觀察X線機(jī)單元電路的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果 完全同意30(73.2)1(2.4) 同意3(7.3)1(2.4) 基本同意3(7.3)5(12.2) 不同意5(12.2)34(82.9)-6.97 <0.013有助于X線機(jī)單元電路實(shí)驗(yàn)操作安全性的提高 完全同意35(85.3)10(24.4) 同意2(4.9)8(19.5) 基本同意2(4.9)7(17.1) 不同意2(4.9)16(39.1)-5.41 <0.014有利于課后對(duì)電路功能的復(fù)習(xí) 完全同意32(78.0)7(17.1) 同意5(12.2)2(4.9) 基本同意2(7.3)3(7.3) 不同意2(4.8)29(70.8)-6.23<0.015可以促進(jìn)開放性思維的培養(yǎng),提升自主設(shè)計(jì)電路的能力 完全同意35(85.3)1(2.4) 同意3(7.3)2(4.9) 基本同意1(2.4)10(24.4) 不同意2(4.8)28(68.3)-7.53<0.01

4 討論

針對(duì)教學(xué)方法總體評(píng)價(jià)，調(diào)查顯示，90.2%的學(xué)生認(rèn)為Multisim仿真軟件用于醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)課程中X線機(jī)單向全波整流電路的教學(xué)方法好。在Mul- tisim仿真軟件用于醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)電路教學(xué)時(shí)，該方法可以根據(jù)不同型號(hào)球管仿真的需求，選擇不同的電子管用于實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而“有利于對(duì)不同型號(hào)X線球管電氣特性的掌握”。在教學(xué)細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)上，有82.9%的學(xué)生完全同意這一觀點(diǎn)。

其次，在傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)箱中，需要改變連線及輸入?yún)?shù)來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于經(jīng)常發(fā)生人為誤操作，增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性，而利用Multisim仿真軟件構(gòu)建仿真電路教學(xué)系統(tǒng)用于電路實(shí)驗(yàn)，則可以實(shí)時(shí)觀察X線機(jī)單元電路的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果，這一點(diǎn)有73.2%的學(xué)生完全認(rèn)可；以往在進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往由于模擬電路實(shí)驗(yàn)箱的故障引發(fā)外殼漏電，使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)有觸電危險(xiǎn)，利用Multisim仿真軟件開發(fā)的仿真教學(xué)系統(tǒng)用于X線機(jī)單元電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，全部在計(jì)算機(jī)上操作完成，不存在觸電危險(xiǎn)，因此，有85.3%的學(xué)生非常認(rèn)同教學(xué)仿真系統(tǒng)“有助于X線機(jī)單元電路實(shí)驗(yàn)安全性的提高”；相對(duì)于模擬電路實(shí)驗(yàn)箱方法，試驗(yàn)箱只能存放于在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在課后進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí)很不方便，仿真電路教學(xué)系統(tǒng)能夠很好地解決這一問(wèn)題，只需要學(xué)生電腦上安裝Multisim仿真軟件，即可隨時(shí)隨地進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)仿真，這一點(diǎn)在兩種教學(xué)方法的細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)“有利于課后對(duì)電路功能的復(fù)習(xí)”問(wèn)題上，不同意模擬電路實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)方法的學(xué)生總共占總?cè)藬?shù)的70.8%，同意和完全同意仿真電路教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)方法的學(xué)生占90.2%，并且P<0.01,學(xué)生對(duì)教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

最后，傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)方法通常是根據(jù)教材中的問(wèn)題，進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于廠家設(shè)置，一些具有損壞儀器的試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，而利用Multisim仿真軟件構(gòu)建的X線機(jī)單向全波整流電路教學(xué)系統(tǒng)能夠很好地解決這一問(wèn)題。當(dāng)進(jìn)行試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠得到軟件反饋的錯(cuò)誤信息，對(duì)電路情況分析后進(jìn)行修改，這一過(guò)程可以提升學(xué)生的開放性思維能力和自主設(shè)計(jì)電路能力，在教學(xué)方法細(xì)節(jié)評(píng)價(jià)調(diào)查中也可以體現(xiàn)，85.3%的學(xué)生完全同意“可以促進(jìn)開放性思維的培養(yǎng)，提升自主設(shè)計(jì)電路的能力”這一觀點(diǎn)。

5 展望

Multisim仿真軟件方法作為醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的一個(gè)補(bǔ)充，有助于靈活開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，從而最終提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。但Multisim仿真軟件用于醫(yī)學(xué)影像電子學(xué)教學(xué)仍有改善的空間。例如：在醫(yī)學(xué)X線影像設(shè)備學(xué)中，經(jīng)常使用的一些特殊電氣元件(例如自耦變壓器、空間電荷補(bǔ)償變壓器、高壓整流硅堆等)在目前開放環(huán)境中還沒(méi)有提供，我們將在進(jìn)一步的工作中，利用Multisim仿真軟件自定義元器件功能對(duì)其進(jìn)行建模，從而使得Multisim仿真軟件可以進(jìn)行課程中其他的實(shí)驗(yàn)。