NIST在线数据库在医学物理实验教学中的应用

摘要：X（γ）射线与物质的相互作用规律是医学物理学的基本问题之一，涉及到许多复杂抽象的理论，而实验教学由于条件所限往往难以开展，影响教学质量。利用NIST物理学数据库开展模拟实验，学生不但加深了对理论知识的理解和掌握，而且提高了综合应用能力。

关键词：医学物理；实验教学；NIST在线数据库

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）37-0262-03

实验是物理学教学的重要组成部分，不但能加深对复杂、抽象的理论知识的理解和掌握，而且有助于培养理论联系实践的动手能力。医学物理学，作为生物医学工程专业本科生的必修专业基础课，基本问题之一是X（γ）射线与物质的相互作用规律，所涉及的光电效应、康普顿散射和电子对效应等概念仅通过课堂讲授往往难以达到满意的效果。但是，由于缺乏实验设备和存在辐射伤害等各种原因实验教学往往难以开展，客观上影响后续教学的顺利进行。

近年来，得益于计算机模拟技术的飞速发展，虚拟仿真实验的研究日益受到重视，并在医学物理学教学中展现了良好的前景[1-3]。另一方面，随着互联网技术的普及，许多学术机构对外开放在线数据库，共享各个学科的经过权威认证的实验数据，极大地方便了科研和教学[4]。顺应教学改革大潮，我们对放射物理实验教学进行了积极的改革尝试，取得了良好的效果。下面以“X射线与物质的相互作用规律”内容为例，介绍如何利用NIST物理学数据库设计和开展模拟实验课。

一、教学实践

物理实验课分为实验准备、实验实施和实验报告撰写三个阶段。与传统实验课不同，本实验不需要在实验室进行，布置在自习课和课后自行完成。教师根据情况调整进度，对出现的问题进行集中讲解。

（一）实验准备

在理论课后教师以布置作业的形式安排学生利用课后时间上网了解NIST官网，掌握相关资源的使用方法。根据学习进度，实验准备可分若干次按步骤进行。这样，教师可及时了解学生的准备情况，合理安排实验任务，对存在的问题进行答疑。

NIST从事物理、生物和工程等学科的基础和应用研究，提供标准、标准参考数据及有关服务，在国际上享有盛誉。其定期更新的可靠、权威的科学数据库，被广泛应用于教学、科研和生产。其中，在物理学的“X-Ray and Gamma-Ray Data”和“Radiation Dosimetry Data”两个数据库内可分别检索物质的线性衰减系数和阻止本领等[5]。为使学生熟练掌握XCOM程序检索数据库，教师可结合具体的例子讲授。例如，计算水对70keV的X线衰减系数，按如图1所示流程，进入XCOM主页，在“Database Search Form”表格中选择物质类别（水为“Compound”），然后在主界面“Fill the form”相应位置输入水的分子式（H2O）和X线能量（0.07 MeV），程序自动生成总的质量衰减系数和各相互作用（瑞利散射、康普顿散射、光电效应、电子对效应）截面。以此类推，可得到不同物质与不同能量的X射线相互作用的数据。

（二）实验实施

实验实施阶段教学的重点是设置实验内容。为锻炼学生独立思考和解决问题的能力，关键是提出问题，让学生始终围绕问题去采集数据、完成实验，典型的包括：X射线与物质的相互作用过程及其对成像的影响；在医学放射成像应用中，“物质”具体指什么；为达到成像的目的，即分辨体内不同组织，X射线的能级应该选择什么范围；等等。这样，整个实验实施过程就会有很强的目的性，学生在课后可根据情况独立或自由组队协作进行。教师在每节理论课结束时安排时间检查实验进度，对出现的问题做提示和讲解。

实验数据应该采集多少样本，并不需要设置统一的标准，只要能回答预设的问题，达到实验目的即可。表1所示为某一份作业，列出了体内几种组织及主要组成元素与70keV的X线的相互作用数据。

（三）实验报告撰写

为了锻炼学生的科技论文的写作能力，培养科学的思维方法，我们对实验报告部分的内容做了适当的改变，要求学生单独或组队按照“四段式”科技论文的格式完成一篇小论文。

背景部分主要内容是阐明科学问题和实验目的，而不是把课本上的公式照抄一遍。材料与方法部分除了描述数据采集过程外，更重要的是描述数据分析方法。结果部分主要以图、表形式直观、定量地反映科学规律，回答实验前布置的问题。如图2所示，通过绘制百分比堆积柱形图可直观地显示不同相互作用占比随物质不同而变化的规律，为后续讨论部分的写作做好了铺垫。科技论文的核心是讨论部分，目的是解释现象、分析原因、阐述观点，是论文质量优劣的标尺。对于本科生来说，写好讨论是一件很不容易的事。为引导学生顺利完成，一是在课堂上通过范围讲解写作思路和技巧；二是提出问题，让学生带着问题来组织内容，比如实验结果反映了什么规律及其对临床应用有何指导意义。

此外，我们采取多种形式提升实验教学效果。鼓励学生交流实验报告的写作体会，在课堂上对论文给予点评，对优秀的论文进行单独指导、修改，选择合适的杂志投稿。

二、教学效果

经过几年来不断的摸索和实践，我们充分利用诸如NIST在线数据库的网络资源，逐渐形成了一套行之有效的模拟实验教学方法，达到了预期目的。首先，通过实验加深了学生对深奥理论的理解，从一知半解提高到定量掌握，为放射物理学这一章节的教学奠定了坚实的基础。从图2容易理解，由于钙的光电效应占优势，所以图像上含钙高的骨骼表现为亮区。同样，碘的光电效应占比达93.8%，在相互作用中占绝对优势，因此被用作对比剂。其次，引导学生充分利用网络资源，既锻炼了学生查阅文献、资料的能力，同时有助于了解最新的科研动态和前沿知识，拓宽视野，激发学习热情。为了获得体内组织的数据，学生要查阅之前所学的医学基础课本，综合应用能力得到提高。第三，通过论文写作的训练，学生初步了解了科技论文的基本要求和一般格式，提高了数据分析能力和图表的制作水平，对科研思维和创新能力的养成起到了积极的促进作用。部分学生还积极参与教研室组织的第二课堂活动，在老师的指导下申请学院的奖学金资助课题。此外，自主实验促进了同学之间的相互讨论和交流，有利于增进友谊和培养团结协作精神。

三、结论

利用网络资源（比如NIST在线数据库）进行模拟实验可作为生物医学工程专业本科生的医学物理实验教学的有益补充，不但简便易行，无需额外的实验条件，而且效果良好，在使学生加深对理论知识掌握的基础上，还有助于提高查阅资料能力、锻炼科技论文写作水平。这样的实验方法可扩展应用到医学物理教学的其他环节。

参考文献：

[1]罗红，吴静.虚拟实验在医学物理实验教学改革中的应用[J].医学教育探索，2008，7（10）：1044-1045.

[2]李光仲，刘俊英，王云创，等.计算机模拟技术在医学物理学教学中的应用研究[J].中国医学物理学杂志，2009，26（4）：1352-1360.

[3]崔红新，陈雪能，张灵帅，等.探讨医学物理虚拟仿真实验教学改革与实践[J].科技创新导报，2014，（28）：175-177.

[4]费旭，田晶，徐龙权，等.将网络数据库应用于仪器分析教学的研究[J].教育教学论坛，2012，（32）：159-161.

[5]http：//www.nist.gov/pml/data/.