影像电子学基础是专科层次医学影像技术专业的核心课程之一，其教学质量直接影响着学生的专业能力和职业发展。然而，在传统的教学模式下，学生面临着诸多学习困难，如抽象概念理解不深入、实践操作经验不足、跨学科知识整合能力薄弱等。这些问题严重制约了教学效果的提升，尽管我们在教学方法方面做了一些努力[1-2]，但是仍然需要探索一种全新的教学模式来应对挑战。

近年来，STEM教育理念因其注重学科融合、强调动手实践而备受关注[3-5]。将STEM教育引入影像电子学教学，有望克服传统教学的局限性，激发学生的学习兴趣，提高他们分析和解决问题的能力。本文围绕影像电子学课程教学改革这一主题，深入分析了当前教学中存在的问题，并提出了基于STEM理念的教学模式。通过教学内容的优化设计和教学方法的创新应用，力求全面提升教学效果，为学生的专业学习和未来发展奠定坚实的基础。

同时，我们还将探讨STEM教学在实践中可能面临的挑战，并给出相应的应对策略，以期为相关教学实践提供有益参考。

一、教学现状分析及存在的问题

（一）理解抽象概念的挑战

影像电子学基础课程囊括了直流电路、交流电路、电子器件、模拟电路和数字电路等众多领域，每个领域均包含着众多抽象的电路理论概念[6]。学生在理解这些概念时面临诸多挑战。

抽象概念的形象化难题：电路等效变换、频率特性分析、放大电路反馈机制等概念缺少直观的物理表征，要求学生必须发展出较强的抽象思维。

数学演算的复杂性：电路分析涉及微积分、复数等高等数学领域，这增大了学生的理解负担。

直观教学资源的匮乏：目前的教学手段依赖文字说明和黑板讲解，虽然使用PPT上课可以展示一些动画，但是仍然缺乏能够将抽象概念具体表现的模型演示，特别是仿真模拟。

学生个体差异显著：部分学生的数理基础较弱，缺少积极的自主学习动力，导致理解抽象概念的难度进一步增大。

（二）缺乏实践操作经验

实践操作是加深对电路知识理解和掌握的关键。不过，在目前的教学中，由于课时的不足，导致学生失去了动手构建电路、测量参数、调试故障等宝贵的实操机会，进而使得理论与实践之间出现了断层。

（三）跨学科知识融合不足

电路分析不仅需要数学知识，还涉及物理等多个学科领域。但在教学实践中，这些跨学科的知识点并未得到紧密的整合，学生难以形成有效的知识迁移和综合应用能力，从而影响了他们对电路原理全面理解的形成。

上述问题的存在严重影响了学生对影像电子学知识的掌握程度，也对教学效果产生了不利的影响。鉴于此，开展教学方法的改革与创新变得尤为紧迫。

二、STEM教育理念在影像电子学基础课程中的应用策略

STEM教育是一种将科学（Science）、技术（Technolo－gy）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）有机融合的跨学科教育理念。它强调理论与实践相结合，培养学生综合运用多学科知识解决实际问题的能力。目前，STEM教育毫无争议地成为了各国关注的焦点，2023年11月联合国教科文组织在中国上海设立国际STEM教育研究所（IISTEM）[7]。教育部要求高校优化学科结构，加大STEM人才培养力度，加快培养科技创新人才[8-9]。对于影像电子学基础课程而言，采用STEM教育理念可以提高学生的学习兴趣，培养创新思维，增强实践动手能力，为未来从事相关行业打下坚实基础。

（一）科学（Science）

加强验证性实验，根据已有理论设计实验，通过实践操作验证理论的正确性。如搭建简单电路，测量电压电流，验证欧姆定律。引入开放式探究实验，开放式探究实验则允许学生自主提出假设，设计实验方案，收集数据并得出结论，锻炼科学探究能力。鼓励学生自主设计实验方案，培养科学探究能力。比如探究不同电阻值对电路性能的影响。注重实验报告的撰写，培养学生的实验数据分析能力。

（二）技术（Technology）

在教学中融入医学影像设备的实际电路案例，激发学习兴趣。邀请医院影像科室的技术人员开展讲座，介绍CT、MRI等医学影像设备的工作原理、日常维护等内容，让学生了解专业技术在实践中的应用。

（三）工程（Engineering）

利用面包板等物理元件搭建简易电路模型，模拟工作原理。使用电路仿真软件CircuitJS设计复杂电路并进行仿真分析。将电路与物理现象对应，帮助学生理解工作原理。模拟医学影像设备的关键电路模块，加深对其工作原理的理解。

（四）数学（Mathematics）

将微积分等数学知识融入电路分析，利用微积分知识分析RC电路中电容充放电曲线的变化规律，提高分析能力。通过补充三角函数和复数相关知识，分析交流电路中的相位关系。使用数学软件绘制电路伏安特性曲线，以可视化的方式，帮助学生加深对电路的理解。

通过采用STEM教育理念，可以培养学生综合运用多学科知识解决实际问题的能力，提高创新意识和动手实践能力，为今后从事相关工作打下坚实基础，对个人发展和社会贡献都有极其重要的意义。

三、STEM教育在影像电子学基础课程中的实践探索

在影像电子学基础课上，我们把STEM理念贯穿到教学中。用免费的CircuitJS[10]做线上仿真，再配一块面包板做线下搭建，双线并行，让学生在动手间把抽象电路和医学影像设备的工作原理真正打通。

首先，教师对实验过程进行详细的讲解，并教会学生使用这些器材。

第一，准备必要的实验材料，包括CircuitJS模拟软件环境、面包板、电路元件、电源和万用表等。第二，根据串联和并联的基本原理，学生在面包板上搭建简单的电阻电路。第三，借助万用表，学生精确测量每个电阻两端的电压，从而验证电压的分配规律。第四，通过改变电路中的电阻值，学生细心观察电流和电压的微妙变化。第五，学生绘制实验数据与理论值的对比图，直观地展现实践成果。

下一步，我们使用CircuitJS进行在线电路模拟器，要求学生虚拟构建各种模拟和数字电路，并实时调整元件参数观察电路响应。这使得学习过程直观且富有成效，同时突破了昂贵仪器和元器件的限制。在CircuitJS中，学生可以：①利用CircuitJS在线电路模拟器，搭建RLC虚拟电路，如图1所示。②通过调整元件参数和电源的频率，观察电路元件上波形的变化，深入探究其影响因素。③绘制RLC电路的伏安特性曲线，进一步拓展对电路性能的理解。

随后，学生可以借助面包板搭建基础电阻电路，并测量电压和电流，深入领悟电路的基本原理。利用万用表精准测量关键节点的电压和电流，并借助示波器观察电路中电路元件的伏安特性曲线的变化，学生可以直观验证电路的基本定律与理论分析结果。在RLC电路实验中，我们采取以下步骤：①学生用面包板搭建RLC电路，并利用函数信号发生器产生正弦波信号。②通过示波器，学生分别测量电路元件两端的波形，观察其差异。③学生细心观察波形相位差，体会电容，电感对交直流信号的阻滞作用，深入理解电路的动态特性。④通过改变频率和元件参数，学生分析这些因素对相位差的影响，进一步掌握电路的基本规律。⑤学生绘制频率与相位差的关系曲线，直观地呈现实验结果，加深对电路特性的认识。

图1RLC虚拟电路

最后，我们设定了一个开放性的课题，借助小组讨论的互动方式，引领学生深入探讨医用X射线机控制电路的工作机制，旨在拓宽他们在医学影像技术领域应用的视野。

第一，教师首先对X射线机的基本架构及其工作原理进行讲解，着重解析X射线管、高压变压器、高压整流电路等核心组件，以此为学生构建知识基础。第二，向学生分发几种常见的X射线机控制电路图，涵盖电源控制、高压生成、灯丝加热和曝光时间控制等关键模块。学生将分组进行研究和讨论，要求每组专注于一种电路图的深入分析。第三，在小组讨论中，学生需根据电路原理图，结合已学的电子电路知识，剖析各模块的电路配置和运作原理。例如，每个模块采用了哪些关键性器件？模块间如何实现协同工作？电路参数如何选定以确保最优性能？第四，小组讨论结束后，每组选出代表来报告讨论成果，阐述所分析电路的原理、特性，并分享各自的心得。第五，作为总结，教师扩展性地介绍数字X射线机的技术亮点，以及现代医学影像设备向智能化、数字化发展的趋势，使学生能把握行业的前沿动态。作为课后作业，学生需要查阅相关文献，研究X射线机的发展历程和最新技术进展，并完成一篇调研报告，同时思考未来的技术创新方向。

把STEM教育融入到影像电子学基础课程的授课过程中，能让学生们的学习过程更加生动、实用和前瞻，为学生的职业发展奠定坚实基础。

四、课时不足问题的解决方案

在目前的教学中，由于课时的不足，会导致实践环节被缩减，使学生失去了动手构建电路、测量参数、调试故障等宝贵的实操机会，进而使得理论与实践之间出现了断层。但是，由于专科层次毕业实习时间的加长，课时只会变得更少。针对这一矛盾，我们提出由学生利用课外时间使用电路模拟软件开展电路模拟授课需讲授的电路内容来进行弥补。但是随之而来的另一个矛盾是电路模拟软件过度使用，许多学生使用电路模拟软件直接得到结果而不进行理论计算，从而导致理论知识欠缺的问题，如何解决这个问题困扰了我们很长时间。最后，我们的措施是采用混合实践和理论测试。

我们在电路实验中设计的题目都是半开放的，让学生设计电路和元件参数通过理论计算得出结果，再比对电路模拟结果，以确保学生既掌握电路原理，又能够应用该知识来搭建电路。

下面给出一个很简单的例子，为了巩固学生们对欧姆定律和基尔霍夫定律的知识，我们的题目不再是固定的，而是由学生主导的。实验结果如图2所示。

实验描述：老师只要求学生计算一个电路中两网孔纯电阻电路，两个电源电压值不能一样，低电压电源在电路中作为负载存在，计算电阻上的电压和支路上的电流，没有更多其他的要求。实验电路的其余全部条件都由学生设定，并计算出结果，从而保证学生融入实验设计过程中，实验设计也是实验报告的一部分。

图2学生搭建的基尔霍夫定律面包板电路

实验操作：学生可以使用电路模拟软件，设计一个包含多个电阻的两网孔电路，完成自己设计的电路，并通过模拟软件获得电阻上的电压值以及流过电阻的电流值。

比对和评估：学生将自己的电路模拟结果与理论计算结果进行比对，如果结果一致，则说明学生已经掌握了电路基本原理，并能够应用该知识来设计电路。

加强测试：如果学生的电路模拟结果与理论计算结果不一致，可以给予加强测试，例如提供更多的帮助和指导，或者让学生重新设计电路并重新计算电压分配比。

通过这种混合实践和理论测试的方式，可以确保学生既掌握电路基本原理，又能够应用该知识来设计电路。同时，这种测试方式也可以提高学生的分析能力和自主学习能力。

五、教学实践效果评估

我们将学生分成了两组，对部分授课内容分别采用两种方法进行授课，每组人数70人左右。

（一）学习兴趣和主动性显著提高1课堂互动情况课堂提问和小组讨论的平均参与人数见表1。表1课堂互动参与对比表

2课后自主学习学生自主完成作业情况见表2。表2课后自主完成作业情况

3教学评估问卷教学评估问卷具体内容见表3。表3STEM教学模式调查问卷

（二）动手实践和故障分析能力得到培养1实验操作考核实验成绩分布见表4。表4实验成绩分布表

2电路故障诊断各故障点正确排障人数分布见表5。表5各故障点正确排障人数

3课程设计成绩STEM教学模式平均分数：82.7分。传统教学（黑板+PPT）平均分数：65.1分。

以上数据清晰呈现，全面评估了STEM教学在提升学习兴趣、实践能力等方面取得的良好成效。

六、STEM教学实践中的挑战与应对措施

在STEM教学的推广过程中，我们面临了若干挑战，但同时也迎来了解决问题的契机，这促使我们采取切实措施以确保教育质量。

（一）教师STEM能力提升的挑战及应对挑战：

教师对STEM教育深层次的理解尚不够充分，缺少跨学科整合能力。受限于STEM教学经验的不足，在策划综合性、探究性的课程内容时可能感到有些束手无策。此外，教师在指导学生进行实践活动和项目研究方面还需进一步加强专业技能。

策略：开展针对性的STEM教育理念培训，确保教师对STEM教育的精髓有深刻理解。组织教师参加STEM教学工作坊和案例分享，以拓宽教学思路。进行专业技能培训，增强教师在实践指导和项目策划方面的能力。鼓励教师分享知识和经验，实现团队成员的共同进步。

（二）实验室条件与设备限制的挑战与对策挑战：

学校实验室空间和设施受限，难以充分满足STEM教学的需求。旧化的设备和不完备的仪器限制了教学实践的效果，而实验材料的不足也减少了学生的实操机会。

策略：合理规划现有实验室资源，改善布局，以最大化其使用效益。积极筹集资金，更新和完善实验设施，保障学生能进行高质量的实践活动。建立稳定的实验材料供应体系，确保实践教学无障碍进行。同时，积极采用虚拟仿真技术，提供更丰富的实验操作体验。

（三）培养学生自主探索习惯的措施挑战：

学生普遍缺少主动探究的意识，依赖于被动学习。部分学生在动手操作和创造性实践方面表现不足，遇到难题时容易泄气，缺乏坚持解决问题的韧性。

策略：激发学生的探索欲望，引导他们积极思考和独立探索。设计富有探究性的活动，让学生在动手操作中锻炼自主探索的技巧。加大对学生实操技能的培训力度，并提供相应的工具使用指导。营造一个鼓励尝试和容忍失误的学习氛围，以增强学生解决问题的决心和能力。

（四）加强师资培训和实验室设施建设的措施措施：

制订细致的教师STEM培养方案，按照不同层次有序开展教师培训，确保教师们能紧跟STEM教育的发展步伐。定期邀请STEM领域的专家开办讲座和研讨会，为教师们的职业发展提供坚实支持。加强STEM教学交流与合作，实现资源共享，促进互补发展。投入更多资源，打造现代化、智能化的STEM实验室，为学生提供一个优质的学习和实践环境。积极开拓社会资源，与企业和科研机构建立合作伙伴关系，为学校的STEM项目提供外部支持和资源。

七、结束语

将STEM教育理念融入影像电子学基础课程教学中，有助于点燃学生的学习热情，增强其实践技能，并将数理知识与电路原理紧密结合，打下坚实的专业基础。在教学实践中，我们应着力提升以实验、模拟仿真为主的应用教学，引导学生进行积极思考和探究，培养他们成为终身学习者。同时，我们还需不断提升教师的STEM教学能力，完善实验室设施，为教学改革的顺利推进创造良好的条件。

参考文献:

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基金资助:2021年山东省高等医学教育研究中心第十批教育科研规划课题“‘LBL+CBL+PBL’三轨教学法结合SPOC在‘医学影像成像原理’课程教学中的应用研究”(YJKT202146);2021年山东医学高等专科学校教改课题“新工科背景下基于SWOT分析的高职‘一专多企’评价体系的探索与构建”(XJJG202122);

文章来源:孔宇,王茂臣,艾则热提艾力·苏来曼,等.基于STEM教育理念的影像电子学基础课程教学改革与实践探索[J].高教学刊,2025,11(23):126-130.