項目教學法及3D打印在《計算機輔助醫學》中的創新實踐

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項目教學法(Project-Based Learning，PBL)起源于20世紀80年代歐洲的工讀教育，是一種新型教學模式，是由美國著名教育家、伊利諾易大學教授凱茲博士和加拿大教育家、阿爾伯特大學教授查德博士共同創建的[1-2]，主要是基于建構主義學習理論、杜威的實用主義教育理論和情境學習理論[1]。建構主義學習理論認為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學生在一定的情景下，借助他人(包括教師和學生)的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式獲得[3]。

1 項目教學法及3D打印在國內外教育領域中的應用

當前，PBL在基礎教育、職業教育和高等教育中應用廣泛，其核心思想是讓學生“從做中學”，通過“項目驅動”的方式調動學生的積極性，讓學生能主動獲取知識和解決問題，融入有意義的項目完成過程，自主建構知識，有機地結合理論知識與實踐教學，充分挖掘學生的創造潛能，從而鍛煉學生解決實際問題的綜合能力[4-7]。

國內外大學也已逐漸將PBL應用到教學和科研中。諾丁漢大學、諾丁漢特倫特大學、德蒙特福德大學及拉夫堡大學進行聯合，將基于項目的學習應用到工程中(Project-based learning in engineering，PBLE)[8]。美國佛蒙特州一位四年級的“科學”教師設計了學習巖石的PBL，學生模擬地質學家研究材料，城規人員則根據學生的研究結果修建城鎮中心建筑和廣場[1]。環球知識研習學院在中國大陸、香港、新加坡等地應用了3I項目教學(Interdisciplinary, Inter-school, and International)，要求學生與校內及社區的其他學生一起合作完成特定項目，從而實現知識構建[8-9]。國內鐘志賢教授和劉景福也借助信息技術構建了虛實交融的PBL理論模型[1]。PBL教學模式還被一些公司(如3COM公司)用來培訓員工[8]。廣州醫科大學的曾小瑩將項目化教學用于醫學信息檢索的課程教學中，發現項目化教學更符合職業教育教學的要求[10]。

3D打印(3D printing)是一種快速成型技術，其特點是首先建立物體三維模型，應用粉末狀金屬或聚乳酸等可粘合材料，每次打印一層材料，層層打印，最終打印出實際的3D模型[11-12]。3D打印技術目前在高等院校的基礎教學中已逐漸進行實踐和推廣，該教學模式不僅打破了傳統教育的線性結構，激發學生學習的興趣和創造力，而且突出了人機交流的交互性，學生還可以自己設計、自己打印作品，以工作坊的形式體驗從設計到產品轉化的過程[13-14]。

3D打印這種新興教學模式一經出現，即在國內外的教育領域得到重視和推廣。新西蘭的一項新課程標準實現了給基礎教育的學生每4人配備1 臺3D打印機，以便于他們打印自己設計的象棋子[15]。在美國，3D打印引入到教育領域還起到了推動STEM(Science，Technology，Engineering and Mathematics)的作用[16]。如學生可通過CAD軟件自行設計火箭的機翼，進行3D打印，并在室外進行測試[17]。麻省理工學院的比特與原子中心讓學生應用3D打印機探索原子與比特的轉化[16]。在我國，清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、西安交通大學、西北工業大學等著名高校都已開展3D打印研發，部分研究成果已處于世界先進水平，在航空航天、機械制造、產品研發、生物科學等方面取得了顯著成效[18]。上海市將3D打印機和3D掃描儀引入靜安區青少年活動中心創意夢工廠，開設了學生學習三維設計和計算機輔助制造的課程[17]。同時，我國普通高校工業設計專業教學中也在推廣3D打印教學。浙江工業大學除了將3D打印機應用于學術研究外，也面向產業需求提供共享服務，即將企業設計的三維數據用 3D 打印機打印出立體實物，再交給企業[18]。

由此可見，國內外各高校雖人才培養的具體目標不盡相同，但都在不斷地探索和改革人才培養模式[19-20]。本文的教學模式在原有的教學經驗和人才培養模式的基礎上，將項目教學實踐與3D打印技術結合，在《計算機輔助醫學》課程上進行改革和試點，考查該教學法培養創新型人才的實踐效果。

2 實施項目教學法與3D打印結合教學模式的優勢

2.1 激發學生學習的積極性

以《計算機輔助醫學》課程為例，傳統的教學方式中，教師往往理論講解較多，實踐較少。其結果導致學生失去學習興趣，缺乏實踐能力、分析問題和解決問題的能力。采用項目教學法和3D打印結合可以以項目驅動的形式激發學生的興趣，具有一定的挑戰性，利于發揮學生的特長，培養學生解決實際問題的能力。

2.2 增強學生的直觀感受

《計算機輔助醫學》課程具有理論復雜性和學科交叉性，項目教學法和3D打印結合解決了學生掌握本門課程的難度問題。該課程的教學內容涵蓋范圍極其廣泛，具有科學性、先進性、系統性，課程容量大，牽涉的原理相對復雜，如數據挖掘，CT和磁共振成像原理，圖像灰度直方圖的概念、性質及其應用，圖像的空間域、頻率域增強與復原，3D重建的面繪制法和體繪制法等內容。此外，該課程涉及眾多學科的知識領域。如為獲取圖像需要了解光傳感器的結構和醫學影像成像機理，為表示圖像要用到矩陣論、數學分析和隨機過程。對圖像進行增強需要熟悉人類視覺的生理和心理特點，進行人體3D重建與仿真需了解人體解剖以及三維重建技術和算法等。項目教學法從項目本身的問題出發，進行小組協作，學生們能共同解決課程中學習的難點問題；同時最后將項目的結果以3D打印的形式展示，能夠讓學生更直觀地感受3D建模的效果。

2.3 增加師生互動

該課程作為選修課，從目前已經開設的情況來看，選修的學生基本來自生物技術專業和生物信息學專業，學生和教師之間、學生和學生之間互相都不熟悉。而項目教學法中的項目將教學內容分解為不同的任務，學生在完成項目的實踐過程及3D打印的實踐過程中必然需要增加彼此的互動以及加強與教師的溝通，從而建立有效反饋機制，這也是本課程教學改革中的一個重要意義。因此，在《計算機輔助醫學》課程教學過程中實施項目教學法并結合3D打印技術，可以滿足新形勢下教育發展的規律及社會對各類專門人才的需求，有助于改進高校人才培養模式。

3 《計算機輔助醫學》中項目教學法結合3D打印教學模式的構建

3.1 實施“交互式三維可視化教學”模式

本教學模式的一個創新之處在于以讓學生“快樂學習”為理念。課堂上，實施交互式三維可視化教學模式，PPT教學演示和Matlab程序演示流暢切換，Matlab各算法演示程序獨立，且可修改。該教學模式不僅可以增加學生課堂學習的樂趣，而且便于學生在課堂內外直接修改、分析和理解算法，大大激發了學生學習的興趣。

3.2 因材施教，分層教學

本教學模式實施過程中，教師根據選課學生的專業背景、年級及心理預期，整合優化教學內容，對每節課的課件進行精心分析和細致研究，在教學中注重知識的連貫性及前需知識(如線性代數等)的介紹，強化理論知識的直觀性和應用性，促使學生全面理解專業的理論知識。通過分層次教學，培養不同背景基礎學生的科學思維方式、科學研究方法、科學素質和創新精神，讓所有學生掌握本門課程的理論知識。

3.3 應用“3D打印技術”拓展學生創造性思維

3D打印機已在歐美基礎教學中的應用，其核心是讓學生利用3D技術，自己設計并制造屬于自己的東西，真正做到了解放學生的想象力和創造性。本教學模式的另一個創新之處在于將3D打印技術理論知識與實踐結合起來，考核形式主要是學生以小組形式完成3D模型構建和3D打印作品展示。因此可極大地開拓學生的思維，激發學生的學習興趣和實踐的愿望，將課堂延伸為“工作坊”，培養學生的創造性思維。

3.4 實現理論與實踐深層次的有機結合

項目教學法以項目驅動為手段，將整個項目分解成幾個小任務，學生在完成小任務過程中，通過3D打印過程學習豐富的實踐經驗，能夠繼續深入參與學習過程，改善建模方法，共同完成整體的3D建模任務，實現整個作品的3D打印。教學過程中學生不斷地體驗從理論到實踐，再從實踐到理論的學習過程，實現立體化地掌握理論知識，開發創新實踐能力，最終提高學習效果。

3.5 以“學生為中心”互動溝通及時反饋

本教學模式將傳統的“以教師為中心”的授課形式改為“以學生為中心”的形式，授課教師通過調查和觀察，了解每個學生的學習狀況、知識背景、學習預期等。教學過程中，教師充分利用學生喜愛的社交網絡形式，如微信群、QQ群等，及時在課內和課外與學生互動溝通，充分發揮師生之間、學生之間的互動和激勵，及時反饋解答學生的問題，營造輕松有效的教學和學習氛圍。

4 結語

本教學模式實施后，學生普遍喜歡并接受。各小組分別以PPT形式匯報了各自的實踐結果和3D模型，并進行了3D作品展示。小組間也對學習效果和成果進行了互評和自評，即學生之間互相評分也作為他們最終成績的一部分。在《計算機輔助醫學》教學中應用項目教學法，使學生形成了自己的知識體系，完成了知識構建，很好地培養了創新思維、自主學習、分析問題和解決問題的能力。同時，教學過程中的師生互動比較多，有利于教學相長。我們在課程結束后，隨機抽取學生進行訪談，大多數學生認為改革后的教學模式不僅增加了他們編寫程序、優化算法等能力，還提高了其團隊合作精神和能力。當然，新的教學模式在實施過程中還存在一些問題，如個別學生學習缺乏主動性，不適應該教學方法等，在今后的教改實踐中還需要不斷地探索和完善教學方法，形成更科學實用的教學模式。