“新醫科”背景下3D模型工作坊在基礎醫學形態學實驗教學中心的建設和實踐

趙文婧，羅 彬，張慶梅，趙 婷，蘇 鈺，陳維平*

(廣西醫科大學 1.基礎醫學院 組織學與胚胎學教研室; 2.人文社會科學學院， 廣西 南寧 530021)

2019年4月，教育部、中央政法委、科技部等部門聯合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設。“新醫科”提出從治療為主到兼具預防、康養的生命健康全周期醫學的新理念，努力將傳統醫學與機器人、人工智能、大數據等融為一體。從“生物醫學科學為主要支撐的醫學教育模式”向“醫文、醫工、醫理、醫X交叉學科支撐的醫學教育新模式”轉變，培養能夠以人工智能、能夠運用交叉學科知識解決醫學領域前沿問題的高層次醫學創新人才。在此趨勢下，越來越多的高校從教育理念、專業結構、人才培養模式、教學質量以及教育體系等多方面進行“新醫科”內涵建

設，探索多學科交叉融合的“新醫科”人才培養體系。

在多學科和跨學科的融合下培養醫學生創新意識和動手能力是“新醫科”人才培養體系的重要組成部分。醫學形態學的學習目標是讓醫學生通過實物標本，掌握人類器官、組織結構、細胞的正常和異常情況。但僅通過顯微鏡觀察器官或者組織切片，沒有實踐動手操作構建器官或結構，缺少從二維平面到三維空間思維這個循序漸進、逐步提升的過程，學生的視知覺思考能力和“在圖像中發現意義的能力[1]”非常薄弱。目前，三維(three-dimensional，3D)打印模型在國內外部分院校的骨科[2-3]、口腔科[4]等臨床學科領域得到廣泛應用，但是在醫學形態學課程中的應用[8-9]較少，手工制作3D模型更為少見。

在形態學實驗教學過程中，如何為學生提供開展設計、構建、創造、實現等自主探究活動的“創客空間[5]”，一直是基于新醫科背景下開展教學改革的難點。專業的3D打印設備較為昂貴，難以普及到廣大本科生使用。如何將“虛實結合”“做中學、做中教、做中求進步”的科學精神與醫學本科生形態學實踐教學結合，探索適合眾多醫學院校開展、運行，能夠在大多數醫學生中普及、適用的教學新模式，是基礎醫學形態學實踐教學中心建設和實踐“3D模型”工作坊的重要目標和意義所在。

1 醫學形態學實踐教學中開展3D模型制作的意義

3D模型制作能夠更加真實、完整地呈現特定實物，并讓學生獲得直觀、直接認知體驗。通過3D模型制作，學生可以對器官、組織的內部結構或者胚胎發育重要事件形成連續的、動態的、多維的認知。這種認知與傳統教學中觀察切片和立體模型差異巨大。醫學生通過“做”的方式開展學習(learning by making)[6-7]，帶給學生的認知體驗具有震撼性、豐富性、深刻性，而且賦予情感，能將學生融入情景體驗。3D 模型制作是創新性的學習方式，學生在設計中將具體的醫學形態學知識與構圖、技術相結合，帶動跨學科、多學科的知識運用，并將設計理念變成現實會非常有成就感，這也是3D模型制作最具魅力之處。3D模型制作是問題解決式的、可視化的、合作式的學習。借助3D模型制作，讓學生提高學習興趣和積極主動性，并在此過程中培養學生們的科學觀。問題解決過程中也形成學習共同體，加強情感交流，培養溝通交流能力，鍛煉團隊合作能力。

2 3D模型工作坊的建設與運行管理

2.1 工作坊的建設

在基礎醫學形態學實驗教學中心建設3D模型制作工作坊，占地面積117 m2，配備哈克尼斯圓桌可以兼顧以授課為主和以小組討論為主的多種教學模式。工作坊可容納30人同步制作模型，除了簡易3D打印筆，還有多種材質的原料，如各色黏土、彩紙、陶土。3D打印筆基于3D打印，能擠出熱熔的塑料，然后迅速冷卻，冷卻后形成穩定的狀態，無需電腦或軟件支持，可以在任何表面“書寫”，出料順暢，操作簡單。同時，鼓勵醫學生充分利用各種廢舊回收材料、小工具。

2.2 工作坊的運行管理

工作坊建立了一整套嚴格的規章制度，包括工作坊管理規定，值班規定、事故追溯機制、安全應急預案等。詳細規范制作模型需要遵守的個人行為準則、對耗材和設備的使用登記管理制度和工作坊開放、值班規定。規章制度以展板形式公布在實驗室醒目位置，是實驗室高效、安全運行的制度保障。工作坊的視頻監控系統可實時在線監控實驗室，方便指導教師遠程了解實驗室及學生的實驗情況。如果有人在非開放時段進入實驗室，指導教師手機能夠接收信息提醒，系統也將自動存儲實驗室的視頻，實現問題追蹤。工作坊還注重更新教育管理觀念，在老師的指導下，由組長牽頭、與組員溝通協調實驗室開放時間以及排班表，充分發揮學生的主觀能動性進行自我管理，做到覆蓋面廣、時間靈活。學生通過網絡預約，自主選擇實驗時間，從而既能使實驗室能得到最優化和最大化的利用，又能在指導教師、實驗室管理者的有效監督和管理下運行。

2.3 工作坊的準入

3D模型制作是基礎醫學形態學課程混合式教學的重要組成部分之一，具體流程(圖1)：課前，提前一周通過清華大學研發的智慧教學工具“雨課堂”發送預習版課件；課中，指導教師“雨課堂”隨機對學生進行分組，每個小組3～5人，要求每個小組對當堂課所授知識點選取1～2個進行繪圖。由于形態學課程主要學習人類器官、組織、細胞的正常、異常的形態與結構，或是胚胎發育過程中的重要事件和原基，學生可以通過二維平面的繪圖展示器官、組織、細胞平面和立體的關系；課后，老師通過“雨課堂”推送學生的繪圖作品，由學生和老師共同評分選出優秀作品。優秀作品評分>85分才可進入工作坊制作模型。2018級麻醉學、兒科學、精神醫學、臨床醫學共212名學生隨機分為47組參加繪圖評比，收到繪圖作品141幅，有20個小組進入工作坊，制作模型件數20個。完成模型制作后小組成員可獲得相應的獎品和證書。

圖1 “3D模型”制作在基礎醫學形態學課程 混合式教學中的應用框架Fig 1 The schematic diagram of the teaching processes of3D model for medical students based on blendedlearning

3 “新醫科”背景下3D模型工作坊的實踐和調查

在醫學院校建立3D模型工作坊，是培養醫學生科學素養與人文藝術素養結合的新模式。該模式基于“新醫科”背景在教學理念、人才培養模式中的內涵建設。3D模型制作的學習過程(圖2)涵蓋基本的醫學形態學知識，小組成員挑選感興趣的知識點，對器官、組織、細胞、發育過程互相提問、解答，形成成熟的原型設計方案后在二維平面繪制圖形。隨后通過想象、推理、計算和預測建構3D模型，使用多種材料完成3D模型制作。學生們既將創意變成現實，又比較立體模型與二維平面繪圖的差異，分析不足，評估完成效果，分享心得體會。從知識點的選取-繪圖-制作3D模型是在學習中激發創新思維，推動創新能力發展，不斷循環迭代的過程。學生在工作坊中嘗試使用最適宜的技術、方法解決構建復雜的、立體的、層次豐富的模型內部結構(部分作品見圖3)，提高基于創造的學習素養。特別是多種色彩運用構建模型的時候，每種色彩都代表不同組織結構，可以有效地開展科學和藝術、人文學科“親自動手”的體驗學習。

圖3 部分學生的3D模型作品Fig 3 Some students’ 3D model works

圖2 基于3D模型制作的學習過程Fig 2 Learning process based on 3D model

為評估建設3D模型工作坊的實踐效果，課題組利用問卷星發放問卷調查45份。通過拉動矩陣滑動條評價3D模型工作坊的形式、滿意度、提高學習興趣的力度，是否促進對知識點的理解，是否需要繼續開辦工作坊、是否希望在其他課程推廣3D模型制作進行評分，得分81～100分為非常希望，61～80分為希望，41～60分為一般，21～40分為不希望，0～21分為非常不希望，統計結果如圖4。結果顯示，絕大部分同學非常贊同“3D”工作坊的形式和管理，認為在工作坊制作模型不僅有助于知識點的理解，還可提高學習興趣，并且所有的同學認為工作坊需要繼續開辦，95.5%的同學希望3D模型制作在其他課程推廣，工作坊得到學生的認可，未來在醫學其他課程有推廣的可能性。

圖4 3D模型工作坊問卷調查Fig 4 3D model workshop questionnaires

4 3D模型工作坊成為開展思政、人文教育、美育的第二課堂

在制作3D模型過程中，融入思政、人文、美育元素，結合人文關懷精神[8]和生命觀培養，使得醫學生的素質教育不再是講大道理、喊口號，透過由小組成員合作完成的、栩栩如生的立體模型，深度挖掘正常人體結構組成、胚胎發生發育過程中的哲理[9]。

它的有效開展預示可以從人文關懷的出發點，對醫學生開展認識生命、感悟生命、欣賞生命、敬畏生命、熱愛生命的醫學人文教育，潛移默化的在醫學專業課中滲透思政、人文內容，不再單純局限于簡單、空洞的說教，使醫學生在未來的道路上能夠真正成為一名技術過硬、醫德高尚的好醫生。同時，工作坊搭建美育實踐活動平臺，將美育納入第二課堂，學生手工制作將不同顏色的耗材組成各種各樣的立體結構，審美修養會逐漸產生，體驗到創造美的樂趣、感悟美的真諦，感受生命科學世界的學術之美。

綜上所述，3D模型工作坊有力提升學生教學參與度，極大激發學生的學習熱情和興趣，對于改善基礎醫學形態學教學效果有積極的促進作用。由于工作坊建立時間較短，硬件配備不足、受眾面不夠廣，開展的教學活動還不夠豐富，如何優化管理讓不同專業、年級的學生都可進入工作坊進行創作，推動更多的醫學生積極參與到工作坊的項目是今后努力的方向。