項目教學(xué)法及3D打印在《計算機輔助醫(yī)學(xué)》中的創(chuàng)新實踐

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

1 項目教學(xué)法及3D打印在國內(nèi)外教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前，PBL在基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育和高等教育中應(yīng)用廣泛，其核心思想是讓學(xué)生“從做中學(xué)”，通過“項目驅(qū)動”的方式調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)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(gòu)知識，有機地結(jié)合理論知識與實踐教學(xué)，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，從而鍛煉學(xué)生解決實際問題的綜合能力[4-7]。

國內(nèi)外大學(xué)也已逐漸將PBL應(yīng)用到教學(xué)和科研中。諾丁漢大學(xué)、諾丁漢特倫特大學(xué)、德蒙特福德大學(xué)及拉夫堡大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合，將基于項目的學(xué)習(xí)應(yīng)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(xué)”教師設(shè)計了學(xué)習(xí)巖石的PBL，學(xué)生模擬地質(zhì)學(xué)家研究材料，城規(guī)人員則根據(jù)學(xué)生的研究結(jié)果修建城鎮(zhèn)中心建筑和廣場[1]。環(huán)球知識研習(xí)學(xué)院在中國大陸、香港、新加坡等地應(yīng)用了3I項目教學(xué)(Interdisciplinary, Inter-school, and International)，要求學(xué)生與校內(nèi)及社區(qū)的其他學(xué)生一起合作完成特定項目，從而實現(xiàn)知識構(gòu)建[8-9]。國內(nèi)鐘志賢教授和劉景福也借助信息技術(shù)構(gòu)建了虛實交融的PBL理論模型[1]。PBL教學(xué)模式還被一些公司(如3COM公司)用來培訓(xùn)員工[8]。廣州醫(yī)科大學(xué)的曾小瑩將項目化教學(xué)用于醫(yī)學(xué)信息檢索的課程教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)項目化教學(xué)更符合職業(yè)教育教學(xué)的要求[10]。

3D打印(3D printing)是一種快速成型技術(shù)，其特點是首先建立物體三維模型，應(yīng)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(shù)目前在高等院校的基礎(chǔ)教學(xué)中已逐漸進(jìn)行實踐和推廣，該教學(xué)模式不僅打破了傳統(tǒng)教育的線性結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)造力，而且突出了人機交流的交互性，學(xué)生還可以自己設(shè)計、自己打印作品，以工作坊的形式體驗從設(shè)計到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的過程[13-14]。

3D打印這種新興教學(xué)模式一經(jīng)出現(xiàn)，即在國內(nèi)外的教育領(lǐng)域得到重視和推廣。新西蘭的一項新課程標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了給基礎(chǔ)教育的學(xué)生每4人配備1 臺3D打印機，以便于他們打印自己設(shè)計的象棋子[15]。在美國，3D打印引入到教育領(lǐng)域還起到了推動STEM(Science，Technology，Engineering and Mathematics)的作用[16]。如學(xué)生可通過CAD軟件自行設(shè)計火箭的機翼，進(jìn)行3D打印，并在室外進(jìn)行測試[17]。麻省理工學(xué)院的比特與原子中心讓學(xué)生應(yīng)用3D打印機探索原子與比特的轉(zhuǎn)化[16]。在我國，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等著名高校都已開展3D打印研發(fā)，部分研究成果已處于世界先進(jìn)水平，在航空航天、機械制造、產(chǎn)品研發(fā)、生物科學(xué)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(qū)青少年活動中心創(chuàng)意夢工廠，開設(shè)了學(xué)生學(xué)習(xí)三維設(shè)計和計算機輔助制造的課程[17]。同時，我國普通高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中也在推廣3D打印教學(xué)。浙江工業(yè)大學(xué)除了將3D打印機應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究外，也面向產(chǎn)業(yè)需求提供共享服務(wù)，即將企業(yè)設(shè)計的三維數(shù)據(jù)用 3D 打印機打印出立體實物，再交給企業(yè)[18]。

由此可見，國內(nèi)外各高校雖人才培養(yǎng)的具體目標(biāo)不盡相同，但都在不斷地探索和改革人才培養(yǎng)模式[19-20]。本文的教學(xué)模式在原有的教學(xué)經(jīng)驗和人才培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上，將項目教學(xué)實踐與3D打印技術(shù)結(jié)合，在《計算機輔助醫(yī)學(xué)》課程上進(jìn)行改革和試點，考查該教學(xué)法培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的實踐效果。

2 實施項目教學(xué)法與3D打印結(jié)合教學(xué)模式的優(yōu)勢

2.1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

以《計算機輔助醫(yī)學(xué)》課程為例，傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，教師往往理論講解較多，實踐較少。其結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)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(xué)法和3D打印結(jié)合可以以項目驅(qū)動的形式激發(fā)學(xué)生的興趣，具有一定的挑戰(zhàn)性，利于發(fā)揮學(xué)生的特長，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

2.2 增強學(xué)生的直觀感受

《計算機輔助醫(yī)學(xué)》課程具有理論復(fù)雜性和學(xué)科交叉性，項目教學(xué)法和3D打印結(jié)合解決了學(xué)生掌握本門課程的難度問題。該課程的教學(xué)內(nèi)容涵蓋范圍極其廣泛，具有科學(xué)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性，課程容量大，牽涉的原理相對復(fù)雜，如數(shù)據(jù)挖掘，CT和磁共振成像原理，圖像灰度直方圖的概念、性質(zhì)及其應(yīng)用，圖像的空間域、頻率域增強與復(fù)原，3D重建的面繪制法和體繪制法等內(nèi)容。此外，該課程涉及眾多學(xué)科的知識領(lǐng)域。如為獲取圖像需要了解光傳感器的結(jié)構(gòu)和醫(yī)學(xué)影像成像機理，為表示圖像要用到矩陣論、數(shù)學(xué)分析和隨機過程。對圖像進(jìn)行增強需要熟悉人類視覺的生理和心理特點，進(jìn)行人體3D重建與仿真需了解人體解剖以及三維重建技術(shù)和算法等。項目教學(xué)法從項目本身的問題出發(fā)，進(jìn)行小組協(xié)作，學(xué)生們能共同解決課程中學(xué)習(xí)的難點問題；同時最后將項目的結(jié)果以3D打印的形式展示，能夠讓學(xué)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(jīng)開設(shè)的情況來看，選修的學(xué)生基本來自生物技術(shù)專業(yè)和生物信息學(xué)專業(yè)，學(xué)生和教師之間、學(xué)生和學(xué)生之間互相都不熟悉。而項目教學(xué)法中的項目將教學(xué)內(nèi)容分解為不同的任務(wù)，學(xué)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(xué)改革中的一個重要意義。因此，在《計算機輔助醫(yī)學(xué)》課程教學(xué)過程中實施項目教學(xué)法并結(jié)合3D打印技術(shù)，可以滿足新形勢下教育發(fā)展的規(guī)律及社會對各類專門人才的需求，有助于改進(jìn)高校人才培養(yǎng)模式。

3 《計算機輔助醫(yī)學(xué)》中項目教學(xué)法結(jié)合3D打印教學(xué)模式的構(gòu)建

3.1 實施“交互式三維可視化教學(xué)”模式

本教學(xué)模式的一個創(chuàng)新之處在于以讓學(xué)生“快樂學(xué)習(xí)”為理念。課堂上，實施交互式三維可視化教學(xué)模式，PPT教學(xué)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(xué)模式不僅可以增加學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的樂趣，而且便于學(xué)生在課堂內(nèi)外直接修改、分析和理解算法，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3.2 因材施教，分層教學(xué)

本教學(xué)模式實施過程中，教師根據(jù)選課學(xué)生的專業(yè)背景、年級及心理預(yù)期，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，對每節(jié)課的課件進(jìn)行精心分析和細(xì)致研究，在教學(xué)中注重知識的連貫性及前需知識(如線性代數(shù)等)的介紹，強化理論知識的直觀性和應(yīng)用性，促使學(xué)生全面理解專業(yè)的理論知識。通過分層次教學(xué)，培養(yǎng)不同背景基礎(chǔ)學(xué)生的科學(xué)思維方式、科學(xué)研究方法、科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，讓所有學(xué)生掌握本門課程的理論知識。

3.3 應(yīng)用“3D打印技術(shù)”拓展學(xué)生創(chuàng)造性思維

3D打印機已在歐美基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用，其核心是讓學(xué)生利用3D技術(shù)，自己設(shè)計并制造屬于自己的東西，真正做到了解放學(xué)生的想象力和創(chuàng)造性。本教學(xué)模式的另一個創(chuàng)新之處在于將3D打印技術(shù)理論知識與實踐結(jié)合起來，考核形式主要是學(xué)生以小組形式完成3D模型構(gòu)建和3D打印作品展示。因此可極大地開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐的愿望，將課堂延伸為“工作坊”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

3.4 實現(xiàn)理論與實踐深層次的有機結(jié)合

項目教學(xué)法以項目驅(qū)動為手段，將整個項目分解成幾個小任務(wù)，學(xué)生在完成小任務(wù)過程中，通過3D打印過程學(xué)習(xí)豐富的實踐經(jīng)驗，能夠繼續(xù)深入?yún)⑴c學(xué)習(xí)過程，改善建模方法，共同完成整體的3D建模任務(wù)，實現(xiàn)整個作品的3D打印。教學(xué)過程中學(xué)生不斷地體驗從理論到實踐，再從實踐到理論的學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)立體化地掌握理論知識，開發(fā)創(chuàng)新實踐能力，最終提高學(xué)習(xí)效果。

3.5 以“學(xué)生為中心”互動溝通及時反饋

本教學(xué)模式將傳統(tǒng)的“以教師為中心”的授課形式改為“以學(xué)生為中心”的形式，授課教師通過調(diào)查和觀察，了解每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況、知識背景、學(xué)習(xí)預(yù)期等。教學(xué)過程中，教師充分利用學(xué)生喜愛的社交網(wǎng)絡(luò)形式，如微信群、QQ群等，及時在課內(nèi)和課外與學(xué)生互動溝通，充分發(fā)揮師生之間、學(xué)生之間的互動和激勵，及時反饋解答學(xué)生的問題，營造輕松有效的教學(xué)和學(xué)習(xí)氛圍。

4 結(jié)語

本教學(xué)模式實施后，學(xué)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(jié)果和3D模型，并進(jìn)行了3D作品展示。小組間也對學(xué)習(xí)效果和成果進(jìn)行了互評和自評，即學(xué)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(yī)學(xué)》教學(xué)中應(yīng)用項目教學(xué)法，使學(xué)生形成了自己的知識體系，完成了知識構(gòu)建，很好地培養(yǎng)了創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力。同時，教學(xué)過程中的師生互動比較多，有利于教學(xué)相長。我們在課程結(jié)束后，隨機抽取學(xué)生進(jìn)行訪談，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為改革后的教學(xué)模式不僅增加了他們編寫程序、優(yōu)化算法等能力，還提高了其團隊合作精神和能力。當(dāng)然，新的教學(xué)模式在實施過程中還存在一些問題，如個別學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動性，不適應(yīng)該教學(xué)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(xué)方法，形成更科學(xué)實用的教學(xué)模式。