项目教学法及3D打印在《计算机辅助医学》中的创新实践

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项目教学法(Project-Based Learning，PBL)起源于20世纪80年代欧洲的工读教育，是一种新型教学模式，是由美国著名教育家、伊利诺易大学教授凯兹博士和加拿大教育家、阿尔伯特大学教授查德博士共同创建的[1-2]，主要是基于建构主义学习理论、杜威的实用主义教育理论和情境学习理论[1]。建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学生在一定的情景下，借助他人(包括教师和学生)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得[3]。

1 项目教学法及3D打印在国内外教育领域中的应用

当前，PBL在基础教育、职业教育和高等教育中应用广泛，其核心思想是让学生“从做中学”，通过“项目驱动”的方式调动学生的积极性，让学生能主动获取知识和解决问题，融入有意义的项目完成过程，自主建构知识，有机地结合理论知识与实践教学，充分挖掘学生的创造潜能，从而锻炼学生解决实际问题的综合能力[4-7]。

国内外大学也已逐渐将PBL应用到教学和科研中。诺丁汉大学、诺丁汉特伦特大学、德蒙特福德大学及拉夫堡大学进行联合，将基于项目的学习应用到工程中(Project-based learning in engineering，PBLE)[8]。美国佛蒙特州一位四年级的“科学”教师设计了学习岩石的PBL，学生模拟地质学家研究材料，城规人员则根据学生的研究结果修建城镇中心建筑和广场[1]。环球知识研习学院在中国大陆、香港、新加坡等地应用了3I项目教学(Interdisciplinary, Inter-school, and International)，要求学生与校内及社区的其他学生一起合作完成特定项目，从而实现知识构建[8-9]。国内钟志贤教授和刘景福也借助信息技术构建了虚实交融的PBL理论模型[1]。PBL教学模式还被一些公司(如3COM公司)用来培训员工[8]。广州医科大学的曾小莹将项目化教学用于医学信息检索的课程教学中，发现项目化教学更符合职业教育教学的要求[10]。

3D打印(3D printing)是一种快速成型技术，其特点是首先建立物体三维模型，应用粉末状金属或聚乳酸等可粘合材料，每次打印一层材料，层层打印，最终打印出实际的3D模型[11-12]。3D打印技术目前在高等院校的基础教学中已逐渐进行实践和推广，该教学模式不仅打破了传统教育的线性结构，激发学生学习的兴趣和创造力，而且突出了人机交流的交互性，学生还可以自己设计、自己打印作品，以工作坊的形式体验从设计到产品转化的过程[13-14]。

3D打印这种新兴教学模式一经出现，即在国内外的教育领域得到重视和推广。新西兰的一项新课程标准实现了给基础教育的学生每4人配备1 台3D打印机，以便于他们打印自己设计的象棋子[15]。在美国，3D打印引入到教育领域还起到了推动STEM(Science，Technology，Engineering and Mathematics)的作用[16]。如学生可通过CAD软件自行设计火箭的机翼，进行3D打印，并在室外进行测试[17]。麻省理工学院的比特与原子中心让学生应用3D打印机探索原子与比特的转化[16]。在我国，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等著名高校都已开展3D打印研发，部分研究成果已处于世界先进水平，在航空航天、机械制造、产品研发、生物科学等方面取得了显著成效[18]。上海市将3D打印机和3D扫描仪引入静安区青少年活动中心创意梦工厂，开设了学生学习三维设计和计算机辅助制造的课程[17]。同时，我国普通高校工业设计专业教学中也在推广3D打印教学。浙江工业大学除了将3D打印机应用于学术研究外，也面向产业需求提供共享服务，即将企业设计的三维数据用 3D 打印机打印出立体实物，再交给企业[18]。

由此可见，国内外各高校虽人才培养的具体目标不尽相同，但都在不断地探索和改革人才培养模式[19-20]。本文的教学模式在原有的教学经验和人才培养模式的基础上，将项目教学实践与3D打印技术结合，在《计算机辅助医学》课程上进行改革和试点，考查该教学法培养创新型人才的实践效果。

2 实施项目教学法与3D打印结合教学模式的优势

2.1 激发学生学习的积极性

以《计算机辅助医学》课程为例，传统的教学方式中，教师往往理论讲解较多，实践较少。其结果导致学生失去学习兴趣，缺乏实践能力、分析问题和解决问题的能力。采用项目教学法和3D打印结合可以以项目驱动的形式激发学生的兴趣，具有一定的挑战性，利于发挥学生的特长，培养学生解决实际问题的能力。

2.2 增强学生的直观感受

《计算机辅助医学》课程具有理论复杂性和学科交叉性，项目教学法和3D打印结合解决了学生掌握本门课程的难度问题。该课程的教学内容涵盖范围极其广泛，具有科学性、先进性、系统性，课程容量大，牵涉的原理相对复杂，如数据挖掘，CT和磁共振成像原理，图像灰度直方图的概念、性质及其应用，图像的空间域、频率域增强与复原，3D重建的面绘制法和体绘制法等内容。此外，该课程涉及众多学科的知识领域。如为获取图像需要了解光传感器的结构和医学影像成像机理，为表示图像要用到矩阵论、数学分析和随机过程。对图像进行增强需要熟悉人类视觉的生理和心理特点，进行人体3D重建与仿真需了解人体解剖以及三维重建技术和算法等。项目教学法从项目本身的问题出发，进行小组协作，学生们能共同解决课程中学习的难点问题；同时最后将项目的结果以3D打印的形式展示，能够让学生更直观地感受3D建模的效果。

2.3 增加师生互动

该课程作为选修课，从目前已经开设的情况来看，选修的学生基本来自生物技术专业和生物信息学专业，学生和教师之间、学生和学生之间互相都不熟悉。而项目教学法中的项目将教学内容分解为不同的任务，学生在完成项目的实践过程及3D打印的实践过程中必然需要增加彼此的互动以及加强与教师的沟通，从而建立有效反馈机制，这也是本课程教学改革中的一个重要意义。因此，在《计算机辅助医学》课程教学过程中实施项目教学法并结合3D打印技术，可以满足新形势下教育发展的规律及社会对各类专门人才的需求，有助于改进高校人才培养模式。

3 《计算机辅助医学》中项目教学法结合3D打印教学模式的构建

3.1 实施“交互式三维可视化教学”模式

本教学模式的一个创新之处在于以让学生“快乐学习”为理念。课堂上，实施交互式三维可视化教学模式，PPT教学演示和Matlab程序演示流畅切换，Matlab各算法演示程序独立，且可修改。该教学模式不仅可以增加学生课堂学习的乐趣，而且便于学生在课堂内外直接修改、分析和理解算法，大大激发了学生学习的兴趣。

3.2 因材施教，分层教学

本教学模式实施过程中，教师根据选课学生的专业背景、年级及心理预期，整合优化教学内容，对每节课的课件进行精心分析和细致研究，在教学中注重知识的连贯性及前需知识(如线性代数等)的介绍，强化理论知识的直观性和应用性，促使学生全面理解专业的理论知识。通过分层次教学，培养不同背景基础学生的科学思维方式、科学研究方法、科学素质和创新精神，让所有学生掌握本门课程的理论知识。

3.3 应用“3D打印技术”拓展学生创造性思维

3D打印机已在欧美基础教学中的应用，其核心是让学生利用3D技术，自己设计并制造属于自己的东西，真正做到了解放学生的想象力和创造性。本教学模式的另一个创新之处在于将3D打印技术理论知识与实践结合起来，考核形式主要是学生以小组形式完成3D模型构建和3D打印作品展示。因此可极大地开拓学生的思维，激发学生的学习兴趣和实践的愿望，将课堂延伸为“工作坊”，培养学生的创造性思维。

3.4 实现理论与实践深层次的有机结合

项目教学法以项目驱动为手段，将整个项目分解成几个小任务，学生在完成小任务过程中，通过3D打印过程学习丰富的实践经验，能够继续深入参与学习过程，改善建模方法，共同完成整体的3D建模任务，实现整个作品的3D打印。教学过程中学生不断地体验从理论到实践，再从实践到理论的学习过程，实现立体化地掌握理论知识，开发创新实践能力，最终提高学习效果。

3.5 以“学生为中心”互动沟通及时反馈

本教学模式将传统的“以教师为中心”的授课形式改为“以学生为中心”的形式，授课教师通过调查和观察，了解每个学生的学习状况、知识背景、学习预期等。教学过程中，教师充分利用学生喜爱的社交网络形式，如微信群、QQ群等，及时在课内和课外与学生互动沟通，充分发挥师生之间、学生之间的互动和激励，及时反馈解答学生的问题，营造轻松有效的教学和学习氛围。

4 结语

本教学模式实施后，学生普遍喜欢并接受。各小组分别以PPT形式汇报了各自的实践结果和3D模型，并进行了3D作品展示。小组间也对学习效果和成果进行了互评和自评，即学生之间互相评分也作为他们最终成绩的一部分。在《计算机辅助医学》教学中应用项目教学法，使学生形成了自己的知识体系，完成了知识构建，很好地培养了创新思维、自主学习、分析问题和解决问题的能力。同时，教学过程中的师生互动比较多，有利于教学相长。我们在课程结束后，随机抽取学生进行访谈，大多数学生认为改革后的教学模式不仅增加了他们编写程序、优化算法等能力，还提高了其团队合作精神和能力。当然，新的教学模式在实施过程中还存在一些问题，如个别学生学习缺乏主动性，不适应该教学方法等，在今后的教改实践中还需要不断地探索和完善教学方法，形成更科学实用的教学模式。