“新工科”下生物医学工程专业人才个性化培养模式探索与研究——以3D打印技术课程为例

周金华，方 曙，王 奕，白亮亮

(安徽医科大学 生物医学工程学院，安徽 合肥 230032)

2017年教育部印发《关于开展新工科研究与实践的通知》[1]，提出了“新模式”的建设目标。作为先进制造技术的3D打印，是一种重要的医学诊疗辅助技术，其利用价值巨大，市场前景广阔。借助3D打印可设计个性化的医疗器械[2]、康复护具[3]和植入物[4]，还能打印软组织并开展修复，甚至打印、培养人体器官；与此同时，借助3D打印还可以助力医学临床教育[5-6]，形象展示三维结构，帮助学生理解专业知识，如打印骨科[7]、口腔颌面外科[8]等外科手术中病灶的立体模型。因此，培养掌握这一先进技术的高素质医工复合型人才显得紧迫而重要。安徽医科大学生物医学工程专业经过三年探索和实践，形成了建设实验实训中心、优化课程体系、协同“校—企—医”和以赛促研等四位一体的人才培养路径，初见成效。

1 建设3D打印实验实训中心，搭建学生能力培养的实操平台

实验场所和工程训练是医工交叉人才培养的必要条件，一个布局科学、配置合理的实验实训中心是医工交叉人才能力培养的重要保障。医学3D打印类人才培养更是离不开实验实训。3D打印技术应用型人才的培养，需要理实一体和工程结合的培养模式[9]。为此，安徽医科大学建设了省级3D打印实验实训中心，并围绕该中心的建设，开展了全面细致的工作。

1.1 精心谋划布局，重视场地规划和设备采购

在省级3D打印实验实训中心项目获批立项之前，安徽医科大学就启动了3D打印实训中心的前期建设。首期实验室实际面积约300平方米，购置了一套当时国内先进的华曙高科有限公司制造的FS402P型选择性激光烧结(SLS)粉末打印系统，包含了整套的设备软件、辅助工作设备和后期处理设备，实验室建设情况见图1。

图1 3D打印实验实训中心场所及脊柱打印品

1.2 合理划分功能区间，根据现实需要优化布置

3D打印实验实训中心按功能划分为仪器区、展厅区和数据处理区。仪器区域按其功能特点细分，SLS打印机及附属仪器置于配置区域，光固化(SLA)打印机配置在黄光区域，生物3D打印机单独放置在细胞房，对环境要求较低的熔融沉积(FDM)打印机配置在空余地方。根据后续教学需求，空间布局中也相应预留冗余空间，方便展开多台套打印机同时操作。数据处理区是在打印操作前对各种数据进行处理的地方。由于数据处理需要借助图像处理软件处理包括三维建模、医学图像重构、模型的工程化设计和切片等多种复杂计算，所以在这个区域须配置多台高性能计算机。后处理区主要用于对打印样品作进一步固化、加热矫形、表面光滑和喷漆等处理。展厅区域将实训中心与临床合作的各类案例的打印品、学生设计的文创用品等进行分门别类展示。

1.3 外购与内研相结合，不断完善实训中心设备

3D打印实验实训中心配置了包括SLS打印机、FDM打印机、SLA打印机、生物3D打印机和3D扫描仪等各类设备十余套，这些设备可打印各种级别的产品。除购置外，学校研究团队还自行研制了2台打印机，包括一台挤出式水凝胶打印机和一台DLP光敏树脂打印机。通过外购与内研相结合，使实训中心设备日益完善。

2 优化医学3D打印课程体系，夯实医工交叉人才的知识基础

围绕学生的医学3D打印能力培养这一目标，调研发展趋势，研析课程现状，对原有课程进行调整和优化，使课程体系更利于人才培养。

2.1 调研发展趋势，明确人才培养需求。

为优化课程体系，精准设计课程，通过深入医院调研才培养需求，发现临床医学各个科室对医学3D打印技术的需求都非常旺盛。在临床医学诊疗上，每一例病人所需的3D打印辅助设计都不尽相同，高度个性化的医疗设计往往需要医师和工程技术人员共同完成，因此作为数字医学与工程设计的交叉融合部分，医学3D打印技术特别需要医工交叉的复合型人才。

2.2 优整现有课程体系，用少课时推动相关能力提升

目前各类高等院校普遍缺乏3D打印的师资和与专业结合的课程[10-11]。3D打印技术涉及领域较宽，包括仪器设计、材料合成、软件开发和行业应用等。生物医学工程本科专业作为面向解决生物医学问题宽口径培养的工科专业，适合开展医学3D打印相关人才培养，但目前无相关人才培养方案和相关课程建设报道。

经过多次教学研讨和行业调研后，在新一轮培养方案修订中，构建出一套适于培养医学3D打印能力的课程体系。在现有课程体系上略作整合与改进，尽可能用少课时推动相关能力的培养[11]。在保留原有人体解剖学课程“系统解剖学”及相关实验课程基础上，整合现有专业课程“专业见习”和“工程制图”，在其中增加对3D打印原理、技术发展和应用的介绍，以及三维建模技能的培养，具体调整前后教学课时和内容见表1。新设置课程“医学三维重构与3D打印”，教学内容从临床中征集经典案例，主要为了培养学生的影像重构技能和3D打印仪器操作技能，使其具备从影像重构、工程设计到模型打印的全流程的能力。此外还开设全校公共选修课程“3D打印与医学应用”，以专题讲座方式不断融入临床应用案例，科普3D打印原理和医学应用。

3 协同盘活“校—企—医”三方资源，完善学生能力培养的实践环节

以课程教学和技能训练培养学生3D打印能力，推动“校—企—医”三方协同培养学生。主要从两个方向施力来援引资源：一是联系合作企业，加强校企联动，推动专业实践基地建设；二是紧密联系临床科室，围绕临床需求开展校医合作。具体培养模式如图2所示。

3.1 “校—企”深度合作，通过公司实训夯实能力

学校在建设校外实践基地时，积极加强与有实力、有担当的企业进行深度合作，便于通过公司实训夯实学生的医学3D打印能力。通过与安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司、达铭实业(宿州)股份有限公司和安徽中健三维科技有限公司等企业签订合作框架协议，建立安徽医科大学生物医学工程专业的实践基地。企业不仅可以提供各类打印设备、影像重构正版软件、提供技术支持，还能以省级3D打印实验实训中心为基础，建设3D打印联合实验室，定期为实验室的学生开展各类实训，并从中选聘有兴趣的毕业生进入公司工作。

表1 生物医学工程本科专业围绕医学3D打印的课程调整表

图2 “校—企—医”协同培养学生医学3D打印能力

3.2 “校—医”密切协作，通过临床应用提升能力

学校由教师带队，组织学生与临床科室合作开展合作研究，建立了一支由生物医学工程、医学信息工程、临床医学和医学影像等专业学生组成的医学3D打印兴趣小组。与安徽医科大学第一、第二附属医院等医院相关科室合作，开展了几十例临床案例的3D打印公益服务，内容包括口腔颌面修复模型、骨折修复模型和各类手术导板等。让学生在与临床医生的互动中了解、学习临床设计思维，了解医学需求，提升专业技能；让临床医生在指导学生参与影像重建和工程化设计的同时增进对3D打印的了解；让患者能使用到先进的3D打印技术。

3.3 “校—企—医”三方联动，助力学生能力的整体提升

在学生3D打印能力培养上，通过学校专业培养、实践基地培训和医院临床案例合作，三方构成一个金字塔培训体系：学校专业培养负责基础理论和实验知识，校内外实践基地培训提供丰富多样的实操环境，医院临床案例合作重点提升学生的应用创新能力。通过建立三方联动机制，从整体上有效提升了学生在影像三维重构、工程化设计和打印设备维护等方面的能力。

4 以赛促研，激活创新思维能力

培养学生的医学3D打印能力，重在激活他们的创新思维能力。利用学科竞赛，结合优势专业、优质的师资和教学资源，调动学生的求知欲望，培养他们的创新思维能力。围绕以赛促学和以研促教，发挥3D打印制造的优势，通过一系列措施推进宽口径的竞赛培养和科研促学，提升学生的医学3D打印能力，实现医工交叉创新型人才的培养。

4.1 参与相关竞赛活动，在竞赛比拼中激发创新思维

鼓励学生参与各类3D打印相关技术竞赛。近三年，学生在老师的带领下积极参加全国生物医学工程设计竞赛、全国大学生计算机设计竞赛、“挑战杯”和“互联网+”等大型赛事，各类竞赛获得省级及以上奖励十余项。通过参与3D打印相关的竞赛活动，不仅检验了课堂中的所学所获，更让学生在与其他选手的比拼中找差距、寻方法、学技能，激活自主学习的内在动力，激发创新思维。

4.2 围绕三维重构和3D打印应用，在具体研究中训练创新思维

围绕医学三维重构和3D打印应用，积极推动各年级学生开展创新训练项目，在具体研究中学习各类软、硬件的设计开发。2019—2021三年间，由3D打印实验实训中心培养的学生凭借在医学影像重构应用、软件开发和各类手术导板等方面的成果，获得国家级、省级大学生创新创业训练项目立项四项。例如“医学三维重建与3D打印”项目开展了颌面骨折的非镜像修复和手术导板设计[12-13]；“省级医学图像三维重构平台的开发”项目，开发了一套影像数据的三维重建软件，并获得2019年的安徽省“挑战杯”和“互联网+”竞赛的省级奖励。

4.3 运用3D打印验证各类仪器的设计，在图、实对比中磨砺创新思维

运用3D打印可验证各类仪器设计的合理性。通过3D打印设计各类仪器中的图、实对比，有利于发现差异、找到问题。而强烈的“问题意识”是创新的“动力之源”，有利于在“发现问题、筛选问题、研究问题、解决问题”的不断反复中打磨学生的创新思维，助力医学3D打印能力的提升。

通过竞赛和科研活动，学生不仅学习掌握了3D打印相关的软件和仪器操作，更重要的是锻炼了他们的创新思维，培养了主动思考如何面对各类需求开展个性化设计的能力。在参与竞赛过程中，需要团队合作和掌控进度，培养了学生的团队协作意识，提升学生的沟通和思维能力。此外，学生在竞赛中获得的成绩也能提升就业的竞争力。