《Biomedical Engineering Education》：Scaffolding Inquiry-Based Learning in Nature-Inspired Medical Device Design
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本文介绍了一项在本科生医疗器械设计课程中实施支架式探究学习(IBL)的创新教学实践。针对学生难以在单学期内掌握全新的自然启发(B3)设计方法的问题，研究人员设计了三个渐进式形成性作业，通过乐高严肃游戏(LEGO? SERIOUS PLAY?)、沉浸式技术和自然浸润等方式，成功帮助学生构建了B3设计能力，为最终的设计项目奠定基础。评估显示该教学法有效提升了学生的想象力胜任力和学习效果，为工程设计教育提供了新范式。
在生物医学工程教育中，工程设计能力的培养是核心目标，尤其受到ABET工程认证委员会的重视。美国德克萨斯A&M大学的生物医学工程专业学生需要完成一系列垂直整合的设计课程，学习主流的Biodesign创新流程。然而，当学生选修如“仿生、生物模拟与生物启发(B3)医疗器械设计方法”这类技术选修课时，他们面临一个严峻挑战：如何在短短一个学期内，从头开始掌握一套与以往所学截然不同的设计生态系统并完成一个综合性的最终设计项目？传统的、直接布置一个学期长项目的教学方式，往往因为缺乏必要的基础铺垫而效果不佳。
针对这一难题，发表在《Biomedical Engineering Education》上的研究论文“Scaffolding Inquiry-Based Learning in Nature-Inspired Medical Device Design”提出了一种创新的教学解决方案。该研究巧妙地将探究式学习、支架式教学和B3启发设计这三个教育框架相结合，旨在通过一系列精心设计的、渐进式的形成性作业，为学生搭建通往成功完成最终设计项目的阶梯。B3设计方法不同于以临床需求为起点的人本设计流程，它从自然界的生物观察中汲取灵感，其设计路径通常为：定义问题→生物学转化→发现策略→抽象模仿，被认为是一种类比设计的子集，并常运用概念-知识(C-K)设计理论进行设计构思。
为了验证这一教学设想，研究在德克萨斯A&M大学春季学期开设的BMEN 489/441课程中进行了实践。该课程共有21名本科生选修。研究的核心创新在于设计了三个依次递进的形成性作业，作为最终总结性设计项目的能力铺垫。
主要技术方法概述
本研究主要采用基于教育理论框架的课程设计与行动研究法。具体技术方法包括：1) 应用乐高严肃游戏(LSP)进行快速原型构建，让学生通过实体模型理解自然结构到工程设计的转化；2) 利用虚拟现实(VR)尸体解剖系统(Anatomage Table)进行沉浸式解剖学学习，辅助医疗器械的再设计；3) 组织学生到植物园(The Gardens)进行实地考察，通过亲身体验自然获取设计灵感；4) 引入概念-知识(C-K)设计画布作为B3设计思维的核心工具，指导学生系统化地进行设计构思与知识整合；5) 通过匿名课程问卷调查、想象力胜任力量表(ICS)和技术增强学习(TEL)采纳度问卷等多种工具，对教学效果进行多维度评估。
研究结果
1. 渐进式作业支架的设计与实施
研究人员设计了三项形成性作业，其复杂度和开放性逐级增加（参见表1）。作业1侧重于通过LSP进行简单的生物启发抓取器原型制作，快速建立生物到工程的转化思维。作业2引入C-K设计画布，要求学生利用VR技术重新设计现有的医疗器械（如Kerrison Rongeur咬骨钳、MitraClipTM二尖瓣夹），克服其已知局限。作业3则进一步提升开放性，学生需在真实的自然环境中（植物园）寻找灵感，为指定的临床问题（如化疗输液港包膜挛缩、头颈癌术后皮瓣修复等）提出B3启发解决方案，并完成C-K设计图和项目推介。这三个作业为学生逐步构建了B3设计所需的知识、技能和信心。
2. 教学效果评估
对课程的多方面评估表明，支架式IBL教学法取得了积极成效。
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课程调查反馈：期末匿名课程调查显示，学生在批判性思维与问题解决（3.64/4.00）、评估多元设计观点（4.73/5.00）以及教学方法对学习的贡献（3.00/3.00）等方面给予了高度评价。学生评论也证实了“先练习后应用”的支架式学习有效地帮助他们为最终项目做好了准备。
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想象力胜任力提升：通过想象力胜任力量表(ICS)测量发现，学期末学生的整体想象力得分(125.6 ± 0.7)显著高于学期初(113.5 ± 0.7)，表明课程有效促进了学生的创新思维能力。
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技术增强学习采纳度：针对作业2中使用的VR技术的调查显示，学生对VR工具的接受度很高，绝大多数问题得分表明学生没有感到技术压力，技术与环境匹配度良好，对学业表现、满意度和学习动机产生了积极影响。
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最终项目成果：根据详细的评分标准（表10），所有学生团队在最终设计项目中均取得了优异成绩（表11），成功开发出了具有创新性和临床相关性的B3启发医疗器械概念，例如基于企鹅窃热和逆流热交换原理为脊髓损伤患者设计的ThermaVest温控背心，以及基于科罗拉多马铃薯甲虫脂质吸附和刚毛结构原理为肿瘤切除后面部修复设计的PermaDerm真皮填充剂锚定系统，证明了学生在一个学期内确实掌握并应用了B3设计流程。
研究结论与意义
本研究证实，在单学期的医疗器械设计课程中，采用支架式探究学习方法是可行且有效的。通过将乐高严肃游戏、沉浸式VR技术和自然浸润体验等多元化的主动学习策略，与概念-知识(C-K)设计理论等核心工具相结合，并设计一系列从简单到复杂、从封闭到开放的渐进式作业，能够成功地为学生搭建起学习全新设计范式（B3设计）的支架。这种“练习-应用”的模式显著提升了学生的参与度、想象力胜任力以及对B3设计方法的掌握程度，使他们能够最终完成高质量的、具有临床意义的医疗器械设计项目。
该教学实践为工程设计教育，特别是需要在有限时间内引入复杂新概念或方法的课程，提供了宝贵的经验和可复制的模型。它强调了在挑战性的最终任务之前进行适当技能铺垫的重要性，突出了学生中心、主动学习和知识构建在现代工程教育中的核心地位。尽管课程在阅读材料负担和学生生物学知识重温方面存在挑战，但总体而言，这一教学创新不仅成功达成了课程学习目标，也激发了学生对自然启发设计的浓厚兴趣，为培养更具创新精神和跨学科整合能力的下一代生物医学工程师提供了新的路径。正如一名学生评价所言：“我每天都期待着去上课，真希望这门课能再久一点。”这或许是对此项教学探索价值的最生动注解。
