在生物医学工程课程中嵌入工作室学习模式以提升定量问题解决能力：一项来自康奈尔大学的课程改革实践

　　为解决传统生物医学工程（BME）教育中定量问题解决能力培养不足、理论与实践脱节的问题，康奈尔大学研究团队开展了基于工作室（Studio）的课程改革研究。通过将5个3小时的工作室环节嵌入核心课程，结合工程约束分析、定量建模（ODE）和协作式设计，显著提升了学生在细胞信号通路建模（如BCR-ABL）、系统思维和工程方案设计方面的能力。该模式为BME教育提供了可复制的创新框架，对培养适应跨学科挑战的工程师具有重要意义。

　　

在当今生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）领域，行业需求与学术培养之间存在着显著差距。企业期望毕业生具备扎实的技术专长、工程判断力和动手解决问题的能力，尤其强调将复杂问题分解为可管理部分的能力。然而，传统的BME教育往往依赖于行为主义理论下的教师中心模式，以讲座为主导，侧重于内容覆盖和狭窄定义的问题求解，留给学生进行创造性整合和探索的空间十分有限。这种教学模式导致学生过度依赖问题分解来应对评估，而非培养其应对多层面挑战和制定细致解决方案的能力。更严峻的是，BME毕业生在就业市场上面临着行业对其缺乏明确学科特定能力的质疑，而优先招聘传统工程背景人才的做法，又可能忽视生物系统的复杂性，导致医疗技术因未充分考虑生物约束和工程系统与自然系统间相互作用而失败。

为了应对这些挑战，并培养能够跨越专业边界、分析复杂生理系统、开发无缝整合医学与工程技术的生物医学工程师，康奈尔大学生物医学工程系发起了一项课程转型计划。该研究假设，将工作室式（Studio-Based）教学原则——即在结构化约束下蓬勃发展的创造性问题解决——融入工程课程，将增强学生的工程问题解决能力和设计思维技能，同时培养强烈的BME身份认同。尽管工作室原则已被纳入顶峰设计课程、一年级设计课程和其他孤立的设计课程中，但传统的学期或学年制单项目形式并未充分为学生提供所需的广泛专业能力。为了将工程分析内化为一项基本技能，学生需要在学术旅程的更早阶段和更持续地引入和实践这些能力。

这项研究旨在详细阐述所提出的BME工作室模型的设计与结构，并总结其初步实施的重要发现。研究人员希望通过分享这些经验，邀请BME社群考虑并探索基于工作室的教学方法，将其作为推动该领域可持续和 impactful 变革的潜在途径。论文已发表在《Biomedical Engineering Education》上，为BME教育的设计、教学策略和研究提供了未来信息。

为开展这项研究，团队采用了几个关键技术方法：首先，实施了课程嵌入式工作室模型，在五门BME核心课程中分别嵌入5个3小时的工作室环节；其次，采用了混合方法研究设计，收集了工作室产物（如完成的worksheets）、学生的课后反思以及学期末调查问卷（采用Likert量表和开放式问题）；第三，开发并使用了性能指标（Performance Indicator, PI）评分标准，用于评估学生的工作室成果，该标准基于The Informed Design Teaching and Learning Matrix，从1（Emerging）到4（Exemplary）对六个关键领域进行评分；第四，利用Google Slides/Docs协作平台促进学生团队内及跨团队的文档记录和想法共享；最后，进行了主题分析，对开放式回答进行编码以识别趋势，并用代表性引述和样本学生作品说明关键见解。研究获得了机构审查委员会（IRB）批准，数据来自2024年秋季一门大三课程的无标识化数据。

定量理解人类生物学

通过将定量细胞信号原理融入课程，并利用工作室框架进行实践，学生在为生物系统制定数学方程方面的能力得到显著提升。使用PI评分标准评估的工作室提交物显示，随着学期推进，学生方程建模的质量从Studio 1到Studio 4有显著进步（平均分提高）。期末调查中，学生自评在制定系统组件间方程的能力上平均提高了2.70±2.45分（10分制）。学生反思表明，工作室帮助他们将计算和数学描述与生理解决方案联系起来，并巩固了考试所需的核心概念。绝大多数学生（96%）认为工作室有助于整合多个工程概念，90%的学生认为其探索了课程材料的有趣延伸并增加了与真实世界联系的 engagement。

在设计空间中引入工程思维

遵循工作室模型（系统识别、定义约束、定性建模、定量建模、提出解决方案），学生在应用工程思维解决问题方面表现出显著进步。PI评分显示，在定义工程约束、创建块状图（Block Diagram）和提出基于分析的解决方案方面，从Studio 1到Studio 4有显著提高（p<0.0001）。尽管所有团队都成功产生了方程，但许多团队未明确在图中显示方程应用位置，这是未来迭代需要改进的领域。学生自评在所有学习目标上的熟练度平均提高了2到3分，他们报告称工作室的重复实践和协作性增强了问题解决技能，并打算在课程结束后继续使用这些方法。94%的学生表示在解决BME问题时将考虑工程约束，87%将使用块状图表示生理过程。

产生工程熟练度的成果

工作室工作表旨在帮助学生构建作品集，展示他们如何应用工作室模型解决问题。示例学生作品（图8）展示了一个团队针对靶向BCR-ABL的儿科Ph+ ALL（急性淋巴细胞白血病）问题所创建的块状图、微分方程、工程解决方案和初步计算建模（MATLAB）。这些成果，结合学生的课后反思，形成了记录其工程旅程的综合记录。使用Google Docs/Slides等工具促进了团队内和跨团队的协作与知识共享，学生反馈强调能够查看其他团队的作品获得灵感和支持， small team size 确保了每个人的贡献和理解。这反映了更广泛研究中关于团队合作在培养解决问题能力、沟通技巧和有效工作能力方面的价值。

研究结论表明，在核心课程中嵌入工作室学习模式成功地实现了主要学习目标：整合定量细胞信号原理提高了学生数学建模能力；通过工作室模型的重复实践和协作，增强了工程问题解决技能；利用协作平台记录工作，为跟踪学生熟练度发展奠定了基础。这种模式通过结构化约束下的创造性问题解决，培养了学生的设计思维和BME身份认同。讨论部分强调，成功采用工作室需要课程包含适合的工程内容，以及教师平衡课堂接触时间与学生课外工作量。未来研究将深入探索学生在工作室中的团队合作 engagement、工作室对其他课程交付成果（如作业、考试）的影响、支持跨课程作品集开发的策略，以及哪些工作室元素导致了这些成功。同时，纵向分析将捕捉学生多年和跨课程的技能发展轨迹，年度毕业班调查将评估学生作为开发中工程师的认知和职业准备度的变化。通过收集教师和学生的反馈，研究将更全面地理解BME工作室方法的成本和收益，并做出数据驱动的教学策略优化。

这项研究的更广泛意义在于，它将工作室学习整合到本科工程项目中，可以改变学生的工程师发展方式。通过呈现真实世界的挑战并促进协作、创造力和批判性思维，这种方法提高了参与度和动机，造就了更积极和投入的学习者。嵌入式工作室而非孤立课程的方式，为更好地培养学生应对职业生涯中的复杂挑战提供了一条有前途的道路。持续的改进对于确保其在提高学生成果方面的有效性至关重要。这种方法有潜力塑造未来的工程师，他们不仅是创造性问题解决者和批判性思想家，而且是适应性强、准备好应对世界最紧迫挑战的沟通者。