3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討

周賢熙 宋述財 周麗亭

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院實驗教學(xué)中心，廣東廣州 510006；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院中醫(yī)養(yǎng)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)系，廣東廣州 510006；3.湛江市第一中醫(yī)醫(yī)院，廣東湛江 524000

人體解剖學(xué)是一門研究人體形態(tài)、位置和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)學(xué)科，是醫(yī)學(xué)教育的基礎(chǔ)。與其他學(xué)科相比，人體解剖學(xué)的學(xué)習(xí)需要良好的三維構(gòu)建能力，熟悉不同結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，具有高度臨床相關(guān)性。扎實掌握人體解剖學(xué)知識將為學(xué)生后續(xù)的醫(yī)學(xué)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的時代，科技的進步無時無刻不在影響著高等教育領(lǐng)域，推動教學(xué)改革。醫(yī)學(xué)教育開始于農(nóng)業(yè)革命的經(jīng)驗醫(yī)學(xué)，發(fā)展至工業(yè)革命的科學(xué)醫(yī)學(xué)，醫(yī)學(xué)教育每一時期的發(fā)展都帶著科技的烙印。由于醫(yī)學(xué)教育較長的投入產(chǎn)出周期和公益屬性，科技在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相對滯后，將先進的科學(xué)技術(shù)融入到醫(yī)學(xué)教育中，為醫(yī)學(xué)教育提供技術(shù)支持，是滿足新醫(yī)科醫(yī)學(xué)教育體系下人才培養(yǎng)的重要手段。

隨著技術(shù)的進步，人體解剖學(xué)的教學(xué)方式發(fā)生較大變化，如翻轉(zhuǎn)課堂、PBL（problem-based learning method）教學(xué)法、混合式教學(xué)法、OBE（outcomesbased education）教學(xué)法，這些教學(xué)方式利用新興的科學(xué)技術(shù)輔助人體解剖學(xué)實驗教學(xué)，取得很好的教學(xué)效果。3D 打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建三維數(shù)字模型，并制造產(chǎn)品的新興制造技術(shù)，是第3 次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)之一。3D 打印技術(shù)具有滿足產(chǎn)品復(fù)雜性要求、產(chǎn)品生命周期可持續(xù)、個性化等優(yōu)勢，具有極其廣闊的應(yīng)用前景，醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域則被認為是3D 打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要領(lǐng)域。然而，3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究卻鮮有文獻報道。因此，本文通過探索3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)的教學(xué)路徑，以期為人體解剖學(xué)實驗教學(xué)的教學(xué)改革提供參考。

1 人體解剖學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

人體解剖學(xué)的教學(xué)方式包括課堂教授、大體標本解剖、實物標本辨識及圖譜學(xué)習(xí)等。以尸體觀察和解剖為基礎(chǔ)的教學(xué)模式代表人體解剖學(xué)的一個里程碑，且作為主要的教學(xué)方式存在數(shù)百年。自17 世紀以來，尸體解剖一直是人體解剖學(xué)的“黃金標準”。然而，人體標本涉及倫理、法律、保存等眾多潛在風(fēng)險。①人體標本主要依賴于遺體捐獻。受傳統(tǒng)觀念和宗教信仰的影響及捐獻途徑的限制，遺體捐獻的數(shù)量無法滿足教學(xué)需求。②尸體的獲取到完成教學(xué)標本的制作周期長，成本高，技術(shù)要求高，這是限制人體解剖學(xué)教學(xué)開展的另一重要因素。③隨著教學(xué)的開展，教學(xué)標本的精細結(jié)構(gòu)往往被損壞卻無法及時得到補充，這進一步加劇教學(xué)標本的緊缺。

基于此，醫(yī)學(xué)院校有意識地減少人體解剖學(xué)的教學(xué)時長，學(xué)生參與到尸體解剖和標本觀察的時間逐漸減少，國外部分醫(yī)學(xué)院校甚至直接取消人體解剖學(xué)實驗教學(xué)課程，這不利于醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展，影響醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)。因此，如何利用包括3D 打印技術(shù)在內(nèi)的新興技術(shù)解決現(xiàn)有的教學(xué)問題，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，成為人體解剖學(xué)實驗教學(xué)的重要研究方向。

2 3D 打印教具在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

教具是3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中最為廣泛的應(yīng)用，具有精度高、成型速度快、可縮放的特點，其可快速復(fù)制標本，并根據(jù)教學(xué)需要及時進行調(diào)整，“按需制造”教具，也能縮短師生暴露于甲醛等有毒氣體的時間，維護師生的身體健康。教具的制作需要強大的數(shù)據(jù)庫支持，3D 打印技術(shù)搭建的人體資源數(shù)據(jù)庫可將數(shù)據(jù)庫標本模型制作成教具，線上資源也方便學(xué)生訪問，有效擺脫實驗室的桎梏，突破優(yōu)質(zhì)資源分配不均的限制，這既解決了標本陳舊和標本不易保存的問題，也能解決優(yōu)質(zhì)標本難以獲得的局限，提高學(xué)生的標本擁有量，豐富學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)課堂教學(xué)到課后學(xué)習(xí)的延伸。

普通教具的制作不僅需要數(shù)據(jù)庫的支持，而且需要一定的工廠規(guī)模和生產(chǎn)線，還面臨交貨周期長、行業(yè)市場小等諸多風(fēng)險，這導(dǎo)致了人體解剖學(xué)實驗教學(xué)教具種類少，形式單一，且制作粗糙，缺乏個性化的標本。3D 打印技術(shù)根據(jù)人體資源數(shù)據(jù)庫，可精準復(fù)制組織的三維結(jié)構(gòu)和位置毗鄰關(guān)系，且產(chǎn)品質(zhì)量更好，因此，3D 打印技術(shù)能夠提供比普通教具更具個性化、更有競爭力的教學(xué)模型。例如，3D打印技術(shù)可等比例放大諸如淚器、聽小骨、砧骨、錘骨及腎小球等特殊結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)實際標本觀察不到的微細結(jié)構(gòu)，且可根據(jù)教學(xué)需要和反饋及時調(diào)整，使得解剖學(xué)知識變得更為直觀立體，促進學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容互動，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。3D 打印技術(shù)也可通過顏色渲染技術(shù)對教具進行視覺性標記，有助于教師吸引學(xué)生的注意力，促進“深度學(xué)習(xí)”。

與傳統(tǒng)的尸體標本和模型相比，3D 打印教具不僅可讓學(xué)生全方位、多視角地觀察人體結(jié)構(gòu)的特點，而且材質(zhì)結(jié)實，不易受損，無毒無氣味，更易被學(xué)生所接受。3D 打印技術(shù)可涵蓋更大范圍的解剖結(jié)構(gòu)，允許教育者不受限制地復(fù)制出人體標本，提高學(xué)生平均擁有的人體標本數(shù)量。通過3D 打印數(shù)據(jù)庫與生理學(xué)、病理學(xué)等學(xué)科的整合，也能夠使人體結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，還原人體的生理活動，彌補現(xiàn)有人體解剖學(xué)實驗教學(xué)不具有動態(tài)性的缺陷。數(shù)字化管理和3D 建模改變了學(xué)生接觸標本的方式，方便學(xué)生從多個角度認識人體結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)，減緩標本損壞。此外，由于宗教信仰、文化背景、個人經(jīng)歷等因素的影響，部分學(xué)生在面對人體標本時可能存在不舒服的情感體驗或心理壓力，3D 打印教具能夠有效降低學(xué)生在觀察實體標本時的不良反應(yīng)，提高學(xué)習(xí)效率。

3 3D打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中的不足

科技的發(fā)展改變了教育場景和教學(xué)模式，這要求教師及時將新興技術(shù)融合到教學(xué)設(shè)計中，而非一成不變地固守傳統(tǒng)的教學(xué)模式開展教學(xué)活動。3D 打印技術(shù)具有復(fù)制成型、“按需制造”的優(yōu)勢，使其在產(chǎn)品需求量較小的形態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計市場中占據(jù)優(yōu)勢，并迅速擴張。雖然人體解剖學(xué)作為亟需大量形態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的醫(yī)學(xué)課程，但3D 打印技術(shù)在其教學(xué)中的應(yīng)用亦存在諸多障礙。①對臨床專業(yè)的學(xué)生而言，尸體解剖是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，解剖過程中尸體的觸感、手感對學(xué)生后續(xù)的臨床極其關(guān)鍵，然而，3D 打印教具無法為臨床學(xué)習(xí)提供真實的感覺，這也成為限制3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用的主要因素。3D 打印技術(shù)無法完全代替尸體解剖。②3D打印材料種類少，加上人體解剖學(xué)實驗教學(xué)環(huán)境特殊，適用的打印材料種類更少，這成為限制3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中運用的另一原因。③技術(shù)推廣尚未成熟。我國3D 打印行業(yè)的發(fā)展尚屬起步階段，從業(yè)人員存在巨大缺口，技術(shù)尚未普及，3D 打印從業(yè)人員缺乏專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識，無法辨識醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的正確與否，這進一步限制了3D 打印技術(shù)在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。④3D 打印技術(shù)在解剖學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬起步階段，教學(xué)人員認識不足，認可度低，在教學(xué)過程中占比低，三維結(jié)構(gòu)模型的素材庫不足，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)緩慢。⑤鑒于人體解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和獨特性，過度依賴數(shù)據(jù)可能會對研究和處理人體的微小差異產(chǎn)生錯誤的理解。3D打印教具不具備與標本完全相同的物理特性，在觸感、顏色和紋理上存在較大差異，無法完全復(fù)刻真實標本。以軟組織為例，軟組織指人體的皮膚、皮下組織、肌肉、肌腱、韌帶、神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)，觸感較為松軟，顏色各異，而3D 打印教具觸感較為堅硬，顏色相對單一，無法真實反映軟組織的實際狀態(tài)，在展現(xiàn)軟組織上存在一定不足。⑥尸體標本不僅幫助醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)知識，而且促進團隊合作和自我反省，3D 打印技術(shù)是否具備相似的教育功能需要進一步研究。

4 展望

由于人體解剖學(xué)知識多且抽象，位置毗鄰關(guān)系復(fù)雜，對學(xué)生的抽象思維和整體思維均有較高的要求。因此，人體解剖學(xué)既是學(xué)習(xí)重點，也是學(xué)習(xí)難點，人體解剖學(xué)學(xué)習(xí)過程中所帶來的挫敗感已然成為醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)生涯的“攔路虎”。3D 打印技術(shù)為人體解剖學(xué)實驗教學(xué)提供了全新的教學(xué)輔助技術(shù)，3D打印技術(shù)制造的教具和數(shù)據(jù)庫能夠有效彌補教學(xué)資源的不足，改善實驗教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)課堂教學(xué)到課后學(xué)習(xí)的延伸。3D 打印技術(shù)建模的數(shù)據(jù)庫能夠有效保存優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，打破高校之間的教學(xué)資源壁壘，促進教育公平。

雖然3D 打印技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬前期探索階段，在教育行業(yè)的普及存在諸多困難，但隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展和普及，3D 打印從業(yè)人員的技術(shù)儲備將滿足教學(xué)的需要，而且人體解剖學(xué)屬于形態(tài)學(xué)，學(xué)習(xí)的重點在于組織結(jié)構(gòu)的形態(tài)、位置和毗鄰關(guān)系，對教具的觸感、顏色和紋理要求相對較低，隨著3D 打印材料的開發(fā)，這些不足也將會得到有效解決。這需要更多的教育者開展3D 打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究，調(diào)動教育人員的積極性，充分利用教育者的專業(yè)知識素養(yǎng)，推動人體解剖學(xué)實驗教學(xué)模式和教學(xué)方式的改革創(chuàng)新。