假肢矯形工程專業(yè)運動生物力學(xué)實驗課改革探索

吳寶平 宋紅芳 王 輝 張昆亞 錢秀清 閆松華

(首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100069)

在專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中,實驗教學(xué)是教學(xué)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一環(huán),尤其是在高等醫(yī)學(xué)院校中,對培養(yǎng)理論與實際相結(jié)合、科學(xué)思維、動手能力和嚴謹工作作風(fēng)的醫(yī)護人員有重要的意義[1]。理論課教學(xué)為實驗課教學(xué)打下了堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,實驗課教學(xué)是一種在模擬環(huán)境下對理論知識的應(yīng)用。實驗教學(xué)過程能充分調(diào)動學(xué)生的積極性,使學(xué)生能更深刻理解所學(xué)理論,鍛煉學(xué)生動手能力,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,為學(xué)生以后應(yīng)用所學(xué)理論知識解決實際問題提供了一個良好的訓(xùn)練。因此,為了加強學(xué)生專業(yè)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新思維培養(yǎng),實驗課的教學(xué)改革顯得尤為重要。

在實驗課教學(xué)中,注重讓學(xué)生參與,以學(xué)生為主的實踐非常必要。因此,我們需要在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、注重教學(xué)細節(jié)、改革教學(xué)手段等多重舉措下,始終應(yīng)牢牢把握課前-課中-課后3個環(huán)節(jié),結(jié)合專業(yè)特點和實驗本身,多方面培養(yǎng)學(xué)生的開放式思維。

首都醫(yī)科大學(xué)假肢矯形工程專業(yè)已獲得國際假肢矯形協(xié)會假肢矯形器1級教育資質(zhì)認證,是本領(lǐng)域我國最早開辦的本科教育專業(yè),填補了國內(nèi)該專業(yè)本科教育的空白,也是北京市特色專業(yè),具有工程技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)實際結(jié)合、基礎(chǔ)與臨床結(jié)合、吸納與發(fā)展高新生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的特色。本專業(yè)對學(xué)生的培養(yǎng)有其特色,一是寬厚的知識體系,讓學(xué)生在掌握工科基礎(chǔ)理論和基本技能的同時,具備良好的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識和相關(guān)知識背景。二是有充足的實驗實踐教學(xué),在專業(yè)培養(yǎng)方案中理論課與實踐課學(xué)時比為1∶0.71,充足的實驗教學(xué)強化對學(xué)生動手能力的培養(yǎng);必不可少的臨床見習(xí)、畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計階段,著重對學(xué)生假肢矯形臨床實踐能力、解決實際問題能力和綜合設(shè)計能力進行培養(yǎng),提高學(xué)生的執(zhí)業(yè)能力和社會適應(yīng)能力。

運動生物力學(xué)是首都醫(yī)科大學(xué)假肢矯形工程專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[2],也是在理論力學(xué)和材料力學(xué)課程之后修的一門和人體相關(guān)的力學(xué)課程,內(nèi)容包含理論和實驗兩部分,經(jīng)過2014年的教學(xué)大綱修訂,實驗學(xué)時由6學(xué)時增加為12學(xué)時,極大地提升了學(xué)生的動手實踐機會。而步態(tài)分析是運動生物力學(xué)研究中的重要測試手段[3-4],它利用力學(xué)概念及處理手段對人體行走時的肢體和關(guān)節(jié)活動進行運動學(xué)觀察和動力學(xué)分析[5-7],提供基于一系列時間、幾何、力學(xué)等概念的參數(shù)值和曲線[8-10],為學(xué)生深入了解臨床問題提供了一定的基礎(chǔ)。

針對目前學(xué)校運動生物力學(xué)實驗課程在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面存在的不足,根據(jù)日常教學(xué)實踐,將運動生物力學(xué)與體質(zhì)測試、體育運動相結(jié)合,引入開放式的實驗教學(xué)方法,緊密結(jié)合臨床實際,同時滿足國際假肢矯形器協(xié)會(International Society for Prosthetics and Orthotics, ISPO)對課程的要求,培養(yǎng)更加實用型的假肢矯形專業(yè)人才,擬對實驗教學(xué)進行細化改革,以期提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

1 運動生物力學(xué)實驗課內(nèi)容的基本情況

運動生物力學(xué)課程開設(shè)原則是:注重聯(lián)系假肢矯形工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標,體現(xiàn)理、工、醫(yī)相結(jié)合。2014級前的幾屆學(xué)生,實驗課內(nèi)容僅有兩個演示實驗,包括力平臺及其應(yīng)用、便攜式步態(tài)分析系統(tǒng)及其應(yīng)用,讓學(xué)生對本課程實踐環(huán)節(jié)有個感性認識[11]。到2014級學(xué)生,增加到4個驗證實驗,包括三維運動捕捉系統(tǒng)及其應(yīng)用、力平臺及其應(yīng)用、表面肌電系統(tǒng)及其應(yīng)用、便攜式步態(tài)分析系統(tǒng)及其應(yīng)用,內(nèi)容進行了擴充,同時也豐富了實驗類型,每個實驗3學(xué)時,實驗總學(xué)時由6學(xué)時增加至12學(xué)時,可為學(xué)生提供更多動手的機會,實踐性進一步提升,讓學(xué)生較全面地了解實驗所涉及到的研究方法;同時實驗課的教學(xué)方法由教師演示為主變成以學(xué)生動手為主、教師輔導(dǎo)為輔,充分鍛煉學(xué)生動手能力,提高其觀察能力和分析解決問題的能力。通過實驗,學(xué)生可全面了解運動生物力學(xué)實驗研究的基本方法,并且學(xué)會將這些測試方法應(yīng)用到將來從事的假肢矯形工程相關(guān)臨床研究中。本文著重對“力平臺及其應(yīng)用”實驗展開討論。

2 實驗教學(xué)中存在的問題

2.1 學(xué)生基礎(chǔ)知識儲備不足

運動生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法研究生物體外在機械運動的生物力學(xué)分支。通過本課程讓學(xué)生掌握人體的運動原理,熟悉人體運動系統(tǒng)的力學(xué)特點和研究方法,初步了解運動生物力學(xué)在假肢、矯形器設(shè)計和裝配中的基本理論,為將來從事假肢矯形器設(shè)計師、康復(fù)醫(yī)師等職業(yè)奠定一定的基礎(chǔ),尤其要求要有比較高的理論基礎(chǔ),且很大一部分是工科的必修內(nèi)容,要想全面了解掌握步態(tài)特征的測試和分析,生物力學(xué)基礎(chǔ)理論知識必須扎實,還需要有較強的醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)背景知識;而假肢矯形工程專業(yè)學(xué)生先期的基礎(chǔ)知識儲備不足,而且一次實驗課“力平臺及其應(yīng)用”僅有3學(xué)時,實驗課上不可能用大量時間去講解理論知識,導(dǎo)致學(xué)生實驗課所需的基礎(chǔ)知識儲備相對欠缺。

2.2 教學(xué)目標及內(nèi)容簡單、模式單一,缺乏應(yīng)用性指導(dǎo)及創(chuàng)新性培養(yǎng)

目前實驗課中“力平臺及其應(yīng)用”的教學(xué)目的和要求為:①掌握Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)和三維測力臺的具體操作;②了解Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)和三維測力臺的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容為:老師演示Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)和三維測力臺的具體操作,通過受試者具體參與,指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握他們的使用,采集實驗數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)分析,體會Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)和三維測力臺的應(yīng)用。

以上的實驗僅僅是對足底壓力分布測試系統(tǒng)的了解和最基本的操作,學(xué)生通過在測力平臺上常規(guī)行走獲取數(shù)據(jù),進行簡單的數(shù)據(jù)分析;而學(xué)生缺乏興趣和積極性,參與度不高,和臨床的緊密結(jié)合性體現(xiàn)不明顯。

同時足底壓力測試實驗由于受課時和教學(xué)內(nèi)容的限制,基本上是單一的教學(xué)模式,學(xué)生只能按照實驗課的要求按部就班地完成實驗內(nèi)容,幾乎沒有創(chuàng)新,且實驗過程中只注重足底壓力的測試和測試方法的掌握,缺乏應(yīng)用性的指導(dǎo),不利于提升學(xué)生專業(yè)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新思維培養(yǎng);每次實驗課后,學(xué)生對實驗內(nèi)容基本沒什么印象,導(dǎo)致課堂上無法發(fā)揮學(xué)生的主體作用,學(xué)生只能被動地接受知識,無法提高自身的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。另外,所有的實驗步驟都是通過教師的引導(dǎo)和預(yù)先設(shè)定要求進行,即使某些學(xué)生對實驗有著自己獨到的見解,也沒有機會付諸實踐,這不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。

2.3 實驗數(shù)據(jù)缺乏對比分析

目前的步態(tài)測試實驗,實驗指標數(shù)據(jù)只是正常學(xué)生的數(shù)據(jù),包括支撐期分期、足底各區(qū)域壓強峰值、足底三區(qū)域所受沖量百分比、足弓指數(shù)、足軸角等,這些實驗結(jié)果具體是好是壞,沒有對比也就無從驗證。

3 教學(xué)實驗內(nèi)容和模式的優(yōu)化改進

3.1 課前做好充足準備

將學(xué)生提前分組建群,群內(nèi)布置實驗內(nèi)容,預(yù)習(xí)并撰寫實驗預(yù)習(xí)報告,預(yù)設(shè)一些問題供正式實驗課時回答,組內(nèi)可以互相討論,也可以和老師討論,以便很清晰地了解本實驗。

3.2 編寫詳細的實驗指導(dǎo)講義,讓學(xué)生提前預(yù)習(xí),夯實理論基礎(chǔ)

在上課時減少步態(tài)特征相關(guān)理論知識的講解,這部分內(nèi)容可以讓學(xué)生在課前提前了解并掌握。為了使學(xué)生能夠在實驗課前后很好地學(xué)習(xí)和掌握步態(tài)特征相關(guān)的基礎(chǔ)理論,加強對步態(tài)分析實驗的理解和認識,編寫了詳細的實驗指導(dǎo)講義,從實驗原理、儀器配置、涉及的概念、測試指標到數(shù)據(jù)處理都有詳細的描述,以指導(dǎo)學(xué)生做到課前預(yù)習(xí)、課堂上有目的地進行實驗、課后有目標地寫實驗報告,從而提高課堂教學(xué)效率。

3.3 改進實驗內(nèi)容,優(yōu)化實驗?zāi)Ｊ?增加應(yīng)用性指導(dǎo)和創(chuàng)新性培養(yǎng)

在原有教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合專業(yè)的特點和發(fā)展趨勢,對現(xiàn)有的運動生物力學(xué)實驗課中“力平臺及其應(yīng)用”實驗,從實驗內(nèi)容和設(shè)計上進行補充和改進。

(1)步態(tài)測試次數(shù)的改進。每個學(xué)生都是一個受試者,他們的步態(tài)數(shù)據(jù)來自當(dāng)堂課的實測。學(xué)生赤足,在鋪有10 m長的塑膠跑道上由原來的1次改為3次步態(tài)測試;因為步態(tài)特征的個體差異性、隨機性比較大,增加測試次數(shù)并將測試指標導(dǎo)出取平均值,可以提高數(shù)據(jù)的可靠性,這樣可以避免受試者由于緊張或者不習(xí)慣等導(dǎo)致步態(tài)走樣帶來的誤差,這也是常規(guī)科學(xué)研究的嚴謹做法,然后通過SPSS軟件對各個指標進行統(tǒng)計學(xué)分析。

(2)在原有簡單步態(tài)測試基礎(chǔ)上,增加體質(zhì)測試指標(包括身高、體質(zhì)量、肺活量、坐位體前屈等)[12]。在體育課中學(xué)生早有接觸體質(zhì)測試,但是將學(xué)生個人的體質(zhì)狀況融入我們的實驗課當(dāng)中,并且和步態(tài)特征數(shù)據(jù)結(jié)合起來將會極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生意識到體育鍛煉和體質(zhì)健康的重要性。將學(xué)生按照體質(zhì)健康測試成績分成不及格、及格、良好、優(yōu)秀4類[13],以便后期進行不同體質(zhì)健康學(xué)生步態(tài)特征的差異性分析。

(3)學(xué)生自主測試的方式。以往是演示性實驗,老師操作實驗儀器,個別學(xué)生當(dāng)作受試者,其余學(xué)生觀摩,學(xué)生的參與度不夠?，F(xiàn)在每個學(xué)生都是受試者,當(dāng)一名學(xué)生在測試時,別的同學(xué)操作實驗儀器,進行數(shù)據(jù)采集,互相幫助,完成所有人的測試工作;而老師在旁邊觀摩,在出現(xiàn)問題時及時解決,扮演一個次要角色。

(4)完善實驗數(shù)據(jù),增加對比性。每組每一位學(xué)生都有一套完整的實驗數(shù)據(jù),學(xué)生可以進行組內(nèi)討論,用統(tǒng)計學(xué)方法分析體質(zhì)與步態(tài)特征的關(guān)聯(lián)和差異性。

3.4 增加課后設(shè)計,延伸學(xué)習(xí)

作為實驗課后的拓展,教師可以將臨床獲得的步態(tài)數(shù)據(jù),也就是患者的步態(tài)特征數(shù)據(jù)提供給學(xué)生,讓他們進行進一步的數(shù)據(jù)分析,并且和自己實驗測得的數(shù)據(jù)進行對比,從而尋找正常步態(tài)和異常步態(tài)的特征點,這項工作使得他們向科學(xué)研究邁進了一步。

3.5 增加開放式實驗,提供更大平臺

目前步態(tài)分析實驗課上的內(nèi)容都是基礎(chǔ)性的實驗,按著教師的規(guī)定動作完成,且每個學(xué)生只是測試本人的步態(tài)指標,時間和數(shù)據(jù)量都有限。現(xiàn)在實驗室有條件能夠進行一些綜合性、設(shè)計性的實驗,為學(xué)生開放空間和設(shè)備,結(jié)合假肢矯形工程的專業(yè)特色,有興趣或者學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生,可以根據(jù)自身情況,結(jié)合臨床實踐,自主設(shè)計實驗方案,經(jīng)和老師討論之后,可行即可付諸行動。學(xué)生借助實驗室條件開展開放性實驗,過程中老師給予充分積極的指導(dǎo)和幫助,提供一切可能的便利,同時可以解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象和蘊含的意義,讓學(xué)生充分了解運動生物力學(xué)的學(xué)科意義。

3.6 增加仿真模擬模塊,拓展實驗視野

實驗室配備了虛擬仿真實驗平臺,超大屏幕高清顯示,VR三維觀看。平臺上有一些經(jīng)典力學(xué)實驗展示模塊,不用動手通過仿真的形式展示給學(xué)生,讓學(xué)生在課程所涉實驗之外,更多地了解力學(xué)實驗,拓展實驗視野。

4 教學(xué)效果的反饋和思考

通過對運動生物力學(xué)中“力平臺及其應(yīng)用”實驗課多方面的優(yōu)化改進,每一位學(xué)生都是受試者,將步態(tài)特征數(shù)據(jù)和體質(zhì)健康測量相結(jié)合,分析體質(zhì)狀況和步態(tài)特征的相關(guān)性,在學(xué)生掌握步態(tài)實驗方法的同時,融入自己的體質(zhì)數(shù)據(jù),提升學(xué)生的參與度和興趣度;同時增加課外拓展和開放實驗平臺,讓學(xué)生在學(xué)有余力或者興趣驅(qū)使下有更多的視野拓展,充分展示自己的實踐能力。

同時通過和學(xué)生的交流,發(fā)現(xiàn)前幾屆學(xué)生的感受和優(yōu)化后學(xué)生的體會有很大的不同,學(xué)生們體會到了本課程和自身健康、和臨床實踐的緊密結(jié)合性,尤其是在高年級到臨床后,他們有了實際和患者接觸的經(jīng)歷,也會帶著患者進行一些康復(fù)訓(xùn)練,對當(dāng)初接觸的實驗感受會更深,會更加喜歡改革后的這種方式。同時通過對復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理與分析,引發(fā)學(xué)生關(guān)于體質(zhì)健康相關(guān)問題的思考,據(jù)此提出合理的鍛煉建議,進而提升了假肢矯形工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

改革后的實驗教學(xué)也更加符合國際假肢矯形器協(xié)會對假肢矯形工程專業(yè)運動生物力學(xué)課程的要求,符合學(xué)校為我國培養(yǎng)假肢矯形工程專業(yè)緊缺高級人才的終極目標,從而也能為他們將來從事相關(guān)科學(xué)研究和臨床實踐服務(wù)打下堅實的基礎(chǔ)。步態(tài)分析也可應(yīng)用到以后的體育教學(xué)當(dāng)中,以指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地、有針對性地進行體育鍛煉[14-16]。

同樣,對課程中涉及到的其他實驗,如表面肌電系統(tǒng)及其應(yīng)用實驗,也進行了相應(yīng)的改革,對陳舊的儀器進行了更新?lián)Q代,取而代之的是最新的一套設(shè)備,靈敏度有了很大的提升,肌電信號的采集通道增加,數(shù)據(jù)將更加豐富;三維運動捕捉系統(tǒng)及其應(yīng)用實驗從平臺的搭建、系統(tǒng)的標定等一開始就讓學(xué)生參與進來,了解軟硬件的原理和使用,以及如何形成一個相對穩(wěn)定的測試系統(tǒng),遇到的一個個問題都想辦法一一解決,極大地提升了學(xué)生的成就感,動手能力也得到很好的鍛煉。

總之,在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生是主角,必須保證學(xué)生的參與度和動手實踐的機會,把控實驗的嚴謹和規(guī)范性,讓學(xué)生真正在實驗中找到樂趣和應(yīng)用所在,提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明吳寶平:提出研究思路,設(shè)計研究方案,撰寫論文;宋紅芳、王輝、張昆亞:進行試驗,調(diào)研、采集和分析數(shù)據(jù);錢秀清、閆松華:總體把關(guān),審訂論文