3D打印和互聯(lián)網(wǎng)建模在骨科教學(xué)中的比較研究

陸榮斌 程建文 陳麗霞 丁曉飛

摘要 目的：比較3D打印實體建模和互聯(lián)網(wǎng)虛擬三維建模兩種三維建模方式，在全英班來華留學(xué)生臨床骨科見習(xí)教學(xué)應(yīng)用的效果。方法：進(jìn)行交叉設(shè)計單因素方差分析，選取14名來華留學(xué)生，隨機(jī)配對分為兩組。在全英教學(xué)中，針對同一類骨折，提取CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實體和互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模教學(xué)演示并交叉實施。結(jié)果：兩組學(xué)生的課堂理論測試成績差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義；在興趣度和直觀性方面，3D打印實體建模演示的學(xué)生評價更好，在操作性方面，互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模方式的學(xué)生評價更優(yōu)，兩方面評分差異有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)論：兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點，在合適的教學(xué)場景、骨折類型和分析致傷過程中針對性應(yīng)用能取得最佳的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 來華留學(xué)生；醫(yī)學(xué)教育；全英教學(xué)；3D打??；互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.048

骨科學(xué)臨床見習(xí)是基礎(chǔ)理論知識與臨床思維應(yīng)用結(jié)合的過渡階段。來華留學(xué)生全英骨外科學(xué)見習(xí)教學(xué)旨在醫(yī)學(xué)生進(jìn)入臨床實習(xí)階段前，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主積極性，培養(yǎng)初步臨床思維。近年來，隨著3D打印和互聯(lián)網(wǎng)虛擬化三維建模技術(shù)的逐漸成熟，我們應(yīng)用這些新方法于骨外科學(xué)見習(xí)教學(xué)中，并歸納總結(jié)、客觀評價這些新教學(xué)技巧，為今后以更有效、更直觀的應(yīng)用提供參考。

3D打印技術(shù)的興起及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)生、住院醫(yī)師培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用。得益于新的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（digitalimagingandcommunication inmedicine，DICOM），將CT、核磁共振或超聲的多平面薄層掃描轉(zhuǎn)化為可被三維軟件系統(tǒng)所用的格式已變得極為便利。相對于應(yīng)用于患者的計算機(jī)三維輔助成像和重建專業(yè)軟件，通用的免費三維建模軟件和兼容性極強(qiáng)的編程環(huán)境，降低的3D打印成本，都使得實體3D打印模型可以被常規(guī)應(yīng)用于一線骨科見習(xí)教學(xué)[1]。骨折是骨科疾病中最常見的病種，但也是最容易被忽視的。不少學(xué)生或其他專業(yè)的教師，在沒有深入接觸骨折這類疾病前，總是在頭腦里把骨折單純地想象成一根折斷的長木棍或者是竹子。其實，因為骨骼的表面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與功能高度相關(guān)的許多解剖特點，在沒有CT三維重建之前，是需要花費很多時間才能理解好的[2]。3D打印技術(shù)正好彌補(bǔ)了這方面的欠缺，經(jīng)過技術(shù)處理，按照1：1打印的實體骨骼或骨折模型，可以任由教師或?qū)W生進(jìn)行標(biāo)記、分解、組裝，非常直觀地協(xié)助學(xué)生來還原或理解好疾病的發(fā)生發(fā)展過程。

在采取線上授課模式時，移動互聯(lián)網(wǎng)虛擬三維建模方式是非常有效的師生互動方式[3]。學(xué)生通過手機(jī)或個人電腦掃描教師提供的二維碼，訪問基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的虛擬三維建模的骨折模型的一種3D可視化技術(shù)，在手機(jī)端或PC端可以“零成本”反復(fù)對模型感興趣的部分進(jìn)行拆分、移動、翻轉(zhuǎn)、切割，從平時難以觀察到的角度，去深入了解骨骼或骨折的特點[4]。上述兩種已經(jīng)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的新方法，在骨科見習(xí)教學(xué)中的主客觀教學(xué)效果是本研究的關(guān)注點。

1對象與方法

1.1研究對象

選取廣西醫(yī)科大學(xué)（以下簡稱“我?！保?015級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科全英班進(jìn)入骨科見習(xí)的學(xué)生14名，男女生各7名。他們來自印度、巴基斯坦、尼泊爾、越南等國家，學(xué)生在開始醫(yī)學(xué)本科教學(xué)前一年均接受過中文預(yù)科教育，授課過程中師生間均使用英語交流。通過Python生成隨機(jī)整數(shù)100個，作為分組數(shù)組，然后按學(xué)號順序降序分組，當(dāng)遇到分組數(shù)組中單數(shù)時該學(xué)生分入甲組，為偶數(shù)時則入乙組，任意一組先分配滿7人，則剩余學(xué)生自動歸入另一組，形成7個配對，其中甲組男4人、女3人，乙組男3人、女4人。兩次見習(xí)課間隔周期（效應(yīng)洗脫期）為2周。

1.2研究方法

教學(xué)設(shè)計。在介紹骨折類型和移位方式時，我們引入3D打印或虛擬三維建模的方法，向?qū)W生說明骨折的三維構(gòu)型。四肢骨折分為兩次見習(xí)課完成，甲組在第一次課使用3D打印模型教師講解和學(xué)生操作，教師可以在3D打印模型上標(biāo)記肌肉起止點、韌帶及關(guān)節(jié)囊等附著結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以使用圖釘和橡皮筋模擬定位這些結(jié)構(gòu)，并對骨骼及骨折塊進(jìn)行模擬受力，以了解骨折致傷的過程及繼發(fā)的不同骨折類型和移位方式之間的關(guān)系，在第二次課使用三維虛擬建模，以在手機(jī)或電腦上投影的形式教師講解和學(xué)生操作，教師利用軟件切割虛擬3D模型或分離內(nèi)固定物，學(xué)生掃碼后可以進(jìn)入CT數(shù)據(jù)重建的虛擬三維模型，利用移動互聯(lián)網(wǎng)在電腦或手機(jī)上進(jìn)行切割、分離、拼接、翻轉(zhuǎn)等操作，從日常平片和影像系統(tǒng)中CT三維重建不能觀察骨折的角度進(jìn)行觀察；乙組的兩次講課內(nèi)容與甲組一致，但使用的教學(xué)技巧順序與甲組相反。講解和實操結(jié)束后，兩組均由同一組高年資臨床教師指導(dǎo)分析病例，在隨堂測試結(jié)束后，填寫問卷。

教學(xué)效果評估。兩次見習(xí)課結(jié)束后，針對兩種教學(xué)技巧是否提高學(xué)生對骨折認(rèn)識的興趣度、操體性和直觀性，以0到10分別代表最無效和最有效，記錄評價等級得分，隨堂測試題記錄實際得分來評價兩種教學(xué)技巧的課堂應(yīng)用效果。

1.3統(tǒng)計學(xué)方法

采用Python 3.9及科學(xué)統(tǒng)計軟件包Numpy、Scipy、Pandas等，進(jìn)行22交叉試驗設(shè)計單因素方差分析和描述性統(tǒng)計，比較兩種教學(xué)技巧的課堂效果，p<0.05則差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2結(jié)果

甲組（3D打印實體模式演示）和乙組（互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模演示）在以下四個方面進(jìn)行比較，課堂測驗成績分別為87.429分和87.143分，差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義（p>0.05）；對課程和疾病的感興趣程度和積極參與程度，學(xué)生主觀評價分別為9.143分和8.5分，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（p<0.05）；模型在實際操作和手機(jī)或計算機(jī)上操作的體驗評價，分別為8.286分和8.786分，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（p<0.05）；對于疾病認(rèn)識的直觀性和易學(xué)程度評價，分別為9.071分和8.214分，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（p<0.05）。詳見表1。

3討論

在骨科臨床教學(xué)實踐中，如何用較短的時間讓學(xué)生掌握骨科常見病的基礎(chǔ)知識，并結(jié)合課本和理論課的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維能力，一直是一線教師關(guān)心的熱點問題。無論是課本中的文字、圖片，抑或是教學(xué)幻燈片，無不是從抽象和二維示意圖的角度，試圖讓學(xué)生在腦中自行構(gòu)建骨折疾病的三維結(jié)構(gòu)。對于有豐富臨床經(jīng)驗的教師來說，這一過程是很迅速的[5]。但是對于初始骨折，這類空間位置依賴型的疾病，就會有部分學(xué)生出現(xiàn)理解困難，特別是部分來華留學(xué)生的英語水平和從事全英教育教師的英語表達(dá)之間仍然存在語言溝通問題。例如，解釋致傷過程中的骨折發(fā)生和移位機(jī)制、可能的骨折端朝向?qū)ζ渌鞴俚挠绊懟蚴菆D像遮擋問題，過多的語言表達(dá)也難以達(dá)到三維模型的直觀示意精度。

在常用的基于三維建模技術(shù)的教學(xué)技巧中，筆者及同事作為一線教師常用的有兩種，分別是3D打印技術(shù)直接實物建模和互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模，兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組學(xué)生的理論測試水平是具有一致性的，理解能力和推理能力都處于同水平。當(dāng)進(jìn)行線下教學(xué)時，3D打印實物建模顯著改善了學(xué)生的初次認(rèn)知水平，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，并在實操過程中，病因、致傷過程、診斷和治療原則，通過模型的動態(tài)還原，可以融入對疾病的整體認(rèn)識中。這表現(xiàn)在學(xué)生對疾病更感興趣并主動積極參與模型操作，更直觀、更快速、更準(zhǔn)確地了解骨折疾病的特點和分類，從學(xué)生在這些方面的主觀評價來看，實體打印模型好于互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模。然而，在線上教學(xué)需要更加靈活的操作性能方面，互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模表現(xiàn)要好于3D打印的實物模型。學(xué)生在利用計算機(jī)或手機(jī)對虛擬模型進(jìn)行切割、旋轉(zhuǎn)、分離及多視角觀察等操作時，虛擬模型可以很快滿足這些要求，而實體的3D打印模型需要教師或?qū)W生動手操作，沒有速度優(yōu)勢，且進(jìn)行切割操作后實體模型不可完全還原。我們也發(fā)現(xiàn)，兩種方式在教學(xué)中的應(yīng)用各有優(yōu)缺點，教師針對學(xué)習(xí)目標(biāo)、應(yīng)用條件做出選擇性應(yīng)用，有利于發(fā)揮見習(xí)課堂到臨床的橋梁作用，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的骨科疾病臨床思維能力。

根據(jù)本研究的結(jié)果，結(jié)合上述討論與本學(xué)科的教學(xué)經(jīng)驗，我們認(rèn)為在疾病診斷和術(shù)前評估部分使用3D打印實體模型進(jìn)行教學(xué)效果較好，而在術(shù)前手術(shù)設(shè)計和術(shù)后評估部分使用虛擬建模技術(shù)較好。本研究仍然存在局限性，如設(shè)計的應(yīng)用場景相對單一，問卷評測存在一定主觀性，課堂測試的試題量較小，不能更深入地評價兩種教學(xué)技巧的各個方面的課堂效果。目前國內(nèi)來華留學(xué)生全英班本科的骨科臨床教學(xué)并沒有統(tǒng)一的教學(xué)指南，各院校均按照自身對教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)的理解設(shè)置課程，同時授課教師的教學(xué)模式和技巧存在多樣性的局面。因此，有必要在今后的教學(xué)改革和研究中，加強(qiáng)此領(lǐng)域的教學(xué)投入和師資培訓(xùn)，將更多的新技術(shù)，如3D打印、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)引入教學(xué)實踐中來。

隨著我國國際影響力的不斷提升，很多來自東盟、南亞或非洲地區(qū)的學(xué)生進(jìn)入我國學(xué)習(xí)。作為國內(nèi)較早開始招收來華留學(xué)生的醫(yī)學(xué)院校，我校一直致力于提高一線教師非母語教學(xué)的質(zhì)量。盡管授課過程均使用英語，但是在很多細(xì)節(jié)或?qū)I(yè)方面，教師的語言表達(dá)，學(xué)生的專業(yè)英語聽力和理解力，都不同程度地存在著足以影響正確理念傳授的溝通障礙。3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模技術(shù)可以提供視覺和觸覺體驗的提升，把復(fù)雜的疾病模型層次清楚、空間相對位置明確、翔實地展示在學(xué)生面前。這也間接減小了語言溝通障礙導(dǎo)致的負(fù)面課堂效果。

4結(jié)論與展望

兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點，3D打印技術(shù)更適用于認(rèn)知啟蒙、還原致傷過程和模擬診療計劃制訂，有助于降低需要抽象過程想象才能理解知識的學(xué)習(xí)難度，互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模對于線上教學(xué)更友好且可以幾乎無限制地對虛擬骨骼模型進(jìn)行多種操作，有利于提高學(xué)生在骨科臨床教學(xué)課程中的參與度。兩者對于學(xué)生掌握理論知識表現(xiàn)相近。計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展極大地為醫(yī)學(xué)高等教育創(chuàng)造了更好的教學(xué)手段，3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程虛擬建模技術(shù)都是將原本抽象復(fù)雜的問題變得直觀化，能有效提高學(xué)生的自學(xué)積極性，也增加了操控環(huán)節(jié)讓學(xué)生更好地融入課堂，使得知識吸收更全面和深入。形象化的教學(xué)也使得語言溝通的障礙被一定程度地消除。在未來的留學(xué)生高等醫(yī)學(xué)教育方面，這些新技術(shù)將得到更廣泛地應(yīng)用。

*通訊作者：丁曉飛

基金項目：廣西醫(yī)科大學(xué)本科教育教學(xué)改革項目（桂醫(yī)大教評〔2021〕3號）（2021XJGQYBO1）。

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