3D打印联合PBL教学促进骨科教学效果的系统综述

唐梦龄，赵 翔，陈 坤

浙江大学医学院：1 公共卫生学院流行病与卫生统计学系；2 附属第二医院骨科， 杭州 310000

骨科学是围绕骨骼、血管、神经重建而开展的一门临床科学。基于学科性质和特点，骨科学与解剖学、影像学等学科相互渗透、相互影响。受到教学条件的影响，传统骨科教学多采用二维解剖绘图教学，教学形式也多为“以教师为主、以讲课为中心”的传统教学。这种被动接受的学习模式单一，容易影响学生学习积极性；同时，学生不仅需要掌握扎实的基础理论知识，还需要拥有较好的三维重构能力，传统教学方法在这一方面也有局限性。因此，传统骨科教学对于初次接触专业内容的医学生来说，理解和应用都比较困难。

PBL(problem based learning)又称为以问题为基础的学习。它最早由北美Barrow教授提出，并已被国际社会广泛接受。其中新理念为以临床实际问题为基础、以学生为主体和以教师为导向。浙江大学是全国最早开展PBL教学模式的高校之一，并很早应用于骨科学教学中，取得了较好的效果。教师在教学过程中发现，不同学生对于将骨骼二维图像转换为三维形态的能力各不相同，这种差异性严重影响教学的整体效果。随着3D打印技术的发展，3D打印联合PBL教学在骨科教学领域有较大的应用前景。

根据科技文献的查询结果发现，至今尚未有关于3D打印联合PBL促进骨科学教学效果的系统分析研究。文章通过对国内已发表的有关用3D打印与PBL联合进行骨科学教学的前瞻性随机对照研究进行系统综述和Meta分析，为3D打印联合PBL在骨科学教学中的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究的纳入与排除

该研究纳入的文献为在骨科学教学中，所有涉及PBL联合3D打印教学法与传统教学模式(lecture ba- sed learning,LBL)的随机对照研究。文献纳入标准如下：①文献设计类型均为随机对照试验；②观察组采用PBL联合3D打印教学法，对照组采用LBL教学法；③研究学科为骨科学。文献排除标准为：①非随机对照试验；②回顾性研究；③观察组单纯采用PBL教学法或者3D打印教学法；④对照组非单纯采用LBL教学法。

1.2 文献检索方法

以“3D打印”“PBL”“骨科学”为关键词，通过检索中国生物医学文献服务系统、万方数据知识服务平台、维普中文期刊服务平台、中国知网中收录的相关文献，所有在2018年4月之前发表的、符合条件的文献均被检索。

1.3 数据提取

提取的数据包括作者全名、发表年份、研究类型、研究样本量、研究对象基本信息以及最后的教学效果评估指标等。效果评估指标包括理论考试成绩、临床操作成绩、参与者的学习兴趣评分以及理解能力评分。

1.4 文献质量评估

所纳入的文献采用PEDro量表对文献质量进行评价。

1.5 统计分析

数据统计分析使用Stata 14.0(statacorp LP,coll- ege station,USA)软件，采用卡方检验进行异质性检验。当研究结果间无异质性(P>0.1,I2<50%)时，采用固定效应模型；当研究结果存在异质性时(P<0.1,I2>50%)，采用随机效应模型。当P<0.05时，认为两组间存在统计学差异。同时，通过漏斗图(funnel plot)进行发表偏倚分析，并通过敏感性分析来评估文献异质性对结果的影响。

2 结果

2.1 文献检索结果

初检中文文献53篇，排除各数据库重复文献，经阅读摘要后剩余13篇；进一步阅读后排除不符合随机对照研究标准的，剩余9篇。仔细阅读文献后排除提取资料不符合要求的文献3篇，最终纳入分析的文献为6篇。文献基本情况如表1所示。

表1 纳入文献基本情况

2.2 异质性分析

关于理论成绩的funnel plot提示无明显发表偏移(如图1所示)，进一步的敏感性分析同样提示，去除任意一篇纳入文献均对最终结果无明显影响。

图1 PBL联合3D打印技术对骨科学理论成绩影响的漏斗图(funnel plot)

2.3 文献质量评分

研究对所有纳入的6篇随机对照研究均进行了PEDro评分，评分详细结果如表2所示。

2.4 数据特点

纳入的6篇文献共涉及参与研究的学生390名，其中PBL+3D打印教学组195名，LBL对照组195名。

这些文献的详细资料如表2所示。

纳入分析的6篇文献均描述了理论成绩和临床操作成绩。其中，3D打印联合PBL组理论成绩[SMD=1.35,95%CI(1.11-1.59),P<0.01]和临床操作[SMD=1.61,95%CI(1.32,1.89),P<0.01]成绩均高于对照组(如图2所示)。

其中，有3篇文献描述了学习兴趣和理解能力情况。共调查了178名学生，其中PBL联合3D打印教学组89名学生，对照组89名学生。分析结果提示，3D打印联合PBL组学生学习兴趣[SMD=1.17,95%CI(0.85,1.49),P=0.02]高于对照组；理解能力均值高于对照组(SMD=1.72,95%CI(1.37,2.07),P=0.06)(如图2、表3所示)。

表2 PEDro评分

图2 PBL联合3D打印技术对骨科学教学指标影响的meta分析森林图

表3 PBL联合3D打印技术对骨科学教学指标影响的合并效应值

3 讨论

3D打印技术是一种以数字影像资料为基础，通过逐层打印方式构造物体的技术。最早的3D打印骨科手术开始于1990年，主要用于复杂的脊柱手术[7]。目前，3D打印技术在骨科领域广泛开展，并逐渐应用于骨科学教学。不少机构做了尝试，并各自发表了研究结果[1-6,8-10]。

该研究对3D打印联合PBL教学与LBL教学在理论考试成绩、临床操作成绩、学习能力评价和理解能力指标评价中的差异进行了Meta分析。其中，理论考试成绩和临床操作成绩为客观成绩，学习能力评价和理解能力评价为学生自评。结果发现，3D打印联合PBL教学组中前三个指标均显著高于对照组，而理解能力评价的PBL联合3D打印教学组的平均值也大于对照组。结果提示，骨科学理论知识的掌握和局部解剖的理解是相辅相成的，3D打印有效地促进了学生对于骨科知识的掌握，提高了理论和操作成绩。另一方面，3D打印使学生更加容易理解和掌握，学习自信心和学习能力也进一步增强，大大提高了自我满意度。

在分析过程中发现，纳入分析的6篇文献PEDro评分普遍偏低。这主要跟该类型研究盲法实施困难有关，该类型研究也不需要意向性分析(intention to treat analysis)。另外，3D打印同样存在自身的不足，最主要的还是目前3D打印价格过高，大大增加了教学成本。相信随着3D打印技术进一步发展，打印成本进一步下降，3D打印会广泛应用于医学教学当中。

骨科学的本质，就是局部解剖结构的重建。一个好的骨科医师，必须要有足够的解剖理论知识。但在实际教学中，骨科学初学者往往面临如下困难：①解剖知识培训不足；②手术操作实践机会不多；③书面理论与实际结构存在偏差。目前，传统教学方式培养的学生表现为现有的理论知识往往不能和实际结构相结合，在后续PBL教学中讨论相关的影像、解剖构造时，存在多种错误认识和识别障碍，影响学习效率，这跟学生们长期学习二维的解剖图谱，缺乏实际案例体验有关。

缺乏良好的解剖学知识培训是目前全世界范围内医学生所共同面临的难题。已有文献报道，在美国，虽然大部分医学院校能够提供尸体解剖课程，但只有63%的机构有能力把人体解剖作为大体解剖课的主要内容[11]；而在欧洲，缺乏解剖机构的医学院校正变得越来越普遍[12]。与此同时，国内的医学院校同样面临尸源短缺的困境。目前，已从几年前8～10个学生解剖一具尸体的模式变成了15～20人解剖一具，一些偏僻的院校甚至无尸可剖[13]。如此种种，使得医学生对基础解剖的掌握程度大为下降，这些学生在进一步面对骨科学课程时，往往会在实际解剖结构的重建时遇到障碍。

3D打印的出现可以一定程度缓解这一现状。一方面，3D打印以立体的结构全面展示各个组织之间的关系，辨识度高、立体感强、容易理解；另一方面，对于不规则形状的骨骼如骨盆、距骨等，3D打印可以从多个角度进行观察，大大增强了对于复杂形态骨骼的理解和认识，可以有效弥补传统二维图像或者手绘本观察视野有限的不足。既能激发学生学习兴趣，也能提高学习效率。PBL教学提倡以学生为主、教师为辅，对于学生对知识点的自我学习、自我掌握能力要求较高，学生往往需要在PBL课前做大量功课，却仍然感觉学习困难；而PBL联合3D打印教学可以有效促进学生对于局部解剖结构的理解，大大提高骨科学PBL的学习效率。