康复治疗学本科专业课程生物力学模拟仿真教学经验

牛文鑫 王宽

摘要：生物力学是康复治疗学本科专业基础课程，但是当前教学中并未涉及模拟仿真内容，与学科发展现状不符，导致知识落后，学生难以掌握和应用等问题。将前沿研究方法应用于教学实践，在同济大学康复治疗学本科专业课程中增加4课时模拟仿真内容，取得了很好的教学效果。课程成绩和学生反馈提示了在本科课程中增加建模仿真教学内容的必要性和可行性，同时也提出了在有条件的高校可以开设针对本科生的生物力学模拟仿真专业选修课，提高学生的综合能力。

关键词：康复治疗学;本科教学;模拟仿真;生物力学;创新能力

1 前言

“生物力学”是康复治疗学本科专业基础课程，其教学效果对后续专业课程的学习和学生的创新能力培养有重要影响。生物力学是力学与医学、生物学交叉的学科，有医学的实践意义和力学的实验基础[1]，其中复杂的力学计算和人体力学实验在课堂上难以开展，学生难以理解，在课后难以应用。

发达国家重视生物力学教育，美国设置了生物力学日来推广生物力学教育[2]。近年来，在临床专业教学中也开始尝试涉及模拟仿真内容[3-4]。工程学专家Djukic等[3]提出基于CT或MRI扫描创建的三维模型，并分析流体流动模拟，可以缩短临床前培训计划的时间，使教育过程更加有效。但是，他们并未将该技术应用于教学活动。瑞典学者则通过教学的对照试验发现，使用模拟可视化系统对临床医学学生颈椎创伤部分教学，虽然知识掌握度与传统讲授无显著差异，但是可以提高学生的参与热情[4]。

马新扬[5]将有限元法应用于口腔生物力学的教学过程中，认为有限元分析能够逼真地模拟牙齿和复杂的三维口腔复合体形态，以及它们在口腔中的受力情况，使牙齿以及各种修复体应力分布展开了生动形象的再现，提高了学生的学习兴趣，加深了同学们对枯燥力学理论的理解，使抽象的内容得到了直观认识，教学效果明显提高。但是，这些内容在康复专业生物力学教学仍处于空白。

本研究目的是验证在康复治疗学专业生物力学课程中进行模拟仿真教学的可行性，并分析其教学效果，为进一步课程更新设计提供基础。

2 教学设计

笔者在同济大学康复治疗学专业本科《生物力学》内容基础上，增加模拟仿真教学4课时，通过安排作业形式鼓励学生自己动手，亲自操作生物力学模拟仿真软件，建立可供生物力学的数字模型。同时在其他学时内穿插相关内容，与具体关节或器官的生物力学教学内容结合，加强学生对基础知识的理解和创新能力。

4个课内学时具体安排如下：

第1节课：集中讲授生物力学模拟仿真理论知识，在已经学习了生物力学基本知识的基础上，对计算机模拟仿真的原理进行讲解，对相关程序和软件进行介绍;

第2节课：老师和助教进行模拟仿真演示和软件教学，通过对Seg3D建模软件和ABAQUS有限元分析软件进行操作让学生有直观认识;

第3节课：学生在老师的指导下对Seg3D软件进行实际操作，练习基本操作;

第4节课：互动交流，解决学习中的问题，提出拓展性问题引导讨论。

学生自行安排6～8课外学时进行软件练习和创新作业，老师提供基础数据和在线指导。课程结束后，通过问卷星收集学生对教学效果的无记名反馈意见。

3 教学效果

2019年秋季学期完成教学任务，同济大学2018级康复治疗学专业共24名本科生参加了所有课程内容学习，并取得课程成绩。按照五级制成绩分类，本届学生“生物力学”课程成绩优秀率56.0%，显著高于2017级同专业同课程成绩优秀率45.8%。

学生分组进行练习，4人一组，共6组，所有小组按期完成了建模作业，基于CT或MR断层影像，对不同的骨与关节进行三维重建。所有作业都符合进一步进行有限元建模和分析的要求，达到优秀水平。

针对学生的教学效果调查包含3个问题，所有24名学生对所有3个问题进行了反馈。

1）建模仿真教学内容的难度（A.非常容易;B.比较容易;C.难度适中;D.比较难;E.非常难）。

作为单选题，其中答案C（难度适中）被62.5%的学生选择。另外，20.8%和12.5%的学生选择了D（比较难）和B（比较容易），只有1名学生选择了E（非常难）。

2）建模仿真教学对课程学习的帮助（多选：A.不知道有什么帮助;B.有助于更好地理解生物力学概念和知识;C. 使思路开放，有助于创新探索新知识; D. 有助于学习的趣味性，使得课程学习不枯燥; E.对其他课程的学习有帮助）。

作为多选题，所有5个选项都有学生选择，选择的学生比例依次为：8.3%、83.3%、62.5%、75.0%、41.7%。

3）如果单独开设建模仿真课程，你是否愿意选修（A.是;B否）。

这是一个判断题。大部分学生愿意选修建模仿真课程，比例为87.5%，仅有3名学生不愿意选修。

4 讨论

力学理论发展较为成熟，计算机的发展促进了其模拟仿真技术的发展。在工程力学、机械、土木工程等专业的力学课程教学中，模拟仿真已经普及，并发展为重要的专业课程。生物力学模拟仿真研究最早出现在1980年代后期，在2000年后逐渐发展成熟，最近10年来成为一种被广泛接收的生物力学评估方法。但是，相对于在体和离体生物力学实验方法，生物力学模拟仿真技术具有较高的专业性和技术门槛。尤其对医学背景和康复治疗学背景的学生来说，生物力学模拟仿真需要比较专业的计算机和数学知识，所以并未在课堂上讲授。

包括国内外康复专业的生物力学教材中，未见到模拟仿真方法的教学内容。广州中医药大学针灸推拿专业《推拿力学》教材中，将数学模型研究方法、骨性模型研究方法与离体和在体研究方法并列，体现了生物力学从实验研究向理论模型研究方向发展的趋势[6]。在体育学专业的生物力学教材中，仅有同济大学出版社2013年出版的研究生精品课程教材《运动生物力学》有一章内容为模拟仿真教学（第5章：運动生物力学建模与仿真）[7]，但是在本科教学中较少涉及。

在康复治疗学专业本科生物力学课程中增加模拟仿真教学内容，具有必要性。21世纪以来，生物力学发展日新月异，尤其是模拟仿真前沿研究，为生物力学提供越来越多的新知识，并应用于临床实践。但是，目前的生物力学本科教材中，知识陈旧，绝大部分来源于离体或在体实验，鲜有基于模拟仿真的新知识体现在课堂上。其中部分原因在于生物力学模拟仿真缺席本科生教学，使得课堂知识得不到及时更新，并为康复治疗学专业学生创新教育制造了障碍。从调查反馈来看，增加模拟仿真教学内容，让学生在理解生物力学基本概念和知识、开拓视野、增强创新能力方面都有必要性，同时也有利于其他课程的学习。

通过本次教学实践，增加4个课时的模拟仿真教学内容，我们明确了在康复治疗学专业本科生物力学课程中增加模拟仿真教学内容的可行性。合理设计课程环节，使理论与实践相结合，课堂讲授与课下练习结合，能够充分调动学生的积极主动性。适当降低内容难度，可以使得内容难度可控，让大多数学生可以接受，并在此基础上提高对整门课程的认识，显著提高整体成绩。

基于学科生态的快速演化，新工科和新医科不断发展[8，9]，康复治疗学成为学科交叉的前沿阵地，必须不断更新教学内容以适应新形势。在生物力学课程中增加模拟仿真教学内容，既有必要性，也有可行性。但是，在有条件的高校中，仍然建议考虑开设生物力学建模仿真专业选修课程，提高学生的综合能力。

参考文献：

[1] 邓真， 牛文鑫， 王辉昊， 等. 生物力学在中医骨伤手法治疗颈椎病中的应用[J]. 医用生物力学， 2015，30（6）：569-573.

[2] DeVita P. Why National Biomechanics Day？ [J]. Journal of Biomechanics， 2018（71）：1-3.

[3] Djukic T， Mandic V， Filipovic N. Virtual reality aided visualization of fluid flow simulations with application in medical education and diagnostics[J]. Computers in Biology & Medicine. 2013， 43（12）：2046-52

[4] Courteille O， Ho J， Fahlstedt M， et al. Face validity of VIS-Ed： a visualization program for teaching medical students and residents the biomechanics of cervical spine trauma[J]. Studies in Health Technology & Informatics. 2013， 184：96-102.

[5] 马新扬. 有限元分析用于口腔生物力学的直观性教学[J].北方药学， 2013，10（9）：143.

[6] 王继红， 柴鐵劬. 《推拿力学》的教材构建和教学实践研究[J]. 按摩与导引， 2008，24（6）：4-5.

[7] 胡耿丹， 王乐军， 牛文鑫. 运动生物力学[M]. 上海： 同济大学出版社， 2013.

[8] 王丽红， 刘平， 王晓艳. 多学科交叉复合的新工科建设探索与实践[J]. 电脑知识与技术， 2018（14）：157-158.

[9] 季振宇， 周怡敏， 杨滨， 等. 新工科和新医科背景下生物医学专业课程教学设计与实践[J]. 医学教育研究与实践， 2020（3）：374-376.

【通联编辑：王力】