三维有限元技术联合PBL教学在骨科研究生临床教学中的应用

时利军，高福强，孙 伟，王培旭，李智卓

1. 郑州大学第一附属医院骨科（郑州 450000）

2. 北京协和医学院研究生院（北京 100730）

3. 中日友好医院骨科（北京 100029）

4. 北京大学中日友好临床医学院（北京 100029）

随着社会的快速变革与发展，人们对于医疗服务水平的要求越来越高，这也对医学研究生的教育提出了新的要求。基于问题的学习（problem-based learning，PBL）是目前国际上比较流行的一种新型教学方法，该方法有助于在教学过程中激发学生学习兴趣，帮助学生迅速掌握晦涩难懂的专业知识，提高教学质量[1-4]。三维有限元分析技术是将三维重建与有限元分析有机结合的一种新兴前沿学科，在骨科领域具有广阔的应用前景，其也能应用于骨科教学工作中，使骨关节疾病具体形象地展现在学生眼前，极大增强了学习的趣味性[5-8]。目前关于三维有限元技术联合PBL教学模式在骨科教学中应用的研究较少[9-11]，据此本研究对该模式在骨科研究生教学中的应用效果进行评估，为骨科研究生临床教学提供有效的教学手段和新的教学思路。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2019年9月至2020年12月在中日友好医院骨科基地进行住院医师规范培训的硕士研究生，采用随机数字表法将其分为A、B、C三组。

1.2 教学方法

由同一带教老师进行教学。其中，A组将三维有限元技术和该学期骨科学专业知识相整合，编撰制定新的教学课程，采用PBL模式进行教学。学生成立学习小组，以临床典型病例为出发点，通过文献资料查阅，系统学习该病相关的解剖、生理、病理及诊疗要点，在此过程中提出问题，参考对应的三维有限元模型（图1），进行讨论和学习。B组教学内容为该学期骨科学专业知识，采用PBL教学模式，但不引入三维有限元技术教学方法。在教学过程中以问题导向为基础，以学生为主体，带教老师起辅助作用，以小组讨论的形式围绕临床具体病例或医学某一专题进行讨论研究学习。C组以传统的授课模式为主，授课方式为幻灯片与板书相结合。在课堂上教师详尽的讲解内容，学生记录主要知识点，不懂的内容可以提问，课程结束后布置一定的作业，在下次授课前对此次讲解的内容进行提问，了解学生掌握程度。

图1 以股骨头坏死为主题建立的三维有限元模型Figure 1. Three-dimensional finite element model based on the osteonecrosis of the femoral head

1.3 评价方法

学期结束后对3组学生骨科理论知识的掌握程度进行评估。评估方式包括考试与问卷调查两部分。考试题目包括选择题、填空题、判断题、名词解释、问答题和病例分析题，满分100分，根据考试成绩可分为优良（＞80分）、一般（60～80分）和较差（＜60分）三个等级。调查问卷围绕学生对授课的满意度、知识掌握程度及课程感兴趣度三方面进行设计，学生根据自己的主观感受进行评分，三方面各5道题，每题1分，总分15分，分数越高表示效果越好。采用不记名方式对两组学生进行问卷调查，问卷当场发放，当场回收。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0 软件进行统计分析。学生的成绩分数与对课程的满意度、掌握度和兴趣度等计量资料以均数和标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用SNK-q检验；计数资料以例数和百分比表示，组间比较采用χ2检验，组间两两比较采用卡方分割法，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

42名学生参与并完成了该研究。其中A组男生9人、女生5人，平均年龄25.7±1.7岁；B组男生8人、女生6人，平均年龄25.1±1.5岁；C组男生9人、女生5人，平均年龄25.1±1.7岁，三组学生在年龄、性别方面差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 考试成绩

A、B、C三组学生成绩优良率分别为78.57%、35.71%和21.43%，差异具有统计学意义（P=0.007），进一步比较显示A组学生成绩优良率显著高于B、C两组（P＜0.05），但B、C两组间差异不具有统计学意义（P=0.403），见表1。

表1 三组学生考试成绩比较Table 1. Comparison of examination results of three groups of students

2.3 问卷调查结果

A、B、C三组学生在授课的满意度、知识的掌握度以及课程感兴趣度方面存在差异，A组学生对授课的满意度、知识的掌握度以及课程感兴趣度均显著高于B、C两组，见表2。

表2 三组学生问卷调查结果比较Table 2. Comparison of survey results of three groups of students

3 讨论

在临床医学生培养中，骨科教学是非常重要的组成部分，但骨科学理论知识与临床技能复杂，专业性较强，技术能力要求高，一定程度上影响了学生学习的主动性和能动性。PBL教学的特点之一是转换师生教与学的角色，将学习的主动权交给学生，以学生为主体[12-14]，该教学模式通过设定场景问题使学生在主动探索问题答案时既获得了知识，又增加了与同学之间的交流，无形之中使学习过程变得更加具有趣味性，同时锻炼了学生的临床思维能力[15-17]。1972年，Brlelmans和 Rybicki首次将有限元数字仿真分析法应用于骨科生物力学研究[6-7]，目前该技术已广泛应用于骨科领域，建立了具备较完整结构的关节有限元技术模型，包括软骨下骨板、皮质骨、松质骨、软骨、坏死骨、关节囊、韧带、肌肉以及各种假体[18-20]。有限元数字骨科模型能较好的模拟实体情况，对骨科疾病的发病机制和诊疗手段的探索以及其他数字化骨科学技术的研发具有重要意义。

目前国内外鲜有三维有限元技术联合PBL教学模式在骨科教学中应用的相关研究报道。本研究将学生分为三组，分别采取三维有限元技术联合PBL教学、单纯PBL教学和传统教学模式进行施教，教学效果采用学生考试成绩与自评量表分数进行综合评定，结果显示三维有限元技术联合PBL教学组的学生在成绩优良率与对授课的满意度、知识的掌握度以及课程感兴趣度方面均显著高于其他两组，说明数字化和现代化的教学方法与新型教育模式的整合能显著提高学生学习的主动性、趣味性，让学生能在教师的引导下积极寻找问题的答案，并达到成绩提高的目的，为探索更加新颖高效的教学模式改革提供了思路。

本研究也存在一定局限性，如样本量偏少，难以对教学方法的实际效果开展深层次、多方位的评估与研究，未来可进一步扩大样本量，丰富研究结果，增强结果真实性与可靠性。总之，本研究表明三维有限元技术联合PBL教学模式对改进教学方法、提高教学质量与学生学习成绩具有一定作用。随着数字骨科技术的不断发展，其在研究生教育中发挥的作用值得进一步探讨。

志谢 文中部分有限元模型由文鹏飞博士提供，在此感谢。