3D打印技术结合CBL教学法在骨科教学中的应用

雷天润 夏干清 姜福泽 周庞虎

骨科是一门临床复杂、理解抽象、内容繁多、更新速度较快的学科，目前，传统的骨科教学因复杂的解剖变化和繁多的疾病分型使学生的学习难度颇高，缺乏直观示例的授课也是教师的难题[1]。近年来随着科学的发展，3D 打印技术逐渐成熟。通过计算机数据建模结合3D 打印机构建实物模型，骨组织的体外三维重建成为可能，这也使3D 打印技术在骨科的研究、治疗和教学中得到了更广泛的应用[2-4]。以案例为基础的教学法（case-based learning，CBL），是指教师根据教学目的设置典型案例，引导学生对此进行讨论，借此帮助学生掌握理论知识的教学方法，它是在案例分析与讨论的基础上进行知识讲解和技能锻炼的一种教学模式，不仅训练了学生的推理能力，也培养了学生解决问题的能力[5]。近年来本校逐步开展的CBL 教学法在许多学科中取得了较好的成果。文章就3D 打印技术结合CBL 教学法的教学研究设计、研究效果进行介绍和讨论，希望能对医学高校骨科教学提供一定的帮助。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2020 年4—5 月武汉大学第一临床医学院2016 级临床医学专业学生80 名，要求既往一年平均成绩为75 分以上，其中男性42 名，女性38 名，随机分为两组，每组各40 名，其中两组男女比例相同，均为男生21 名、女生19 名。两组学生平均年龄为（21.60±0.78）岁和（21.53±0.64）岁，两组学生的一般资料比较差异无统计学意义（P＞0.05），可对比。随后由相同外科学教师对两组学生进行授课。

1.2 教学方法

教学地点选为武汉大学人民医院骨科临床教室，自教学日起对两组学生提供为期2 周的实习带教及课程教学，为两组学生提供相同的教材。授课内容根据教学大纲进行，选取《外科学》中上下肢骨折相关内容作为教学示例内容，每次课程2～3 个学时，每周2 次。

1.2.1 新教学组

新教学组需提前演示电脑中Sante CT Viewer 阅片软件使用方法，并帮助学生安装软件，准备好教学病例的局部3D 打印病变模型及正常对比模型。上课3 d前向学生提供教学病例资料，包括病例基本情况、X 线电子图片、CT 扫描文件，根据教材设置教学问题。上课时给各小组下发3D 模型、影像学资料让学生根据预设问题进行病例讨论，再派出代表对该病例的诊治结果展开汇报。随后教师借助3D 模型讲解疾病的解剖概要、病因与分类、临床表现和诊断、治疗方法、手术要点等疾病相关知识。最后使用3D 模型讲解手术方案，模拟手术固定方式，让学员对复杂骨折有更加深刻的认识和理解。

1.2.2 传统教学组

由教师准备课程PPT，结合影像学资料以及手术视频对教材知识点进行讲解，通过课堂提问帮助学生巩固知识。

1.3 教学病例3D 模型制作

根据以下流程进行教学病例3D 模型制作：（1）经过患者同意及医院批准后获得典型病例一般信息及CT 扫描数据。（2）使用Mimics 10.1 软件处理扫描数据，通过滤波、分割等方法建立病例局部3D 数据模型。（3）使用3D 打印机制造1 ∶1 大小的病例实体3D 模型。

1.4 观察指标

教学课程结束后，对参与研究的所有学生进行学习内容考核以及课程评价。学习内容考核按照全国高等院校规划五年制教材《外科学》（第九版）考试大纲的要求制定，其中包括：（1）理论考核：上下肢骨折相关的知识点，如定义、分析、诊断、鉴别诊断、治疗原则及方法。（2）技能考核：包括体格检查、拆线换药、简单清创缝合、固定方式选择以及病例分析。理论考核总分为20 分，技能考核总分为40 分，课程评价包括：（1）自我评价：学习兴趣、知识理解程度、沟通表达能力；（2）教学内容评价：课程难度、师生交流、教学效果。课程评价每项均为10 分。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0 统计学软件进行分析和处理，计数资料以n（%）表示，行χ2检验，计量资料以（）表示，行t检验，P＜0.05 则差异有统计学意义。

2 结果

2.1 学习内容考核

整体来看，新教学组理论考核成绩与技能考核成绩均高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 两组学生学习内容考核成绩比较（分，）

表1 两组学生学习内容考核成绩比较（分，）

2.2 课程评价

在两组学生自我评价中，无论是学习兴趣、知识理解程度还是学生沟通表达能力，新教学组学生的自我评价分数均高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组学生自我评价分数对比（分，）

表2 两组学生自我评价分数对比（分，）

在两组学生的课程评价中，新教学组学生对于课程难度的评价显著低于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.05），而对于师生交流和教学效果的评价显著高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表3。

表3 两组学生课程评价分数对比（分，）

表3 两组学生课程评价分数对比（分，）

3 讨论

立足于“十三五”规划，党和国家提出了新世纪人才培养战略任务，即培养创新型、实用型人才。因此，在高等院校医学院教学中，需注重加强学生各方面能力、创造性思维的养成[6]。随着科学技术日新月异，高校医学教育要求逐步走向高精尖化，高等院校的教学只有不断推陈出新，才能为社会培养具备过硬专科知识、符合临床需求的高素质综合性人才。对于传统教学而言，学生如果对骨折产生直观印象和初步的认识，那么教学目的就已经达到了，但对于当前的学生而言，这已经不能满足教学要求[7]。认识骨科疾病，掌握理论知识，明白临床治疗原理，有初步临床操作处理能力和临床沟通能力才是大部分临床型骨科规培研究生应该具备的素质[8]。

着眼于现在的医学教学工作，在目前（5+3）本科与规范化培训合并这一培养模式盛行的时节中，对于未来骨科方向学生的理论培养依然是凭借传统《外科学》中骨科内容的教学加以简单的短周期临床实习[1]。对结束了《外科学》学习进入临床实习或住培的学生而言，理论教学与临床工作的脱轨对其带来的挑战是巨大的。由于空间想象和思维能力的较高要求，初期接触临床的医学生的学习比较困难；同时因为手术对无菌的要求，很难使得初入临床的学生得以充分接触手术，了解手术过程、原理和细节；此外，缺乏工作实战演练也容易让这些学生在临床中遭遇医患摩擦[9]。对于临床医学这样一个早期就表现出教育、工作、生活紧密结合的学科而言，教学效果不理想更容易影响学生的学习兴趣，并给他们的工作生活带来挫败感，打击临床从业积极性。在此次研究中不难发现，传统的骨科教学中存在几个问题：首先是教学内容难度较高，记住正常的骨骼、肌肉、血管、神经解剖学结构对于学生而言已经是不小的难题，但是在骨科的学习与临床工作中，他们往往面临的是更为复杂的病理解剖结构，因此解剖学成了骨科教学的第一个“拦路虎”[10]。其次，影像学资料是骨科教学帮助学生认识病理解剖的重要桥梁，也是临床工作中进行诊断最重要的证据之一，但培养学生从二维的平面图形中理解三维的解剖情况需要给予非常多的影片学习和术中病例实际观察，这在多数教学机构中是难以实现的，如何使影像学资料能更好地帮助学生理解病例解剖实况是一个亟待解决的问题[11]。再者，传统课堂具有一定传承性，强调教师作为“讲述者”地位，但往往导致课堂内容单一，学生作为课堂的“聆听者”很少能参与进来，面对难以理解的内容更会使大部分人失去学习兴趣，转而通过单纯背诵记忆的方式应付考试，不能做到学、懂、用[12]。此外，传统的教学内容与目前正处于理论教学向临床工作过渡的学生而言相对脱节[13]，学生能记忆课本知识但不能明白临床工作中上级医师的治疗方案制定与选择，在难得的手术上台体验中也不能理解操作原理和骨科固定方式、器材选择理由，让初入临床的学生感到无所适从。

3D 打印技术作为一类快速成型手段，能通过3D打印机构建出数据建模的实物模型，在骨科临床、教学、科研中都在逐渐扮演着更重要的角色[14]。各类骨折作为骨科最重要的创伤疾病，在骨科教学中也是重点之一。在这次教学对照研究中笔者发现，构建3D打印模型可以让学员更加直接地理解骨折情况，立体地观察和触摸骨折模型，帮助学生理解骨折分型，高质量的骨折模型甚至能构建骨骼周围软组织的简易分布情况，有利于学生了解病理解剖的力学原理，减小学习难度。与病例影像学资料相对应的3D 模型也能让学生更容易完成平面图像到立体实况的思维转化，对阅片理解也有启发作用，减少学生理解影像学资料的时间成本。在治疗方案的教学上，教师同样能用3D模型模拟各类固定方案，将最新的临床器材运用到课堂之中，完成理论教学和实际工作的对接，也能让学生进行简单的固定方案操作，大大增加了临床治疗的实操学习机会，避免了实际操作教学风险大和机会少的窘境。动手与动脑结合，让骨折教学走出了“凭空想象”的困境，既调动了学生的学习热情也加强了学习效果。总体而言，在骨科教学中运用3D 打印模型，能切实有效的降低学生学习成本，拉动教学内容的更新速度，降低实操的临床风险。CBL 教学法源自“启发式问答法”，在随后的发展中强调结合系统的理论和实践，在医学教育中则转变为“基于疾病、教师主持、学生参与”的教学模式[15]。相比于传统教学方式通常注重教师的“讲”和学生的“记”，CBL 教学法更多注重的是课堂的交流和知识应用的穿插。通过案例来设置问题，分解掉知识学习中的难点，能够让学生在逐步学习的过程中保持兴趣，帮助学生发现疾病在病因与发病机制、治疗上的联系，在课堂讨论中基于学生自己的理解运用所学的知识，并且锻炼了将来临床必备的沟通能力。由于教学病例的真实性，学生在课堂中也更有预备医生的代入感，使他们能更好地集中注意力，提前知晓临床相关病例的处理流程和医患沟通技巧，帮助他们完成从医学生到新医生的转变。

本研究发现，在教学研究中应用3D 模型确实能帮助学生直观地感受病损部位的病理解剖，对骨折分型有了更明确的了解；同时，观察立体的实物模型也让学生对平面影像学资料有更深的理解；在治疗方案选择上，结合模型和固定器材的讲解以及简单的操作模拟也增强了学生对不同固定方案特点的认识，对比传统理论学习更拓展了视野，更早接触到了前沿的临床工作。同时本研究发现，讨论加讲解的教学模式学生参与感更高，也能随时与教师、同学交换意见，对学生更有吸引力；由于在学习中能借助3D 实物模型，骨科教学中复杂的解剖位置直观化，与课本知识点相对应，加强了学生的知识理解；而通过讨论环节，学生在医学专业上的沟通表达也得到了锻炼。教学内容及方式多样化的课堂对学生而言，拆解了传统理论教学的难点，因此课程内容难度相对下降；因为教师提前准备的病例兼具真实性与专业性，贴近学生平时的实习工作生活，课堂上师生交流也得到了加强；因此对学生而言，多样化的教学内容效果更佳。

对于教师而言，新教学组中教师能通过实物模型模拟骨骼周围主要肌群对创伤部位的力学影响，帮助学生理解骨折畸形表现的原因，复习解剖知识的同时也克服了传统教学中单一理论教学的片面性；在讲解影像学表现时，也实现了从3D 实物到2D 图像的转化，降低了授课难度；对于治疗方案讲解，带教老师则摆脱了临床手术中教学的风险，能一对多进行手术方案讲解，手把手进行简单操作教学。在病例讨论环节教师则得到了学生对知识掌握和交流能力情况的第一手资讯，在课堂上能实时加入学生讨论，给出针对性意见，帮助学生的同时自己也得到了教学反馈，有利于下一步教学计划的制定与改进[16]。

但此次教学研究依然有需要改进的地方，如临床的病例准备程序复杂，病例采集需要大量的准备时间；从医院中CT 数据到3D 模型建立，数据处理和给学生的数据阅读学习对未接触过的教师和学生也需要有前置知识课程补充；由于教学内容较多，各类3D 模型、骨折固定物品的准备也大大增加了授课成本。总体而言，3D 打印结合CBL 教学法的骨科教学，对教师和学生的准备工作有一定的考验，侧面增加了教师和学生的负担。另外，学习《外科学》时，大三学生的学时较为紧张，增加了学习内容后，教学战线拉长，对教学安排需要作出新的规划，这些都是在实际应用中需要考虑和优化的内容。但在今后的骨科教学中，3D 打印结合CBL 的教学模式是值得尝试的良好方法，结合教学医院丰富的临床资料建立教学可用的数据库能大大减少教师及学生的前置准备工作，学校系统地准备病例3D 模型也可以让新的教学方式成本减少、效率更高。成熟的信息化3D 模型与病例数据库如果能进入互联网系统，也将是小规模高等院校完善教学制度、提高教学质量的优质选择。