3D打印和互联网建模在骨科教学中的比较研究

陆荣斌 程建文 陈丽霞 丁晓飞

摘要 目的：比较3D打印实体建模和互联网虚拟三维建模两种三维建模方式，在全英班来华留学生临床骨科见习教学应用的效果。方法：进行交叉设计单因素方差分析，选取14名来华留学生，隨机配对分为两组。在全英教学中，针对同一类骨折，提取CT数据进行三维实体和互联网虚拟建模教学演示并交叉实施。结果：两组学生的课堂理论测试成绩差异没有统计学意义；在兴趣度和直观性方面，3D打印实体建模演示的学生评价更好，在操作性方面，互联网虚拟建模方式的学生评价更优，两方面评分差异有统计学意义。结论：两种教学技巧各有优缺点，在合适的教学场景、骨折类型和分析致伤过程中针对性应用能取得最佳的教学效果。

关键词 来华留学生；医学教育；全英教学；3D打印；互联网

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.048

骨科学临床见习是基础理论知识与临床思维应用结合的过渡阶段。来华留学生全英骨外科学见习教学旨在医学生进入临床实习阶段前，提高学生的学习自主积极性，培养初步临床思维。近年来，随着3D打印和互联网虚拟化三维建模技术的逐渐成熟，我们应用这些新方法于骨外科学见习教学中，并归纳总结、客观评价这些新教学技巧，为今后以更有效、更直观的应用提供参考。

3D打印技术的兴起及其在医学领域的广泛应用，在医学生、住院医师培养中发挥着重要的作用。得益于新的医学影像数据交换标准（digitalimagingandcommunication inmedicine，DICOM），将CT、核磁共振或超声的多平面薄层扫描转化为可被三维软件系统所用的格式已变得极为便利。相对于应用于患者的计算机三维辅助成像和重建专业软件，通用的免费三维建模软件和兼容性极强的编程环境，降低的3D打印成本，都使得实体3D打印模型可以被常规应用于一线骨科见习教学[1]。骨折是骨科疾病中最常见的病种，但也是最容易被忽视的。不少学生或其他专业的教师，在没有深入接触骨折这类疾病前，总是在头脑里把骨折单纯地想象成一根折断的长木棍或者是竹子。其实，因为骨骼的表面几何结构复杂，且与功能高度相关的许多解剖特点，在没有CT三维重建之前，是需要花费很多时间才能理解好的[2]。3D打印技术正好弥补了这方面的欠缺，经过技术处理，按照1：1打印的实体骨骼或骨折模型，可以任由教师或学生进行标记、分解、组装，非常直观地协助学生来还原或理解好疾病的发生发展过程。

在采取线上授课模式时，移动互联网虚拟三维建模方式是非常有效的师生互动方式[3]。学生通过手机或个人电脑扫描教师提供的二维码，访问基于DICOM标准数据的虚拟三维建模的骨折模型的一种3D可视化技术，在手机端或PC端可以“零成本”反复对模型感兴趣的部分进行拆分、移动、翻转、切割，从平时难以观察到的角度，去深入了解骨骼或骨折的特点[4]。上述两种已经应用于教育领域的新方法，在骨科见习教学中的主客观教学效果是本研究的关注点。

1对象与方法

1.1研究对象

选取广西医科大学（以下简称“我校”）2015级临床医学专业本科全英班进入骨科见习的学生14名，男女生各7名。他们来自印度、巴基斯坦、尼泊尔、越南等国家，学生在开始医学本科教学前一年均接受过中文预科教育，授课过程中师生间均使用英语交流。通过Python生成随机整数100个，作为分组数组，然后按学号顺序降序分组，当遇到分组数组中单数时该学生分入甲组，为偶数时则入乙组，任意一组先分配满7人，则剩余学生自动归入另一组，形成7个配对，其中甲组男4人、女3人，乙组男3人、女4人。两次见习课间隔周期（效应洗脱期）为2周。

1.2研究方法

教学设计。在介绍骨折类型和移位方式时，我们引入3D打印或虚拟三维建模的方法，向学生说明骨折的三维构型。四肢骨折分为两次见习课完成，甲组在第一次课使用3D打印模型教师讲解和学生操作，教师可以在3D打印模型上标记肌肉起止点、韧带及关节囊等附着结构，学生可以使用图钉和橡皮筋模拟定位这些结构，并对骨骼及骨折块进行模拟受力，以了解骨折致伤的过程及继发的不同骨折类型和移位方式之间的关系，在第二次课使用三维虚拟建模，以在手机或电脑上投影的形式教师讲解和学生操作，教师利用软件切割虚拟3D模型或分离内固定物，学生扫码后可以进入CT数据重建的虚拟三维模型，利用移动互联网在电脑或手机上进行切割、分离、拼接、翻转等操作，从日常平片和影像系统中CT三维重建不能观察骨折的角度进行观察；乙组的两次讲课内容与甲组一致，但使用的教学技巧顺序与甲组相反。讲解和实操结束后，两组均由同一组高年资临床教师指导分析病例，在随堂测试结束后，填写问卷。

教学效果评估。两次见习课结束后，针对两种教学技巧是否提高学生对骨折认识的兴趣度、操体性和直观性，以0到10分别代表最无效和最有效，记录评价等级得分，随堂测试题记录实际得分来评价两种教学技巧的课堂应用效果。

1.3统计学方法

采用Python 3.9及科学统计软件包Numpy、Scipy、Pandas等，进行22交叉试验设计单因素方差分析和描述性统计，比较两种教学技巧的课堂效果，p<0.05则差异有统计学意义。

2结果

甲组（3D打印实体模式演示）和乙组（互联网虚拟建模演示）在以下四个方面进行比较，课堂测验成绩分别为87.429分和87.143分，差异没有统计学意义（p>0.05）；对课程和疾病的感兴趣程度和积极参与程度，学生主观评价分别为9.143分和8.5分，差异有统计学意义（p<0.05）；模型在实际操作和手机或计算机上操作的体验评价，分别为8.286分和8.786分，差异有统计学意义（p<0.05）；对于疾病认识的直观性和易学程度评价，分别为9.071分和8.214分，差异有统计学意义（p<0.05）。详见表1。

3讨论

在骨科临床教学实践中，如何用较短的时间让学生掌握骨科常见病的基础知识，并结合课本和理论课的基础，培养学生的临床思维能力，一直是一线教师关心的热点问题。无论是课本中的文字、图片，抑或是教学幻灯片，无不是从抽象和二维示意图的角度，试图让学生在脑中自行构建骨折疾病的三维结构。对于有丰富临床经验的教师来说，这一过程是很迅速的[5]。但是对于初始骨折，这类空间位置依赖型的疾病，就会有部分学生出现理解困难，特别是部分来华留学生的英语水平和从事全英教育教师的英语表达之间仍然存在语言沟通问题。例如，解释致伤过程中的骨折发生和移位机制、可能的骨折端朝向对其他器官的影响或是图像遮挡问题，过多的语言表达也难以达到三维模型的直观示意精度。

在常用的基于三维建模技术的教学技巧中，笔者及同事作为一线教师常用的有两种，分别是3D打印技术直接实物建模和互联网三维虚拟建模，两种教学技巧各有优缺点。本研究结果发现，两组学生的理论测试水平是具有一致性的，理解能力和推理能力都处于同水平。当进行线下教学时，3D打印实物建模显著改善了学生的初次认知水平，激发了他们的学习兴趣，并在实操过程中，病因、致伤过程、诊断和治疗原则，通过模型的动态还原，可以融入对疾病的整体认识中。这表现在学生对疾病更感兴趣并主动积极参与模型操作，更直观、更快速、更准确地了解骨折疾病的特点和分类，从学生在这些方面的主观评价来看，实体打印模型好于互联网三维虚拟建模。然而，在线上教学需要更加灵活的操作性能方面，互联网三维虚拟建模表现要好于3D打印的实物模型。学生在利用计算机或手机对虚拟模型进行切割、旋转、分离及多视角观察等操作时，虚拟模型可以很快满足这些要求，而实体的3D打印模型需要教师或学生动手操作，没有速度优势，且进行切割操作后实体模型不可完全还原。我们也发现，两种方式在教学中的应用各有优缺点，教师针对学习目标、应用条件做出选择性应用，有利于发挥见习课堂到临床的桥梁作用，更好地培養了学生的骨科疾病临床思维能力。

根据本研究的结果，结合上述讨论与本学科的教学经验，我们认为在疾病诊断和术前评估部分使用3D打印实体模型进行教学效果较好，而在术前手术设计和术后评估部分使用虚拟建模技术较好。本研究仍然存在局限性，如设计的应用场景相对单一，问卷评测存在一定主观性，课堂测试的试题量较小，不能更深入地评价两种教学技巧的各个方面的课堂效果。目前国内来华留学生全英班本科的骨科临床教学并没有统一的教学指南，各院校均按照自身对教学大纲和教学目标的理解设置课程，同时授课教师的教学模式和技巧存在多样性的局面。因此，有必要在今后的教学改革和研究中，加强此领域的教学投入和师资培训，将更多的新技术，如3D打印、移动互联网、人工智能等新技术引入教学实践中来。

随着我国国际影响力的不断提升，很多来自东盟、南亚或非洲地区的学生进入我国学习。作为国内较早开始招收来华留学生的医学院校，我校一直致力于提高一线教师非母语教学的质量。尽管授课过程均使用英语，但是在很多细节或专业方面，教师的语言表达，学生的专业英语听力和理解力，都不同程度地存在着足以影响正确理念传授的沟通障碍。3D打印技术和互联网虚拟建模技术可以提供视觉和触觉体验的提升，把复杂的疾病模型层次清楚、空间相对位置明确、翔实地展示在学生面前。这也间接减小了语言沟通障碍导致的负面课堂效果。

4结论与展望

两种教学技巧各有优缺点，3D打印技术更适用于认知启蒙、还原致伤过程和模拟诊疗计划制订，有助于降低需要抽象过程想象才能理解知识的学习难度，互联网虚拟建模对于线上教学更友好且可以几乎无限制地对虚拟骨骼模型进行多种操作，有利于提高学生在骨科临床教学课程中的参与度。两者对于学生掌握理论知识表现相近。计算机和互联网技术的发展极大地为医学高等教育创造了更好的教学手段，3D打印技术和互联网远程虚拟建模技术都是将原本抽象复杂的问题变得直观化，能有效提高学生的自学积极性，也增加了操控环节让学生更好地融入课堂，使得知识吸收更全面和深入。形象化的教学也使得语言沟通的障碍被一定程度地消除。在未来的留学生高等医学教育方面，这些新技术将得到更广泛地应用。

*通讯作者：丁晓飞

基金项目：广西医科大学本科教育教学改革项目（桂医大教评〔2021〕3号）（2021XJGQYBO1）。

参考文献

[1]王建卫，李冰浩. 3D打印技术在创伤骨科临床病例教学中的应用[J].中国继续医学教育，2023，15（1）：139-143.

[2]张培，高涌，崔培元，等.3D打印联合PBL教学在骨科住院医师规范化培训中的应用[J].中华全科医学，2021，19（5）：856-859.

[3]高婷.“互联网+”背景下高校教师教学能力发展探析[J].中国管理信息化，2023，26（3）：200-204.

[4]许航，章晓云，陈跃平，等.3D可视化技术在骨科教学中的应用[J].中国现代医生，2023，61（3）：101-103.

[5]余华晨，陈中概.基于“互联网+”的混合式教学在骨科的应用[J].继续医学教育，2021，35（5）：18-20.