基于有限元分析技术的支架式教学在骨科教学中的应用

邓俊豪 孟繁琪 牛芮涵 李毅 李明 崔翔 张里程 李志江

骨外科学作为外科学的重要分支学科，涵盖了多个亚专科领域，其疾病类型繁多，且患者群体年龄跨度极大。其包括了从需迅速处理的创伤急症到诊疗过程复杂、鉴别诊断困难的脊柱四肢畸形或肿瘤病变等多种情况。同时，骨外科学也涉及儿童的关节脱位，以及中老年人常见的腰椎间盘突出症和骨质疏松性疾病等。这使得骨外科学相关的诊治知识既广泛又复杂[1-2]。近年来，科技的飞速发展催生了诸如经皮微创跟腱吻合术、骨科机器人手术等前沿技术，这无疑对骨外科临床实习和住院医师规范化培训轮转的学生提出了更高的学习要求。同时，这也要求临床带教医师必须拥有更为广博的知识体系和更为严谨的教学逻辑。然而，当前临床骨科教学依然主要依赖传统教学模式，即按照教材从总述到分论的框架，进行分散式的文字与图片教学。这种教学方式导致学生难以形成对骨科学习的直观印象，不仅耗时耗力，而且难以迅速掌握学习要领，学生对骨科学习的兴趣也逐渐减弱[3]。因此，探索一种新型的骨科教学模式，对完成医学生的培养工作具有重要意义。为此，本研究提出基于有限元分析技术的骨科支架式教学模式，旨在为骨科临床教学改革提供新思路。

1 骨科临床教学所面临的困境

骨科作为医学领域的重要分支，深入探究人体骨骼、关节、肌肉及韧带等多个系统的复杂结构和功能，并致力于各类相关疾病的精准诊断和治疗。骨科临床教学在培养具备专业素养的骨科医师中占据举足轻重的地位，然而，教师在实际教学中也面对一系列的困境和挑战[4-6]，主要有以下2个方面。

1.1 传统教学方法的缺陷

1.1.1 缺乏针对性

传统的骨科临床教学法主要是按照固定的教材和大纲进行讲授，讲授为主，示范为辅，强调知识灌输和技能传授，而非根据不同的学习者进行个性化的调整和安排。这种教学法容易忽略学习者在知识水平、兴趣爱好、学习风格、认知特点等方面的差异，导致教学内容过于抽象和泛化[7]。同时，这种教学法也没有充分考虑到不同层次和需求的学习者的差异性和个性化，不能适应多元化的教学目标和评价标准，缺乏针对性。

1.1.2 缺乏互动性

传统的教学法往往是以教师为主导，以讲授为主要手段，强调单向的信息传递和知识灌输。这种教学方式忽视了学生在教学过程中的参与度和主动性，使得教学过程缺乏有效的交流和反馈机制。这不仅无法激发学生的思考和探究欲望，还削弱了学生的主动性和创造性。长此以往，学生对骨科知识和技能的理解和运用将难以达到应有的深度和广度，严重影响其专业成长和发展[8]。

1.1.3 缺乏实践性

传统的教学法通常过于偏重理论知识的单向传授和技能的机械模仿，尽管有时会结合示范教学，但却往往忽略了学习者在实际操作中的应用能力锻炼和创新思维的培育。这种教学方式往往缺乏实验和模拟的实践环节，因此无法有效地培养学习者的问题解决能力和批判性思维，进而限制了他们的全面发展[9]。因此，在骨科临床教学中，如何改变传统的以教师、知识、考试为中心的教学模式，转变为以学习者为中心、以问题为导向、以能力为目标的教学模式，是一个亟待解决的问题。

1.2 传统教学技术的不足

骨科手术涉及人体骨骼的切割、钻孔、固定等操作，需要使用动物或人体尸体标本进行模拟训练。然而，这些教学资源在数量和质量上都存在不足[2，10，11]。

1.2.1 缺乏真实性

传统的教学技术往往是使用动物或人体尸体标本进行手术模拟训练，但这些标本与真实的手术环境有很大的差异。例如，动物或人体尸体标本的解剖结构、组织特性、血流状态等与活体有很大的不同，不能反映真实的手术难度和风险[12]。动物或人体尸体标本的保存和处理也会影响其质量和效果，导致教学资源的浪费和损耗。

1.2.2 缺乏多样性

传统的教学技术往往使用固定的教学资源进行手术模拟训练，但这些资源不能满足不同类型和难度的手术需求。例如，动物或人体尸体标本的数量和种类有限，不能覆盖所有的骨科疾病和手术方案，动物或人体尸体标本的使用也有一定的局限性，不能模拟复杂和变化的手术情况[13]。

1.2.3 缺乏智能性

在温州，与台风“玛丽亚”不期而遇的我们，并没有因此停下寻访的脚步。历经整宿的狂风暴雨，临出发时雨势已减弱许多。约定采访日的上午，余董父子如期冒雨前来，亲自驱车把我们接到了中科。

传统的教学技术往往使用简单的教学工具进行手术模拟训练，但这些工具不能提供足够的信息和反馈。例如，传统的X线透视仪只能提供二维的影像信息，不能显示三维的解剖结构和器械位置。传统的教学工具不能根据不同的学生提供个性化的指导和评价[14]，不能有效推动学习者的持续进步与全面提升。

因此，骨科知识和技能的复杂性使学生需要具备较强的记忆力和理解力。同时，骨科手术技能要求高，需要精细的操作和严密的逻辑，学生不仅需要掌握各种器械的使用方法，还需要根据不同的病例制定合理的手术方案和预防并发症的措施。这些知识和技能的掌握需要学生长期的实践和积累，加之骨科教学资源的不足，对于初学者来说，学习曲线较长，难度较大。因此，在骨科临床教学中，如何高效地传授骨科知识并训练相关技能是当前亟待解决的重要问题。

2 骨科临床教学困境应对—基于有限元分析技术的支架式教学方法构建

2.1 支架式教学法应对骨科临床传统教学的针对性、互动性和实践性不足的问题

1976年，美国心理学家Jerome Bruner和David Wood等受到苏联心理学家Lev Vygotsky的发展心理理论和社会文化理论的启发，认为儿童在成人或同伴的协助下可以完成比自己能力水平更高的任务，他们通过实验观察了成人如何帮助儿童完成一个木块堆叠游戏，并发现成人会根据儿童的反应和需求，提供不同类型和程度的帮助，例如提示、示范、鼓励、反馈等，并将这种帮助称为“支架”，并在此基础上提出支架式教学策略[15]，即为提升学生的学习效率，教育者针对性地构建了有助于学生理解的思维模式，并在此基础上形成概念式框架。这一理念与骨科临床教学的初衷不谋而合，这为其应用于骨科临床教学提供了理论基础。

支架式教学是一种基于建构主义理论的教学法，它认为学习是一个主动的、有意义的、社会性的过程，学习者需要在现有知识的基础上，通过与环境和他人的互动，构建新的知识和理解。支架式教学的核心概念是“最近发展区”，即指学习者在自己或他人的帮助下能够完成的任务与自己独立完成的任务之间的差距。支架式教学的目标是为学习者提供适当的支持和引导，帮助他们在最近发展区内进行有效的学习，从而提高他们的潜在发展水平。

在骨科临床教学中，支架式教学方法的实施可分为以下5个步骤：（1）明确骨科临床教学目标，即确定学习者需要达到的知识、技能或能力水平；（2）评估学习者的现有水平，即了解学习者对骨科已经掌握的知识、技能或能力水平；（3）分析骨科临床教学间距，即比较教学目标和现有水平之间的差异，确定需要提供哪些支持和引导；（4）设计骨科临床教学支架，即根据教学间距和学习者的特点，选择合适的教学策略、资源、工具、活动等，为学习者搭建有效的学习环境；（5）调整和撤除教学支架，即根据学习者的进步情况，适时调整或撤除部分或全部支架，使学习者逐渐实现自主和独立，让学生自主地运用所学知识和技能解决实际问题，培养他们的自信和自我评价能力。

支架式教学法在骨科临床教学实践应用[3，16]具备以下优势：（1）从学生的角度上看，支架式教学能够明确学生的学习动机和提高学习效率。通过支架式教学，学生可以根据自己的兴趣和需求选择合适的学习内容和方式，从而增强他们的主动性和自主性。同时，通过支架式教学，学生可以在教师的支持和引导下，快速地掌握和运用知识和技能，从而提高他们的学习效率。另一方面，支架式教学能够提高学生的专业素养和职业发展。通过支架式教学，学生可以深入地理解和掌握骨科临床的基本理论、方法和技术，从而提高他们的专业素养。同时，通过支架式教学，学生可以培养自己的创新思维、批判思维、问题解决能力和团队协作能力，从而为他们的职业发展打下坚实的基础；（2）从骨科临床带教老师的角度上看，支架式教学能够提高教师的教学水平和教学效果。通过支架式教学，教师可以根据不同的教学目标和情境，灵活地选择和设计合适的支架方式和策略，从而提高他们的教学水平。另外，通过支架式教学，教师可以有效地促进学生的知识构建和技能发展，从而提高他们的教学效果。同时，支架式教学能够提高教师的专业成长和职业满足感。教师可以不断地反思和改进自己的教学理念和方法，从而提高他们的专业成长，教师可以看到自己对学生的影响和贡献，从而提高他们的职业满足感；（3）从骨科临床教育的角度上看，支架式教学能够提高骨科临床教育的质量和水平。通过支架式教学，骨科临床教育可以更好地适应社会和医疗领域的变化和需求，培养出具有高水平专业知识、技能、态度和价值观的骨科医生。同时，骨科临床教育可以更好地利用各种教学资源和技术，提升教学的效率和效果。综上所述，支架式教学是一种符合骨科临床特点和需求的有效教学模式，它有利于提高骨科临床教育的质量和效果。

2.2 有限元分析技术应对骨科临床教学资源不足的问题

有限元分析技术（finite element analysis，FEA）是一种数值分析方法，它可以用来模拟复杂的物理现象，如结构力学、流体力学、热传导等[17-18]。FEA的历史可以追溯到20世纪40年代，当时为了解决航空工程中的弹性问题，科学家们发展出有限差分法。随着计算机技术的发展，FEA逐渐成为一种广泛应用的工程分析工具，它可以处理各种几何形状、材料性质和边界条件的问题。

FEA的技术特点是将一个连续的物理域划分为有限个离散的单元（element），每个单元都有一定的形状和尺寸，以及一些节点（node）和自由度（degree of freedom）。FEA通过建立每个单元的局部方程，并将其组合成整体方程，可以求解出整个物理域中各个节点的未知量，如位移、应力、温度等。FEA的优势是可以处理任意形状和大小的物理域，考虑非线性和动态效应，提供高精度和高效率的数值解。

FEA技术用于骨科临床教学可以克服传统教学技术缺乏真实性、多样性和智能性的问题[19-20]。（1）在真实性方面，FEA技术可以根据真实的医学影像数据，如电子计算机断层扫描（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等，建立三维有限元模型，并根据不同的材料参数、边界条件和载荷情况进行模拟分析。这样可以更准确地反映骨骼组织在正常或异常状态下的力学行为和变化。例如，在骨折治疗教学中，FEA技术可以模拟不同的固定方式和植入物对骨折愈合的影响，告诉学生最佳的治疗方案。在骨质疏松症的诊断和预防中，FEA技术可以模拟骨密度、骨微结构和骨强度之间的关系，帮助学生评估骨折风险和制定个性化的干预措施，增强学生的自信心；（2）在多样性方面，FEA技术可以处理各种形状和大小的物理域，可以考虑非线性和动态效应，提供多种分析结果，如位移、应力、应变、模态、疲劳等。这样可以增加教学的多样性和灵活性，让学生能够从不同的角度和层次理解和掌握骨科知识和技能。例如，在骨科生物力学教学中，FEA技术可以模拟不同的骨科问题，如髋关节置换、脊柱融合、膝关节炎等，并提供不同的分析结果，如应力分布、接触压力、植入物稳定性等，帮助学生深入了解骨科生物力学的原理和应用；（3）FEA技术可以结合人工智能技术，如机器学习、深度学习等，实现对骨科模型的自动化生成、优化和评估。这样可以提高教学的智能性和效率，也可以帮助学生掌握最新的骨科技术发展趋势。例如，在骨科植入物设计中，FEA技术可以结合机器学习技术，通过大量的数据训练和测试，自动寻找最优的植入物形状、尺寸和材料，以达到最佳的力学性能和生物相容性。在骨科影像分析中，FEA技术可以结合深度学习技术，通过卷积神经网络等算法，自动识别和分割骨科影像中的感兴趣区域，并提取有用的特征信息，以辅助医生进行诊断和治疗。

3 基于有限元分析技术的支架式教学方法的优势

3.1 提高学生的主动性和参与性

教师支架式教学方法，根据学生的认知水平和需求，提供适当的支持和引导，帮助学生逐步建立自主学习能力。有限元分析技术为支架式教学提供了一个虚拟的实验平台，让学生能够在模拟的骨科环境中进行探索和实验，而不受真实世界的限制。这样可以激发学生的主动性和参与性，让学生从被动接受知识变为主动构建知识。

3.2 增强学生的理解和掌握

支架式教学法指导教师根据学生的反馈和表现，动态调整教学内容和难度，实现个性化和精细化的教学。有限元分析技术为支架式教学提供了多种形式的支持和引导，如语音、文字、图像、视频、动画等，帮助学生理解和掌握骨科知识和技能。这样可以增强学生的理解和掌握，让学生从表面记忆知识变为深层理解知识。

3.3 扩展学生的视野和创新

支架式教学指导教师根据学生的兴趣和潜能，提供丰富的资源和机会，激发学生的视野和创新。有限元分析技术为支架式教学提供了一个开放的创新平台，让学生能够在模拟的骨科环境中进行设计和优化，而不受现实世界的约束。这样可以扩展学生的视野和创新，让学生从重复应用知识变为创造性地运用知识。

3.4 适应骨科教学的特点和需求

骨科教学是一门涉及多种学科和领域的综合性教学，它需要结合解剖学、生理学、病理学、生物力学、材料科学、工程设计等知识和技能，以及临床实践和创新研究等活动。传统的教学法往往难以满足骨科教学的特点和需求，导致教学内容碎片化、教学方法单一化、教学效果低效化。而基于有限元分析技术的支架式教学可以有效地适应骨科教学的特点和需求，将不同的知识和技能融合在一个有限元模型中，形成一个完整的骨科问题，让学生能够从整体和系统的角度理解和解决骨科问题；将不同的教学活动融合在一个虚拟的实验平台中，形成一个互动和创新的教学环境，让学生能够从实践和探索的角度体验和创造骨科知识。

3.5 促进骨科教育的改革和发展

骨科教育是一门不断发展和变革的教育，它需要紧跟骨科技术的进步和社会需求的变化，不断更新和完善教育内容和方法。传统的教学法往往难以适应骨科教育的改革和发展，导致教育理念落后、教育资源浪费、教育质量下降。而基于有限元分析技术的支架式教学可以有效地促进骨科教育的改革和发展，它可以利用最新的计算机技术和人工智能技术，不断更新和优化有限元模型和分析结果，让学生能够接触到最前沿的骨科技术和信息。它还可以利用网络技术和云计算技术，实现远程教育和协作教育，让学生能够跨越时空限制，与不同地区和国家的老师和同学进行交流和分享。

4 基于有限元分析技术的支架式教学的实践应用

基于有限元分析技术的支架式教学是一种将有限元分析作为教学工具，支架式教学作为方法核心，以帮助学生理解骨科临床问题的教学方法，具体以髋臼后壁骨折为例，从骨科临床教学课前、骨科临床教学过程中和骨科临床教学课后3个方面阐述基于有限元分析技术的支架式教学方法的具体应用。见图1。

图1 髋臼后壁横行骨折解剖模型构建和有限元分析教学

4.1 骨科临床教学课前

上课前，骨科教师明确教学目标和内容，做好以下准备工作。（1）让学生了解髋臼后壁骨折的发病机制、诊断方法、治疗原则和手术技术等；（2）评估学生的先验知识，即让学生回顾髋关节的解剖结构、生物力学特点、常见疾病和损伤等；（3）设计教学过程中的阶梯和支架，即根据不同难度的问题情境，为学生提供不同类型和程度的支持和引导，如范例、问题、建议、向导、图标等；（4）教师准备教学资源和工具，即利用有限元分析软件，建立髋臼后壁骨折的三维有限元模型，并进行力学加载和应力分析。通过课前调动学生的自主学习能力和评估学生的水准，能有效针对性地授课教学，提升学生独立思考，并解决临床实际问题的能力。

4.2 骨科临床教学过程中

在教学过程中，骨科教师进入情境，（1）通过病例介绍或视频展示，将学生引入髋臼后壁骨折的问题情境，并提供必要的解决问题的工具，如有限元分析软件、X线片、CT片等；（2）搭建支架，即根据学生的最近发展区，为学生搭建好支架，如提示学生观察X线片或CT片上的髋臼后壁骨折的特征，让学生比较正常髋臼和髋臼后壁骨折的有限元模型，引导学生思考髋臼后壁骨折对髋关节稳定性和功能的影响等；（3）培养学生独立探索能力，即放手让学生自己决定探索问题的方法，如让学生利用有限元分析软件模拟不同类型和程度的髋臼后壁骨折，观察其应力分布和变化规律，分析其与临床表现和预后的关系等；（4）最后，教师加入协作学习，即组织小组协商、讨论。小组讨论时，教师深入到小组当中，通过学生之间、学生与老师之间讨论，共享独立探索的成就，共同解决独立探索过程中遇到的问题，如学生分享自己的有限元分析结果和发现，讨论不同髋臼后壁骨折的治疗方案和手术技巧，提出自己的疑问和困惑等。此教学法将以往传统的“教师讲授为主”转变为“学生主动学习为主，教师协助为辅”，有利于进一步提升学生的自主学习和知识求解能力。

4.3 骨科临床教学课后

课后，骨科教师进行效果评价，即包括个人的自我评价和集体对个人学习的评价以及教师的评价。评价要做到问题和探索过程融为一体，不能仅用脱离问题解决过程的标准化测验来评价教学效果，如让学生反思自己在有限元分析中的收获和不足，互相评价对方的有限元分析方法和结果，教师给予学生及时的反馈和建议等。

另一方面，教师教学反思，即教师对自己的教学过程和效果进行反思和总结，探究教学中存在的问题和改进的方向，如教师反思自己是否充分利用了有限元分析作为教学工具的优势，是否合理设计了支架式教学的阶梯和支架，是否有效激发了学生的主动性和创造性等。

目前，传统强调知识灌输和技能传授的临床骨科学的教学方法缺乏互动性及实践性，亟需更多的灵活的沉浸式的教学方法，而基于有限元分析技术的支架式教学对于骨科临床教育有着积极影响，有望提高学生对各类常见或罕见骨科疾病的立体认识、帮助他们对骨骼肌肉疾病进行解剖学层面的宏观和微观剖析，同时也能够提高临床教师的教学水平和职业满足感。有限元分析技术的应用也能够使骨科教学更加真实和多样，提供更好的学习体验，能改善教学的针对性、互动性和实践性.未来，更多的实践和研究能真正运用在临床教学中，将有助于提高骨科临床教育的质量，培养更多高水平的骨科医生，从而更好地满足社会和医疗领域的需求。