康復治療學本科專業課程生物力學模擬仿真教學經驗

牛文鑫 王寬

摘要：生物力學是康復治療學本科專業基礎課程，但是當前教學中并未涉及模擬仿真內容，與學科發展現狀不符，導致知識落后，學生難以掌握和應用等問題。將前沿研究方法應用于教學實踐，在同濟大學康復治療學本科專業課程中增加4課時模擬仿真內容，取得了很好的教學效果。課程成績和學生反饋提示了在本科課程中增加建模仿真教學內容的必要性和可行性，同時也提出了在有條件的高校可以開設針對本科生的生物力學模擬仿真專業選修課，提高學生的綜合能力。

關鍵詞：康復治療學;本科教學;模擬仿真;生物力學;創新能力

1 前言

“生物力學”是康復治療學本科專業基礎課程，其教學效果對后續專業課程的學習和學生的創新能力培養有重要影響。生物力學是力學與醫學、生物學交叉的學科，有醫學的實踐意義和力學的實驗基礎[1]，其中復雜的力學計算和人體力學實驗在課堂上難以開展，學生難以理解，在課后難以應用。

發達國家重視生物力學教育，美國設置了生物力學日來推廣生物力學教育[2]。近年來，在臨床專業教學中也開始嘗試涉及模擬仿真內容[3-4]。工程學專家Djukic等[3]提出基于CT或MRI掃描創建的三維模型，并分析流體流動模擬，可以縮短臨床前培訓計劃的時間，使教育過程更加有效。但是，他們并未將該技術應用于教學活動。瑞典學者則通過教學的對照試驗發現，使用模擬可視化系統對臨床醫學學生頸椎創傷部分教學，雖然知識掌握度與傳統講授無顯著差異，但是可以提高學生的參與熱情[4]。

馬新揚[5]將有限元法應用于口腔生物力學的教學過程中，認為有限元分析能夠逼真地模擬牙齒和復雜的三維口腔復合體形態，以及它們在口腔中的受力情況，使牙齒以及各種修復體應力分布展開了生動形象的再現，提高了學生的學習興趣，加深了同學們對枯燥力學理論的理解，使抽象的內容得到了直觀認識，教學效果明顯提高。但是，這些內容在康復專業生物力學教學仍處于空白。

本研究目的是驗證在康復治療學專業生物力學課程中進行模擬仿真教學的可行性，并分析其教學效果，為進一步課程更新設計提供基礎。

2 教學設計

筆者在同濟大學康復治療學專業本科《生物力學》內容基礎上，增加模擬仿真教學4課時，通過安排作業形式鼓勵學生自己動手，親自操作生物力學模擬仿真軟件，建立可供生物力學的數字模型。同時在其他學時內穿插相關內容，與具體關節或器官的生物力學教學內容結合，加強學生對基礎知識的理解和創新能力。

4個課內學時具體安排如下：

第1節課：集中講授生物力學模擬仿真理論知識，在已經學習了生物力學基本知識的基礎上，對計算機模擬仿真的原理進行講解，對相關程序和軟件進行介紹;

第2節課：老師和助教進行模擬仿真演示和軟件教學，通過對Seg3D建模軟件和ABAQUS有限元分析軟件進行操作讓學生有直觀認識;

第3節課：學生在老師的指導下對Seg3D軟件進行實際操作，練習基本操作;

第4節課：互動交流，解決學習中的問題，提出拓展性問題引導討論。

學生自行安排6～8課外學時進行軟件練習和創新作業，老師提供基礎數據和在線指導。課程結束后，通過問卷星收集學生對教學效果的無記名反饋意見。

3 教學效果

2019年秋季學期完成教學任務，同濟大學2018級康復治療學專業共24名本科生參加了所有課程內容學習，并取得課程成績。按照五級制成績分類，本屆學生“生物力學”課程成績優秀率56.0%，顯著高于2017級同專業同課程成績優秀率45.8%。

學生分組進行練習，4人一組，共6組，所有小組按期完成了建模作業，基于CT或MR斷層影像，對不同的骨與關節進行三維重建。所有作業都符合進一步進行有限元建模和分析的要求，達到優秀水平。

針對學生的教學效果調查包含3個問題，所有24名學生對所有3個問題進行了反饋。

1）建模仿真教學內容的難度（A.非常容易;B.比較容易;C.難度適中;D.比較難;E.非常難）。

作為單選題，其中答案C（難度適中）被62.5%的學生選擇。另外，20.8%和12.5%的學生選擇了D（比較難）和B（比較容易），只有1名學生選擇了E（非常難）。

2）建模仿真教學對課程學習的幫助（多選：A.不知道有什么幫助;B.有助于更好地理解生物力學概念和知識;C. 使思路開放，有助于創新探索新知識; D. 有助于學習的趣味性，使得課程學習不枯燥; E.對其他課程的學習有幫助）。

作為多選題，所有5個選項都有學生選擇，選擇的學生比例依次為：8.3%、83.3%、62.5%、75.0%、41.7%。

3）如果單獨開設建模仿真課程，你是否愿意選修（A.是;B否）。

這是一個判斷題。大部分學生愿意選修建模仿真課程，比例為87.5%，僅有3名學生不愿意選修。

4 討論

力學理論發展較為成熟，計算機的發展促進了其模擬仿真技術的發展。在工程力學、機械、土木工程等專業的力學課程教學中，模擬仿真已經普及，并發展為重要的專業課程。生物力學模擬仿真研究最早出現在1980年代后期，在2000年后逐漸發展成熟，最近10年來成為一種被廣泛接收的生物力學評估方法。但是，相對于在體和離體生物力學實驗方法，生物力學模擬仿真技術具有較高的專業性和技術門檻。尤其對醫學背景和康復治療學背景的學生來說，生物力學模擬仿真需要比較專業的計算機和數學知識，所以并未在課堂上講授。

包括國內外康復專業的生物力學教材中，未見到模擬仿真方法的教學內容。廣州中醫藥大學針灸推拿專業《推拿力學》教材中，將數學模型研究方法、骨性模型研究方法與離體和在體研究方法并列，體現了生物力學從實驗研究向理論模型研究方向發展的趨勢[6]。在體育學專業的生物力學教材中，僅有同濟大學出版社2013年出版的研究生精品課程教材《運動生物力學》有一章內容為模擬仿真教學（第5章：運動生物力學建模與仿真）[7]，但是在本科教學中較少涉及。

在康復治療學專業本科生物力學課程中增加模擬仿真教學內容，具有必要性。21世紀以來，生物力學發展日新月異，尤其是模擬仿真前沿研究，為生物力學提供越來越多的新知識，并應用于臨床實踐。但是，目前的生物力學本科教材中，知識陳舊，絕大部分來源于離體或在體實驗，鮮有基于模擬仿真的新知識體現在課堂上。其中部分原因在于生物力學模擬仿真缺席本科生教學，使得課堂知識得不到及時更新，并為康復治療學專業學生創新教育制造了障礙。從調查反饋來看，增加模擬仿真教學內容，讓學生在理解生物力學基本概念和知識、開拓視野、增強創新能力方面都有必要性，同時也有利于其他課程的學習。

通過本次教學實踐，增加4個課時的模擬仿真教學內容，我們明確了在康復治療學專業本科生物力學課程中增加模擬仿真教學內容的可行性。合理設計課程環節，使理論與實踐相結合，課堂講授與課下練習結合，能夠充分調動學生的積極主動性。適當降低內容難度，可以使得內容難度可控，讓大多數學生可以接受，并在此基礎上提高對整門課程的認識，顯著提高整體成績。

基于學科生態的快速演化，新工科和新醫科不斷發展[8，9]，康復治療學成為學科交叉的前沿陣地，必須不斷更新教學內容以適應新形勢。在生物力學課程中增加模擬仿真教學內容，既有必要性，也有可行性。但是，在有條件的高校中，仍然建議考慮開設生物力學建模仿真專業選修課程，提高學生的綜合能力。

參考文獻：

[1] 鄧真， 牛文鑫， 王輝昊， 等. 生物力學在中醫骨傷手法治療頸椎病中的應用[J]. 醫用生物力學， 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] 馬新揚. 有限元分析用于口腔生物力學的直觀性教學[J].北方藥學， 2013，10（9）：143.

[6] 王繼紅， 柴鐵劬. 《推拿力學》的教材構建和教學實踐研究[J]. 按摩與導引， 2008，24（6）：4-5.

[7] 胡耿丹， 王樂軍， 牛文鑫. 運動生物力學[M]. 上海： 同濟大學出版社， 2013.

[8] 王麗紅， 劉平， 王曉艷. 多學科交叉復合的新工科建設探索與實踐[J]. 電腦知識與技術， 2018（14）：157-158.

[9] 季振宇， 周怡敏， 楊濱， 等. 新工科和新醫科背景下生物醫學專業課程教學設計與實踐[J]. 醫學教育研究與實踐， 2020（3）：374-376.

【通聯編輯：王力】