假肢矯形工程專業運動生物力學實驗課改革探索

吳寶平 宋紅芳 王 輝 張昆亞 錢秀清 閆松華

(首都醫科大學生物醫學工程學院,北京 100069)

在專業人才的培養過程中,實驗教學是教學環節中至關重要的一環,尤其是在高等醫學院校中,對培養理論與實際相結合、科學思維、動手能力和嚴謹工作作風的醫護人員有重要的意義[1]。理論課教學為實驗課教學打下了堅實的理論基礎和技術支持,實驗課教學是一種在模擬環境下對理論知識的應用。實驗教學過程能充分調動學生的積極性,使學生能更深刻理解所學理論,鍛煉學生動手能力,激發學生學習興趣,為學生以后應用所學理論知識解決實際問題提供了一個良好的訓練。因此,為了加強學生專業實驗素養和創新思維培養,實驗課的教學改革顯得尤為重要。

在實驗課教學中,注重讓學生參與,以學生為主的實踐非常必要。因此,我們需要在優化教學內容、注重教學細節、改革教學手段等多重舉措下,始終應牢牢把握課前-課中-課后3個環節,結合專業特點和實驗本身,多方面培養學生的開放式思維。

首都醫科大學假肢矯形工程專業已獲得國際假肢矯形協會假肢矯形器1級教育資質認證,是本領域我國最早開辦的本科教育專業,填補了國內該專業本科教育的空白,也是北京市特色專業,具有工程技術與康復醫學實際結合、基礎與臨床結合、吸納與發展高新生物醫學工程技術的特色。本專業對學生的培養有其特色,一是寬厚的知識體系,讓學生在掌握工科基礎理論和基本技能的同時,具備良好的醫學基礎知識和相關知識背景。二是有充足的實驗實踐教學,在專業培養方案中理論課與實踐課學時比為1∶0.71,充足的實驗教學強化對學生動手能力的培養;必不可少的臨床見習、畢業實習和畢業設計階段,著重對學生假肢矯形臨床實踐能力、解決實際問題能力和綜合設計能力進行培養,提高學生的執業能力和社會適應能力。

運動生物力學是首都醫科大學假肢矯形工程專業重要的一門專業基礎課[2],也是在理論力學和材料力學課程之后修的一門和人體相關的力學課程,內容包含理論和實驗兩部分,經過2014年的教學大綱修訂,實驗學時由6學時增加為12學時,極大地提升了學生的動手實踐機會。而步態分析是運動生物力學研究中的重要測試手段[3-4],它利用力學概念及處理手段對人體行走時的肢體和關節活動進行運動學觀察和動力學分析[5-7],提供基于一系列時間、幾何、力學等概念的參數值和曲線[8-10],為學生深入了解臨床問題提供了一定的基礎。

針對目前學校運動生物力學實驗課程在教學內容和教學方法等方面存在的不足,根據日常教學實踐,將運動生物力學與體質測試、體育運動相結合,引入開放式的實驗教學方法,緊密結合臨床實際,同時滿足國際假肢矯形器協會(International Society for Prosthetics and Orthotics, ISPO)對課程的要求,培養更加實用型的假肢矯形專業人才,擬對實驗教學進行細化改革,以期提高實驗教學的質量和學生的創新實踐能力。

1 運動生物力學實驗課內容的基本情況

運動生物力學課程開設原則是:注重聯系假肢矯形工程專業的人才培養目標,體現理、工、醫相結合。2014級前的幾屆學生,實驗課內容僅有兩個演示實驗,包括力平臺及其應用、便攜式步態分析系統及其應用,讓學生對本課程實踐環節有個感性認識[11]。到2014級學生,增加到4個驗證實驗,包括三維運動捕捉系統及其應用、力平臺及其應用、表面肌電系統及其應用、便攜式步態分析系統及其應用,內容進行了擴充,同時也豐富了實驗類型,每個實驗3學時,實驗總學時由6學時增加至12學時,可為學生提供更多動手的機會,實踐性進一步提升,讓學生較全面地了解實驗所涉及到的研究方法;同時實驗課的教學方法由教師演示為主變成以學生動手為主、教師輔導為輔,充分鍛煉學生動手能力,提高其觀察能力和分析解決問題的能力。通過實驗,學生可全面了解運動生物力學實驗研究的基本方法,并且學會將這些測試方法應用到將來從事的假肢矯形工程相關臨床研究中。本文著重對“力平臺及其應用”實驗展開討論。

2 實驗教學中存在的問題

2.1 學生基礎知識儲備不足

運動生物力學是應用力學原理和方法研究生物體外在機械運動的生物力學分支。通過本課程讓學生掌握人體的運動原理,熟悉人體運動系統的力學特點和研究方法,初步了解運動生物力學在假肢、矯形器設計和裝配中的基本理論,為將來從事假肢矯形器設計師、康復醫師等職業奠定一定的基礎,尤其要求要有比較高的理論基礎,且很大一部分是工科的必修內容,要想全面了解掌握步態特征的測試和分析,生物力學基礎理論知識必須扎實,還需要有較強的醫學、數學、力學、統計學等相關背景知識;而假肢矯形工程專業學生先期的基礎知識儲備不足,而且一次實驗課“力平臺及其應用”僅有3學時,實驗課上不可能用大量時間去講解理論知識,導致學生實驗課所需的基礎知識儲備相對欠缺。

2.2 教學目標及內容簡單、模式單一,缺乏應用性指導及創新性培養

目前實驗課中“力平臺及其應用”的教學目的和要求為:①掌握Footscan足底壓力分布測試系統和三維測力臺的具體操作;②了解Footscan足底壓力分布測試系統和三維測力臺的應用。教學內容為:老師演示Footscan足底壓力分布測試系統和三維測力臺的具體操作,通過受試者具體參與,指導學生學習并掌握他們的使用,采集實驗數據,完成數據分析,體會Footscan足底壓力分布測試系統和三維測力臺的應用。

以上的實驗僅僅是對足底壓力分布測試系統的了解和最基本的操作,學生通過在測力平臺上常規行走獲取數據,進行簡單的數據分析;而學生缺乏興趣和積極性,參與度不高,和臨床的緊密結合性體現不明顯。

同時足底壓力測試實驗由于受課時和教學內容的限制,基本上是單一的教學模式,學生只能按照實驗課的要求按部就班地完成實驗內容,幾乎沒有創新,且實驗過程中只注重足底壓力的測試和測試方法的掌握,缺乏應用性的指導,不利于提升學生專業實驗素養和創新思維培養;每次實驗課后,學生對實驗內容基本沒什么印象,導致課堂上無法發揮學生的主體作用,學生只能被動地接受知識,無法提高自身的學習效率和質量。另外,所有的實驗步驟都是通過教師的引導和預先設定要求進行,即使某些學生對實驗有著自己獨到的見解,也沒有機會付諸實踐,這不利于培養和提高學生的創新和創造能力。

2.3 實驗數據缺乏對比分析

目前的步態測試實驗,實驗指標數據只是正常學生的數據,包括支撐期分期、足底各區域壓強峰值、足底三區域所受沖量百分比、足弓指數、足軸角等,這些實驗結果具體是好是壞,沒有對比也就無從驗證。

3 教學實驗內容和模式的優化改進

3.1 課前做好充足準備

將學生提前分組建群,群內布置實驗內容,預習并撰寫實驗預習報告,預設一些問題供正式實驗課時回答,組內可以互相討論,也可以和老師討論,以便很清晰地了解本實驗。

3.2 編寫詳細的實驗指導講義,讓學生提前預習,夯實理論基礎

在上課時減少步態特征相關理論知識的講解,這部分內容可以讓學生在課前提前了解并掌握。為了使學生能夠在實驗課前后很好地學習和掌握步態特征相關的基礎理論,加強對步態分析實驗的理解和認識,編寫了詳細的實驗指導講義,從實驗原理、儀器配置、涉及的概念、測試指標到數據處理都有詳細的描述,以指導學生做到課前預習、課堂上有目的地進行實驗、課后有目標地寫實驗報告,從而提高課堂教學效率。

3.3 改進實驗內容,優化實驗模式,增加應用性指導和創新性培養

在原有教學目的和教學內容的基礎上,緊密結合專業的特點和發展趨勢,對現有的運動生物力學實驗課中“力平臺及其應用”實驗,從實驗內容和設計上進行補充和改進。

(1)步態測試次數的改進。每個學生都是一個受試者,他們的步態數據來自當堂課的實測。學生赤足,在鋪有10 m長的塑膠跑道上由原來的1次改為3次步態測試;因為步態特征的個體差異性、隨機性比較大,增加測試次數并將測試指標導出取平均值,可以提高數據的可靠性,這樣可以避免受試者由于緊張或者不習慣等導致步態走樣帶來的誤差,這也是常規科學研究的嚴謹做法,然后通過SPSS軟件對各個指標進行統計學分析。

(2)在原有簡單步態測試基礎上,增加體質測試指標(包括身高、體質量、肺活量、坐位體前屈等)[12]。在體育課中學生早有接觸體質測試,但是將學生個人的體質狀況融入我們的實驗課當中,并且和步態特征數據結合起來將會極大地提高學生的學習興趣,使學生意識到體育鍛煉和體質健康的重要性。將學生按照體質健康測試成績分成不及格、及格、良好、優秀4類[13],以便后期進行不同體質健康學生步態特征的差異性分析。

(3)學生自主測試的方式。以往是演示性實驗,老師操作實驗儀器,個別學生當作受試者,其余學生觀摩,學生的參與度不夠。現在每個學生都是受試者,當一名學生在測試時,別的同學操作實驗儀器,進行數據采集,互相幫助,完成所有人的測試工作;而老師在旁邊觀摩,在出現問題時及時解決,扮演一個次要角色。

(4)完善實驗數據,增加對比性。每組每一位學生都有一套完整的實驗數據,學生可以進行組內討論,用統計學方法分析體質與步態特征的關聯和差異性。

3.4 增加課后設計,延伸學習

作為實驗課后的拓展,教師可以將臨床獲得的步態數據,也就是患者的步態特征數據提供給學生,讓他們進行進一步的數據分析,并且和自己實驗測得的數據進行對比,從而尋找正常步態和異常步態的特征點,這項工作使得他們向科學研究邁進了一步。

3.5 增加開放式實驗,提供更大平臺

目前步態分析實驗課上的內容都是基礎性的實驗,按著教師的規定動作完成,且每個學生只是測試本人的步態指標,時間和數據量都有限。現在實驗室有條件能夠進行一些綜合性、設計性的實驗,為學生開放空間和設備,結合假肢矯形工程的專業特色,有興趣或者學習能力強的學生,可以根據自身情況,結合臨床實踐,自主設計實驗方案,經和老師討論之后,可行即可付諸行動。學生借助實驗室條件開展開放性實驗,過程中老師給予充分積極的指導和幫助,提供一切可能的便利,同時可以解釋出現的現象和蘊含的意義,讓學生充分了解運動生物力學的學科意義。

3.6 增加仿真模擬模塊,拓展實驗視野

實驗室配備了虛擬仿真實驗平臺,超大屏幕高清顯示,VR三維觀看。平臺上有一些經典力學實驗展示模塊,不用動手通過仿真的形式展示給學生,讓學生在課程所涉實驗之外,更多地了解力學實驗,拓展實驗視野。

4 教學效果的反饋和思考

通過對運動生物力學中“力平臺及其應用”實驗課多方面的優化改進,每一位學生都是受試者,將步態特征數據和體質健康測量相結合,分析體質狀況和步態特征的相關性,在學生掌握步態實驗方法的同時,融入自己的體質數據,提升學生的參與度和興趣度;同時增加課外拓展和開放實驗平臺,讓學生在學有余力或者興趣驅使下有更多的視野拓展,充分展示自己的實踐能力。

同時通過和學生的交流,發現前幾屆學生的感受和優化后學生的體會有很大的不同,學生們體會到了本課程和自身健康、和臨床實踐的緊密結合性,尤其是在高年級到臨床后,他們有了實際和患者接觸的經歷,也會帶著患者進行一些康復訓練,對當初接觸的實驗感受會更深,會更加喜歡改革后的這種方式。同時通過對復雜數據的處理與分析,引發學生關于體質健康相關問題的思考,據此提出合理的鍛煉建議,進而提升了假肢矯形工程專業學生專業實驗素養和創新能力。

改革后的實驗教學也更加符合國際假肢矯形器協會對假肢矯形工程專業運動生物力學課程的要求,符合學校為我國培養假肢矯形工程專業緊缺高級人才的終極目標,從而也能為他們將來從事相關科學研究和臨床實踐服務打下堅實的基礎。步態分析也可應用到以后的體育教學當中,以指導學生科學地、有針對性地進行體育鍛煉[14-16]。

同樣,對課程中涉及到的其他實驗,如表面肌電系統及其應用實驗,也進行了相應的改革,對陳舊的儀器進行了更新換代,取而代之的是最新的一套設備,靈敏度有了很大的提升,肌電信號的采集通道增加,數據將更加豐富;三維運動捕捉系統及其應用實驗從平臺的搭建、系統的標定等一開始就讓學生參與進來,了解軟硬件的原理和使用,以及如何形成一個相對穩定的測試系統,遇到的一個個問題都想辦法一一解決,極大地提升了學生的成就感,動手能力也得到很好的鍛煉。

總之,在實驗教學環節學生是主角,必須保證學生的參與度和動手實踐的機會,把控實驗的嚴謹和規范性,讓學生真正在實驗中找到樂趣和應用所在,提高實驗教學的質量和學生的創新實踐能力。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明吳寶平:提出研究思路,設計研究方案,撰寫論文;宋紅芳、王輝、張昆亞:進行試驗,調研、采集和分析數據;錢秀清、閆松華:總體把關,審訂論文