3D打印和互聯(lián)網(wǎng)建模在骨科教學(xué)中的比較研究

陸榮斌 程建文 陳麗霞 丁曉飛

摘要 目的：比較3D打印實(shí)體建模和互聯(lián)網(wǎng)虛擬三維建模兩種三維建模方式，在全英班來(lái)華留學(xué)生臨床骨科見(jiàn)習(xí)教學(xué)應(yīng)用的效果。方法：進(jìn)行交叉設(shè)計(jì)單因素方差分析，選取14名來(lái)華留學(xué)生，隨機(jī)配對(duì)分為兩組。在全英教學(xué)中，針對(duì)同一類(lèi)骨折，提取CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)體和互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模教學(xué)演示并交叉實(shí)施。結(jié)果：兩組學(xué)生的課堂理論測(cè)試成績(jī)差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在興趣度和直觀性方面，3D打印實(shí)體建模演示的學(xué)生評(píng)價(jià)更好，在操作性方面，互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模方式的學(xué)生評(píng)價(jià)更優(yōu)，兩方面評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)論：兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點(diǎn)，在合適的教學(xué)場(chǎng)景、骨折類(lèi)型和分析致傷過(guò)程中針對(duì)性應(yīng)用能取得最佳的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 來(lái)華留學(xué)生；醫(yī)學(xué)教育；全英教學(xué)；3D打印；互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.048

骨科學(xué)臨床見(jiàn)習(xí)是基礎(chǔ)理論知識(shí)與臨床思維應(yīng)用結(jié)合的過(guò)渡階段。來(lái)華留學(xué)生全英骨外科學(xué)見(jiàn)習(xí)教學(xué)旨在醫(yī)學(xué)生進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)階段前，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主積極性，培養(yǎng)初步臨床思維。近年來(lái)，隨著3D打印和互聯(lián)網(wǎng)虛擬化三維建模技術(shù)的逐漸成熟，我們應(yīng)用這些新方法于骨外科學(xué)見(jiàn)習(xí)教學(xué)中，并歸納總結(jié)、客觀評(píng)價(jià)這些新教學(xué)技巧，為今后以更有效、更直觀的應(yīng)用提供參考。

3D打印技術(shù)的興起及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)生、住院醫(yī)師培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用。得益于新的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（digitalimagingandcommunication inmedicine，DICOM），將CT、核磁共振或超聲的多平面薄層掃描轉(zhuǎn)化為可被三維軟件系統(tǒng)所用的格式已變得極為便利。相對(duì)于應(yīng)用于患者的計(jì)算機(jī)三維輔助成像和重建專(zhuān)業(yè)軟件，通用的免費(fèi)三維建模軟件和兼容性極強(qiáng)的編程環(huán)境，降低的3D打印成本，都使得實(shí)體3D打印模型可以被常規(guī)應(yīng)用于一線骨科見(jiàn)習(xí)教學(xué)[1]。骨折是骨科疾病中最常見(jiàn)的病種，但也是最容易被忽視的。不少學(xué)生或其他專(zhuān)業(yè)的教師，在沒(méi)有深入接觸骨折這類(lèi)疾病前，總是在頭腦里把骨折單純地想象成一根折斷的長(zhǎng)木棍或者是竹子。其實(shí)，因?yàn)楣趋赖谋砻鎺缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與功能高度相關(guān)的許多解剖特點(diǎn)，在沒(méi)有CT三維重建之前，是需要花費(fèi)很多時(shí)間才能理解好的[2]。3D打印技術(shù)正好彌補(bǔ)了這方面的欠缺，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理，按照1：1打印的實(shí)體骨骼或骨折模型，可以任由教師或?qū)W生進(jìn)行標(biāo)記、分解、組裝，非常直觀地協(xié)助學(xué)生來(lái)還原或理解好疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。

在采取線上授課模式時(shí)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)虛擬三維建模方式是非常有效的師生互動(dòng)方式[3]。學(xué)生通過(guò)手機(jī)或個(gè)人電腦掃描教師提供的二維碼，訪問(wèn)基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的虛擬三維建模的骨折模型的一種3D可視化技術(shù)，在手機(jī)端或PC端可以“零成本”反復(fù)對(duì)模型感興趣的部分進(jìn)行拆分、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、切割，從平時(shí)難以觀察到的角度，去深入了解骨骼或骨折的特點(diǎn)[4]。上述兩種已經(jīng)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的新方法，在骨科見(jiàn)習(xí)教學(xué)中的主客觀教學(xué)效果是本研究的關(guān)注點(diǎn)。

1對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

選取廣西醫(yī)科大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我校”）2015級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科全英班進(jìn)入骨科見(jiàn)習(xí)的學(xué)生14名，男女生各7名。他們來(lái)自印度、巴基斯坦、尼泊爾、越南等國(guó)家，學(xué)生在開(kāi)始醫(yī)學(xué)本科教學(xué)前一年均接受過(guò)中文預(yù)科教育，授課過(guò)程中師生間均使用英語(yǔ)交流。通過(guò)Python生成隨機(jī)整數(shù)100個(gè)，作為分組數(shù)組，然后按學(xué)號(hào)順序降序分組，當(dāng)遇到分組數(shù)組中單數(shù)時(shí)該學(xué)生分入甲組，為偶數(shù)時(shí)則入乙組，任意一組先分配滿7人，則剩余學(xué)生自動(dòng)歸入另一組，形成7個(gè)配對(duì)，其中甲組男4人、女3人，乙組男3人、女4人。兩次見(jiàn)習(xí)課間隔周期（效應(yīng)洗脫期）為2周。

1.2研究方法

教學(xué)設(shè)計(jì)。在介紹骨折類(lèi)型和移位方式時(shí)，我們引入3D打印或虛擬三維建模的方法，向?qū)W生說(shuō)明骨折的三維構(gòu)型。四肢骨折分為兩次見(jiàn)習(xí)課完成，甲組在第一次課使用3D打印模型教師講解和學(xué)生操作，教師可以在3D打印模型上標(biāo)記肌肉起止點(diǎn)、韌帶及關(guān)節(jié)囊等附著結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以使用圖釘和橡皮筋模擬定位這些結(jié)構(gòu)，并對(duì)骨骼及骨折塊進(jìn)行模擬受力，以了解骨折致傷的過(guò)程及繼發(fā)的不同骨折類(lèi)型和移位方式之間的關(guān)系，在第二次課使用三維虛擬建模，以在手機(jī)或電腦上投影的形式教師講解和學(xué)生操作，教師利用軟件切割虛擬3D模型或分離內(nèi)固定物，學(xué)生掃碼后可以進(jìn)入CT數(shù)據(jù)重建的虛擬三維模型，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在電腦或手機(jī)上進(jìn)行切割、分離、拼接、翻轉(zhuǎn)等操作，從日常平片和影像系統(tǒng)中CT三維重建不能觀察骨折的角度進(jìn)行觀察；乙組的兩次講課內(nèi)容與甲組一致，但使用的教學(xué)技巧順序與甲組相反。講解和實(shí)操結(jié)束后，兩組均由同一組高年資臨床教師指導(dǎo)分析病例，在隨堂測(cè)試結(jié)束后，填寫(xiě)問(wèn)卷。

教學(xué)效果評(píng)估。兩次見(jiàn)習(xí)課結(jié)束后，針對(duì)兩種教學(xué)技巧是否提高學(xué)生對(duì)骨折認(rèn)識(shí)的興趣度、操體性和直觀性，以0到10分別代表最無(wú)效和最有效，記錄評(píng)價(jià)等級(jí)得分，隨堂測(cè)試題記錄實(shí)際得分來(lái)評(píng)價(jià)兩種教學(xué)技巧的課堂應(yīng)用效果。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Python 3.9及科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包Numpy、Scipy、Pandas等，進(jìn)行22交叉試驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素方差分析和描述性統(tǒng)計(jì)，比較兩種教學(xué)技巧的課堂效果，p<0.05則差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

甲組（3D打印實(shí)體模式演示）和乙組（互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模演示）在以下四個(gè)方面進(jìn)行比較，課堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)分別為87.429分和87.143分，差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p>0.05）；對(duì)課程和疾病的感興趣程度和積極參與程度，學(xué)生主觀評(píng)價(jià)分別為9.143分和8.5分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）；模型在實(shí)際操作和手機(jī)或計(jì)算機(jī)上操作的體驗(yàn)評(píng)價(jià)，分別為8.286分和8.786分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）；對(duì)于疾病認(rèn)識(shí)的直觀性和易學(xué)程度評(píng)價(jià)，分別為9.071分和8.214分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）。詳見(jiàn)表1。

3討論

在骨科臨床教學(xué)實(shí)踐中，如何用較短的時(shí)間讓學(xué)生掌握骨科常見(jiàn)病的基礎(chǔ)知識(shí)，并結(jié)合課本和理論課的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維能力，一直是一線教師關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。無(wú)論是課本中的文字、圖片，抑或是教學(xué)幻燈片，無(wú)不是從抽象和二維示意圖的角度，試圖讓學(xué)生在腦中自行構(gòu)建骨折疾病的三維結(jié)構(gòu)。對(duì)于有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的教師來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程是很迅速的[5]。但是對(duì)于初始骨折，這類(lèi)空間位置依賴(lài)型的疾病，就會(huì)有部分學(xué)生出現(xiàn)理解困難，特別是部分來(lái)華留學(xué)生的英語(yǔ)水平和從事全英教育教師的英語(yǔ)表達(dá)之間仍然存在語(yǔ)言溝通問(wèn)題。例如，解釋致傷過(guò)程中的骨折發(fā)生和移位機(jī)制、可能的骨折端朝向?qū)ζ渌鞴俚挠绊懟蚴菆D像遮擋問(wèn)題，過(guò)多的語(yǔ)言表達(dá)也難以達(dá)到三維模型的直觀示意精度。

在常用的基于三維建模技術(shù)的教學(xué)技巧中，筆者及同事作為一線教師常用的有兩種，分別是3D打印技術(shù)直接實(shí)物建模和互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模，兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點(diǎn)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組學(xué)生的理論測(cè)試水平是具有一致性的，理解能力和推理能力都處于同水平。當(dāng)進(jìn)行線下教學(xué)時(shí)，3D打印實(shí)物建模顯著改善了學(xué)生的初次認(rèn)知水平，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，并在實(shí)操過(guò)程中，病因、致傷過(guò)程、診斷和治療原則，通過(guò)模型的動(dòng)態(tài)還原，可以融入對(duì)疾病的整體認(rèn)識(shí)中。這表現(xiàn)在學(xué)生對(duì)疾病更感興趣并主動(dòng)積極參與模型操作，更直觀、更快速、更準(zhǔn)確地了解骨折疾病的特點(diǎn)和分類(lèi)，從學(xué)生在這些方面的主觀評(píng)價(jià)來(lái)看，實(shí)體打印模型好于互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模。然而，在線上教學(xué)需要更加靈活的操作性能方面，互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬建模表現(xiàn)要好于3D打印的實(shí)物模型。學(xué)生在利用計(jì)算機(jī)或手機(jī)對(duì)虛擬模型進(jìn)行切割、旋轉(zhuǎn)、分離及多視角觀察等操作時(shí)，虛擬模型可以很快滿足這些要求，而實(shí)體的3D打印模型需要教師或?qū)W生動(dòng)手操作，沒(méi)有速度優(yōu)勢(shì)，且進(jìn)行切割操作后實(shí)體模型不可完全還原。我們也發(fā)現(xiàn)，兩種方式在教學(xué)中的應(yīng)用各有優(yōu)缺點(diǎn)，教師針對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)、應(yīng)用條件做出選擇性應(yīng)用，有利于發(fā)揮見(jiàn)習(xí)課堂到臨床的橋梁作用，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的骨科疾病臨床思維能力。

根據(jù)本研究的結(jié)果，結(jié)合上述討論與本學(xué)科的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為在疾病診斷和術(shù)前評(píng)估部分使用3D打印實(shí)體模型進(jìn)行教學(xué)效果較好，而在術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)和術(shù)后評(píng)估部分使用虛擬建模技術(shù)較好。本研究仍然存在局限性，如設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)單一，問(wèn)卷評(píng)測(cè)存在一定主觀性，課堂測(cè)試的試題量較小，不能更深入地評(píng)價(jià)兩種教學(xué)技巧的各個(gè)方面的課堂效果。目前國(guó)內(nèi)來(lái)華留學(xué)生全英班本科的骨科臨床教學(xué)并沒(méi)有統(tǒng)一的教學(xué)指南，各院校均按照自身對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)的理解設(shè)置課程，同時(shí)授課教師的教學(xué)模式和技巧存在多樣性的局面。因此，有必要在今后的教學(xué)改革和研究中，加強(qiáng)此領(lǐng)域的教學(xué)投入和師資培訓(xùn)，將更多的新技術(shù)，如3D打印、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐中來(lái)。

隨著我國(guó)國(guó)際影響力的不斷提升，很多來(lái)自東盟、南亞或非洲地區(qū)的學(xué)生進(jìn)入我國(guó)學(xué)習(xí)。作為國(guó)內(nèi)較早開(kāi)始招收來(lái)華留學(xué)生的醫(yī)學(xué)院校，我校一直致力于提高一線教師非母語(yǔ)教學(xué)的質(zhì)量。盡管授課過(guò)程均使用英語(yǔ)，但是在很多細(xì)節(jié)或?qū)I(yè)方面，教師的語(yǔ)言表達(dá)，學(xué)生的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)聽(tīng)力和理解力，都不同程度地存在著足以影響正確理念傳授的溝通障礙。3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模技術(shù)可以提供視覺(jué)和觸覺(jué)體驗(yàn)的提升，把復(fù)雜的疾病模型層次清楚、空間相對(duì)位置明確、翔實(shí)地展示在學(xué)生面前。這也間接減小了語(yǔ)言溝通障礙導(dǎo)致的負(fù)面課堂效果。

4結(jié)論與展望

兩種教學(xué)技巧各有優(yōu)缺點(diǎn)，3D打印技術(shù)更適用于認(rèn)知啟蒙、還原致傷過(guò)程和模擬診療計(jì)劃制訂，有助于降低需要抽象過(guò)程想象才能理解知識(shí)的學(xué)習(xí)難度，互聯(lián)網(wǎng)虛擬建模對(duì)于線上教學(xué)更友好且可以幾乎無(wú)限制地對(duì)虛擬骨骼模型進(jìn)行多種操作，有利于提高學(xué)生在骨科臨床教學(xué)課程中的參與度。兩者對(duì)于學(xué)生掌握理論知識(shí)表現(xiàn)相近。計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展極大地為醫(yī)學(xué)高等教育創(chuàng)造了更好的教學(xué)手段，3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程虛擬建模技術(shù)都是將原本抽象復(fù)雜的問(wèn)題變得直觀化，能有效提高學(xué)生的自學(xué)積極性，也增加了操控環(huán)節(jié)讓學(xué)生更好地融入課堂，使得知識(shí)吸收更全面和深入。形象化的教學(xué)也使得語(yǔ)言溝通的障礙被一定程度地消除。在未來(lái)的留學(xué)生高等醫(yī)學(xué)教育方面，這些新技術(shù)將得到更廣泛地應(yīng)用。

*通訊作者：丁曉飛

基金項(xiàng)目：廣西醫(yī)科大學(xué)本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目（桂醫(yī)大教評(píng)〔2021〕3號(hào)）（2021XJGQYBO1）。

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