大语言模型引导下PBL联合iSIM在骨科临床实习教学中的应用

Application of PBL combined with iSIM in clinical orthopedic internship teaching under the guidance of large language model

摘要

目的 探索大语言模型引导下以问题为中心的教学法（problem-based learning， PBL）联合情景模拟教学（improving simulation instructional methods， iSIM）在骨科临床实习教学中的应用效果。 方法 以滨州医学院烟台附属医院骨科100 名本科实习生作为研究对象，将学生随机分为试验组和对照组（每组50人）。试验组采用大语言模型引导下的PBL联合iSIM教学模式，对照组采用传统教学法（lecture based learning， LBL）教学模式。通过教学综合成绩、学生对教学方法评价、带教教师对教学方法评价三方面进行教学效果综合评价。 结果 大语言模型引导下PBL联合iSIM的试验组教学综合成绩为（90.5±5.1）分，优于对照组的教学综合成绩（80.8±7.3）分（t=7.671，P<0.001）；学生对教学方法的评价方面，试验组的评价优于对照组（两组评价为“十分满意”“满意”的比例分别为66.0%、20.0%和10.0%、10.0%，Z=6.407，P<0.001）；带教教师对教学方法的评价方面，试验组的评价优于对照组（两组评价为“十分满意”“满意”的比例分别为58.0%、16.0%和10.0%、30.0%，Z=4.919，P<0.001）。 结论 大语言模型引导下PBL联合iSIM教学模式可有效提高骨科临床实习生学习效果，值得进一步推广。

Abstract

Objective To explore the application effect of PBL combined with iSIM under the guidance of large language model in clinical orthopaedic internship teaching. Methods 100 undergraduate interns rotating in the orthopaedic department of Yantai Affiliated Hospital of Binzhou Medical University were selected as the study subjects, and divided into the experimental group and the control group respectively, with 50 students in each group. The experimental group adopted the new teaching mode of PBL combined with iSIM under the guidance of large language model, and the control group adopted the traditional teaching mode of LBL. The teaching effect was evaluated through the three aspects of the comprehensive teaching achievement, students’ satisfaction with the teaching method, and the satisfaction of the teaching teachers with the teaching method. Results The overall score of the experimental group taught by PBL combined with iSIM under the large language model was 90.5±5.1 points, and that of the control group was (80.8±7.3) points (t=7.671, P<0.001); Regarding students’ evaluations of teaching methods, the experimental group outperformed the control group (the proportions of students rating ‘highly satisfied’ and ‘satisfied’ were 66.0% and 20.0% versus 10.0% and 10.0% respectively; Z=6.407, P<0.001); In terms of teaching staff evaluations of teaching methods, the experimental group outperformed the control group (the proportions of ‘highly satisfied’ and ‘satisfied’ responses were 58.0% and 16.0% versus 10.0% and 30.0% respectively, Z=4.919, P<0.001). Conclusion The PBL combined with iSIM teaching mode guided by the large language model improves the learning effect of clinical interns rotating in orthopaedics significantly and is worth promoting.

关键词

大语言模型 / PBL / iSIM / 骨科 / 临床实习生

Key words

large language model / PBL / iSIM / orthopedics / clinical interns

随着中国高等教育的逐渐普及，本科生的数量愈来愈多，如何更加高效地提升临床本科生的教学质量，培养高质量医疗人才，一直是国家和社会所关注的重点。骨科作为临床科室的重要组成部分，主要研究骨、肌肉、相关解剖、生理状态，并以药物和手术为主要治疗方式解决患者问题。其特点是理论性强，且需要积极实践。在以往的骨科教学活动中，因为缺少合适的教学方式，所以带教教师讲授为主的常规教学模式占据主导。因此，学生对知识被动接受，独立思考不足，学习效果往往不佳^[1]。以问题为中心的教学法（problem-based learning，PBL）是一种新兴的教育方法，最早由加拿大McMaster大学的Barrows教授提出，重点是培养学生发现问题，并自我思考解决问题的能力，它打破了以往学生刻板地被动接受书本知识的模式，更加注重学生从自身出发，独立思考解决问题的能力。相较于传统教学法（lecture based learning，LBL），它采用提问来强调以学生为中心，激发创新和思维能力，从而从自身出发，进一步提升学生的学习能力^[2]。但随着时代的进步发展，诸多学者不断探索，在单一PBL教学基础上进行联合教学模式，诸如PBL联合CBL、PBL联合TBL等联合教学先后涌现，极大地开拓了我国高等教育的教学模式^[3]。医学院校的临床实习生作为未来的医疗储备人才、未来的医护人员，如何更好地掌握临床技能知识，克服传统授课学生主动性不强、兴趣缺乏、临床技能不足等缺点，更好地适应未来临床工作，一直是大家讨论和研究的重点^[4]。情景模拟教学（improving simulation instructional methods，iSIM）是一种通过对仿真虚拟情景医学教学模式进行优化后的教学方法，通过模拟高仿真医学情境、设备配合，构建一种团体互动的教学模式，力求达到最优化的医学模拟教学效果^[5-6]。PBL联合iSIM教学新模式充分发挥了两者的优势，弥补了各自的缺点，更加符合社会对临床高学历人才的要求。

随着时代的发展和科技的进步，多种新技术新项目蓬勃发展，其中人工智能技术的发展尤为显著。大语言模型（large language model，LLM）自2018年发布以来，一直呈高速发展的状态，尤其在2022年，人工智能技术爆发式发展，对人们的工作和生活带来前所未有的变革和机遇。目前，因其智能性、简便性和综合性等多种优势，为交通、建筑、金融和医疗等各行各业所青睐^[7]。其中，尤以医学高等教育行业为最，逐步形成了“大语言模型＋高等教育”的新模式。智能时代背景下，人工智能已经融入工作生活的方方面面，大语言模型的出现进一步拓展了各个领域的发展，部分西方国家的医学教育体系已紧跟时代潮流，逐步探索人工智能联合高等教育的新型教学方式，而我国起步较晚，对于“大语言模型+高等教育”的探索不足，尤其是在大语言模型对医疗高等教育方面的探索，更为不足^[8-9]。对此，该研究采用大语言模型引导下PBL联合iSIM教学模式与传统LBL教学模式对比，以期为该方面的教学应用提供借鉴。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取2022年5月—2023年5月在滨州医学院烟台附属医院进行临床实习的在读临床专业且轮转骨科的滨州医学院本科大五学生100 例，随机分为试验组（n=50）和对照组（n=50）。试验组采用大语言模型引导下PBL联合iSIM教学模式，对照组采用传统教学模式。

1.2 方法

对照组 采用传统的讲授模式，临床带教教师通过课堂讲解传授理论知识，并对其进行系统性讲解；实践技能通过带教教师以讲解示范的方式进行教授。

试验组 采用大语言模型引导下PBL联合iSIM教学方法，主要分为三个环节，具体如下。

第一，准备阶段。带教教师以骨科核心教学章节（如骨折概论、脊柱损伤、关节脱位、骨科围手术期管理）为框架，结合临床教学大纲，通过大语言模型整合骨科典型病例库（如老年股骨颈骨折、桡骨远端骨折、腰椎间盘突出症、骨盆骨折等），并对病例进行专科化处理，以真实案例为基础按照病例典型化、数据规模化进行处理。与此同时，初步对学生进行大语言模型的教授，要求学生在课余时间通过人工智能技术进行初步查阅学习，包括检索骨科手术操作视频、解读X 光片/CT 影像报告、查询围手术期并发症防治要点等。通过学生自学，完成布置内容，然后将个人学习内容汇总给组长，进行小组内集体讨论，优化答案，全程在教师指导下进行。

第二，现场模拟。在带教教师的带领下，按照iSIM教学方法，在医院骨科模拟训练室开展教学，配备骨科专用模拟人、手术器械、影像学阅片系统。带教教师根据准备阶段的典型病例，设置骨科真实临床场景，学生分组扮演医生、护士、患者，完成全流程模拟。①骨科专科诊疗：问诊、专科查体、影像学阅片。②临床决策与操作：制定初步诊断、选择治疗方案、模拟核心操作。③医患沟通与协作：向“患者”告知病情、小组内分工协作。带教教师以骨科临床问题为引导，引导学生自我思考，对临床存在的实际问题进行剖析，并以组为单位进行初步讨论，再以组为单位进行进一步的升华，深化对骨科诊疗逻辑的理解。

第三，讨论反思。带教教师结合学生的模拟表现和讨论结果，开展骨科专项点评。①指出诊疗过程中的骨科规范问题。②解答骨科核心疑点，随后通过 LLM进行骨科知识深化：首先，演示骨科手术三维动画，直观呈现手术关键节点；其次，检索最新骨科循证证据，验证学生治疗方案的科学性；再者，针对骨科前沿问题进行拓展；最后，对大语言模型进行更深层次的教授，对LLM应用、交互式信息检索、算法公平性、内容分析与LLM应用、多模态信息检索等方面进行二次教授，突出重点，解答疑点。学生结合点评和二次教授的内容，撰写骨科病例反思报告，重点记录骨科专科知识漏洞、临床决策改进方向，形成闭环学习。

1.3 评价指标

学生成绩方面，通过临床理论考试与实践技能操作进行测评打分，评分为0~100 分，临床理论考试成绩和实践技能操作成绩，各占50%。

学生对两种教学方法进行评价，采取自制调查问卷，匿名答卷，学生自行评价，回收后分组汇总。评价分为五档，分别为：十分满意、满意、基本满意、一般满意、不满意。

带教教师对两种教学方法进行评价，同样采取自制调查问卷，分发给带教教师，采用匿名答卷，综合学生理论知识储备、日常实践表现及最终考试成绩三方面综合，客观地对两种教学方式进行评价。评价分为五档，分别为：十分满意、满意、基本满意、一般满意、不满意。

1.4 统计分析方法

采用SPSS 27.01软件对研究数据进行分析，计量资料以（x±s）表示，计数资料和等级资料采用n（%）表示，计量资料组间比较采用独立样本t检验，计数资料的组间比较采用χ²检验，等级资料的组间比较采用秩和检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 研究对象一般资料

试验组50名学生[男28 人（56.0%），女22 人（44.0%）]，对照组50名学生[男27 人（54.0%），女23 人（46.0%）]，年龄21~25 岁，两组年龄分别为（22.9±0.9）、（22.9±0.7）岁。两组学生大学在校期间理论成绩分别为（85.7±7.1）、（86.3±4.7）分；大学在校期间技能成绩分别为（85.9±6.4）、（87.3±7.5）分；见习表现成绩分别为（86.2±8.6）、（85.9±9.2）分。以上数据的差异均无统计学意义（均P>0.05），具体见表1，两组研究对象的一般情况齐同可比。

2.2 两组学生成绩分析

对比两组学生授课后的临床理论考试成绩和实践技能操作成绩，发现大语言模型引导下PBL联合iSIM试验组和对照组成绩分别为（90.5±5.1）、（80.8±7.3）分，试验组优于对照组（t=7.671，P<0.001）。

2.3 两组学生对教学方式的评价

两组学生对教学方式的评价结果显示，试验组十分满意占66.0%、满意占20.0%、基本满意占 8.0%、一般满意占6.0%、不满意占0.0%；对照组十分满意占10.0%、满意占10.0%、基本满意占48.0%、一般满意占16.0%、不满意占16.0%。试验组十分满意比例高于对照组，不满意比例低于对照组，两组学生对教学方式满意度的差异有统计学意义（Z=6.407，P<0.001）。如表2所示。

2.4 带教教师对两组教学方式评价

带教教师对两组教学方式的评价结果显示，试验组十分满意占58.0%、满意占16.0%、基本满意占 12.0%、一般满意占10.0%、不满意占4.0%；对照组十分满意占10.0%、满意占30.0%、基本满意占 12.0%、一般满意占24.0%、不满意占24.0%。试验组十分满意比例高于对照组，不满意比例低于对照组，带教教师对两组教学方式的评价结果的差异有统计学意义（Z=4.919，P<0.001）。如表3所示。

3 讨论

骨科作为临床科室的重要组成部分，在医疗人才储备、未来行业发展中起着重要作用。PBL以小组为学习单位，着重培养学生的创造性思维，鼓励学生发现问题，提升独立处理问题的能力，与传统教学法相比，PBL更结合临床实际，可以围绕实际情况进行组内、组间互动讨论学习^[10-11]。但本研究不局限于单纯的PBL应用于临床，而是以PBL为基础，以大语言模型为辅助导向，同时以iSIM情景模拟的“临床病例”为桥梁，实现人工智能、医学和教学三者的有机结合，从而使学生正确地运用所学知识，适应现代社会要求，加强医患沟通能力，提高个人综合素质，更好地契合临床^[12]。

研究结果显示，试验组学生的临床理论考试成绩与实践技能操作成绩均高于对照组（P<0.05）。这一结果得益于iSIM教学模式营造的沉浸式环境，能够实现学生身份的无缝转换，使其从传统“应试”状态顺利过渡至问题解决模式。同时，大语言模型凭借其强大的智能算法与庞大的数据库，可针对教学难点、重点及学生知识点掌握薄弱环节设计“个体化”问题，促使学生在解决问题的过程中同步提升理论水平与实践技能。此外，该教学模式有效规避了传统“机械式”“填鸭式”知识输入型教学的枯燥性与乏味性，具体表现为试验组学生对教学模式的满意度显著高于对照组（P<0.05）。

大语言模型引导下的PBL联合iSIM模式，还能最大限度地减轻带教教师日常繁琐、重复性的带教任务，推动带教教师从教学执行者转变为教学督导者。这种身份转变不仅使带教教师对新型教学模式的接受度更高，而且让教师得以节省大量时间用于补充、优化和精简大语言模型的数据库。

本研究数据表明，试验组学生在知识掌握、临床应变能力、团队协作能力、学习兴趣等方面均优于对照组（P<0.05）。这提示，大语言模型引导下的 PBL 联合iSIM教学模式相较于传统教学模式，在提升学生各方面能力上更为有效。综上所述，以大语言模型为引导，联合iSIM等多种教学模式，在PBL教学模式的基础上，更有利于学生进行自我反思、冷静分析，并在批判思维和人工智能辅助下不断开展辩证思考^[13-14]，优势十分明显。

关于新式教学模式的探索，早在20世纪80年代，大部分西方发达国家，如北美医学院校的临床实习生开始尝试运用PBL教学模式；在20世纪90年代中后期，亚洲和欧洲许多医学院也开始相继尝试PBL教学。而现如今随着医学的发展，全球各大医学院校都在相继探索新式的PBL联合教学新模式，中国虽然教学新模式起步较晚，但大数据、人工智能技术的兴起无疑提供了一个在医学高等教育方面追赶甚至超越西方国家的契机^[15-16]。目前，尽管新式教学模式的探索在我国蓬勃发展，但也难免存在一些问题。第一，教学时间安排及教学支持存在问题，学生需要花费大量的时间进行准备，带教教师也要花费大量的时间进行课前准备，很多时候准备时间较多，而教学时间却相对减少^[17]。第二，学生在以往的学习经历中，受传统填鸭式教学的影响，往往缺乏独立学习的能力，前期适应性较差，学习进度缓慢，影响整体教学进程^[18-19]。第三，大语言模型下多种教学模式联合，有些带教教师对大语言模型这种新兴人工智能理解不深，还有教师对新式教学方法经验不足，无法为学生提供精确的指导，在教学模式上仍然受传统教学模式的影响^[20-21]。但值得庆幸的是，随着本研究的进行，师生双方对大语言模型及PBL联合iSIM联合教学模式的熟悉，以上问题在不断地削减，并且师生双方配合更加默契紧密，促进了师生关系的和谐。

综上所述，传统的LBL教学模式已无法适应目前社会对临床医疗人才的培养需求。探索新型教学模式提高学生的自我学习能力，使其适应现代临床医疗节奏并掌握临床实践，才符合现代医疗卫生行业的新要求。大语言模型引导下PBL联合iSIM教学模式恰好完美地符合这些要求^[22]。大语言模型引导下PBL联合iSIM教学模式通过全新的教学模式提高学生的学习兴趣，培养学生临床实践能力及思维方式，锻炼处理紧急事件的应急能力，培养为病人服务的意识。虽然本研究的新式教学模式还存在着不足和挑战，但并不能否认本研究的意义和价值，相信在不远的未来，经过发展完善，其会成为临床医疗体系培养高素质人才的重要途径。

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