案例教学法联合3D打印技术在儿童足踝畸形教学中的应用

Application of case-based learning combined with 3D printing technology in teaching foot and ankle deformities in children

摘要

目的 探讨案例教学法（case-based learning，CBL）联合3D打印技术在儿童足踝畸形教学中的应用价值。 方法 选取2023年1—6月于首都医科大学附属北京儿童医院骨科轮转的40名儿外科学专业型硕士研究生作为研究对象。采用随机数字表法将40名研究对象随机分为试验组和对照组，每组20名。对照组及试验组的学习内容均为儿童常见足踝畸形，包括先天性马蹄内翻足、先天性垂直距骨、高弓内翻足、扁平外翻足的解剖特点、诊断标准及治疗原则。对照组采用传统教学法讲解，利用足踝畸形患儿的影像学资料及正常踝关节模型进行授课。试验组采用基于足踝畸形3D打印模型的CBL模式进行教学。即从首都医科大学附属北京儿童医院影像科调取足踝畸形的电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）数据资料，制作3D打印模型，教师借助3D模型为试验组进行立体展示，对足踝畸形的解剖结构、诊断要点及治疗方案进行讲解。课后通过主观问卷及客观考核判断教学效果。 结果 试验组在主观问卷调查自我评价得分和客观考核得分方面，均优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。 结论 CBL联合3D打印技术的教学模式可提高学生对儿童足踝畸形的理解和掌握，弥补传统教学的不足，具备更好的教学效果。

Abstract

Objective To explore the application value of case-based learning (CBL) combined with 3D printing technology in teaching foot and ankle deformities in children. Methods Forty postgraduates who were rotated in the Department of Orthopedics, Beijing Children's Hospital, Capital Medical University from January to June 2023 were selected and randomly divided into experimental group (n=20) and control group (n=20). The learning contents of the control group and the experimental group were common foot and ankle deformities in children, including the anatomical characteristics, diagnostic criteria and treatment principles of congenital equinovarus, congenital vertical talus, high arch varus and flat valgus. The control group was taught by traditional teaching method, using imaging of children with foot and ankle deformities and normal ankle models. In the experimental group, the CBL mode based on 3D printing technology was used for teaching, and the computed tomography (CT) data of foot and ankle deformities were obtained from the imaging department of our hospital to make 3D printing model. Teachers made a detailed display for the experimental group with the help of 3D model, and explained the anatomical structure, diagnosis and treatment of foot and ankle deformity. After class, the teaching effect is assessed by subjective questionnaire and objective assessment. Results The scores of subjective self-evaluation and objective assessment in the experimental group were significantly better than those in the control group, and the difference was statistically significant (P＜0.05). Conclusion CBL combined with 3D printing technology can improve students' understanding of foot and ankle deformities in children, make up for the deficiency of traditional teaching, and have better teaching effect.

关键词

案例教学法 / 3D打印技术 / 足畸形 / 踝畸形

Key words

case-based learning / 3D printing technology / foot deformity / ankle deformity

儿童足踝畸形是临床上较为常见的儿童肢体畸形，包括先天性马蹄内翻足、先天性垂直距骨、高弓内翻足、扁平外翻足等^［1-3］。由于儿童足踝畸形发病机制比较复杂，解剖变异多并且比较抽象，因此医学生需要具备较强的空间想象能力以及思维转变能力，才可以掌握儿童足踝畸形的基本临床知识。如何提高教学质量和学生的学习效果是儿童足踝畸形临床教学中面临的棘手难题。

基于教学大纲中对于儿童足踝畸形疾病的要求，授课教师常会借助正常骨骼模型以及影像学资料讲授相关理论知识^［4］。然而，影像学资料不具备良好的空间立体感，并且教学中所用骨骼模型的结构多是正常的骨骼结构，不能直接展现儿童足踝畸形的解剖特点，导致大多数学生不能充分构建立体的足踝畸形解剖结构，教学效果不甚理想^［5］。

案例教学法（case-based learning，CBL）旨在将客观实际的案例应用到教学中，将空洞的理论置于具体病例进行阐述^［6］。CBL联合3D打印技术，能够真实再现儿童足踝畸形的解剖结构，具有很强的三维直观性^［7-8］。相比于传统教学法，有望提高儿童足踝畸形的教学效果。本研究通过与传统教学模式的效果进行对比，探讨CBL联合3D打印技术在儿童足踝畸形教学中的应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2023年1—6月于首都医科大学附属北京儿童医院骨科轮转的40名儿外科学专业型硕士研究生作为研究对象。采用随机数字表法，将40名研究对象随机分为试验组和对照组，每组20名。试验组男生6名，女生14名，年龄24.3～26.1岁，平均年龄（24.9±0.3）岁。对照组男生7名，女生13名，年龄24.2～26.4岁，平均年龄（25.1±0.6）岁。两组比较，差异无统计学意义（P＞0.05），组间资料具有可比性。

1.2 研究方法

对照组及试验组的学习内容均为儿童常见足踝畸形，包括先天性马蹄内翻足、先天性垂直距骨、高弓内翻足、扁平外翻足的解剖特点、诊断标准及治疗原则。

对照组采用传统的案例教学法授课，借助影像学资料及踝关节正常实体模型进行讲解，理论授课过程中穿插临床案例，对先天性马蹄内翻足、先天性垂直距骨、高弓内翻足、扁平外翻足的典型案例各1例进行讲解。

试验组采用基于3D打印技术的CBL教学模式，课前选取先天性马蹄内翻足、先天性垂直距骨、高弓内翻足、扁平外翻足的教学案例各1例。从首都医科大学附属北京儿童医院影像科调取教学案例的电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）数据资料，导入3D打印机进行三维重建，并打印骨骼模型（图1）。教师基于具体案例，借助3D模型为试验组学生进行立体展示，对4例典型儿童足踝畸形的解剖特点、诊断要点及治疗方案进行讲解。

1.3 教学效果分析与评价

授课结束后，采用理论考核与调查问卷对上述授课结束后，采用理论考核与调查问卷对上述两种教学方式的效果进行客观及主观两方面评估。

客观评估将主要包括儿童足踝重要解剖结构的识别、解剖变异特点、临床诊断以及治疗原则等理论知识的考核。客观评估将通过考核学生对于儿童足踝解剖结构的准确识别和理解，解剖变异特点的把握程度，以及对临床诊断与治疗原则的掌握情况，来评估他们对于理论知识的掌握程度。这一部分通过标准化的考试问卷形式进行，以客观的分数反映学生的理论学习水平，总分为100分。

主观评估则通过调查问卷的形式，让学生对教学效果进行自我评分，包括课程评价、教学评价、自学能力、理解能力、学习效率以及课程专注度。主观评估注重学生对于教学过程的感受和体验。通过调查问卷，学生将对于课程的整体评价、教学的质量、自身的学习能力和理解水平、学习效率以及在课程中的专注度等方面进行自我评分，更全面地了解学生对于教学内容和教学方法的认可程度，以及他们自身在学习过程中的体验和感受，总分为100分。

1.4 统计学方法

采用SPSS 23.0统计学软件对数据进行处理分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，组间比较采用独立样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

客观指标课后理论测试结果发现，试验组成绩高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.001）（表1）。对于课程设计主观评价及教学效果主观评价，试验组评分均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.001）（表2）。

对于教学效果的自我测评，试验组评分高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.001）（表3）。

3 讨 论

3.1 儿童足踝畸形的特点及教学现状

儿童足踝畸形发病机制比较复杂，解剖变异具有明显的抽象性。在传统教学模式中，借助患儿的影像学资料和正常的骨骼模型，无法直接展现患儿足踝畸形的解剖特点。对于复杂畸形来说，大多数学生不能充分构建立体的足踝畸形解剖结构，教学效果长期难以取得突破^［4，9］。传统教学方法在训练临床思维能力和激发学习兴趣上的效果同样偏低，如何提高教学质量和授课效率是儿童足踝畸形教学中所面临的一大重要挑战^［7-8］。

3.2 案例教学法及3D打印技术在骨科教学中的应用情况

案例教学法联合3D打印技术作为比较成功的教学模式，在骨科临床及教学领域中，取得了较好的教学效果。3D打印技术起源于20世纪90年代，以患者影像学数字模型为基础，通过逐层叠加打印可黏合材料的方式，呈现出实体的3D模型。将抽象的结构可视化、实体化，具有很强的三维直观性^［10-11］。3D打印技术问世后，在骨科的临床教学及手术规划等领域获得了广泛应用^［12-15］。Cai等^［16］研究发现，针对枕颈交界区域畸形，3D打印模型具有直观性，可以展示枕颈交界区域畸形的结构，帮助初级医师更好理解畸形的变异特点。王升儒等^［17］将3D打印模型引入脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学，帮助初级医师更好地理解脊柱三维畸形，提供更多的动手练习机会。解决了传统教学模式中，初级医师面临的尸源少、成本高、标本退变严重、实操机会少以及学习曲线长等困难。Huang等^［18］发现相较于虚拟现实教学及普通骨骼模型辅助教学，3D打印模型可以帮助初级医师更好地理解髋臼骨折的受伤机制及解剖特点。高鹏等^［19］应用3D打印模型进行重度下肢畸形的临床教学，初级医师对复杂畸形特点的理解，以及对临床治疗方法的掌握情况相较于传统教学方法取得明显提高。

3.3 案例教学法及3D打印技术在骨科教学中的优势

目前，CBL联合3D打印技术应用于骨科临床教学的优势主要包括：①3D打印明显降低医学教学成本。相比于传统尸体标本教学，使用3D打印标本可以解决尸源不足，尸体标本制作、储存及管理费用高等问题，明显降低医学院和医疗机构的成本^［20］。②案例教学法联合3D打印模型可以提升医学生对人体组织结构解剖的兴趣以及理解能力。部分医学生在第一次面对尸体标本时会产生负面情绪，产生避免与尸体标本发生接触的情感倾向，案例教学法联合3D打印模型可以降低医学生的不适感，提升学生对于解剖课程的学习兴趣。③3D打印模型可以提升医学生对外科手术训练的兴趣和学习效率。3D打印模型比平面成像或二维图像能够更快、更清晰地传递解剖关系三维立体信息，并且可以模拟术前规划及术中手术操作，有助于医学生的学习以及医学诊断和术前规划^［21］。

本次研究结果同样显示，CBL联合3D打印技术的教学模式具有较好的可行性及应用价值，具有直观及可重复性强等优势，可以提高学生的自学能力、理解能力、学习效率以及课程专注度，相比于传统教学模式，进一步提高了课程教学效果。教学过程中通过引入3D打印模型，使学生能够结合实体模型，快速地获取相关解剖变异特征，激发学生学习兴趣，提高课堂参与性、互动性及学生的掌握程度^［19］。具有传统教学模式难以企及的优点，体现了良好的教学前景。

3.4 案例教学法及3D打印技术在骨科教学中的不足

目前，CBL联合3D打印技术应用于骨科临床教学的不足主要包括：①3D打印模型存在不同程度的精度和质量问题；②3D打印模型主要展现骨性结构，无软组织附着，无法真实地呈现肌肉、血管和神经的分布和走形情况；③模型操作与人体内操作存在触感及力度的显著差别，难以完全真实模拟实际人体的手术操作；④高精度3D打印机价格较高，打印软件需要复杂的操作技巧，存在一定的技术壁垒及学习曲线^［22］。

可通过以下方式，弥补上述不足：①提升打印模型精度和质量：采用更先进的3D打印技术，如光固化3D打印、多材料打印等，以提高模型的精度和质量，定期对3D打印设备进行维护和校准，确保其处于最佳工作状态，选择高质量的打印材料，以确保打印出的模型质量稳定且准确；②增加软组织模拟：探索多材料打印技术，结合软组织仿生材料，使得打印模型能够更真实地呈现肌肉、血管和神经的分布和走形情况，考虑在模型表面添加柔软的材料，以模拟软组织的触感和外观；③改善操作仿真体验：结合虚拟现实技术，开发模拟手术操作软件，让学生通过虚拟环境进行操作练习，以弥补实际操作与模型操作之间的差异，制作可调节模拟手术环境，如增加压力传感器和反馈机制，使得学生能够更真实地感受到手术操作中的触感和力度；④降低技术门槛和成本：提供培训课程和教育资源，探索合作模式或共享资源，如建立共享3D打印设备的试验室，以减少设备投资成本。通过以上方案的实施，可以有效解决CBL联合3D打印技术应用于骨科临床教学中的不足，提升教学效果和学生体验。

未来将进一步探索将该教学模式应用于进修医师的授课过程中，利用3D模型进行手术讲解及术前规划，提供给进修医师更多的实际操作机会，提高进修医生对于儿童足踝畸形的理解，缩短进修医生对于儿童足踝畸形手术的学习曲线。相信随着3D打印技术的不断完善发展，模型的质量将不断地提高，可以进一步提高3D打印技术的临床价值，进一步提高骨科临床教学的效果。

综上所述，儿童足踝畸形CBL教学过程中借助3D模型进行授课，相比传统教学法过程更加生动、丰富、高效，教学效果更加理想。学生可以更有效地理解掌握儿童足踝部畸形的解剖、诊断及治疗方案，在临床教学中具有明显的优势和可行性。

参考文献

[1] Badin D， Ortiz-Babilonia C D， Gupta A， et al. Prescription patterns， associated factors， and outcomes of opioids for operative foot and ankle fractures： a systematic review［J］. Clin Orthop Relat Res， 2022， 480（11）： 2187-2201.

[2] Tileston K， Baskar D， Frick S L. What is new in pediatric orthopaedic foot and ankle［J］. J Pediatr Orthop， 2022， 42（5）： e448-e452.

[3] Holbrook H S， Bowers A F， Mahmoud K， et al. Weight-bearing computed tomography of the foot and ankle in the pediatric population［J］. J Pediatr Orthop， 2022， 42（6）： 321-326.

[4] 李晓峰. 3D打印技术在骨科临床教学中的应用［J］. 微创医学， 2018， 13（2）： 217-218.

[5] 郭建平， 李增新， 王法佳， 3D打印技术在骨科临床教学实施中的效果［J］. 中国地方病防治杂志， 2018， 33（4）： 399-400.

[6] 谭刚， 张莉， 吴刚， 以案例为基础学习教学方法在局部解剖学教学中对医学生专业素质与能力培养的探讨［J］. 中华医学教育杂志， 2016， 36（4）： 542-545.

[7] 刘颖， 马丙栋， 康乐， CBL联合3D打印技术在足踝外科教学中的应用［J］. 中国继续医学教育， 2021， 13（28）： 61-63.

[8] 尹刚， 孔德海， 邓明明， 3D打印联合PBL与CBL教学法在足踝外科教学中的应用［J］. 中国继续医学教育， 2022， 14（16）： 86-89.

[9] So E， Hyer C F， Richardson M P， et al. What is the current role and factors for success of the journal club in podiatric foot and ankle surgery residency training programs？［J］. J Foot Ankle Surg， 2017， 56（5）： 1009-1018.

[10] Marro A， Bandukwala T， Mak W. Three-dimensional printing and medical imaging： a review of the methods and applications［J］. Curr Probl Diagn Radiol， 2016， 45（1）： 2-9.

[11] Mogali S R， Yeong W Y， Tan H K J， et al. Evaluation by medical students of the educational value of multi-material and multi-colored three-dimensional printed models of the upper limb for anatomical education［J］. Anat Sci Educ， 2018， 11（1）： 54-64.

[12] 汪洋， 地力牙尔·莫合塔尔， 纪保超， 案例教学法在骨科实践教学中的应用效果［J］. 新疆医科大学学报， 2021， 44（3）： 396-398.

[13] 解焕鑫， 杨华清， 李强， 依托网络的案例教学法联合思维导图教学模式在骨科康复教学中的应用与评价［J］. 中国医刊， 2023， 58（3）： 345-348.

[14] 周鹏， 李欢， 徐鹏. 3D打印技术联合CBL教学法在骨科临床实习带教中的应用效果［J］. 当代教育实践与教学研究， 2023（1）： 106-108.

[15] 王建卫， 李冰浩. 3D打印技术在创伤骨科临床病例教学中的应用［J］. 中国继续医学教育， 2023， 15（1）： 139-143.

[16] Cai S Y， He Y， Cui H M， et al. Effectiveness of three-dimensional printed and virtual reality models in learning the morphology of craniovertebral junction deformities： a multicentre， randomised controlled study［J］. BMJ Open， 2020， 10（9）： e036853.

[17] 王升儒， 杜悠， 余伟杰， 3D打印技术在脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学中的应用［J］. 中华骨与关节外科杂志， 2021， 14（9）： 784-787.

[18] Huang Z F， Song W H， Zhang Y S， et al. Three-dimensional printing model improves morphological understanding in acetabular fracture learning： a multicenter， randomized， controlled study［J］. PLoS One， 2018， 13（1）： e0191328.

[19] 高鹏， 杜悠， 边焱焱， 3D打印技术及VR技术在重度下肢畸形矫正临床教学中的应用［J］. 中华骨与关节外科杂志， 2019， 12（9）： 712-716.

[20] 马丽娜， 李耘. 3D打印技术在医学教学中的应用［J］. 医学教育管理， 2020， 6（3）： 263-268.

[21] Bohl M A， Zhou J J， Mooney M A， et al. The barrow biomimetic spine： effect of a 3-dimensional-printed spinal osteotomy model on performance of spinal osteotomies by medical students and interns［J］. J Spine Surg， 2019， 5（1）： 58-65.

[22] 李忠海， 鲁明， 高淑贤， 3D打印技术在骨盆骨折临床教学中的应用及效果评价［J］. 中国高等医学教育， 2020（4）： 75-76.