数字骨科技术结合受力分析在创伤骨科教学中的应用

Application of digital orthopedic technology combined with force analysis in trauma orthopedic teaching

摘要

目的 探讨数字骨科技术结合受力分析教学法在创伤骨科临床教学中的应用及效果评估。 方法 采用前瞻性对照设计，将临床实习阶段的58名医学本科生分为试验组和对照组，试验组28名学生采用数字骨科技术中的三维重建、3D打印及有限元分析，以受力分析为基础进行复杂骨折分型与治疗的教学方法，对照组30名学生采用传统教学方法。通过问卷调查和试卷考核的方式评估两组不同教学方法的效果。 结果 问卷调查中，在学习价值、教学组织、师生互动、课程拓展4个维度，两组学生评分比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；在教学热情、师生关系、考核评价、作业阅读、课程评价维度中，两组学生评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。试验组的出科考试成绩为（88.46±4.47）分，高于对照组的（85.50±5.74）分（P＜0.05）。 结论 以数字骨科技术结合受力分析教学法应用于医学本科生在创伤骨科临床实习阶段的教学，不仅提高了学生的理论知识和技能水平，还有助于培养学生的临床决策能力，有效提高了教学效果。

Abstract

Objective To explore the application of force analysis teaching mode in clinical teaching of trauma orthopedics, with the support of digital orthopedic technology. Methods A prospective controlled design was adopted, and 58 medical undergraduate students during the clinical internship stage were randomly divided into an experimental group and a control group. The experimental group consisted of 28 students who were taught complex fracture classification and treatment based on force analysis using 3D reconstruction, 3D printing, and finite element analysis in digital orthopedic technology. The control group consisted of 30 students who received traditional teaching methods. The effectiveness of two different teaching methods were evaluated by questionnaire surveys and paper assessments. Results In the questionnaire survey, there was a statistically significant difference in scores between the two groups of students in four dimensions: learning value, teaching organization, teacher-student interaction, and curriculum expansion (P＜0.05); There was no statistically significant difference in scores between the two groups of students in the dimensions of teaching enthusiasm, teacher-student relationship, assessment and evaluation, homework reading, and course evaluation (P＞0.05). The final exam score of the experimental group (88.46±4.47) points was significantly higher than that of the control group (85.50 ± 5.74) points (P＜0.05). Conclusion The application of a teaching model based on force analysis combined with digital orthopedic technology in the clinical internship stage of trauma orthopedics for medical undergraduate students not only improves their theoretical knowledge and skill level, but also helps to cultivate their clinical decision-making ability, which improving teaching effectiveness.

关键词

数字骨科技术 / 受力分析 / 教学方法 / 创伤骨科 / 教学效果

Key words

digital orthopedic technology / force analysis / teaching model / trauma orthopedic / teaching effectiveness

创伤骨科是临床教学中的重要内容，由于涉及知识点众多，与诸学科有交叉关联，因而成为医学生乃至低年资骨科医生学习的难点。创伤骨科学习的前提是对局部解剖的掌握与生物力学的认知，以此逐步了解骨折的创伤机制与临床分型^［1］。医学本科课程是以学科时间线作为学习方式，传统的教学方法以文字、图片、幻灯片展示等教师单方面输出的方法，促进学生进行简单记忆，学生在创伤骨科部分的学习很难深入理解并在头脑中构建相应的知识体系，导致学习效率和积极性降低，存在学习主动性不足及教学效果不理想的情况^［2］。

利用数字骨科技术中的三维重建、3D打印、有限元分析等技术，可突破二维平面壁垒，以更直观的方式重建骨骼在受外力的情况下的病理演变方式，不仅在创伤骨科的临床诊疗中占据举足轻重的地位，在国内外多个专科教学培训平台中发挥积极作用，取得积极的效果^［3-4］。教学中引导学生以受力分析为基础主动探讨并理解骨折分型的产生以及治疗方式，提高学生学习兴趣的同时，辅助其在头脑中构建从解剖到临床的知识连贯性。本研究利用数字骨科技术结合受力分析的教学法，对本科生临床实习阶段在创伤骨科的学习进行临床教学优化，并与传统教学方法进行比较，初步探讨其教学效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

将2023年在首都医科大学电力教学医院进行临床实习的2018级五年制临床医学专业58名学生作为研究对象。采用随机数字表法分为对照组（n=30）与试验组（n=28）。纳入标准：①五年制临床医学专业学生；②进入医学教育第五学年，即开始临床实习培训阶段。排除标准：①拒绝参与本研究者；②因病假事假无法完成创伤骨科实习及考试者。58名学生均已签署知情同意书且自愿参与本项研究。

1.2 研究方法

两组教学在实习期间均覆盖2023年度全部创伤骨科学课程（《外科学》第九版），每组教学工作均由同一名教师（副主任医师）担任，教学大纲及授课内容相同，均为16学时。

试验组采用数字骨科技术进行骨折模拟，并以骨折受力分析为基础，进行创伤知识、骨折分型、救治方法的教学。授课前借助骨科教研室留存的典型病例的影像学资料，采用3D打印技术制作出骨折模型，利用影像归档通信（picture archiving and communication systems，PACS）软件系统对骨折进行三维重建及有限元分析并可动态模拟骨折复位的过程（图1）。授课中以受伤动画为导入，引导学生对骨骼与关节进行受力分析，并结合骨折模型直观地理解创伤的发生机制，复杂的骨折如何进行分型，并引导其提出可行性的治疗方法。根据学生提出的治疗和内固定方法，利用有限元分析直观地模拟骨折或脱位的复位过程，同时比较不同的固定方式的生物力学固定效果。

对照组采用传统教学方法进行创伤骨科疾病知识的教学。按照教科书内容顺序，对疾病的流行病学、解剖学、病理生理学、临床表现、诊断、骨折分型与治疗等知识，利用解剖挂图、多媒体幻灯片、典型病例的影像学图片与治疗视频进行讲解，但不引导学生自主进行骨折受力分析，同时不辅助3D打印模型及有限元分析。

两组教学方法流程详见图2。

1.3 教学效果评价

教学效果评价包括学生主观评价与教师客观评价两部分。其中学生主观评价采用课后匿名问卷调查方式，问卷采用Marsh编制的教学质量评价（students’evaluation of educational quality，SEEQ）量表的中译版本^［5］，这份问卷在多个国家和地区的大学实施过，具有较好的可靠性、适用性和信度、效度，可以全面评估教学质量、教师教学行为以及学生对课程的满意度，为教育者和决策者提供有关教学质量和学生学习体验的反馈，其从学习价值、教学热情、教学组织、师生互动、师生关系、课程拓展、考核评价、作业阅读、课程特点9个维度进行教学评估，由学生在创伤骨科实习结束时根据自己的真实感受逐项评分。教师客观评价为出科考试，以主观题（5题）与客观题（35题）并行的方式对专业理论和病例分析进行考核，题目来自首都医科大学考试题库。两组学生考试时间与内容完全相同，问卷结果录入与试卷判阅由参与教学实施的2名教师共同完成。

1.4 统计学方法

采用SPSS 25.0统计学软件对数据进行处理分析。计量资料以均数±标准差（ \overline{x}±s）表示，进行独立样本t检验。计数资料以例数（百分比）［n（%）］表示，应用χ ²检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 两组学生的一般情况比较

两组学生在年龄、性别、局部解剖学及外科学总论考试成绩方面差异均无统计学意义（P＞0.05）（表1）。两组学生素质和学习能力相当，具有同质性。

2.2 两组学生SEEQ问卷量表及出科考试比较结果

本研究共向两组学生发放调查问卷58份，回收有效问卷58份，有效问卷回收率100.0%。问卷所涉及的9个维度的主观评价中，在学习价值、教学组织、师生互动、课程拓展4个维度，两组学生评分差异有统计学意义（P＜0.05）。在教学热情、师生关系、考核评价、作业阅读、课程评价维度中，两组学生评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。出科考试成绩满分为100分，58名学生均在同一时间参加考试，两组成绩间差异有统计学意义（P＜0.05） （表2）。

3 讨 论

3.1 创伤骨科教学难点与方法

医学生的临床实习是将枯燥繁杂的理论知识向临床实践拓展延伸的过渡阶段，是读书思维向临床思维转变的重要培养过程。创伤骨科的学习要以完善的局部解剖学理论作为基础，将二维的影像学资料在头脑中构建三维立体模型，同时要用生物力学的思路记忆和推演创伤的病理生理变化，不仅是医学生临床实习阶段的重要部分，更是以其独特的学科特点成为医学生学习的难点^［6］。

传统的教学方法普遍依赖于临床教师单向输出式的讲授，在实践技能的培养上存在一定的局限性。医学生学习曲线长，往往缺乏足够的实践机会，导致理论知识与临床技能之间的拓展和转化不够顺畅^［2］。生物力学作为创伤骨科特有的知识点，受力分析是理解和掌握创伤后骨折演变与手术技巧的关键，但在当前的教学中，这一方面的内容往往没有得到足够的重视，学生缺乏对骨折力学特性的深入理解，影响其对骨折分型的掌握及治疗方式的规划能力^［7］。第九版《外科学》中需要掌握比较复杂的骨折分型，如肱骨近端骨折的Neer分型、股骨粗隆间骨折的Evans分型、胫骨平台骨折的Schatzker分型、踝关节骨折的Lange Hanson分型等，学生很难从配图中理解分型的方法及依据。

数字骨科技术中三维重建、3D打印、有限元分析等技术的应用，大大提高了骨科学习的可视化水平，为学生提供了一个高度仿真的学习环境，使得抽象的骨骼形态解剖与生物力学概念得以直观化^［8-9］，同时降低了骨折分类在观察者间的变异性程度^［10］。虽然数字技术在医学教育中的应用日益广泛，但其与受力分析相结合的教学法尚不多见。新的教学方法强化了学生对力学因素的理解，将骨折发生与治疗过程像做游戏一样自由操作，对于提高骨折认知与制定治疗规划的精确性至关重要。

3.2 有利于增加课程兴趣与参与感

本研究中，试验组在学习价值和师生互动两项问卷中评分显著高于对照组，体现出更高的课程学习热情和课堂参与感。数字骨科技术为教学带来了高度的互动性，这种新颖的教学方式本身就具有很高的吸引力，能够激发学生的好奇心和探索欲。通过模拟软件创建虚拟环境，学生可以直接与教学内容进行互动，这种参与方式比传统的被动听讲更能激发学生的学习兴趣^［11］。结合受力分析的数字技术能够满足视觉的直观展示与骨折发生机制和手术技巧的相结合，使得复杂的生物力学概念变得更加易于理解和记忆，从而提高了学生的学习动机。

数字技术支持学生的个性化学习路径，可以根据自己的学习进度、知识难点和兴趣，选择不同的模拟案例进行学习和练习，增加其参与感。而且在进行模拟操作后，可以立即看到操作的结果和影响，得到及时反馈。这种即时反馈对于学生的学习至关重要，不仅能够增强学生的学习信心，还能够鼓励其不断尝试和改进^［12］。

3.3 有利于课程组织与延伸

本研究中学生对新的教学方法的满意度明显提高，新方法激发他们更多的学习兴趣和对相关知识的渴求，拓展了其课后阅读与积累。

数字骨科技术与受力分析的结合顺应了临床医生向教师进行角色转换时，继续应用临床思维的连贯性。这种教学方法允许教师将理论知识、实践技能和临床决策有效结合，形成一个连贯的学习路径。通过这种方式，课程内容相互串联，有助于学生构建完整的知识体系。教师根据不同学生的学习进度和需求，灵活调整教学内容和难度，确保每个学生都能获得个性化的学习体验，使得教学资源得到更加高效的利用。通过模拟手术和受力分析，学生能够在虚拟环境中实践理论知识，这种模拟实践有助于学生更好地理解理论知识与临床实践之间的联系^［13-14］。此外，这种无缝对接的学习体验，提高了学习效果的延伸性，有助于学生在创伤骨科领域深入探索和延伸学习，增加学习动力，拓宽学习视野。

3.4 有利于提高教学效果

试验组的出科考试成绩显著优于对照组（P＜0.05），表明数字骨科技术结合受力分析教学法提高了整体教学效果。创伤骨科的实习阶段课程紧凑，在短时间内学习理解并深刻记忆诸多知识点对于本科生具有挑战性。本研究中数字骨科技术结合受力分析教学法通过提供互动性强、视觉吸引力大的学习工具，极大地增强了学生的学习动机，加深了学生对受力分析等复杂概念的理解，也提高了他们实际问题解决的能力^［15］，进而提高了教学效果。

此外，教学中还发现学生积极参与并提出问题，体现出学生自发进行深度学习，即不仅学习表面的知识，还要理解其背后的原理和联系，而深度学习有助于学生在考核中展现更高层次的思维能力，如分析、综合和决策^［16］。

3.5 改进与提高

尽管本研究取得了积极的成果，但也存在一些局限性。在实际教学中可以观察到，学生在操作熟练度上的差异也可能影响教学效果，一些学生可能需要额外的培训和支持才能充分利用数字工具；同时，教师的专业发展也是提高教学方法效果的关键，带教教师也需要接受适当的培训，从而更全面地掌握数字骨科技术的应用。这些都需要教学医院提供相应的资源和指导。

此外，本研究样本规模较小，未能涵盖所有可能影响教学效果的变量，也在一定程度上可能限制了结果的普适性。并且目前的研究主要集中在短期内的教学效果上，而对于长期学习效果，包括学生的职业发展和持续学习的能力，需要进一步地研究和评估。未来的研究可以在以下几个方面进行拓展：①扩大样本量，进行多中心的研究，以提高结果的普适性；②开展长期跟踪研究，评估这种教学方法对学生职业发展的影响；③探索如何与其他教学方法相结合，以实现更全面的教育效果；④研究该教学方法在不同教育阶段的应用效果。

综上所述，本研究证实了数字骨科技术结合受力分析教学法在创伤骨科教育中的有效性和潜力，这种教学法不仅提高了学生的理论知识和技能水平，还有助于培养学生的临床决策能力。

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基金资助

首都医科大学本科生科研创新项目(XSKY2024454)