CAD_技术、RP_技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响研究

DOI：10.16659/ki.1672-5654.2023.12.154
CAD技术、RP技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响研究
刘义杰，李雪峰
苏州大学附属第一医院骨科，江苏苏州 215000
[摘要] 目的研究计算机辅助设计（computer aided design, CAD）技术和快速成型（rapid prototyping, RP）技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响。

方法选取2021年12月—2022年12月苏州大学附属第一医院骨科临床医学实习生60名作为研究对象，以随机数表法分为两组，对照组（共30名）采取以问题为基础的教学（problem-based learning, PBL）模式，观察组（共30名）以对照组为基础，并采取CAD技术、RP 技术联合三维有限元分析进行教学，对两组学生考试成绩、实践技能、满意度、自我能力、问卷评分和教学质量进行对比观察。

结果观察组考试成绩、实践技能均显著优于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。

观察组满意度为96.67%，较对照组的76.67%明显更高，差异有统计学意义（P<0.05）。

与对照组相比，观察组学生自我能力明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

与对照组相比，观察组学生问卷评分明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

与对照组相比，观察组教学质量明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

结论在骨科临床教学中运用CAD技术、RP技术联合三维有限元分析，可对教学质量提升、满意度提升起到促进作用，并有效增强学生教学成绩、实践技能以及自我能力。

[关键词] 骨科；临床教学；CAD技术；RP技术；三维有限元分析
[中图分类号] R19 [文献标识码] A [文章编号] 1672-5654（2023）06（b）-0154-05
Influence of CAD Technology, RP Technology Combined with Three-dimensional Finite Element Analysis on Clinical Teaching Achievement and Practical Skills in Orthopedics
LIU　Yijie, LI　Xuefeng
Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou, Jiangsu Province, 215000 China
[Abstract]Objective To study the influence of computer aided design (CAD) technology and rapid prototyping (RP) technology combined with three-dimensional finite element analysis on clinical teaching achievement and practical skills in orthopedics. Methods 60 students from the Department of Orthopaedics of the First Affiliated Hospital of So⁃ochow University from December 2021 to December 2022 were selected as the study subjects. The students were di⁃vided into two groups by random digital table method: the control group (a total of 30 cases) took the problem-based learning (PBL) model, and the observation group (a total of 30 cases) took the control group as the basis, and used CAD technology, RP technology combined with three-dimensional finite element analysis for teaching. The test scores, practical skills, satisfaction, self-ability, questionnaire scores and teaching quality of the two groups of stu⁃dents were compared and observed. Results The test scores and practical skills of the observation group were signifi⁃cantly better than those of the control group, and the difference was statistically significant (P<0.05). The satisfaction of the observation group was 96.67%, which was significantly higher than that of the control group (76.67%), and the [作者简介]刘义杰（1985-），男，博士，主治医师，研究方向为脊柱外科基础及临床研究。

[通信作者] 李雪峰（1984-），男，博士，副主任医师，研究方向为脊柱外科的临床基础研究，E-mail：******************. cn。

difference was statistically significant (P<0.05). Compared with the control group, the self-ability of students in the ob⁃servation group was significantly better, and the difference was statistically significant (P<0.05). Compared with the control group, the questionnaire score of the observation group was significantly better, and the difference was statisti⁃cally significant (P<0.05). Compared with the control group, the teaching quality of the observation group was signifi⁃cantly better, and the difference was statistically significant (P<0.05). Conclusion The application of CAD technology and RP technology combined with three-dimensional finite element analysis in orthopedic clinical teaching can pro⁃mote the improvement of teaching quality and satisfaction, and effectively enhance students' teaching achievement, practical skills and self-ability.
[Key words] Department of Orthopedics; Clinical teaching; CAD technology; RP technology; Three-dimensional fi⁃nite element analysis
自我国卓越医师的培养计划执行以来，多个试点已在临床医学的教学中取得了良好效果。

然而，因骨科对操作性、动手性等技能要求较高，且大多的理论知识较抽象，所涉及人体系统具有立体感及空间感较强的特征，而加大了骨科临床教学的难度[1]。

目前，骨科临床教学多以传统方式为主，既无法让学生接受及理解相关知识点，也无法有效提升其实践的技能。

在经济体制不断完善的背景下，我国的计算机得到了迅猛发展，尤其是部分医学软件的开发及应用，为骨科临床教学发展提供了有利条件[2]。

其中，计算机辅助设计（computer aided de⁃
sign, CAD）技术和快速成型（rapid prototyping, RP）技术已受到相关研究者关注，且研究结果显示，在骨科临床教学中，通过应用CAD技术、RP技术联合三维有限元分析的方式，可有效增强学生参与感，在缩短理论知识、实际问题差距的同时，不断提升骨科教学质量。

基于此，为了进一步研究CAD技术、RP技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响，本研究以2021年12月—2022年12月于苏州大学附属第一医院临床医学实习的60名学生为研究对象，科学分组后给予不同教学方式，现报道如下。

1 资料与方法
1.1 一般资料
选取本院临床医学实习的60名学生，以随机数表法分组为两组：对照组（共30名）采取以问题为基础的教学（problem-based learning, PBL）模式，观察组（共30名）以对照组为基础，并采取CAD技术、RP技术联合三维有限元分析进行教学。

其中，对照组男17名，女13名；年龄20~25岁，平均（22.09±1.56）岁；测试成绩87~98分，平均（91.41±2.36）分。

观察组男16名，女14名；年龄21~24岁，平均（21.98±1.46）岁；测试成绩86~97分，平均（91.43±2.31）分。

两组学生在性别、年龄和测试成绩方面对比，差异无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

1.2 方法
教学内容：以骨科临床教学病例为依据制订教学的方案，在选取时应选择症状相近典型的骨科疾病，而非某一单一的病种，如髋关节炎、髋臼骨折等。

在编写教学病例时，可写2~3例，内容应包括发病的机制、表现症状、初步鉴别及诊断、辅助性检查、手术治疗等。

对照组采取PBL教学模式，详细内容为：①教师告知学生上课的内容，让其展开此类疾病理论知识预习工作，并自行采集患者床边的病史，了解疾病相关专科及体格检查内容，引导其查找有关的文献及书籍。

②教师在搜集整理病患信息的基础上，编写可提升学生临床能力的实用性问题，向其告知临床诊疗方法，鼓励其发表自身对此类疾病见解及诊疗有效措施，以促进其思维不断发散。

就教学全过程而言，教师只具备指引的作用，不应干预学生交流探讨过程。

在组内讨论形成一致结果之后，教师给予指导并解答学生存在的疑惑及问题。

③教师应讲述目前此疾病较为前沿的治疗方法及手术方式，向学生提供相关的文献及书籍。

观察组以对照组为基础，并采取CAD技术、RP 技术联合三维有限元分析进行教学，过程与对照组一致，区别在于：以骨科教学基本内容为依据，在CAD系统中输入边界曲线，根据CT二维图像结果，进行重叠、拉伸及布尔运算，得到三维模型；对所得三维模型进行转换，使其快速成形为标准的STL图形格式，在激光式快速成形机中输入模型中相关内容，所选原材料为涂覆热熔胶纸，通过激光光学调制器，得到3D骨科模型；以所得模型为依据，在研
究病情、损伤机理的基础上，向学生展示出个体化、细致详尽的前沿治疗方法及手术方式，如选择及植入内固定物、放置植骨块形状及大小、估算檀骨量、手术入路和复位的方法等，在增强学生客观体验及直观感受的同时，提高教学的效果。

1.3 观察指标
对比两组学生考试成绩、实践技能。

考试成绩以理论知识考核为主，包括骨科疾病定义、病因及机制、分型、诊断及治疗的方案等内容掌握程度，实践技能包括病史询问、专科检查及手术模拟等操作。

两项考核的总分均为50分，分数越高，说明学生的考试成绩和实践技能越好[3]。

对比两组学生满意度。

从教学环境、互动交流、学习兴趣和知识掌握的效率4个方面对学生的满意度进行评价，以打星方式来评价，分为非常满意、一般满意和不满意3个级别。

其中，非常满意为5星，一般满意为3星，不满意为1星，满意度=非常满意率+一般满意率。

对比两组学生自我能力。

从疾病病史询问、体格检查及诊断、治疗方案选择、临床技能掌握方面对学生自我能力进行评价，总分为100分，判定标准：差（<60分）、中（60~80分）、优（>80分），以中及优在总人数中所占百分比表示学生的自我能力水平。

对比两组学生问卷评分。

以自制问卷作为评价依据，包括学习兴趣、理解水平、教学启发性、教学直观性4方面，各项分数均为10分，评分越高，说明学生的学习兴趣越浓厚、理解水平越高、教学的启发性及直观性越佳。

对比两组教学质量。

以自制量表作为评价的依据，包括问题解决能力提升、思维能力增强、综合素养提升、职业认同增强4方面，各维度评分范围在0~100分，分值和教学质量呈正相关。

1.4 统计方法
采用SPSS 21.0统计学软件处理数据，符合正态分布的计量资料以（xˉ±s）表示，组间差异比较采用t 检验；计数资料以频数（n）和百分比（%）来表示，组间差异比较采用χ2检验。

P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果
2.1 两组学生考试成绩、实践技能对比
观察组考试成绩、实践技能均显著优于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。

见表1。

2.2 两组学生满意度对比
观察组满意度较对照组明显更高，差异有统计学意义（P<0.05）。

见表2。

2.3 两组学生自我能力对比
与对照组相比，观察组学生自我能力明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

见表3。

2.4 两组学生问卷评分对比
与对照组相比，观察组学生问卷评分明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

见表4。

2.5 两组学生教学质量对比
与对照组相比，观察组教学质量明显更优，差异有统计学意义（P<0.05）。

见表5。

3 讨论
由于骨科临床科学会涉及很多与人体解剖相关的内容，高度结合了理论性及实践性，且具有较强的专一性，对学生临床解剖的能力有着极高要表1　两组学生考试成绩、实践技能对比［(xˉ±s)，分］
组别
对照组（n=30）
观察组（n=30）
t值
P值
考试成绩
42.97±2.76
48.04±1.66
10.792
<0.001
实践技能
41.78±2.03
48.11±1.54
17.031
<0.001
表2　两组学生满意度对比
组别
对照组
观察组
χ2值
P值
人数
30
30
非常满意（n）
10
17
一般满意（n）
13
12
不满意（n）
7
1
满意度（%）
76.67
96.67
5.192
0.022
表3　两组学生自我能力对比
组别
对照组
观察组
χ2值
P值
人数
30
30
差（n）
8
2
中（n）
12
11
优（n）
10
17
自我能力（%）
73.33
93.33
4.320
0.037
表4　两组学生对教学的评价对比［(xˉ±s)，分］
组别
对照组（n=30）
观察组（n=30）
t值
P值
学习兴趣
6.63±1.29
9.13±1.23
9.616
<0.001
理解水平
7.18±1.74
9.26±1.68
5.896
<0.001
教学启发性
6.67±1.49
9.78±1.53
9.983
<0.001
教学直观性
7.01±1.35
9.74±1.56
9.072
<0.001
求[4]，倘若应用死记硬背等方式进行学习和记忆，则会导致事倍功半的结果[5-6]。

在骨科临床教学实践中，当教师讲述专业的理论知识、手术操作的步骤
时，部分学生存在困惑、不感兴趣等态度[7-8]，究其原因在于学生没有足够临床经验，在手术操作方面
相对陌生，选择手术方案时不具备全面判断的能
力，延长了学习的周期，也影响了教学的效果[9]。

在众多教课模式中，PBL教学方法为外国使用较多的
一种新型方式，其是以问题为基础、教师为指导、探
讨为形式的模式[10]。

将其与CAD技术、RP技术与三维有限元分析结合起来，并应用到骨科临床教学
中，可取得良好成效。

本研究结果表明：观察组考试成绩、实践技能均
显著优于对照组（P<0.05）；观察组满意度为96.67%，
较对照组的76.67%明显更高（P<0.05）；与对照组相
比，观察组学生自我能力明显更优（P<0.05）；与对照
组相比，观察组学生问卷评分明显更优（P<0.05）；与
对照组相比，观察组教学质量明显更优（P<0.05）。

说明在骨科临床教学中联合CAD技术、RP技术与三
维有限元分析，可明显增强学生教学成绩、实践技能
及自我能力，并提高学生满意度，这是因为通过联合CAD技术、RP技术与三维有限元分析，可有效改善传统教学遗留问题。

随着科技不断发展、计算机的
扫描技术及精度持续提升，临床的工作人员可在建模软件中导入术前CT扫描的数据，重建与生理结构相似的集合化模型，并在模型上开展预手术的各项操作，增加了手术方案的容错率，而经模拟手术之后的模型，可应用生物力学的检测方法对其手术方案进行完善，提高方案的严谨性。

与此同时，三维有限元分析具备力学全面测评的条件，且实验具备反复操作的优势，已被作为骨科的生物力学相关领域研究常用的方法，其与模型存在相辅相成的关系，能进一步提升模型内在的价值，有效解决动手能力缺乏等实际性问题。

将3D打印的模型用于骨科临床教学，可引导学生以大学学习的临床知识为依据，对骨科有关疾病受伤原因、致病原理及病因类型进行分析，在结合目前自身已储存理论知识的基础上，制订出骨科疾病对应诊疗方案[11]。

另外，通过在各类骨骼模型中开展手术模拟操作，可让学生深刻理解骨科临床疾患手术操作的方法，得到动手实练机会，在实际操作中不断激发其对骨科临床的兴趣。

在直接观察所制造的3D模型时，学生可认识患者的病变部位、形态和结构，在明确疾病种类的基础上，应用计算机内适宜医学处理的软件进行手术模拟操作，为选择适宜手术入路、适宜尺寸固定物、植入方向及深度提供了有力保障，进而提升了学生的实践技能。

通过教师向学生细致讲解手术操作的步骤及神经解剖知识点，可帮助学生有效结合理论、实践，实现抽象知识具体化的目标，为教学成绩提升奠定了坚实基础[12]。

综上所述，CAD技术、RP技术联合三维有限元分析可对骨科临床教学起到积极作用，能有效提升学生动手实践技能，增强其学习兴趣及探索意识，提高教学的成效，值得广泛应用。

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表5　两组学生教学质量对比［(xˉ±s)，分］
组别
对照组（n=30）观察组（n=30）t值
P值问题解决
能力提升
82.73±4.58
96.04±3.71
15.481
<0.001
思维能力
增强
81.09±4.62
95.49±3.44
17.139
<0.001
综合素养
提升
80.87±4.78
96.42±3.59
17.833
<0.001
职业认同
增强
82.24±4.55
95.67±3.49
16.056
<0.001
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（收稿日期：2023-03-20）
（上接第153页）
对于教师，微视频能够使抽象的教学具体化、形象化，一方面能够讲得清楚明白，吸引学生注意力；另一方面也为教学节省了很多教学时间，降低了教师的教学负担[10]。

神经病学的教学向来是临床教学的难点[11]，随着临床各学科之间更加紧密的联接和交叉学科的兴起，迫切需要在教学中打破传统学科和传统教学模式对于医学教育的限制[12]。

神经内科和神经影像的交叉融合，就是上述问题的一个突出表现。

在本研究中，通过微视频辅助影像教学，提高了学生对于神经病学课堂内容的掌握，以及对教学的满意度，调动了学生的学习主动性和积极性，证实微视频辅助神经影像教学是有效提高神经病学教学质量的有效手段。

但是，该教学法也存在一些问题，由于需要有播放微视频的时间，因此课堂时间较对照组稍微延长，另外本研究为单中心的教学研究，下一步仍有待进一步在神经病学的教学过程中完善和探索，最终实现临床教学质量的提高。

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（收稿日期：2023-03-19）。