基于Mimics的虚拟仿真技术结合PBL教学法在创伤骨科住培中的应用

李浩 汪松

住院医师规范化培训（以下简称住培）是培养具有独立临床医疗及教学工作能力临床医生的关键环节，而随着我国工业化、城市化的进程，创伤骨科诊疗范围从单纯简单骨折逐渐过渡到高能量致伤的多发伤、复合伤，对骨科规培生的能力提出了更高的要求[1]。某些骨折形态较为复杂，对于有一定理论基础但缺乏实践经验的学员来说理解难度较大。而虚拟仿真技术能够将医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）即数据转化为可视化影像、允许用户与图像进行实时交互，恰可提供一种直观且易于理解的捷径用于教学[2]。传统骨科教学方式为“填鸭式”及“传帮带”，难以满足学员需求。问题导向教学法（problem-based learning，PBL）以学员为主体、以教师为引导，将以记忆为主的学习方法转变为以解决临床实际问题为主的学习方法，提高学生主动学习和病情分析能力，培养其良好的临床思维，调动学生的积极性和主动性，是有效的教育模式[3]。本研究根据中国高等教育模式改革导向及骨科住培目标要求，通过引入Mimics 软件为基础的虚拟仿真技术，与PBL 教学法有机结合，旨在探索基于Mimics 的虚拟仿真技术结合PBL 教学法在创伤骨科住培教学中的应用价值，鼓励住培生独立、自主、高效的学习创伤骨科学。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2019 年1 月—2020 年12 月徐州医科大学附属医院创伤骨科进行住培的80 名学员作为研究对象，其中男65 名、女15 名，年龄21～24 岁，平均（22.4±0.6）岁，将学员随机分为对照组和观察组。其中对照组男34名，女6 名，共40 名；年龄21～24 岁，平均（22.3±0.6）岁；入学考试分数319～362 分，平均（334.7±27.1）分，采用传统教学法；观察组男31 名，女9 名，共40 名；年龄21～24 岁，平均（22.4±0.5）岁；入学考试分数322～353 分，平均（329.7±24.7）分，采用虚拟仿真技术结合PBL 教学法。两组学员年龄、性别、入学成绩等比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

纳入标准：均为应届本科毕业生；参与研究期间为住培一阶段；未使用过Mimics 软件或接受过Mimics 软件操作培训。排除标准：拒绝参与或者中途选择退出；具有PBL 教学法经历者。

1.2 方法

观察组与对照组均在骨科轮转1 个月。在轮转期内，对照组行传统教学法，以教师讲授为主的“填鸭式”教学，给学员分配带教老师，每日早晨带领住培生参加日常查房，每周组织至少一次教学查房，每周针对创伤骨科典型病例的临床症状、诊断方法、鉴别诊断、治疗方式、手术过程等举办一次PPT 形式的小讲座，讲座时间均控制在1 h。

观察组行基于Mimics 的虚拟仿真技术结合PBL 教学法。在传统教学的基础上，对学员进行入科宣教，告知每周举办一次讲课，时长在1 h 左右，课程分为设定题目、组织讨论、归纳总结三部分：（1）设定题目：根据教学大纲及骨科学规范化培训教材要求，教师细致进行课前预习备课。在每周小讲座前3 d，提出一种创伤骨科典型病例的相关问题并准备1 个典型病例。以胫骨平台骨折为例，提出以下3 个问题：①通过病史和查体，能否给出临床初步诊断，尚需进行各种化验及辅助检查?②胫骨平台骨折的病因有哪些，如何分型? ③对于不同类型的胫骨平台骨折如何进行针对性的治疗?（2）组织讨论：每周小讲座前，学员根据典型病例及问题进行资料搜集。学员可通过查阅图书馆、网络数据库、课本及参考书，学员需记录查询过程。讲座过程中将包含各典型病例患者骨折CT 影像的DICOM 数据导入Mimics软件，采取如阈值提取、区域增长、填充空洞、3D 成像等一系列操作，生成骨折的可视化三维影像，学员利用Mimics 软件中的交互功能对各骨折形态生成深刻印象。然后针对此典型病例开展讨论，分析其诊断，提出治疗方案及手术方式。讨论过程中教师需扮演好“引导员”和“记录员”角色，引导学员进行阐述、适当扩张甚至辩论，详细记录每个同学的发言情况。（3）归纳总结：推荐2～3 名学员根据中心问题进行总结，教师需根据学员讨论及总结的情况进行最终发言，归纳课堂共识，指出分歧内容并解决分歧。

1.3 观察指标

出科考试成绩：学员结束创伤骨科轮转后，由科室主任组织3 名以上的教师对学员进行基础理论和病例分析两门考试，试卷由骨科带教教师集体出题，每期难度均大致相同，基础理论和病例分析的试卷满分均为100 分。技能操作考核由带教老师对学员换药、拆线、简单骨折手法复位石膏固定、骨牵引等日常操作的熟练程度及规范程度进行观察、打分，满分为100 分。

教学效果考核：通过自制问卷调查，调查两组学员对各自教学方式的满意度、学习积极性、自主学习能力，每项40 分，由学员自主打分，学生们自愿参加调查。对观察组学员另做一问卷调查，调查其对虚拟仿真技术结合PBL 教学法的认知和接受程度，内容包括对教学法的总体评价、是否能培养临床思维能力、改善专业表达能力、提高解决问题能力、是否利于学生向医生角色转换、是否希望继续采用此教学法，回答是匿名进行的。

1.4 统计学方法

采用SPSS 19.0 统计学软件对数据进行分析，理论成绩、病例分析成绩、技能操作成绩，满意度、学习积极性、自主学习能力均以（）表示，行t检验，P＜0.05则差异有统计学意义。

2 结果

2.1 考核成绩比较

观察组学员基础理论成绩、病例分析成绩、技能操作成绩明显高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 两组学员考核成绩（分，）

表1 两组学员考核成绩（分，）

2.2 教学效果比较

观察组中学员对虚拟仿真技术辅助下PBL 教学法能提高教学满意度、学习积极性、自主学习能力的评分，明显高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组学员教学效果比较（分，）

表2 两组学员教学效果比较（分，）

2.3 观察组学员对虚拟仿真技术结合PBL 教学法的认知和评价

观察组有37 名（92.5%）学员对虚拟仿真技术结合PBL 教学法有较高评价，主要表现在对教学方法可提高解决问题的能力、培养临床思维能力、改善专业表达能力等方面均具有较高的满意度，总体利于从学生向医生的角色转换，并有37 名（92.5%）希望继续采用虚拟仿真技术结合PBL 教学法，见表3。

表3 对虚拟仿真技术结合PBL 教学法的认知和评价（名）

3 讨论

随着社会现代化的不断推进，现代创伤骨科领域面临的挑战已由传统的简单骨折处理转化为高能损伤暴力、多系统损伤、高期望的功能恢复[4]。而创伤骨科的规范化培训带教中面临身体各个部位骨折，每部位骨折又各自有多种分型系统以指导治疗，传统教材中图片及临床工作中X 线、CT 三维成像均难以全面、清晰显示骨折的形态及严重程度，对缺乏临床经验的规培医师来说，难以有效学习骨折形态及分型，进而严重影像对疾病的判断[5]。传统的“填鸭式、传帮带”医师培训模式难以培养高水平的外科医师，对创伤骨科领域的教学模式提出了更高要求[6]。笔者综合往年临床教学经验，以PBL 教学方法结合Mimics 基础上的虚拟仿真技术，积极推进创伤骨科规范化培训教学改革，充分调动学员学习能动性、提高自主学习能力，取得了较好的教学效果。

虚拟仿真技术基本原理是利用计算机生成一种模拟环境，能够建立和体验虚拟世界的三维动态视景和实体行为的计算机仿真系统。虚拟仿真技术在骨科医生的解剖及模拟训练方面具有十分重要的临床意义，它利用各种医学影像学资料，采用虚拟现实技术在计算机中建立一个逼真的视听一体化的仿真环境，实现对虚拟人体器官进行模拟解剖、手术训练及对受训医生各种感官反馈的模拟。虚拟仿真技术在创伤骨科相关教学中的最大优势有以下两点：（1）个性化、自主化重建各部位骨折，允许用户依据教学重点创造逼真、直观、参与性强的教学环境。（2）节约教学经费，避免传统教学方式中需要使用大量骨骼标本，软件允许用户进行切割等交互操作，模拟各类型骨折，极大节约教学经费与资源[7-8]。（3）增强团队协作意识，在三维建模过程中需要团队成员鉴别及选择有效图像、建立骨折模型、模拟复位等操作。（4）寓教于乐，允许与鼓励用户进行交互式操作，学员在交互学习过程中具有“游戏”特征，有助于提高学员学习过程中的注意力、全程保持较高参与度[9]。（5）避免直接在患者身上进行不适宜的检查、操作演示，以规避潜在的法律、伦理风险。目前实现虚拟仿真的手段较多，如AutoCAD、Proteus、Mimics、Rhino 3D 及Hololens 等[10]。综合创伤骨科领域适用人群、使用目的及可操作性等因素，医学三维重建软件Mimics 在规范化培训教学中具有显著优势。Mimics 可以将CT、MRI 等医学资料进行精细处理生成可视化影像及交互性操作，学员在人机交互过程中可以对三维重建模型进行移动、旋转、测量、切割及模拟复位，在互动过程中理解复杂骨折的空间立体结构和骨折形态，进一步加深对骨折分型等教学难点的理解与记忆[11-12]。

PBL 教学法在1969 年由加拿大麦克马斯特大学的神经病学教授Barrows 首创，国内由香港大学医学院1997年起对当年入学的新生正式开始实行此全新的教学方法。PBL 教学法与传统教学中强调以教师讲授为主有根本上的不同，是以问题为导向、以学生的主动学习为中心、以教师的引导、启发为前提，充分发挥学员主观能动性，将信息检索、组内讨论、组间辩论等方式有效整合，以解决问题为目的的全新教学理念[13]。对学生来说，PBL 教学方式相较于“填鸭式、传帮带”教学有较大优势，容易获得学生的认同感，教学过程中学习氛围浓烈，学生在探讨、辩论中往往能发现新问题，迸发创造性思维火花，有助于学员锻炼文献检索、信息整理、逻辑思维及语言表达能力。学生在教学中变被动为主动，入学后不久即在解决具体病例问题中学习到相应的医学知识，并对所学知识的应用有更深刻的理解。但是Zheng 等[14]也指出PBL 教学法在课堂中过于开放，不利于学员把握知识点，需要传统教学方式部分理念进行补充。

PBL 教学法缘起于西方，由于中西方文化差异较大，如果刻板的复制PBL 教学法，学员在适应此种人才培养模式过程中，有以下三个问题：（1）PBL 教学法适合小班式教学，大班式教学难以充分调动每个人的积极性[15]。（2）基础理论知识不扎实或者未进行充分预习的学员在课堂活动中较为被动，对关键知识把握不到位。（3）学员自身语言组织能力及理解能力具有差距，如果能力一般的学员未得到导师的耐心引导，可能对自信心有不同程度打击甚至适得其反[16]。因此需将PBL 教学法进行本土特色改革，如学员入科后进行理论小测试，评估学员理论基础；在学员与人沟通时观察学员，对学员语言能力进行初判；划分小组，采取小组自治的方式激发学员的协调及配合[17]。本研究结果显示，观察组学员理论成绩、技能操作成绩、病例分析成绩均明显高于对照组，而且观察组学员对虚拟仿真技术结合PBL 教学法的评价极其乐观积极，认为该教学方法可提高解决问题的能力、培养临床思维能力、改善专业表达能力，利于从学生向医生的角色转换，绝大部分学生希望继续采用虚拟仿真技术结合PBL 教学法。究其原因主要有以下几点：（1）强调课前预习，扎实的理论是课堂讨论的基础。（2）教师需强化引导角色，保证课堂讨论及文献检索不偏题、不跑题。（3）强化理论与实践相结合，将知识点在讨论中反复强化，不断加深学员的印象。

综上所述，将基于Mimics 的虚拟仿真技术，与具有本土特色的PBL 教学法有机结合，能够提高创伤骨科规培生教学成绩及满意度，促进学员自主学习能力及积极性，具有推广价值。