口腔醫學專業“生物力學”課程光彈性實驗教學改革與實踐

王輝 宋紅芳 吳寶平 張昆亞 錢秀清 閆松華

摘 要：針對首都醫科大學口腔醫學專業“生物力學”課程光彈性實驗教學中存在的問題，從教學內容、教學方法及教具等方面進行了改革。通過教學改革，不僅提高了教學效率，改善了教學效果，還增強了學生的學習積極性和實驗動手能力。

關鍵詞：口腔醫學；生物力學；光彈性實驗；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.12.004

文章編號：1006-1959（2018）12-0014-02

Abstract：Aiming at the problems existing in the photoelastic experiment teaching of"biomechanics"course in the Department of Stomatology of Capital Medical University，the reform has been carried out from the aspects of teaching contents，teaching methods and teaching aids and so on.Through the teaching reform， not only the teaching efficiency is improved，the teaching effect is improved，but also enhances studentsmotivation for learning and their experimental hands-on capabilities.

Key words：Stomatology；Biomechanics；Photoelastic experiment；Teaching reform

“生物力學”實驗課對培養學生的基本技能和動手能力、提高學生的實驗素養起重要的作用[1，2]。光彈性實驗是該課程實驗教學的主要內容之一。光彈性實驗是由光學與彈性理論相結合，用以對結構和零件進行應力分析的力學實驗[3]。相比于電測實驗，光彈性實驗具有全場性、實時性及直觀性的特點，趣味性也較強，用于生物力學實驗，有利于使學生加強對應力集中、邊界應力及圣維南原理等概念的理解，同時，隨著光彈性應力分析法在口腔醫學的不斷發展和應用[4，5]，光彈性實驗在口腔醫學專業“生物力學”課程教學過程中能起到不可忽視的作用。

1 實驗教學中存在的問題

1.1光彈性應力分析的基礎理論太專 光彈性應力分析法綜合了材料力學、光學、晶體力學、高分子化學、相似理論和彈性理論等原理而建成的一種實驗力學方法。雖說長學制口腔醫學專業的學生有較好的知識儲備和學習能力，但要想全面掌握光彈性應力分析，除了需要具備較強的數學、力學及物理學基礎外，仍然需要在課下花功夫學習補充相關的知識，況且該實驗課時僅有135 min，實驗課上不可能用大量的時間對相關的理論知識進行講解。

1.2缺乏對光彈性應力分析的發展及應用的講解 光彈性實驗會涉及彈性力學、材料力學及理論力學等課程相關的概念、原理和結論，這幾門課程都不是口腔醫學專業的必修課程。光彈性實驗方法的特點是直觀性強，用它不但可以解決二維模型的應力分析問題，而且也可以有效地解決三維模型的應力分析問題，為強度設計提供比較完善的信息。這個方法尤其對從強度觀點尋求結構或零件的合理設計和確定應力集中系數更為有效，這對承受重復應力作用的零件的設計和制造具有重要的實際意義。光彈性實驗的這個優點，除了在工程上應用廣泛外，已經逐漸應用在口腔醫學中了。

1.3缺乏專業的實驗教具 光彈性實驗教學提供的只是標準教具，只能開展標準實驗的演示，如圓盤對徑實驗、小孔應力集中以及三點彎曲實驗。這些實驗主要是用來驗證材料力學和彈性力學中的有關理論和實驗現象，綜合性、設計性實驗及專業相關性欠缺。

1.4教學模式單一 現在的光彈性實驗教學由于受課時和教學內容的限制，基本上是單一的教學模式，學生只能按照教師的要求去完成教學內容，幾乎沒有選擇的余地，且實驗過程中只注重光彈性應力知識的學習及掌握，缺乏應用性的指導，不利于拓寬學生的知識面和激發學生的創新積極性。

2 教學內容改革

2.1弱化光彈性應力分析的基礎理論知識講解 為了使學生能夠在實驗課開始前后很好的學習和掌握光彈性理論，加強對光彈性實驗中一些現象的理解和認識，制作了詳細的光彈性實驗指導書。從實驗原理、概念介紹、公式推演到應力計算都有詳細的描述。這樣學生可以做到課前預習、課中有的放矢、課后釋疑，從而提高課堂教學效率。

2.2理論授課引入光彈性應力分析的發展及應用 為了使學生明白實驗課不是為了實驗或學習而開展的道理，在理論授課時增加了關于光彈性應力分析的發展及在臨床上的應用的多媒體課件，并且多采用直觀的圖片或影像去講授，從而激發學生學習、動手實驗的積極性和趣味性，提高學生對光彈性實驗的認知和參與度。

2.3制備具有口腔專業特色的光彈性實驗教具 光彈性法可以測量幾何形狀與載荷條件較為復雜的構件應力，特別是可測量其它方法難于解決的應力集中及內部應力問題。由于口腔頜骨的結構復雜，口腔臨床中的正畸、修復、種植等都跟生物力學相關，目前并沒有特別好的方法對這些術式進行評估。如果將頜骨制作成具有雙折射的光彈模型，就可以通過光彈性實驗對不同條件不同術式的模型進行力學評估。基于此，作者制備了具有口腔專業特色的實驗教具，并在實驗教學中進行對比演示及講解，不僅使課堂效果顯得具體、真實，還拉近了課程內容與專業之間的距離。圖1是制備的下頜骨-種植體復合光彈模型。可以通過數字光彈應力分析方法觀測冠修復體牙合面受載后種植體周圍骨內應力達峰值時間，以及加載后的模型內各測量點的等效應力值，從而探討冠部修復材料對種植體周圍應力的影響。

3 教學方法改革

3.1引導學生帶著問題進行實驗 在接觸光彈性實驗之前，有些學生或多或少會對實驗課帶著一種無所謂、跟著實驗步驟操作、有問題找老師的心態來上課，課前不認真預習，不認真寫實驗預習報告，實驗課上不動腦筋機械式的按部就班，這種“填鴨式”的學習狀態只會降低實驗課的教學效果。因此，在實驗課開始前的1 周，就要引導學生在做好預習報告的同時，結合專業特色調研與光彈性應力分析相關的資料，每位學生給自己提出至少一個與之相關的問題，并寫在預習實驗報告中，在課中通過實驗去探索答案，最后在實驗報告中進行分析總結。

3.2增加實驗組數，減小實驗小組的人數 由于實驗儀器及實驗場所的限制，一次實驗課不能夠多組多人同時進行。而且光彈性實驗是要求學生要動手操作的實驗項目，因此在給學生分組時，盡可能的多分組，每組不超過4人，保證每人動手操作的時間都足夠充分完成實驗的設計要求。

3.3設計開放式實驗 之前光彈性實驗課的組成都是基礎驗證性實驗，包括圓盤對徑壓縮、小孔應力集中以及三點彎曲等實驗。現在結合了口腔醫學的專業特色，制作了具有光彈性應力分析的實驗教具能夠進行一些綜合性、設計性實驗。但是學生的層次不同，有些學生不滿足于這些基礎驗證性以及綜合設計性實驗，還要進行一些科研探討式的開放性實驗。實驗課題可以由教師或學生提供，學生去調研文獻，然后進行討論，擬定實驗方案，然后由教師進行指導，方案通過后再由學生具體開展實驗。

4 總結

雖然光彈性實驗只是一個演示性實驗，但作者充分結合專業特色，利用真實的具有專業特色的實驗教具，把演示、講解同組織課堂討論相結合，充分調動了學生觀察分析的積極性，使光彈性實驗教學過程變得輕松活潑有效，學生的實驗素養和科研意識都得到了顯著提高。

參考文獻：

[1]趙改平，王殊軼，周穎.生物力學課程教學方法改革淺析[J].生物醫學工程學進展，2016（4）：245-246.

[2]張昆亞，劉志成，閆松華，等.生物力學課程實驗的改革與實踐[J].醫學信息，2013，26（12）：36.

[3]譚包生.生物力學對種植體長期存留的影響[J].中華老年口腔醫學雜志，2014（1）：58.

[4]宋紅芳，閆松華，錢秀清，等.醫學院校中生物力學課程的教學改革與實踐[J].醫學信息，2014，27（11）：5-6.

[5]張冬梅.光彈性應力分析法在口腔生物力學研究中的應用[J].華北國防醫藥，2010，22（4）：1-3.

收稿日期：2017-10-13；修回日期：2017-10-23

編輯/錢洪飛