康復(fù)治療學(xué)本科專業(yè)課程生物力學(xué)模擬仿真教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

牛文鑫 王寬

摘要：生物力學(xué)是康復(fù)治療學(xué)本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，但是當(dāng)前教學(xué)中并未涉及模擬仿真內(nèi)容，與學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀不符，導(dǎo)致知識(shí)落后，學(xué)生難以掌握和應(yīng)用等問題。將前沿研究方法應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，在同濟(jì)大學(xué)康復(fù)治療學(xué)本科專業(yè)課程中增加4課時(shí)模擬仿真內(nèi)容，取得了很好的教學(xué)效果。課程成績和學(xué)生反饋提示了在本科課程中增加建模仿真教學(xué)內(nèi)容的必要性和可行性，同時(shí)也提出了在有條件的高校可以開設(shè)針對(duì)本科生的生物力學(xué)模擬仿真專業(yè)選修課，提高學(xué)生的綜合能力。

關(guān)鍵詞：康復(fù)治療學(xué);本科教學(xué);模擬仿真;生物力學(xué);創(chuàng)新能力

1 前言

“生物力學(xué)”是康復(fù)治療學(xué)本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)效果對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)有重要影響。生物力學(xué)是力學(xué)與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)交叉的學(xué)科，有醫(yī)學(xué)的實(shí)踐意義和力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[1]，其中復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算和人體力學(xué)實(shí)驗(yàn)在課堂上難以開展，學(xué)生難以理解，在課后難以應(yīng)用。

發(fā)達(dá)國家重視生物力學(xué)教育，美國設(shè)置了生物力學(xué)日來推廣生物力學(xué)教育[2]。近年來，在臨床專業(yè)教學(xué)中也開始嘗試涉及模擬仿真內(nèi)容[3-4]。工程學(xué)專家Djukic等[3]提出基于CT或MRI掃描創(chuàng)建的三維模型，并分析流體流動(dòng)模擬，可以縮短臨床前培訓(xùn)計(jì)劃的時(shí)間，使教育過程更加有效。但是，他們并未將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)。瑞典學(xué)者則通過教學(xué)的對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用模擬可視化系統(tǒng)對(duì)臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生頸椎創(chuàng)傷部分教學(xué)，雖然知識(shí)掌握度與傳統(tǒng)講授無顯著差異，但是可以提高學(xué)生的參與熱情[4]。

馬新?lián)P[5]將有限元法應(yīng)用于口腔生物力學(xué)的教學(xué)過程中，認(rèn)為有限元分析能夠逼真地模擬牙齒和復(fù)雜的三維口腔復(fù)合體形態(tài)，以及它們?cè)诳谇恢械氖芰η闆r，使牙齒以及各種修復(fù)體應(yīng)力分布展開了生動(dòng)形象的再現(xiàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了同學(xué)們對(duì)枯燥力學(xué)理論的理解，使抽象的內(nèi)容得到了直觀認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果明顯提高。但是，這些內(nèi)容在康復(fù)專業(yè)生物力學(xué)教學(xué)仍處于空白。

本研究目的是驗(yàn)證在康復(fù)治療學(xué)專業(yè)生物力學(xué)課程中進(jìn)行模擬仿真教學(xué)的可行性，并分析其教學(xué)效果，為進(jìn)一步課程更新設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者在同濟(jì)大學(xué)康復(fù)治療學(xué)專業(yè)本科《生物力學(xué)》內(nèi)容基礎(chǔ)上，增加模擬仿真教學(xué)4課時(shí)，通過安排作業(yè)形式鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手，親自操作生物力學(xué)模擬仿真軟件，建立可供生物力學(xué)的數(shù)字模型。同時(shí)在其他學(xué)時(shí)內(nèi)穿插相關(guān)內(nèi)容，與具體關(guān)節(jié)或器官的生物力學(xué)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和創(chuàng)新能力。

4個(gè)課內(nèi)學(xué)時(shí)具體安排如下：

第1節(jié)課：集中講授生物力學(xué)模擬仿真理論知識(shí)，在已經(jīng)學(xué)習(xí)了生物力學(xué)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬仿真的原理進(jìn)行講解，對(duì)相關(guān)程序和軟件進(jìn)行介紹;

第2節(jié)課：老師和助教進(jìn)行模擬仿真演示和軟件教學(xué)，通過對(duì)Seg3D建模軟件和ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行操作讓學(xué)生有直觀認(rèn)識(shí);

第3節(jié)課：學(xué)生在老師的指導(dǎo)下對(duì)Seg3D軟件進(jìn)行實(shí)際操作，練習(xí)基本操作;

第4節(jié)課：互動(dòng)交流，解決學(xué)習(xí)中的問題，提出拓展性問題引導(dǎo)討論。

學(xué)生自行安排6～8課外學(xué)時(shí)進(jìn)行軟件練習(xí)和創(chuàng)新作業(yè)，老師提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和在線指導(dǎo)。課程結(jié)束后，通過問卷星收集學(xué)生對(duì)教學(xué)效果的無記名反饋意見。

3 教學(xué)效果

2019年秋季學(xué)期完成教學(xué)任務(wù)，同濟(jì)大學(xué)2018級(jí)康復(fù)治療學(xué)專業(yè)共24名本科生參加了所有課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，并取得課程成績。按照五級(jí)制成績分類，本屆學(xué)生“生物力學(xué)”課程成績優(yōu)秀率56.0%，顯著高于2017級(jí)同專業(yè)同課程成績優(yōu)秀率45.8%。

學(xué)生分組進(jìn)行練習(xí)，4人一組，共6組，所有小組按期完成了建模作業(yè)，基于CT或MR斷層影像，對(duì)不同的骨與關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建。所有作業(yè)都符合進(jìn)一步進(jìn)行有限元建模和分析的要求，達(dá)到優(yōu)秀水平。

針對(duì)學(xué)生的教學(xué)效果調(diào)查包含3個(gè)問題，所有24名學(xué)生對(duì)所有3個(gè)問題進(jìn)行了反饋。

1）建模仿真教學(xué)內(nèi)容的難度（A.非常容易;B.比較容易;C.難度適中;D.比較難;E.非常難）。

作為單選題，其中答案C（難度適中）被62.5%的學(xué)生選擇。另外，20.8%和12.5%的學(xué)生選擇了D（比較難）和B（比較容易），只有1名學(xué)生選擇了E（非常難）。

2）建模仿真教學(xué)對(duì)課程學(xué)習(xí)的幫助（多選：A.不知道有什么幫助;B.有助于更好地理解生物力學(xué)概念和知識(shí);C. 使思路開放，有助于創(chuàng)新探索新知識(shí); D. 有助于學(xué)習(xí)的趣味性，使得課程學(xué)習(xí)不枯燥; E.對(duì)其他課程的學(xué)習(xí)有幫助）。

作為多選題，所有5個(gè)選項(xiàng)都有學(xué)生選擇，選擇的學(xué)生比例依次為：8.3%、83.3%、62.5%、75.0%、41.7%。

3）如果單獨(dú)開設(shè)建模仿真課程，你是否愿意選修（A.是;B否）。

這是一個(gè)判斷題。大部分學(xué)生愿意選修建模仿真課程，比例為87.5%，僅有3名學(xué)生不愿意選修。

4 討論

力學(xué)理論發(fā)展較為成熟，計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了其模擬仿真技術(shù)的發(fā)展。在工程力學(xué)、機(jī)械、土木工程等專業(yè)的力學(xué)課程教學(xué)中，模擬仿真已經(jīng)普及，并發(fā)展為重要的專業(yè)課程。生物力學(xué)模擬仿真研究最早出現(xiàn)在1980年代后期，在2000年后逐漸發(fā)展成熟，最近10年來成為一種被廣泛接收的生物力學(xué)評(píng)估方法。但是，相對(duì)于在體和離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，生物力學(xué)模擬仿真技術(shù)具有較高的專業(yè)性和技術(shù)門檻。尤其對(duì)醫(yī)學(xué)背景和康復(fù)治療學(xué)背景的學(xué)生來說，生物力學(xué)模擬仿真需要比較專業(yè)的計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)知識(shí)，所以并未在課堂上講授。

包括國內(nèi)外康復(fù)專業(yè)的生物力學(xué)教材中，未見到模擬仿真方法的教學(xué)內(nèi)容。廣州中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿專業(yè)《推拿力學(xué)》教材中，將數(shù)學(xué)模型研究方法、骨性模型研究方法與離體和在體研究方法并列，體現(xiàn)了生物力學(xué)從實(shí)驗(yàn)研究向理論模型研究方向發(fā)展的趨勢(shì)[6]。在體育學(xué)專業(yè)的生物力學(xué)教材中，僅有同濟(jì)大學(xué)出版社2013年出版的研究生精品課程教材《運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)》有一章內(nèi)容為模擬仿真教學(xué)（第5章：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)建模與仿真）[7]，但是在本科教學(xué)中較少涉及。

在康復(fù)治療學(xué)專業(yè)本科生物力學(xué)課程中增加模擬仿真教學(xué)內(nèi)容，具有必要性。21世紀(jì)以來，生物力學(xué)發(fā)展日新月異，尤其是模擬仿真前沿研究，為生物力學(xué)提供越來越多的新知識(shí)，并應(yīng)用于臨床實(shí)踐。但是，目前的生物力學(xué)本科教材中，知識(shí)陳舊，絕大部分來源于離體或在體實(shí)驗(yàn)，鮮有基于模擬仿真的新知識(shí)體現(xiàn)在課堂上。其中部分原因在于生物力學(xué)模擬仿真缺席本科生教學(xué)，使得課堂知識(shí)得不到及時(shí)更新，并為康復(fù)治療學(xué)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新教育制造了障礙。從調(diào)查反饋來看，增加模擬仿真教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在理解生物力學(xué)基本概念和知識(shí)、開拓視野、增強(qiáng)創(chuàng)新能力方面都有必要性，同時(shí)也有利于其他課程的學(xué)習(xí)。

通過本次教學(xué)實(shí)踐，增加4個(gè)課時(shí)的模擬仿真教學(xué)內(nèi)容，我們明確了在康復(fù)治療學(xué)專業(yè)本科生物力學(xué)課程中增加模擬仿真教學(xué)內(nèi)容的可行性。合理設(shè)計(jì)課程環(huán)節(jié)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，課堂講授與課下練習(xí)結(jié)合，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性。適當(dāng)降低內(nèi)容難度，可以使得內(nèi)容難度可控，讓大多數(shù)學(xué)生可以接受，并在此基礎(chǔ)上提高對(duì)整門課程的認(rèn)識(shí)，顯著提高整體成績。

基于學(xué)科生態(tài)的快速演化，新工科和新醫(yī)科不斷發(fā)展[8，9]，康復(fù)治療學(xué)成為學(xué)科交叉的前沿陣地，必須不斷更新教學(xué)內(nèi)容以適應(yīng)新形勢(shì)。在生物力學(xué)課程中增加模擬仿真教學(xué)內(nèi)容，既有必要性，也有可行性。但是，在有條件的高校中，仍然建議考慮開設(shè)生物力學(xué)建模仿真專業(yè)選修課程，提高學(xué)生的綜合能力。

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【通聯(lián)編輯：王力】