三維打印對“系統解剖學”教學的輔助作用

［摘 要］ “系統解剖學”教學在醫學和生命科學領域有著至關重要的地位，但傳統的教學方法仍存在一些局限性和挑戰。三維打印模型作為一種創新的教學工具，為解決這些挑戰提供了新途徑。首先，三維打印模型能夠模擬解剖結構，為學生提供更直觀、實際的學習體驗，激發其學習興趣。其次，這些模型可以在資源匱乏或難以獲取人體標本的情況下替代傳統的解剖教材，降低成本和法律風險。此外，三維打印模型能夠增強學生的學習體驗感和理解程度，結合多種方法和實例來輔助解剖教學。同時，教師須要適應這種新教學方法，接受一定的培訓和指導。總體而言，三維打印模型能為解剖學教育教學帶來新的可能性，推動解剖學教學質量的提升，為學生提供更豐富、互動性更強的學習體驗。

［關鍵詞］ 系統解剖學；三維打印；教學解剖模型

［基金項目］ 2021年度中央高校基本科研業務費專項基金“TTFields技術治療消化道腫瘤的分子機制和臨床應用研究”（ZK1090）

［作者簡介］ 杜 丹（1979—），男，重慶人，博士，廈門大學醫學院教授，博士生導師，主要從事腸道結構和腸道微生態的時空分布的功能相關性研究。

一、“系統解剖學”教學的重要性

系統解剖學是醫學領域的基礎，是醫學生和醫療專業人員須掌握的必要知識和技能［1］。解剖學不僅在臨床實踐中發揮著關鍵作用，而且支持著醫學研究和創新，推動著醫學領域的不斷進步。在臨床診斷和治療方面，解剖學是醫生深入了解人體內部結構的基礎，有助于其確診疾病、評估損傷、制訂治療方案以及進行外科手術。在外科手術技能培養方面，它能幫助外科醫生進行手術操作，降低手術風險，確保手術的成功［2］；它能幫助病理學家診斷疾病并研究疾病機制，通過檢查組織標本確定疾病性質；它能協助醫生選擇適當的藥物劑量和途徑，從而改善患者的醫療體驗和治療依從性。此外，解剖學為醫學研究和創新提供了基礎，促進了治療方法、醫療設備和藥物的新發展。同時，解剖學教育有助于醫療專業人員更好地向患者解釋其疾病或癥狀，并提供有針對性的醫療建議。

盡管人體的解剖結構相對穩定，但醫學領域的知識和技術仍在不斷進步。因此，“系統解剖學”課程須要隨之更新，以反映新的醫學進展和技術。傳統的“系統解剖學”教學依賴人體標本解剖和二維圖像，但這些方法有時難以使學生全面理解三維結構和生物學過程。因此，現代教學方法如虛擬解剖和三維打印模型正在成為改進醫學教學質量的有效工具［3］。本文主要關注三維打印在“系統解剖學”教學中的應用，這一創新教育方法可以通過實際的三維打印模型呈現復雜的解剖結構，幫助學生更深入地理解和學習，提高學生的教育體驗和知識水平［4-5］。

二、借助三維打印模型進行“系統解剖學”教學的優點和局限性

人體標本是“系統解剖學”教學中重要的教具之一，然而除了高昂的成本和維護費用之外，還需要特定的儲存設施，且血管等細微結構并不能完整保留和展示［6-7］。三維打印技術在“系統解剖學”教學中的應用在一定程度上解決了上述問題。利用三維打印模型輔助“系統解剖學”教學，具有一系列顯著的優點，如提升學生的學習積極性，提高教學質量［8］。首先，它在視覺上高度還原了真實解剖結構的外形、大小、比例和細節，有效彌補了實物標本不足的問題。其次，三維模型的逼真程度近乎真實，能將抽象的解剖結構轉化為具體的實體，使學生直觀地觀察和觸摸解剖結構，增強理解程度和記憶效果。再次，三維模型能夠呈現結構的立體特征，可較高精度地還原和重建骨性特征如頜面部的特征［9］，有助于學生深入理解結構的復雜性。此外，模型能促進個性化學習，學生可以根據興趣和需求選擇特定結構進行學習，從而打造個性化學習體驗。激發學生學習興趣也是三維打印模型的優勢之一，制作精美的模型可以激發學生對解剖學的興趣，提高學習動力。對于一些復雜的、難以獲得的解剖結構，三維打印模型能夠呈現細節和內部構造，填補實物標本結構復雜或不足造成的教學空白，加深學生對該領域的理解［10］。

同時，三維模型的跨學科整合功能十分強大，可以用于整合解剖結構與其他學科的內容，如生理學、病理學等，使學生更好地理解不同學科之間的關聯［11］。制作三維打印模型來模擬疾病器官的結構是一種非常有用的教育方式，特別是在病理標本不容易獲得的情況下。這種方法可以幫助學生更好地理解疾病組織器官的結構和變化。對于醫學專業的學生來說，三維模型可以用于模擬手術操作，培養實際操作技能［12］。通過充分利用這些優勢，教師可以在“系統解剖學”教學中創造更加豐富、直觀、具備參與性的學習體驗，提高學生對解剖學知識的理解和掌握程度。

三維打印模型在“系統解剖學”教學中呈現出許多優點，但也伴隨著一些局限性。首先，三維打印技術和所需材料的費用及時間成本較高［13］，可能會給學校或教育機構的預算帶來一定壓力。其次，制作和操作三維打印機需要一定的技術知識與技能，因此教師和學生可能需要接受額外的培訓。另外，由于三維打印分辨率存在技術限制，一些微小的解剖結構可能無法以等比例準確呈現。

三、利用三維打印模型輔助“系統解剖學”教學的方法

利用三維打印模型進行“系統解剖學”教學，可以為學生提供更直觀、實際的學習體驗，以協助他們更深入地理解人體結構。

首先，通過三維建模軟件設計所需的人體結構模型，可使用已有的解剖學數據進行建模，或者依賴于開源的三維模型庫。接下來，將設計好的模型傳輸至三維打印機，以便進行打印。根據學生的不同層次，可選擇合適尺寸的模型。如初學者可以選用較大的模型，以便更輕松地觀察，而進階學生可以選擇較小的模型，以更仔細地研究結構細節。此外，三維打印技術不僅能夠打印固體結構，還能夠利用不同材料模擬器官的質地，例如，可模擬軟組織的彈性，以使學生更加真實地感受不同組織的特點。在設計三維模型時，可以將結構分層，使學生逐層拆解，逐漸理解器官的內部結構。這種分層展示能夠協助學生更清晰地理解復雜的解剖關系。此外，可以采用問題驅動學習的方法，通過提出問題來引導學生觀察模型、尋找答案。例如，讓學生找到特定的器官，并解釋其功能以及與相鄰結構的關系。

另一個關鍵步驟是安排學生完成與模型相關的作業或項目，包括要求學生設計模型、撰寫與模型相關的解剖學報告等。這樣的任務可以激發學生的創造力和實際操作能力。學生也可以在模型上進行探索性學習，回答問題，從而激發其好奇心和主動性。個性化教學是一個有價值的策略，可以根據學生的興趣和學習方式進行調整。學生可以選擇感興趣的模型進行深入學習，例如，學生可以選擇制作特定解剖結構的模型，如人體神經系統、消化系統或生殖系統等，從而實現個性化學習。另外，可以采用小組的學習方法，將學生分成小組，引導他們在模型前進行討論，包括要求他們解釋某一結構的作用或者探討不同結構之間的關系；也可以讓每個小組研究不同的模型部分，然后分享其研究成果，從而促進合作學習和知識交流。

將打印好的模型帶入課堂也是非常重要的一個步驟，這樣學生可以親自觸摸、拆解和研究模型。在學生進行操作模型的過程中，教師可以結合講解解剖學知識，使解剖學更加生動有趣。設計可拆卸和組裝的模型有助于學生進行實際操作，鍛煉操作技能。例如，可設計一個可拆卸式的心臟模型，讓學生觀察心臟的各個腔室和瓣膜。

此外，三維打印模型能夠將解剖學知識與其他學科相融合，如解剖與生理學、病理學等，有助于學生更全面地理解人體結構與功能之間的關系［14］。同時，將三維打印模型與臨床實踐相結合，能使學生認識到不同疾病對結構的影響。以心臟瓣膜病變的模型為例，通過這一模型，學生可以更深入地了解其對心臟結構的影響。此外，引入臨床案例并要求學生基于模型推測解剖學問題和診斷，有助于將解剖學知識應用到實際情景中。另外，制作展示不同疾病病理變化的模型能幫助學生認識這些疾病對結構的影響。比如，展示腫瘤在不同器官中的位置和對器官功能的影響，可以幫助學生更深入地理解疾病的病理生理學。研究者使用三維打印技術模擬空間結構復雜的顱面模型，可提高學生對顱縫閉鎖疾病模型生理結構的長期記憶和理解［15］；對于醫學專業的學生來說，三維打印模型可以用于手術模擬實踐，讓他們在模型上進行解剖手術的模擬，從而鍛煉操作技能，并將理論知識與實際操作相結合，如進行虛擬手術訓練或模擬器官移植手術等復雜外科程序的實踐。這樣的實踐不僅有助于提高學生的技能水平，而且為他們未來的臨床工作提供了寶貴的經驗。

四、用于“系統解剖學”教學的三維打印模型實例

三維打印模型在“系統解剖學”教學中的應用非常廣泛，以下是一些可用于教學的主要模型示例。

1.心臟解剖模型：制作一個可拆卸的心臟模型，學生可以逐層觀察心臟的外部和內部結構，包括心房、心室、瓣膜和心臟血管走向等［16］。通過拆解模型，他們能更好地理解心臟的功能和血液流動。

2.關節模型：制作一個關節的模型，如膝關節或肩關節［17］。通過模型，學生可以了解關節的構造、軟骨、滑液等組成部分，更深入地理解關節的功能和運動。

3.解剖手術模型：面向醫學專業學生，可以制作一個模擬手術的模型，如心臟搭橋手術。學生可以在模型上進行模擬手術，鍛煉操作技能。

4.器官病理變化模型：制作一個腫瘤的模型，將其放置在特定器官的位置，讓學生了解腫瘤對器官的影響和相鄰結構的變化。

5.跨學科整合模型：打印一個綜合模型，將解剖結構與生理學、病理學等內容進行整合。例如，制作一個呼吸系統模型，展示氣管、肺部結構，同時顯示氣體交換的過程。

這些實例可以根據教學目標和學生需求，結合個性化學習和團隊協作模式進行教學。近年來，三維打印技術在“系統解剖學”教學中也不乏嘗試和改進，麥考瑞大學通過對人體骨骼表面的三維掃描制成了具有高準確性的骨骼模型，同時保留了真實骨組織的視覺和觸覺，并正式將其投用于教學中［18］；Sofiah等［19］以熱塑性聚氨酯/橡膠混合物為材料，利用真實的人腦MRI圖像用于形成三維打印的解剖模型，如此不同于普通硬塑料材質的軟解剖模型，提高了仿真程度，大大提高了學生在學習過程中的感官體驗和學習興趣。

五、三維打印模型教學對“系統解剖學”教師的要求

在利用三維打印模型進行“系統解剖學”教學時，教師須要具備一系列的技能，以確保教學的有效性。

首先，教師須要具備深入的解剖知識，對解剖學知識有深入的理解，包括結構、功能、相互關系等［20］，以便能夠結合教學大綱和教學重點精確地設計并制作三維打印模型，并提供詳細的解釋。其次，三維打印和解剖學是兩個完全不同的領域，要促進兩個學科的融合發展，教師應熟知三維建模和數據處理［21］，熟悉三維建模軟件，結合教學重點創建、編輯和優化解剖結構的模型，并突出知識重點［22］。這就需要教師具備一定的計算機技能和空間想象能力。再次，教師須要具備教學設計能力，能將解剖知識與三維打印技術相結合，根據現代醫學的進展，設計新的或有針對性的模型，使抽象的解剖概念變得更加具體和可視化。此外，教師應當具備創新思維，能夠根據學生的反饋，不斷優化，設計出引人入勝的三維模型，以增強學生的學習興趣，提高教學質量。另外，教師須要有較好的溝通能力，可清晰地傳達模型中的結構和知識點，以確保學生能夠理解和吸收。最后，教師須要具備技術應用能力，了解三維打印技術的原理，能夠操作打印機并進行必要的后期處理。這些要求和技能將有助于教師在三維打印模型的輔助下，為學生提供更豐富、互動性更強的解剖教學體驗。

為更好地利用三維打印模型進行“系統解剖學”教學，教師應積極接受指導和培訓，顯著提高課堂教學質量。此外，教師和學生的合作與積極參與也被視為成功實現“系統解剖學”教學改革的關鍵要素。因此，為了最大限度地發揮三維打印模型的潛力，須對教師和學生提供指導和培訓，以確保他們能夠有效地利用這一教育工具，共同推動“系統解剖學”教學的進步。

參考文獻

［1］歐葉濤，李厚忠，于蘭.新醫科視域下解剖學課程“三融合”教學機制的創新［J］.新課程研究，2023（18）：44-46.

［2］ADAMS J W， PAXTON L， DAWES K， et al. 3D printed reproductions of orbital dissections： a novel mode of visualising anatomy for trainees in ophthalmology or optometry［J］. Br J Ophthalmol， 2015，99（9）：1162-1167.

［3］王張林，李鑒軼，孔祥雪，等.三維打印技術在醫學中的應用［J］.婦產與遺傳（電子版），2014，4（4）：40-45.

［4］MCMENAMIN P G. The third dimension： 3D printed replicas and other alternatives to cadaver-based" learning［J］. Adv Exp Med Biol， 2023（1421）：39-61.

［5］RENGIER F， MEHNDIRATTA A， VON TENGG-KOBLIGK H， et al. 3D printing based on imaging data： review of medical applications［J］. Int J Comput Assist Radiol Surg， 2010，5（4）：335-341.

［6］DARRAS K E， DE BRUIN A， NICOLAOU S， et al. Is there a superior simulator for human anatomy education？ How virtual dissection" can overcome the anatomic and pedagogic limitations of cadaveric dissection［J］. Med Teach，2018，40（7）：752-753.

［7］MCMENAMIN P G， HUSSEY D， CHIN D， et al. The reproduction of human pathology specimens using three-dimensional （3D） printing technology for teaching purposes［J］. Med Teach，2021，43（2）：189-197.

［8］MOGALI S R， YEONG W Y， TAN H， et al. Evaluation by medical students of the educational value of multi-material and multi-colored three-dimensional printed models of the upper limb for anatomical" education［J］. Anat Sci Educ，2018，11（1）：54-64.

［9］YOUSEFI F， SHOKRI A， FARHADIAN M， et al. Accuracy of maxillofacial prototypes fabricated by different 3-dimensional printing technologies using multi-slice and cone-beam computed tomography［J］. Imaging Sci Dent， 2021，51（1）：41-47.

［10］ALALI A B， GRIFFIN M F， CALONGE W M， et al. Evaluating the use of cleft lip and palate 3D-printed models as a teaching aid［J］. J Surg Educ， 2018，75（1）：200-208.

［11］李程浩.淺談解剖學教學與臨床實踐的巧妙結合［J］.智慧健康，2022，8（12）：194-197.

［12］HERNANDEZ J E， VASAN N， HUFF S， et al. Learning styles/preferences among medical students： kinesthetic learner’s" multimodal approach to learning anatomy［J］. Med Sci Educ，2020，30（4）：1633-1638.

［13］MAGALHES L S S M， SANTOS F E P， ELIAS C D M V， et al. Printing 3D hydrogel structures employing low-cost stereolithography technology［J］.Journal of Functional Biomaterials， 2020， 11（1）：1-9.

［14］李楠.人體解剖學教學改革與實踐［J］.中國教育技術裝備，2021（21）：86-87.

［15］AL-BADRI N， TOUZET-ROUMAZEILLE S， NUYTTEN A， et al. Three-dimensional printing models improve long-term retention in medical education of pathoanatomy： A randomized controlled study［J］. Clin Anat， 2022，35（5）： 609-615.

［16］KANKALA R K， ZHU K， LI J， et al. Fabrication of arbitrary 3D components in cardiac surgery： from macro-， micro- to nanoscale［J］.Biofabrication，2017，9（3）：32002.

［17］陳為堅，陳奕雄，陳慧華.基于磁共振影像重建技術的三維打印膝關節疾病模型在骨科教學中的應用［J］.中國當代醫藥，2018，25（22）：159-161.

［18］ABOUHASHEM Y， DAYAL M， SAVANAH S， et al. The application of 3D printing in anatomy education［J］. Medical Education Online， 2015，20（1）：29847.

［19］HANIS A H S， FIRDAUS I I， AMALINA S S， et al. Development of 3D printed human brain models using thermoplastic polyurethane/rubber blends for anatomy teaching promoting kinesthetic learning purposes［J］. Materials Today： Proceedings， 2023（74）：3.

［20］郭緒毅.解剖學教學改革面臨的挑戰與對策［J］.現代職業教育，2021（49）：186-187.

［21］何心，鄧侃，馮銘，等.三維打印技術在神經外科領域的應用［J］.中國微侵襲神經外科雜志，2016，21（11）：526-528.

［22］牛倩，李玉彬，朱磊.信息化教學在人體解剖學實驗教學中的應用［J］.知識文庫，2021（21）：118-120.

The Auxiliary Role of 3D Printing in Teaching Systematic Anatomy

DU Dan

（School of Medicine， Xiamen University， Xiamen， Fujian 361005， China）

Abstract： Anatomy education holds significant importance in the fields of medicine and life sciences. However， traditional teaching methods face certain challenges. Three-dimensional （3D） printing models， as an innovative educational tool， offer new avenues to address these challenges. Firstly， 3D printing models can simulate anatomical structures， providing students with a more intuitive and practical learning experience， thus sparking their interest in learning. Secondly， these models can serve as alternatives to traditional anatomical materials， especially in situations where resources are scarce or obtaining human specimens is difficult， reducing costs and legal risks. Additionally， 3D printing models enhance students’ learning experiences and understanding， offering various methods and examples to assist in anatomy education. However， producing these models involves certain economic costs， including materials， equipment， and design expenses. Furthermore， teachers and students need to adapt to this new teaching method， and get some training and guidance. Overall， 3D printing models introduce new possibilities in anatomy education， elevate the quality of anatomy teaching， and provide students with a richer， more interactive learning experience.

Key words： systematic anatomy; three-dimensional printing; anatomy teaching models