基于有限元分析技術的支架式教學在骨科教學中的應用

鄧俊豪 孟繁琪 牛芮涵 李毅 李明 崔翔 張里程 李志江

骨外科學作為外科學的重要分支學科，涵蓋了多個亞專科領域，其疾病類型繁多，且患者群體年齡跨度極大。其包括了從需迅速處理的創傷急癥到診療過程復雜、鑒別診斷困難的脊柱四肢畸形或腫瘤病變等多種情況。同時，骨外科學也涉及兒童的關節脫位，以及中老年人常見的腰椎間盤突出癥和骨質疏松性疾病等。這使得骨外科學相關的診治知識既廣泛又復雜[1-2]。近年來，科技的飛速發展催生了諸如經皮微創跟腱吻合術、骨科機器人手術等前沿技術，這無疑對骨外科臨床實習和住院醫師規范化培訓輪轉的學生提出了更高的學習要求。同時，這也要求臨床帶教醫師必須擁有更為廣博的知識體系和更為嚴謹的教學邏輯。然而，當前臨床骨科教學依然主要依賴傳統教學模式，即按照教材從總述到分論的框架，進行分散式的文字與圖片教學。這種教學方式導致學生難以形成對骨科學習的直觀印象，不僅耗時耗力，而且難以迅速掌握學習要領，學生對骨科學習的興趣也逐漸減弱[3]。因此，探索一種新型的骨科教學模式，對完成醫學生的培養工作具有重要意義。為此，本研究提出基于有限元分析技術的骨科支架式教學模式，旨在為骨科臨床教學改革提供新思路。

1 骨科臨床教學所面臨的困境

骨科作為醫學領域的重要分支，深入探究人體骨骼、關節、肌肉及韌帶等多個系統的復雜結構和功能，并致力于各類相關疾病的精準診斷和治療。骨科臨床教學在培養具備專業素養的骨科醫師中占據舉足輕重的地位，然而，教師在實際教學中也面對一系列的困境和挑戰[4-6]，主要有以下2個方面。

1.1 傳統教學方法的缺陷

1.1.1 缺乏針對性

傳統的骨科臨床教學法主要是按照固定的教材和大綱進行講授，講授為主，示范為輔，強調知識灌輸和技能傳授，而非根據不同的學習者進行個性化的調整和安排。這種教學法容易忽略學習者在知識水平、興趣愛好、學習風格、認知特點等方面的差異，導致教學內容過于抽象和泛化[7]。同時，這種教學法也沒有充分考慮到不同層次和需求的學習者的差異性和個性化，不能適應多元化的教學目標和評價標準，缺乏針對性。

1.1.2 缺乏互動性

傳統的教學法往往是以教師為主導，以講授為主要手段，強調單向的信息傳遞和知識灌輸。這種教學方式忽視了學生在教學過程中的參與度和主動性，使得教學過程缺乏有效的交流和反饋機制。這不僅無法激發學生的思考和探究欲望，還削弱了學生的主動性和創造性。長此以往，學生對骨科知識和技能的理解和運用將難以達到應有的深度和廣度，嚴重影響其專業成長和發展[8]。

1.1.3 缺乏實踐性

傳統的教學法通常過于偏重理論知識的單向傳授和技能的機械模仿，盡管有時會結合示范教學，但卻往往忽略了學習者在實際操作中的應用能力鍛煉和創新思維的培育。這種教學方式往往缺乏實驗和模擬的實踐環節，因此無法有效地培養學習者的問題解決能力和批判性思維，進而限制了他們的全面發展[9]。因此，在骨科臨床教學中，如何改變傳統的以教師、知識、考試為中心的教學模式，轉變為以學習者為中心、以問題為導向、以能力為目標的教學模式，是一個亟待解決的問題。

1.2 傳統教學技術的不足

骨科手術涉及人體骨骼的切割、鉆孔、固定等操作，需要使用動物或人體尸體標本進行模擬訓練。然而，這些教學資源在數量和質量上都存在不足[2，10，11]。

1.2.1 缺乏真實性

傳統的教學技術往往是使用動物或人體尸體標本進行手術模擬訓練，但這些標本與真實的手術環境有很大的差異。例如，動物或人體尸體標本的解剖結構、組織特性、血流狀態等與活體有很大的不同，不能反映真實的手術難度和風險[12]。動物或人體尸體標本的保存和處理也會影響其質量和效果，導致教學資源的浪費和損耗。

1.2.2 缺乏多樣性

傳統的教學技術往往使用固定的教學資源進行手術模擬訓練，但這些資源不能滿足不同類型和難度的手術需求。例如，動物或人體尸體標本的數量和種類有限，不能覆蓋所有的骨科疾病和手術方案，動物或人體尸體標本的使用也有一定的局限性，不能模擬復雜和變化的手術情況[13]。

1.2.3 缺乏智能性

在溫州，與臺風“瑪麗亞”不期而遇的我們，并沒有因此停下尋訪的腳步。歷經整宿的狂風暴雨，臨出發時雨勢已減弱許多。約定采訪日的上午，余董父子如期冒雨前來，親自驅車把我們接到了中科。

傳統的教學技術往往使用簡單的教學工具進行手術模擬訓練，但這些工具不能提供足夠的信息和反饋。例如，傳統的X線透視儀只能提供二維的影像信息，不能顯示三維的解剖結構和器械位置。傳統的教學工具不能根據不同的學生提供個性化的指導和評價[14]，不能有效推動學習者的持續進步與全面提升。

因此，骨科知識和技能的復雜性使學生需要具備較強的記憶力和理解力。同時，骨科手術技能要求高，需要精細的操作和嚴密的邏輯，學生不僅需要掌握各種器械的使用方法，還需要根據不同的病例制定合理的手術方案和預防并發癥的措施。這些知識和技能的掌握需要學生長期的實踐和積累，加之骨科教學資源的不足，對于初學者來說，學習曲線較長，難度較大。因此，在骨科臨床教學中，如何高效地傳授骨科知識并訓練相關技能是當前亟待解決的重要問題。

2 骨科臨床教學困境應對—基于有限元分析技術的支架式教學方法構建

2.1 支架式教學法應對骨科臨床傳統教學的針對性、互動性和實踐性不足的問題

1976年，美國心理學家Jerome Bruner和David Wood等受到蘇聯心理學家Lev Vygotsky的發展心理理論和社會文化理論的啟發，認為兒童在成人或同伴的協助下可以完成比自己能力水平更高的任務，他們通過實驗觀察了成人如何幫助兒童完成一個木塊堆疊游戲，并發現成人會根據兒童的反應和需求，提供不同類型和程度的幫助，例如提示、示范、鼓勵、反饋等，并將這種幫助稱為“支架”，并在此基礎上提出支架式教學策略[15]，即為提升學生的學習效率，教育者針對性地構建了有助于學生理解的思維模式，并在此基礎上形成概念式框架。這一理念與骨科臨床教學的初衷不謀而合，這為其應用于骨科臨床教學提供了理論基礎。

支架式教學是一種基于建構主義理論的教學法，它認為學習是一個主動的、有意義的、社會性的過程，學習者需要在現有知識的基礎上，通過與環境和他人的互動，構建新的知識和理解。支架式教學的核心概念是“最近發展區”，即指學習者在自己或他人的幫助下能夠完成的任務與自己獨立完成的任務之間的差距。支架式教學的目標是為學習者提供適當的支持和引導，幫助他們在最近發展區內進行有效的學習，從而提高他們的潛在發展水平。

在骨科臨床教學中，支架式教學方法的實施可分為以下5個步驟：（1）明確骨科臨床教學目標，即確定學習者需要達到的知識、技能或能力水平；（2）評估學習者的現有水平，即了解學習者對骨科已經掌握的知識、技能或能力水平；（3）分析骨科臨床教學間距，即比較教學目標和現有水平之間的差異，確定需要提供哪些支持和引導；（4）設計骨科臨床教學支架，即根據教學間距和學習者的特點，選擇合適的教學策略、資源、工具、活動等，為學習者搭建有效的學習環境；（5）調整和撤除教學支架，即根據學習者的進步情況，適時調整或撤除部分或全部支架，使學習者逐漸實現自主和獨立，讓學生自主地運用所學知識和技能解決實際問題，培養他們的自信和自我評價能力。

支架式教學法在骨科臨床教學實踐應用[3，16]具備以下優勢：（1）從學生的角度上看，支架式教學能夠明確學生的學習動機和提高學習效率。通過支架式教學，學生可以根據自己的興趣和需求選擇合適的學習內容和方式，從而增強他們的主動性和自主性。同時，通過支架式教學，學生可以在教師的支持和引導下，快速地掌握和運用知識和技能，從而提高他們的學習效率。另一方面，支架式教學能夠提高學生的專業素養和職業發展。通過支架式教學，學生可以深入地理解和掌握骨科臨床的基本理論、方法和技術，從而提高他們的專業素養。同時，通過支架式教學，學生可以培養自己的創新思維、批判思維、問題解決能力和團隊協作能力，從而為他們的職業發展打下堅實的基礎；（2）從骨科臨床帶教老師的角度上看，支架式教學能夠提高教師的教學水平和教學效果。通過支架式教學，教師可以根據不同的教學目標和情境，靈活地選擇和設計合適的支架方式和策略，從而提高他們的教學水平。另外，通過支架式教學，教師可以有效地促進學生的知識構建和技能發展，從而提高他們的教學效果。同時，支架式教學能夠提高教師的專業成長和職業滿足感。教師可以不斷地反思和改進自己的教學理念和方法，從而提高他們的專業成長，教師可以看到自己對學生的影響和貢獻，從而提高他們的職業滿足感；（3）從骨科臨床教育的角度上看，支架式教學能夠提高骨科臨床教育的質量和水平。通過支架式教學，骨科臨床教育可以更好地適應社會和醫療領域的變化和需求，培養出具有高水平專業知識、技能、態度和價值觀的骨科醫生。同時，骨科臨床教育可以更好地利用各種教學資源和技術，提升教學的效率和效果。綜上所述，支架式教學是一種符合骨科臨床特點和需求的有效教學模式，它有利于提高骨科臨床教育的質量和效果。

2.2 有限元分析技術應對骨科臨床教學資源不足的問題

有限元分析技術（finite element analysis，FEA）是一種數值分析方法，它可以用來模擬復雜的物理現象，如結構力學、流體力學、熱傳導等[17-18]。FEA的歷史可以追溯到20世紀40年代，當時為了解決航空工程中的彈性問題，科學家們發展出有限差分法。隨著計算機技術的發展，FEA逐漸成為一種廣泛應用的工程分析工具，它可以處理各種幾何形狀、材料性質和邊界條件的問題。

FEA的技術特點是將一個連續的物理域劃分為有限個離散的單元（element），每個單元都有一定的形狀和尺寸，以及一些節點（node）和自由度（degree of freedom）。FEA通過建立每個單元的局部方程，并將其組合成整體方程，可以求解出整個物理域中各個節點的未知量，如位移、應力、溫度等。FEA的優勢是可以處理任意形狀和大小的物理域，考慮非線性和動態效應，提供高精度和高效率的數值解。

FEA技術用于骨科臨床教學可以克服傳統教學技術缺乏真實性、多樣性和智能性的問題[19-20]。（1）在真實性方面，FEA技術可以根據真實的醫學影像數據，如電子計算機斷層掃描（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等，建立三維有限元模型，并根據不同的材料參數、邊界條件和載荷情況進行模擬分析。這樣可以更準確地反映骨骼組織在正常或異常狀態下的力學行為和變化。例如，在骨折治療教學中，FEA技術可以模擬不同的固定方式和植入物對骨折愈合的影響，告訴學生最佳的治療方案。在骨質疏松癥的診斷和預防中，FEA技術可以模擬骨密度、骨微結構和骨強度之間的關系，幫助學生評估骨折風險和制定個性化的干預措施，增強學生的自信心；（2）在多樣性方面，FEA技術可以處理各種形狀和大小的物理域，可以考慮非線性和動態效應，提供多種分析結果，如位移、應力、應變、模態、疲勞等。這樣可以增加教學的多樣性和靈活性，讓學生能夠從不同的角度和層次理解和掌握骨科知識和技能。例如，在骨科生物力學教學中，FEA技術可以模擬不同的骨科問題，如髖關節置換、脊柱融合、膝關節炎等，并提供不同的分析結果，如應力分布、接觸壓力、植入物穩定性等，幫助學生深入了解骨科生物力學的原理和應用；（3）FEA技術可以結合人工智能技術，如機器學習、深度學習等，實現對骨科模型的自動化生成、優化和評估。這樣可以提高教學的智能性和效率，也可以幫助學生掌握最新的骨科技術發展趨勢。例如，在骨科植入物設計中，FEA技術可以結合機器學習技術，通過大量的數據訓練和測試，自動尋找最優的植入物形狀、尺寸和材料，以達到最佳的力學性能和生物相容性。在骨科影像分析中，FEA技術可以結合深度學習技術，通過卷積神經網絡等算法，自動識別和分割骨科影像中的感興趣區域，并提取有用的特征信息，以輔助醫生進行診斷和治療。

3 基于有限元分析技術的支架式教學方法的優勢

3.1 提高學生的主動性和參與性

教師支架式教學方法，根據學生的認知水平和需求，提供適當的支持和引導，幫助學生逐步建立自主學習能力。有限元分析技術為支架式教學提供了一個虛擬的實驗平臺，讓學生能夠在模擬的骨科環境中進行探索和實驗，而不受真實世界的限制。這樣可以激發學生的主動性和參與性，讓學生從被動接受知識變為主動構建知識。

3.2 增強學生的理解和掌握

支架式教學法指導教師根據學生的反饋和表現，動態調整教學內容和難度，實現個性化和精細化的教學。有限元分析技術為支架式教學提供了多種形式的支持和引導，如語音、文字、圖像、視頻、動畫等，幫助學生理解和掌握骨科知識和技能。這樣可以增強學生的理解和掌握，讓學生從表面記憶知識變為深層理解知識。

3.3 擴展學生的視野和創新

支架式教學指導教師根據學生的興趣和潛能，提供豐富的資源和機會，激發學生的視野和創新。有限元分析技術為支架式教學提供了一個開放的創新平臺，讓學生能夠在模擬的骨科環境中進行設計和優化，而不受現實世界的約束。這樣可以擴展學生的視野和創新，讓學生從重復應用知識變為創造性地運用知識。

3.4 適應骨科教學的特點和需求

骨科教學是一門涉及多種學科和領域的綜合性教學，它需要結合解剖學、生理學、病理學、生物力學、材料科學、工程設計等知識和技能，以及臨床實踐和創新研究等活動。傳統的教學法往往難以滿足骨科教學的特點和需求，導致教學內容碎片化、教學方法單一化、教學效果低效化。而基于有限元分析技術的支架式教學可以有效地適應骨科教學的特點和需求，將不同的知識和技能融合在一個有限元模型中，形成一個完整的骨科問題，讓學生能夠從整體和系統的角度理解和解決骨科問題；將不同的教學活動融合在一個虛擬的實驗平臺中，形成一個互動和創新的教學環境，讓學生能夠從實踐和探索的角度體驗和創造骨科知識。

3.5 促進骨科教育的改革和發展

骨科教育是一門不斷發展和變革的教育，它需要緊跟骨科技術的進步和社會需求的變化，不斷更新和完善教育內容和方法。傳統的教學法往往難以適應骨科教育的改革和發展，導致教育理念落后、教育資源浪費、教育質量下降。而基于有限元分析技術的支架式教學可以有效地促進骨科教育的改革和發展，它可以利用最新的計算機技術和人工智能技術，不斷更新和優化有限元模型和分析結果，讓學生能夠接觸到最前沿的骨科技術和信息。它還可以利用網絡技術和云計算技術，實現遠程教育和協作教育，讓學生能夠跨越時空限制，與不同地區和國家的老師和同學進行交流和分享。

4 基于有限元分析技術的支架式教學的實踐應用

基于有限元分析技術的支架式教學是一種將有限元分析作為教學工具，支架式教學作為方法核心，以幫助學生理解骨科臨床問題的教學方法，具體以髖臼后壁骨折為例，從骨科臨床教學課前、骨科臨床教學過程中和骨科臨床教學課后3個方面闡述基于有限元分析技術的支架式教學方法的具體應用。見圖1。

圖1 髖臼后壁橫行骨折解剖模型構建和有限元分析教學

4.1 骨科臨床教學課前

上課前，骨科教師明確教學目標和內容，做好以下準備工作。（1）讓學生了解髖臼后壁骨折的發病機制、診斷方法、治療原則和手術技術等；（2）評估學生的先驗知識，即讓學生回顧髖關節的解剖結構、生物力學特點、常見疾病和損傷等；（3）設計教學過程中的階梯和支架，即根據不同難度的問題情境，為學生提供不同類型和程度的支持和引導，如范例、問題、建議、向導、圖標等；（4）教師準備教學資源和工具，即利用有限元分析軟件，建立髖臼后壁骨折的三維有限元模型，并進行力學加載和應力分析。通過課前調動學生的自主學習能力和評估學生的水準，能有效針對性地授課教學，提升學生獨立思考，并解決臨床實際問題的能力。

4.2 骨科臨床教學過程中

在教學過程中，骨科教師進入情境，（1）通過病例介紹或視頻展示，將學生引入髖臼后壁骨折的問題情境，并提供必要的解決問題的工具，如有限元分析軟件、X線片、CT片等；（2）搭建支架，即根據學生的最近發展區，為學生搭建好支架，如提示學生觀察X線片或CT片上的髖臼后壁骨折的特征，讓學生比較正常髖臼和髖臼后壁骨折的有限元模型，引導學生思考髖臼后壁骨折對髖關節穩定性和功能的影響等；（3）培養學生獨立探索能力，即放手讓學生自己決定探索問題的方法，如讓學生利用有限元分析軟件模擬不同類型和程度的髖臼后壁骨折，觀察其應力分布和變化規律，分析其與臨床表現和預后的關系等；（4）最后，教師加入協作學習，即組織小組協商、討論。小組討論時，教師深入到小組當中，通過學生之間、學生與老師之間討論，共享獨立探索的成就，共同解決獨立探索過程中遇到的問題，如學生分享自己的有限元分析結果和發現，討論不同髖臼后壁骨折的治療方案和手術技巧，提出自己的疑問和困惑等。此教學法將以往傳統的“教師講授為主”轉變為“學生主動學習為主，教師協助為輔”，有利于進一步提升學生的自主學習和知識求解能力。

4.3 骨科臨床教學課后

課后，骨科教師進行效果評價，即包括個人的自我評價和集體對個人學習的評價以及教師的評價。評價要做到問題和探索過程融為一體，不能僅用脫離問題解決過程的標準化測驗來評價教學效果，如讓學生反思自己在有限元分析中的收獲和不足，互相評價對方的有限元分析方法和結果，教師給予學生及時的反饋和建議等。

另一方面，教師教學反思，即教師對自己的教學過程和效果進行反思和總結，探究教學中存在的問題和改進的方向，如教師反思自己是否充分利用了有限元分析作為教學工具的優勢，是否合理設計了支架式教學的階梯和支架，是否有效激發了學生的主動性和創造性等。

目前，傳統強調知識灌輸和技能傳授的臨床骨科學的教學方法缺乏互動性及實踐性，亟需更多的靈活的沉浸式的教學方法，而基于有限元分析技術的支架式教學對于骨科臨床教育有著積極影響，有望提高學生對各類常見或罕見骨科疾病的立體認識、幫助他們對骨骼肌肉疾病進行解剖學層面的宏觀和微觀剖析，同時也能夠提高臨床教師的教學水平和職業滿足感。有限元分析技術的應用也能夠使骨科教學更加真實和多樣，提供更好的學習體驗，能改善教學的針對性、互動性和實踐性.未來，更多的實踐和研究能真正運用在臨床教學中，將有助于提高骨科臨床教育的質量，培養更多高水平的骨科醫生，從而更好地滿足社會和醫療領域的需求。