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摘要：目的：不同原因引起的骨科疾病是临床治疗的一大挑战，也是骨科教学的一大难题。为了让学生更好地理解骨科疾病结构，一种行之有效的教学方法是必不可少的。方法：采用3D打印技术，结合SPOC平台辅助教学，将其应用于生物医学工程专业两个年级的骨科临床教学，并布置蓝墨云班课学习任务，以成绩评定来观察教学效果；选取2例患者的医学影像资料，使用E3D软件进行三维重建，运用3D打印技术，数字化再现患者的骨折和畸形立体模型，将模型运用于教学。结果：根据云平台的E-3D软件三维重建教学成果数据，在学生具备一定医学知识基础后开设此类课程具有更好的教学效果，同时该教学方式也适用于零基础学生；学生通过直观观察患者等大的3D打印模型，对患者的解剖结构了解清晰，并能够很好地进行分型，使教学更形象直观。结论：基于云平台的3D打印骨外科教学是一种新颖高效的课堂形式，有利于加强学生对知识的理解，促进学生的课堂参与度，在骨科临床教学中具有重要的意义。
关键词：3D打印技术；云平台教学；骨科临床教学
本文引用格式：王晶等.结合云平台的3D打印骨外科教学[J].教育现代化，2019，6（75）：95-99.
不同原因引起的骨科疾病是临床治疗的一大挑战，也是骨科教学的一大难题。同时，对于年轻的外科医生和医学生来说，骨科疾病的准确分类是一项艰巨的任务。为了更好地理解骨折的确切细节，学习者经常需要参考解剖学教科书和二维医学图像，这是相对困难和低效的。因此，一种有用的教学方法是必不可少的。解剖学模型是直观的教具，有利于解剖学教学、研究和临床应用。它们清楚地显示了不同器官中不同中空分支结构的分布和吻合，并通过提供对复杂解剖关系的全面理解而使医学学生、临床医生和研究人员受益。然而，由于与其生产相关的伦理困境、缺乏完美的再现性以及铸造过程中原始样品的消耗，其使用受到限制。此外，很难区分骨骼附属肌肉和血管的起源，因此很难准备相应的解剖结构。因此，有必要开发创新的教学方案来解决这一问题。
一 国内外研究现状
3D打印技术是生成高精度复杂实体的可行手段之一。使用3D打印技术可以使虚拟数据成为现实，计算机中的图像数据可以通过打印转化为现实中的真实对象，使人们能够更加真实、直接地观察，从而帮助人们更直接地看待设计效果，避免理论与现实之间的误差。吴颜延等[1]对北京协和医学院三年级医学生，采用3D打印颅骨模型进行颅底解剖学习，并通过主观评价问卷，肯定了其在解剖教学中的实用性。姚军等[2]将3D打印技术应用于复杂骨折临床教学中3D打印技术，验证了其对“5+3”临床一体化的骨科教学有一定的帮助。金昌等[3]将3D打印模型应用于介入放射学教学中，学员对此课程的兴趣和好奇心大增，取得了良好的效果。韩俊柱等[4]应用3D打印技术在DDH全髋置换手术教学中的应用效果，为该技术在骨科临床教学中应用提供依据。Weidert S等[5]使用3D打印模型应用于医学生教学，证明可以提高学生对骨折的认识和分类。Nicot R等[6]在本科生口腔颌面外科教学计划中引入了低成本的3D打印模型，提高了学生对颅面创伤的机械理解能力。Park L[7]为各级医学实习生创建了3D打印儿科气管内插管模型，以微小的成本学习气道内插管技能。Smith CF[8]使用3D打印模型作为解剖学的教学工具，补充既定学习方式的方法。
多媒体在医学教学领域有着广阔的应用前景，但由于多媒体文件需要大量的存储空间、高并发处理能力和占用大量的网络带宽，多媒体在过去一直受到限制。云平台的应用可以解决上述问题。范雪雪等[9]开发了一个基于云平台的医学生多媒体学习社区，该系统实现了多媒体文件的共享和在线点播，并针对医学生的特点设计了互动功能，提高了医学生的学习兴趣。李杨等[10]将云服务平台的教学方式应用于肾脏移植临床教学中，可提高学生对理论知识和实践操作的理解和应用能力。颜建辉等[11]创建临床医学生云空间学习交流平台，以辅助临床教学，并在此基础上进行教育教学改革，提高学生自主学习和创新实践能力。O'Doherty D等[12]发现医学教育中越来越多地使用“翻转课堂”，探索了大规模开放在线课程（MOOCs）融入医学培训的潜力。
二 研究内容
骨科临床教学中采用3D打印技术制作的骨骼三维模型，有助于学生在短时间内了解和掌握骨科疾病的影像学和分型特征，对进一步的手术程序和技术有基本的了解，满足精确手术的要求。本研究将3D打印技术和成像技术相结合，获取患者成像数据，输入计算机数字医学建模软件进行3D重建，并结合计算机辅助设计对3D重建模型进行平滑处理。3D打印技术用于数字化地真实再现患者骨折或畸形的三维模型。其中，第一章3D打印技术在临床中的应用概述（2学时），第二章医学数字成像软件教学（8学时），第三章切片软件及3D打印机使用方法（4学时），第四章3D打印实例及模拟手术训练（2学时）。结合蓝墨云课堂辅助教学，将其应用于生物医学工程专业两个年级的教学中，为骨外科教学提供了一种更加高效、新颖的教学方法。临床骨科学生的教学将是一种有效的教学方法，值得相关教师使用和推广。
（一）研究对象
本研究对象为大连医科大学本科一年级、二年级生物医学工程专业的两个自然班。两个班均由研究者执教，研究时间2018年-2019年寒假，历时2个月。
（二）基于云平台教学
为了解决学生使用手机影响课堂教学的问题，部分高校近年来开始推行“无手机课堂”，这种方式带来较大争议，甚至让部分学生产生严重的逆反心理。本研究引入蓝墨云班课（北京智启蓝墨信息技术有限公司）辅助教学，课前发布教学资源，使同学们形成自主学习的好习惯；课上利用蓝墨云班课签到，使老师更好的掌握同学们的出席情况；课后提交作业的方式多种多样，使同学们更加灵活地掌握课堂内容。此外，云平台还提供了头脑风暴、计时测试、线上交流等一系列功能，培养学生思考问题、解决问题、互相交流的习惯，也帮助老师更加明确地了解学生们的学习情况，关注他们个性化的发展。
同时，本研究利用小规模限制性在线课程（small private online course,SPOC）对学生进行教学。SPOC对申请者的限制确保了参与学习者有能力接受知识。SPOC将在线教学资源应用于小规模学生，并将其与传统课堂教学相结合。它采用在线学习与离线和反向学习相结合的混合教学方法。
（三）三维重建教学
数字医疗3D建模与设计软件E3D（中南E3D数字医疗与虚拟现实研究中心）旨在为外科医生提供可用于实际临床手术的数字化建模和手术设计，同时可用于计算机辅助手术培训和教育。该系统特色功能包括更加直观便捷的扫描图像导入、三维重建、三维测量、模型编辑、手术规划、导板假体设计等功能，并且能根据需要进行功能扩展。
教学安排使用E3D软件对患者CT扫描数据进行三维重建，采用3D打印技术制作出1:1等大的患者伤情模型。打印材料选择聚乳酸材质。模型在大连医科大学基础医学院3D打印实验室制作完成。开设《医学3D打印》SPOC课程，共计16学时，12周次进行教学，具体教学内容安排如下：
①线下理论教学，多媒体教学，通过播放短片、图片，结合实际临床案例，讲解3D打印技术在临床医学中的应用。使学生了解本课程的教学目的，对3D打印技术在临床医学中的应用有基本的概念，强调本课的学习方法和要求，以及该课程在临床实践中的作用。
②理论教学，多媒体教学，通过软件演示、案例教学，讲解E3D软件在医学3D打印技术中的作用。了解E3D软件的3D建模、智能分割等重要功能。
③SPOC视频教学，掌握E-3D三维数字医疗系统的下载与安装方法和将数据导入E-3D三维数字医疗系统的方法。
④SPOC视频教学，使学生了解画刷轮廓和局部套索的作用，掌握画刷轮廓和局部套索的使用方法。
⑤SPOC视频教学，使学生掌握E3D软件中智能分割中团块分离的操作，熟悉不同画刷使用，了解分离骨头对医疗业的主要意义。
⑥SPOC视频教学，使学生掌握E3D中的多目标分区对骨头及软体进行分离操作。熟悉对分离精度的修正。
⑦SPOC视频教学，使学生了解骨折快速复位的基本过程，掌握骨折骨头的分离方法。
⑧SPOC视频教学，使学生掌握如何用E3D软件将骨折块进行分割及复位。
⑨SPOC视频教学，使学生掌握如何用E3D进行钉道的摆放。
⑩SPOC视频教学，使学生熟悉股骨颈骨折快速复位方法，掌握螺钉与导板的插入与调整。
SPOC视频教学，使学生掌握将3D模型导出为STL文件，熟悉使用Repetier-Host进行切片了解如何进行3D打印。
线下实验教学，使学生通过实际演示、案例教学。讲解3D打印使用方法，并让学生动手操作，制作自己第一份3D打印作品。
（四）教学实例
选取了2例患者的医学影像资料。根据患者影像学资料，使用E3D软件进行三维重建，结合SolidWorks软件（法国达索公司）进行平滑等加工处理，运用3D打印技术，数字化真实再现患者的骨折或畸形立体模型。最后，将其运用于教学，并布置蓝墨云班课学习任务给学生，以成绩评定来观察教学效果。教学方法流程图如图1所示。
1.基于3D打印技术的全髋置换手术方案制定教学
先天性髋关节发育不良患者解剖结构相当复杂，全髋置换手术是其有效治疗方法，需在术前对异常髋关节解剖结构了解清晰，制定精确的手术方案。选择先天性髋关节发育不良患者为研究对象，获取患者CT扫描图像，将数据输入计算机数字医疗建模软件中进行医学图像三维重建，采用3D打印技术完成髋关节模型。直观观察患者髋关节等大的3D打印模型，使学生对髋关节脱位程度和异常畸形的解剖结构能够很好地进行分型，使教学更形象直观。双侧打印模型，还可以与健侧进行对比，对不典型的骨病做出正确的诊断。正确的分型决定了如何制定手术方案，并在术前分析外力作用机制，评估损伤的严重程度和手术风险，从而获得较好的手术效果。3D打印髋臼和股骨模型如图2所示。
2.3D打印技术运用于Pilon骨折治疗教学
获取患者CT图像，将图像导入医学图像处理软件建立Pilon骨折的三维模型，3D打印出该模型用于医学教学。在临床课堂上，通过医师对患者3D打印模型进行现场疾病分型讲解和模拟手术，使学生在模型上对学习Pilon骨折的治疗过程更为深刻。医师制定手术方案，并让学生回答相关的解剖学问题，使教学更加具体形象。模拟手术过程包括器械准备、打断骨头、将骨头用螺钉固定。模拟手术过程图如图3所示。
三 结果
在数字医疗3D建模与设计软件E3D的教学中，通过分组实验探究发现，蓝墨云班课较传统的教学方式的确可以更好地激发学生们的学习热情，发掘他们的潜力，让老师更好地了解每个学生的学习状态，发现他们的独特之处。在本科一、二年级学生中随机各抽取了5名学生的蓝墨云平台的E3D成绩。根据数据显示，使用蓝墨云班课的E3D软件三维重建教学在同专业生物医学工程二年级学生的平均分和及格率略高于一年级。其中，该课程的最高分出现在一年级，表明该教学方法同样适用于零基础学生。但考虑其教学效果在教学二年级学生更好，因此建议在学生学习中期开设此类课程。具体结果详见表1。
四 讨论与结论
根据课程重点和学生特点设计每个课程具体教学方案，通过云班课平台辅助完成教学任务。将课件、课前任务、课后作业等内容上传至蓝墨云班课资料库。使用蓝墨云班课多项课堂活动，包括手势签到、小组（或个人）任务、答疑讨论等。不仅方便老师统计学生的出勤率，还可以通过对学生任务完成情况的综合情况为学生打分，克服了以往平时成绩难以评定的困难，使得打分方式更加公平公正。
3D打印模型集解剖结构、骨科诊断、骨折分类和外科治疗于一体，增强了骨科学教学的直观性和生动性。如果仅仅依靠影像资料进行骨折分类，即使是有经验的资深医生也经常会有误诊和漏诊。然而，在3D打印模型上，微小的隐藏裂缝可以直接反映出来。如果模型印在两面，也可以与健康的一面进行比较，做出非典型骨病的正确诊断。正确的骨折分类决定了如何制定手术计划，手术前分析外力机制，评估损伤的严重程度和手术风险，从而制定详细的手术计划。临床教师在教学过程中也便于指导和解释，使学生印象深刻。
骨科临床可操作性强，手术机会缺乏，是骨科临床教学中的难题之一。通过各种3D打印骨折模型，实验组学员增加了骨科各种手术的机会，使他们能够真正体验内固定植入物的安装，大大提高了学习兴趣，激发了学习的主动性和积极性。同时，结合实际案例的讲解和实践，实验组有效提高了学生诊断和治疗复杂关节骨折的能力，有利于培养学生良好的临床思维能力。实验组在对模型进行各种外科手术时，根据自己的经验提出了许多问题，并请老师回答，从而形成了良好的课堂气氛和互动，显著提高了教学质量。通过课堂上的热烈讨论，充分发挥了学生的主观能动性，取得了良好的教学效果，为他们今后的专业发展奠定了坚实的基础。
住院医师规范化培训中，骨科轮换时间仅为3个月，典型骨科病例、罕见骨科病例和罕见骨科病例的接触机会较少。利用数据库中患者相应的计算机断层扫描值，可以随时打印出教学模型，有利于骨科学有针对性的临床教学。例如，可以进行骨盆骨折的特殊训练。可以在数据库中筛选患者，并且可以直接打印所有类型的骨盆骨折。结合患者的临床资料，分析损伤机理，制定手术方案。回顾3D打印模型上的解剖知识可以加深对特殊情况的记忆和理解。鼓励学生使用软件自行制作3D仿真动画，并参与3D打印模型的制作。对于某些特殊情况，一旦联系上，他们将终生难忘。这有助于刚进入临床实习的学生培养实践能力，激发学习热情，显著提高学习效率。这种教学方法也激发了教师的积极性，从而对教学效果产生了积极的影响。
研究证明基于云平台的3D打印骨外科教学能够提高学生课堂学习参与度，同时，开课年级不同，教学成果也会有所不同。云班课平台是成为教师与学生之间有效沟通的桥梁，也是教师监督辅助学生学习的良好平台。基于云平台的3D打印骨外科教学是一种新颖高效的课堂形式，有利于加强学生对知识的理解，促进学生的课堂参与度，将来或与本校开设的生物力学、解剖学学等课程相结合，从而获得更好的教学成果。
参考文献
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