假肢矫形工程专业运动生物力学实验课改革探索
时间：2023-02-12 20:45:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吴宝平 宋红芳 王 辉 张昆亚 钱秀清 闫松华
(首都医科大学生物医学工程学院,北京 100069)
在专业人才的培养过程中,实验教学是教学环节中至关重要的一环,尤其是在高等医学院校中,对培养理论与实际相结合、科学思维、动手能力和严谨工作作风的医护人员有重要的意义[1]。理论课教学为实验课教学打下了坚实的理论基础和技术支持,实验课教学是一种在模拟环境下对理论知识的应用。实验教学过程能充分调动学生的积极性,使学生能更深刻理解所学理论,锻炼学生动手能力,激发学生学习兴趣,为学生以后应用所学理论知识解决实际问题提供了一个良好的训练。因此,为了加强学生专业实验素养和创新思维培养,实验课的教学改革显得尤为重要。
在实验课教学中,注重让学生参与,以学生为主的实践非常必要。因此,我们需要在优化教学内容、注重教学细节、改革教学手段等多重举措下,始终应牢牢把握课前-课中-课后3个环节,结合专业特点和实验本身,多方面培养学生的开放式思维。
首都医科大学假肢矫形工程专业已获得国际假肢矫形协会假肢矫形器1级教育资质认证,是本领域我国最早开办的本科教育专业,填补了国内该专业本科教育的空白,也是北京市特色专业,具有工程技术与康复医学实际结合、基础与临床结合、吸纳与发展高新生物医学工程技术的特色。本专业对学生的培养有其特色,一是宽厚的知识体系,让学生在掌握工科基础理论和基本技能的同时,具备良好的医学基础知识和相关知识背景。二是有充足的实验实践教学,在专业培养方案中理论课与实践课学时比为1∶0.71,充足的实验教学强化对学生动手能力的培养;必不可少的临床见习、毕业实习和毕业设计阶段,着重对学生假肢矫形临床实践能力、解决实际问题能力和综合设计能力进行培养,提高学生的执业能力和社会适应能力。
运动生物力学是首都医科大学假肢矫形工程专业重要的一门专业基础课[2],也是在理论力学和材料力学课程之后修的一门和人体相关的力学课程,内容包含理论和实验两部分,经过2014年的教学大纲修订,实验学时由6学时增加为12学时,极大地提升了学生的动手实践机会。而步态分析是运动生物力学研究中的重要测试手段[3-4],它利用力学概念及处理手段对人体行走时的肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析[5-7],提供基于一系列时间、几何、力学等概念的参数值和曲线[8-10],为学生深入了解临床问题提供了一定的基础。
针对目前学校运动生物力学实验课程在教学内容和教学方法等方面存在的不足,根据日常教学实践,将运动生物力学与体质测试、体育运动相结合,引入开放式的实验教学方法,紧密结合临床实际,同时满足国际假肢矫形器协会(International Society for Prosthetics and Orthotics, ISPO)对课程的要求,培养更加实用型的假肢矫形专业人才,拟对实验教学进行细化改革,以期提高实验教学的质量和学生的创新实践能力。
运动生物力学课程开设原则是:注重联系假肢矫形工程专业的人才培养目标,体现理、工、医相结合。2014级前的几届学生,实验课内容仅有两个演示实验,包括力平台及其应用、便携式步态分析系统及其应用,让学生对本课程实践环节有个感性认识[11]。到2014级学生,增加到4个验证实验,包括三维运动捕捉系统及其应用、力平台及其应用、表面肌电系统及其应用、便携式步态分析系统及其应用,内容进行了扩充,同时也丰富了实验类型,每个实验3学时,实验总学时由6学时增加至12学时,可为学生提供更多动手的机会,实践性进一步提升,让学生较全面地了解实验所涉及到的研究方法;同时实验课的教学方法由教师演示为主变成以学生动手为主、教师辅导为辅,充分锻炼学生动手能力,提高其观察能力和分析解决问题的能力。通过实验,学生可全面了解运动生物力学实验研究的基本方法,并且学会将这些测试方法应用到将来从事的假肢矫形工程相关临床研究中。本文着重对“力平台及其应用”实验展开讨论。
2.1 学生基础知识储备不足
运动生物力学是应用力学原理和方法研究生物体外在机械运动的生物力学分支。通过本课程让学生掌握人体的运动原理,熟悉人体运动系统的力学特点和研究方法,初步了解运动生物力学在假肢、矫形器设计和装配中的基本理论,为将来从事假肢矫形器设计师、康复医师等职业奠定一定的基础,尤其要求要有比较高的理论基础,且很大一部分是工科的必修内容,要想全面了解掌握步态特征的测试和分析,生物力学基础理论知识必须扎实,还需要有较强的医学、数学、力学、统计学等相关背景知识;而假肢矫形工程专业学生先期的基础知识储备不足,而且一次实验课“力平台及其应用”仅有3学时,实验课上不可能用大量时间去讲解理论知识,导致学生实验课所需的基础知识储备相对欠缺。
2.2 教学目标及内容简单、模式单一,缺乏应用性指导及创新性培养
目前实验课中“力平台及其应用”的教学目的和要求为:①掌握Footscan足底压力分布测试系统和三维测力台的具体操作;②了解Footscan足底压力分布测试系统和三维测力台的应用。教学内容为:老师演示Footscan足底压力分布测试系统和三维测力台的具体操作,通过受试者具体参与,指导学生学习并掌握他们的使用,采集实验数据,完成数据分析,体会Footscan足底压力分布测试系统和三维测力台的应用。
以上的实验仅仅是对足底压力分布测试系统的了解和最基本的操作,学生通过在测力平台上常规行走获取数据,进行简单的数据分析;而学生缺乏兴趣和积极性,参与度不高,和临床的紧密结合性体现不明显。
同时足底压力测试实验由于受课时和教学内容的限制,基本上是单一的教学模式,学生只能按照实验课的要求按部就班地完成实验内容,几乎没有创新,且实验过程中只注重足底压力的测试和测试方法的掌握,缺乏应用性的指导,不利于提升学生专业实验素养和创新思维培养;每次实验课后,学生对实验内容基本没什么印象,导致课堂上无法发挥学生的主体作用,学生只能被动地接受知识,无法提高自身的学习效率和质量。另外,所有的实验步骤都是通过教师的引导和预先设定要求进行,即使某些学生对实验有着自己独到的见解,也没有机会付诸实践,这不利于培养和提高学生的创新和创造能力。
2.3 实验数据缺乏对比分析
目前的步态测试实验,实验指标数据只是正常学生的数据,包括支撑期分期、足底各区域压强峰值、足底三区域所受冲量百分比、足弓指数、足轴角等,这些实验结果具体是好是坏,没有对比也就无从验证。
3.1 课前做好充足准备
将学生提前分组建群,群内布置实验内容,预习并撰写实验预习报告,预设一些问题供正式实验课时回答,组内可以互相讨论,也可以和老师讨论,以便很清晰地了解本实验。
3.2 编写详细的实验指导讲义,让学生提前预习,夯实理论基础
在上课时减少步态特征相关理论知识的讲解,这部分内容可以让学生在课前提前了解并掌握。为了使学生能够在实验课前后很好地学习和掌握步态特征相关的基础理论,加强对步态分析实验的理解和认识,编写了详细的实验指导讲义,从实验原理、仪器配置、涉及的概念、测试指标到数据处理都有详细的描述,以指导学生做到课前预习、课堂上有目的地进行实验、课后有目标地写实验报告,从而提高课堂教学效率。
3.3 改进实验内容,优化实验模式,增加应用性指导和创新性培养
在原有教学目的和教学内容的基础上,紧密结合专业的特点和发展趋势,对现有的运动生物力学实验课中“力平台及其应用”实验,从实验内容和设计上进行补充和改进。
(1)步态测试次数的改进。每个学生都是一个受试者,他们的步态数据来自当堂课的实测。学生赤足,在铺有10 m长的塑胶跑道上由原来的1次改为3次步态测试;因为步态特征的个体差异性、随机性比较大,增加测试次数并将测试指标导出取平均值,可以提高数据的可靠性,这样可以避免受试者由于紧张或者不习惯等导致步态走样带来的误差,这也是常规科学研究的严谨做法,然后通过SPSS软件对各个指标进行统计学分析。
(2)在原有简单步态测试基础上,增加体质测试指标(包括身高、体质量、肺活量、坐位体前屈等)[12]。在体育课中学生早有接触体质测试,但是将学生个人的体质状况融入我们的实验课当中,并且和步态特征数据结合起来将会极大地提高学生的学习兴趣,使学生意识到体育锻炼和体质健康的重要性。将学生按照体质健康测试成绩分成不及格、及格、良好、优秀4类[13],以便后期进行不同体质健康学生步态特征的差异性分析。
(3)学生自主测试的方式。以往是演示性实验,老师操作实验仪器,个别学生当作受试者,其余学生观摩,学生的参与度不够。现在每个学生都是受试者,当一名学生在测试时,别的同学操作实验仪器,进行数据采集,互相帮助,完成所有人的测试工作;而老师在旁边观摩,在出现问题时及时解决,扮演一个次要角色。
(4)完善实验数据,增加对比性。每组每一位学生都有一套完整的实验数据,学生可以进行组内讨论,用统计学方法分析体质与步态特征的关联和差异性。
3.4 增加课后设计,延伸学习
作为实验课后的拓展,教师可以将临床获得的步态数据,也就是患者的步态特征数据提供给学生,让他们进行进一步的数据分析,并且和自己实验测得的数据进行对比,从而寻找正常步态和异常步态的特征点,这项工作使得他们向科学研究迈进了一步。
3.5 增加开放式实验,提供更大平台
目前步态分析实验课上的内容都是基础性的实验,按着教师的规定动作完成,且每个学生只是测试本人的步态指标,时间和数据量都有限。现在实验室有条件能够进行一些综合性、设计性的实验,为学生开放空间和设备,结合假肢矫形工程的专业特色,有兴趣或者学习能力强的学生,可以根据自身情况,结合临床实践,自主设计实验方案,经和老师讨论之后,可行即可付诸行动。学生借助实验室条件开展开放性实验,过程中老师给予充分积极的指导和帮助,提供一切可能的便利,同时可以解释出现的现象和蕴含的意义,让学生充分了解运动生物力学的学科意义。
3.6 增加仿真模拟模块,拓展实验视野
实验室配备了虚拟仿真实验平台,超大屏幕高清显示,VR三维观看。平台上有一些经典力学实验展示模块,不用动手通过仿真的形式展示给学生,让学生在课程所涉实验之外,更多地了解力学实验,拓展实验视野。
通过对运动生物力学中“力平台及其应用”实验课多方面的优化改进,每一位学生都是受试者,将步态特征数据和体质健康测量相结合,分析体质状况和步态特征的相关性,在学生掌握步态实验方法的同时,融入自己的体质数据,提升学生的参与度和兴趣度;同时增加课外拓展和开放实验平台,让学生在学有余力或者兴趣驱使下有更多的视野拓展,充分展示自己的实践能力。
同时通过和学生的交流,发现前几届学生的感受和优化后学生的体会有很大的不同,学生们体会到了本课程和自身健康、和临床实践的紧密结合性,尤其是在高年级到临床后,他们有了实际和患者接触的经历,也会带着患者进行一些康复训练,对当初接触的实验感受会更深,会更加喜欢改革后的这种方式。同时通过对复杂数据的处理与分析,引发学生关于体质健康相关问题的思考,据此提出合理的锻炼建议,进而提升了假肢矫形工程专业学生专业实验素养和创新能力。
改革后的实验教学也更加符合国际假肢矫形器协会对假肢矫形工程专业运动生物力学课程的要求,符合学校为我国培养假肢矫形工程专业紧缺高级人才的终极目标,从而也能为他们将来从事相关科学研究和临床实践服务打下坚实的基础。步态分析也可应用到以后的体育教学当中,以指导学生科学地、有针对性地进行体育锻炼[14-16]。
同样,对课程中涉及到的其他实验,如表面肌电系统及其应用实验,也进行了相应的改革,对陈旧的仪器进行了更新换代,取而代之的是最新的一套设备,灵敏度有了很大的提升,肌电信号的采集通道增加,数据将更加丰富;三维运动捕捉系统及其应用实验从平台的搭建、系统的标定等一开始就让学生参与进来,了解软硬件的原理和使用,以及如何形成一个相对稳定的测试系统,遇到的一个个问题都想办法一一解决,极大地提升了学生的成就感,动手能力也得到很好的锻炼。
总之,在实验教学环节学生是主角,必须保证学生的参与度和动手实践的机会,把控实验的严谨和规范性,让学生真正在实验中找到乐趣和应用所在,提高实验教学的质量和学生的创新实践能力。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
作者贡献声明吴宝平:提出研究思路,设计研究方案,撰写论文;宋红芳、王辉、张昆亚:进行试验,调研、采集和分析数据;钱秀清、闫松华:总体把关,审订论文
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