摘要

三维(3D)打印越来越多地应用于医学教育和儿科心脏病学。设计了一个技术增强学习(TEL)模块，以配合先天性心脏病(CHD)的3D打印模型，以帮助医学生的教学。很少有研究评估医学生对他们使用3D打印学习冠心病的经验的态度和看法。本研究旨在通过一个由TEL支持的以在线案例为基础的3D打印冠心病模型的研讨会，探讨高年级医学生学习儿科心脏病学的经验。采用混合方法进行评估，包括研讨会后问卷调查(n = 94名学生)和焦点小组(n = 16名学生)。对焦点小组和自由文本问卷的回答进行专题分析。问卷调查结果显示用户普遍满意;91名(97%)学生认为工作坊是宝贵的经验。满意度最高的是实体3D打印模型、基于临床案例的学习和同行合作的机会。专题分析确定了五个关键主题:先前学习的可变体验、物理模型和在线模型之间的相互作用、灵活而新颖的讲习班结构、讲习班支持的学习成果以及使用3D打印学习的未来机会。一个关键的新发现是，学生们表示该模块增加了他们向他人教授冠心病的信心，并建议将其扩展到课程的其他部分。3D打印冠心病模型是一种宝贵的学习资源，有助于丰富和享受医学生的学习，广泛的满意度。

介绍

近年来，三维(3D)打印技术经历了巨大的发展，在整个医疗保健行业迅速普及[1]。3D打印已被证明是科学[2]和医学生[3,4,5]的普通和心脏解剖教学中有价值的教育工具。这些研究表明，在知识获取和学习者满意度方面，与传统的尸体或二维(2D)教学模式相比，这种教学模式具有优势或不劣势[6,7]。最近的一项系统综述和荟萃分析发现，在医学教育中，3D打印资源的使用与传统教学方式相比，在学习者满意度和短期知识获取方面，3D打印资源更具优势[8]。然而，对于专门研究心脏解剖的五项研究的亚组，传统和3D打印解剖教学在教学后知识得分上没有显着差异。一项针对波兰医学和健康科学专业学生的当代调查[9]发现，大多数学生(79%)愿意参加与3D打印相关的医学教育活动。

先天性心脏病(CHD)是最常见的先天性异常，占活产婴儿的1%[10]，在家庭医学、急诊、儿科和成人医生的临床实践中都会遇到。据估计，每100万成年人中有3000人患有成人冠心病，这一比例可能会随着冠心病生存率的增加而增加[11]。临床医生知识的不足可能导致这些患者对简单和复杂病变的护理不理想[12]，因此这是医学教育的一个重要领域。最近已经努力引入3D打印模型的冠心病教学跨越学习者的范围，包括本科护理[13]和医学生[6,7,14,15,16];儿科[17,18]，重症监护[19,20,21]，心脏外科和内科实习生[22,23,24];成人和儿科心脏病护士[25]。这些研究已经证明了3D打印冠心病模型作为学习辅助工具的可行性和一定的有效性，但并没有全面探讨学生对这些新型学习辅助工具的态度和体验。此外，很少有人关注如何指导或促进学习者使用3D打印模型，以及如何将它们纳入新的或现有的课程。我们之前已经证明，学生给出了一个非结构化的机会来探索蜡尸体标本和冠心病的3D打印模型总体花费相当的时间持有和与这两个模型交互-并且倾向于与管道清洁器交互更多，更稳健地处理3D模型[26]。在过去的十年中，医学教育迅速采用了技术增强学习(TEL)[27]，特别是在解剖学领域[28]。然而，TEL与先天性心脏解剖的关系尚未得到评估。

2019年底，作为一个跨学科小组的一部分，作者设计了一个心脏病理学研讨会，其中包括一个自我指导的在线模块，指导探索先天性心脏病的在线和3D打印模型。这个自我指导的研讨会取代了之前30分钟的面对面会议，以使用蜡制的冠心病尸体标本进行儿科心脏病理学教学。这些尸体标本是澳大利亚新南威尔士州韦斯特米德儿童医院常规教学设备的一部分，随着时间的推移，这些设备有被反复使用的危险。悉尼大学医学项目的学生在大城市和地区医院完成儿科教学，而地区医院的学生无法获得这些集中存放的标本。COVID-19大流行的出现进一步刺激了这一实践课程的重新开发，因为人们担心所有学生之间的标本需要充分清洁，并且需要限制大型群体互动。

我们创建了一个以小组为基础的、自我指导的心脏病理学研讨会，以增强学生理解和应用冠心病相关知识的信心和能力。这个心脏病理学研讨会使用在线临床病例和数字3D模型来促进对相同的手持3D打印解剖标本模型的指导探索。激发信心和自我效能感是关键，因为冠心病的复杂性及其对医学生的困难或困惑的看法可能导致幻灭和放弃该学科领域。这反映了Bandura在社会认知学习理论中对自我效能感的概念，学生对自我效能感的概念影响着目标选择、努力投入和面对逆境和困难时的弹性[29]。

本研究旨在探讨医学生对使用3D打印冠心病模型的看法，并在自我指导的冠心病研讨会上评估他们对冠心病知识的自我效能感和信心。

材料与方法

设置

悉尼大学医学项目是一个研究生入学的4年制医学学位。在研究期间，三年级或四年级的学生完成了为期8周的强制性儿童和青少年健康专业课程，其中包括以冠心病为重点的课程主题。医学项目中的心脏教学包括头两年的教学讲座，以及儿童和青少年健康街区的讲座和互动心脏病理学研讨会。该讲习班每年在韦斯特米德儿童医院(三级/四级儿科医院)或农村地区之一(奥兰治、达博和利斯莫尔基地医院)举办四次。

车间

心脏病理学研讨会是围绕四个儿童冠心病的临床病例设计的。它包括一个45分钟的个人自主混合媒体会议，包括一个数字模块和手持3D打印模型的冠心病，由一个主持人支持。辅导员没有儿科心脏病学专业知识，包括初级儿科实习生和成人心脏病专家，比例为1名辅导员对25名学生。在研讨会之前，学生们可以观看一个关于胎儿循环的5分钟在线讲座。研讨会的学习目标是让学生能够识别心脏解剖和冠心病的正常和异常特征，并将这些特征与心脏生理学及其临床意义联系起来。

该数字模块是与悉尼大学计算机设计专业的三名本科生合作建造的，由LB监督。该设计的主要特点包括简单的导航，按顺序浏览单个临床病例的能力，以及学生将亲自使用的相同手持模型的3D渲染(即数字3D图像)。在线模块被设计为“点击通过”的方式，引导学生将他们的手持模型与在线3D模型相匹配，从而提供半结构化的3D模型指导探索。这个在线3D模型可以放大和旋转，还可以删除和添加标签，以提高清晰度。

在两到三人的自我指导小组中，学生们在在线模块中学习了四种正在展开的冠心病临床病例:室间隔缺损伴卵圆孔未闭、动脉导管未闭、主动脉缩窄伴房间隔缺损和法洛四联症。每个病例有三个组成部分(见图1)。第一个是临床病例，包括详细的表现症状、检查细节和胸片;学生们被要求在每个阶段与他们的小组讨论相关的心脏和非心脏的鉴别诊断。然后，在线模块的第二个组成部分引导学生通过数字辅助探索特定心脏病变的3D打印模型，使用管道清洁器，回形针和移动电话灯来探索和理解导致病例演示的解剖和生理基础(见图2)。在线3D模型与学生持有的3D打印模型相同。这有助于学生定位和识别正常和异常的心脏解剖。最后，学生提供了一个解释潜在的心脏生理学的情况下。课程结束后，学生们仍然可以使用在线模块来复习和巩固他们的学习。

技术增强学习模块中的法洛四联症案例示例。每个临床病例最初都有病史、检查结果和胸片。案例的下一阶段是虚拟3D心脏模型，引导学生探索和发现实体3D心脏。虚拟模型可以旋转和放大，并包括标签选项。最后阶段是对病例的病理生理进行解释，巩固学习

一名学生通过3D模型，管道清洁器和技术增强学习模块的研讨会工作

Three-dimensio印刷部分

3D打印心脏模型由计算机断层扫描(CT)扫描(0.4 mm切片，Siemens SOMATOM Force, Munich, Germany)产生，这些扫描来自Westmead儿童医院病理学部的现有的、匿名的、固定的和打蜡的尸体心脏标本。选取单纯性和复合性冠心病的4例，分别为室间隔缺损伴卵圆孔未闭、动脉导管未闭、主动脉缩窄伴房间隔缺损、法洛四联症。CT扫描结果导出为DICOM文件，使用Mimics Innovation Suite (v19.0, Materialise, Leuven, Belgium)进行分割，并使用材料挤出(Fortus 450mc, Stratasys, Israel)在丙烯腈-苯乙烯丙烯酸酯(ASA)中按比例进行3D打印(见图3)。

a心脏病理车间设备包括4个先天性心脏病3D打印模型。b动脉导管未闭1例

研究设计

这是一项同时进行的三角测量混合方法研究[30]，涉及问卷调查和焦点小组。问卷调查了学生对在线模块3D打印冠心病模型的态度和看法，以及他们在学习儿科心脏病理学方面的自我效能感。焦点小组进一步探讨了学生使用3D打印模型的经验，以确定学生参与3D打印冠心病模型和数字模块的新见解。

招募及参与者

参与者是从2021年参加心脏病理学研讨会的三年级和四年级医学生中招募的。参加这个不分级的研讨会是强制性的，但参与研究(问卷调查或焦点小组)是自愿的。行政人员在研讨会开始前通过电子邮件通知学生这项研究。工作坊主持人及焦点小组访谈者均未参与学生评核。

数据收集

在研讨会结束时，向学生提供了一份匿名问卷的硬拷贝(见附录a)，大约需要10分钟才能完成。该问卷是对Cook和Ellaway[31]对TEL的简短学习者评估的修改。它包括14个问题，使用7分李克特量表(强烈同意或强烈不同意)，以及5个关于研讨会参与方面和改进建议的自由文本问题。参与者还被要求说明他们的性别、年龄和研讨会的地点(城市或农村)。

在工作坊的一周内，进行了两个30分钟的焦点小组，每个小组有8名学生。录音焦点小组由两名访谈者(JL和KS)通过视频会议进行，使用一系列讨论问题(见附录B)。JL领导提问和讨论，KS做现场笔记。焦点小组重复进行，直到达到理论饱和(2)。

数据分析

个别问卷的回答被整理并存储在一个Excel电子表格中。对分类变量使用频率计数和百分比，对连续正态分布变量使用均值和标准差(SD)来总结人口统计细节。未填写的回答从分析中被排除。使用GraphPad Prism v9 (GraphPad Software, San Diego, CA)进行分析，并使用BioRender.com创建图形。

对焦点小组的录音进行了转录，然后在与实地说明协商后将录音删除。采用主题分析，分两份(JL和TC)分析焦点小组抄本和定性问卷回答[32]。数据逐行编码，形成主题和子主题。创建一个编码表对所有数据进行分类，并在研究人员(JL, TC, EN和KS)之间讨论差异，直到对主题达成共识。

目录

摘要 介绍 材料与方法 结果 讨论 结论 数据可用性 参考文献 致谢 作者信息 道德声明 电 nic补充资料 搜索 导航 #####

结果

问题nnaire反应

2021年1月至2021年7月期间，220名学生参加了心脏病理学研讨会。其中，94人(43%)提交了完整的调查问卷。有47名(50%)女性，43名(46%)男性，4名(4%)受访者没有说明性别。平均年龄27.7 (SD±2.9)岁，有5名受访者未说明年龄。75名(80%)答复者参加了韦斯特米德儿童医院的讲习班，19名(20%)参加了三家地区医院之一的讲习班。除了第5个问题缺少一个答案外，所有问题都得到了完整的回答。对问卷的定量回答见图4。

问卷的反应

专题分析

16名学生参加了两个焦点小组。对问卷(附录A)中五个问题的自由文本回答与焦点小组讨论相结合，以进行专题分析。从定性数据中确定了五个主要主题，以及十二个次级主题。专题关系如图5所示。学生们将(A)关于冠心病的可变先验知识带入研讨会，并在(C)灵活新颖的研讨会结构中利用(B)物理模型和在线模型之间的相互作用。研讨会(D)支持他们的学习成果，学生们确定(E)成长机会。

主题关系的图解表示

多样的先验知识

学生们在研讨会之前对冠心病的认识各不相同，尽管他们参加了同样的早期医学院讲座。一些学生报告说，他们已经掌握了很好的先验知识，“根据我们这里和那里的课程，我们已经做好了充分的准备，但我觉得，即使理论上你没有做好准备，你也不会有问题。”这些先前的经验包括更正式的临床前教学讲座，以及使用正常心脏的尸体解剖教学。然而，许多学生觉得以前的教学让他们感到困惑，他们评论说，从历史上看，他们听过“很多非常说教的讲座，里面有所有这些信息，并试图记住它们”。一名学生反映，与他们以前的教学不同，心脏病理学研讨会提供了“一个看到心脏缺陷的机会，而不是像第一年那样闭上眼睛，试图想象它”。

物理和o之间的相互作用在线模型

和谐vs冗余

在线模块和使用虚拟3D心脏的主要目的之一是定向和引导学生通过3D打印模型的探索，以减轻混乱，否则可以在自我导向的解剖会议中感受到。大多数学生发现，手持模型和在线模型以一种和谐的方式相互补充，在线模型促进了对物理模型的结构化探索。学生们说:“我们把它们放在一起使用，所以我认为实体模型很好，我可能更喜欢实体模型，但在线模型对你适应实体模型真的很有帮助。”在线模式上的标签“真的很好，它们可能是唯一真正帮助定位的东西”。然而，一些学生在没有导师帮助的情况下很难识别解剖结构，即使有在线指导，他们评论说:“我们花了很多时间在流出道上，我认为标签并没有真正帮助我。”只是我们花了很长时间才找到他们。”一些学生发现有不必要的重复:“有相当多的重叠，手持模型就足够了”，或者模型很有趣，但对他们的学习来说不是必不可少的:“它们绝对很酷，我只是觉得如果它们在课程中缺席，它不会真正影响我的学习。”

模型的偏好

一些学生表达了对其中一种方式(手持或在线)的明显偏好，通常表现出极大的热情。一名学生说:“比起网站上的模型，我更喜欢手持模型，因为它更容易握住东西，并按照你想要的方式移动它。”这与另一个改进建议形成对比:“不要让我来玩塑料玩具。这本来可以在网上完成。”这反映了独特的学习偏好，学生们通常清楚地表达了他们的学习需求，他们说:“我更喜欢物理模型，而不是虚拟模型——非常有趣。”虽然有些学生有明确的偏好，但这两种模式在研讨会上的可用性意味着它们可以是互补的模式，而不会影响个人的时间和学习偏好，一些学生反映了这一点:“我更喜欢手持的，但是……如果我手边没有这些，那么我认为在网站上有一种补充，可以补充我的学习。”

有形和触觉互动

医学生对3D打印冠心病模型的触觉和具体互动表达了极大的热情。学生们发现，能够触摸、感觉和看到心脏缺陷使他们更容易理解缺陷和结构之间的关系，并说:“有一些事情很容易理解——心室之间的关系，它们的大小等等。”它发展了我们，让我们更好地欣赏生活。”解剖学、生理学和病理生理学之间的关系变得更加清晰，一名学生评论说:“我认为把烟斗清洁器和其他东西粘在不同的缺陷上很有趣，这是一种不同的欣赏方式，而不仅仅是那些大洞。”医学研究生是成熟的学习者，他们知道自己的学习偏好，并且能够清楚地表达出来，例如:“作为一个视觉学习者，我真的很喜欢这些模型”。有些人认为他们已经对材料和主题充满信心，但“你可以更详细地了解心脏有多小，缺陷有多小，以及我猜看到心室肥大或类似的东西在你面前”。

灵活新颖的车间结构

小组同伴支持学习

该模块的结构很大程度上是自我指导的，并鼓励同行合作，而不需要重要的专业教师知识或参与。学生们普遍持积极态度，认为在线学习模块制作精良，易于操作，是对基于案例的小组学习的补充。其中一人说:“我们感到非常幸运，我们有一个小团队，这样我们就可以花尽可能多的时间，就好的事情问各种各样的问题。”与传统的讲座相比，非说教式的研讨会形式更受欢迎:“我们发现，在网上提供案例很有用，这样就不仅仅是我们习惯的正常讲座形式，我们可以在其中加入更实际的内容。”尽管讲习班的目的主要是自我驱动，但学生们仍然报告了与导师的重要互动:“我们确实有一位导师和我们一起完成了这个过程，这很好，可能有助于填补幕后发生的事情的空白。”学生们特别喜欢与他们的同伴和辅导员合作的机会，因为他们参与了解开临床病例的问题。

新奇的事物

学生们反复描述工作坊很有趣，这反映在一些回应的活力和热情上。游戏的主题也在反馈中反复出现，因为学生们将案例视为需要解决的游戏和谜题，而不是严格的学术追求。学生们觉得这个工作坊很有创意、很创新、很新颖，他们评论说:“与我们现有的其他工作坊和教学相比，它很新颖，与教科书或在线资源不同。”学生们反映，他们对以前没有预料到或理解的东西感到感激:“我们都知道我们有两个心房和两个心室，就像这不是什么突发新闻一样，但只是看看效果是如何显现的，等等，真的很酷。”

工作坊支持的学习成果

从挑战中学习

工作坊以建设性的方式挑战学生，让他们从真实的冠心病案例中学习。学生们喜欢演绎的临床挑战，案例学习的解谜性质，以及诊断冠心病的困难。学生们很欣赏这种挑战，例如:“我喜欢模型没有标签的事实……否则我就会依赖那里的标签，而不会真正尝试找出它并确定它的方向。”尽管面临着挑战，但他们觉得研讨会“帮助指导我们解决那些让我们感到不舒服的问题”，确保即使遇到障碍，也有一个安全的机制来推进学习。

临床相关的

学生们特别认为，以案例为基础和临床为导向的工作坊方面对他们的学习是有益的和有用的。学生们评论说:“我喜欢其中的人的成分，就像一个实际的案例，这很有帮助。”他们觉得这积极地挑战了他们运用临床推理，横向灵活思考，并能想象现实生活中的情况，他们可以把这些知识付诸实践。一名学生说:“我认为任何以临床为重点的课程都比说教式学习更可取，因为这种课程更多地涉及到你(使用)双手，你可以在小组中思考。”他们喜欢这两种模型(在线和手持)的动态，因为它给了他们一个“诊断的机会，然后用心脏模型重新确认诊断”，并预测“这些事情随时都会出现，你知道这不仅仅是婴儿检查，而是几周或几年后出现，无论你是在急诊、全科还是儿科工作”。

加强知识

这个实践工作坊让同学们把他们以前对冠心病的认识和理解联系起来，为考试和评估做准备。一名学生表示:“使用模型并能够将其可视化的一般教学方式帮助很大……任何解剖学上的东西，如果你能有一个模型来可视化，我个人会从中获益更多。”即使是自信的学生也能从课程中获益，例如:“尽管我觉得我理解得很好，但我觉得它只是固化了，而且我们做的任何令人难忘的活动，都更有可能让你回忆起来并理解它。”数字模块和实体3D打印模型增强了他们的理解清晰度，学生们喜欢这个“在家再次访问(没有压力)”的机会。学生们认为，由于研讨会，他们对冠心病的心脏解剖和病理生理学有了更好的了解。

学生向教师的转变

“看一个，做一个，教一个”的格言在临床医学中由来已久，学生们自愿表示，他们觉得研讨会增加了他们对冠心病的理解，从而增强了他们作为未来教育者的信心。一名学生反映说:“几乎在任何你工作的地方，你都可能被期望为学生和初级医生提供一些教学角色，我认为能够可视化这些先天性缺陷，这使得将来能够更容易地教授它。”另一位评论说:“如果我们曾经在心脏病学术语中教授医科学生这些东西，我认为我们已经有了这些模型，能够对它们是什么有一个很好的概念。”工作坊提高了学生们作为学习者和未来教师的信心。

未来的机会

模型的种类

虽然绝大多数学生认为3D模型对他们了解冠心病很有用，也很重要，但一些学生对未来3D模型学习的变化提出了建议。学生对模型的最佳尺度和大小存在分歧。一些学生欣赏的规模复制缺陷”是酷可以看到真人一样大小,非常感谢这些间隔缺损或任何可能并不大,并且可以非常微妙的”而其他人觉得这是一个障碍他们不能克服“有时很难看到的一切,因为很明显,他们是非常小的,因为孩子们很小,但是我们有点像,“哦——有一个洞?”学生们一致认为，最好是两者兼备，“一个大模型很明显，不太具有挑战性，然后是一个真人大小的模型，这样你就可以在欣赏细节的过程中进行转换。”一些学生觉得一个正常的3D打印心脏将有助于定位和学习成为舒适的模型。其他建议包括颜色编码的想法，以识别正常和异常特征，并开发反映异常心脏模型中血液流动的特征。

跨学科的应用程序

学生们认为，3D打印模型和研讨会有可能扩展到医学的各个学科，并吸引新的受众。学生们认为这“可以应用于任何解剖教学，无论是病理的还是正常的”，并列举了一些例子，包括腹部病理“肠套叠、旋转不良和十二指肠闭锁”、骨折、“脑部病变——比如能够看到中线移位或质量效应病变，以及它们将如何压缩不同的东西”、脊柱畸形和“手术异常，尤其是腹股沟阴囊问题”。此外，学生们认为观众可以扩大到包括“初级医生，如果你在可能有孩子这样做的地区进行急诊轮转，这将是一件好事”。

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