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南京体育学院

脊柱力学与健康虚拟仿真实验

合作院校:南京体育学院

实验简介:
脊柱在人体中起到重要作用,也常见各种疾病。学习脊柱运动康复生物力学对于了解其结构、功能和损伤有着重要意义,但脊柱复杂的结构和力学机制使其在实验教学过程中不宜直观展现和理解。本项目将虚拟仿真技术融入到脊柱运动康复生物力学的实验教学中,通过脊柱认知、脊柱筛查、力学分析和运动康复四个环节,帮助学生理解脊柱的解剖学和生物力学原理,掌握脊柱形态和功能的评估过程,并了解脊柱的损伤原理和康复方法。
    
设计原则:
通过虚拟现实、人机交互、数据库和网络通信技术,构建脊柱模型和对象,重现不同体育项目现场的各种场景,利用文字、图片、音频、视频和虚拟交互等方式帮助学生理解实验操作原理和流程。
    整个实验过程由脊柱认知、脊柱筛查、力学分析、运动康复4个环节组成,包括运动解剖学、运动生物力学等相关知识的掌握,进行力学测试、提供个性化康复方案等虚拟仿真实验教学环节。通过分步指引学生在仿真模拟系统上自主进行技能训练,实时评价和在线互评学生训练,规范每位学生的技能操作。在人体脊柱结构的基础上运用专业的力学知识对专项特征动作进行科学分析。这就要求学生拥有复杂的人体结构知识储备、扎实的基本力学知识积累与熟练的应用生物力学分析能力,而这些知识与能力正是多数学生的短板,因此本项目利用巧妙的实验设计从以下三个方面解决。一是对知识点学习采用程序化引导,利用系统向导让学生依序无遗漏学习;二是对抽象难度内容进行后台可视化预设,项目将脊柱的运动形式、肌肉功能、力学及康复的工作条件在后台进行预设,并利用三维仿真技术进行可视化处理,学生则通过前台人性化界面实施相应操作来解决实际问题;三是化难度分析过程为简单判断,通过预设参数,将复杂高难的分析过程化为系列判断,能够降低学生分析动作与解决设计的难度,帮助学生更精准判断了解与分析可能出现的状态参数。   
课程目标:
党的十九大报告中提出“实施健康中国战略”,这是以习近平同志为核心的党中央从长远发展和时代前沿出发,坚持和发展新时代中国特色社会主义的一项重要战略安排。2019年7月,国务院进一步印发了《关于实施健康中国行动的意见》,健康中国行动推进委员会制定颁发《健康中国行动(2019-2030年)》。《行动》指出政府应“建立针对不同人群、不同环境、不同身体状况的运动促进健康指导方法,推动形成‘体医结合’的疾病管理与健康服务模式。构建运动伤病预防、治疗与急救体系,提高运动伤病防治能力”,这也标志着我国已从国家层面积极应对当前突出的健康问题,不断采取有效干预措施,全面开展预防、治疗、康复、健康促进一体化的服务。
脊柱作为人体的中轴骨,起到支撑、保护、运动等重要作用。但脊柱结构复杂、稳定性较差,意外伤害或长期的不良姿势都可能对脊柱造成严重危害。据报道,我国中老年人群中97%患有脊柱疾病。近年来,脊柱疾病又呈现出年轻化的趋势,在40岁以下的人群中,约有40%人存在脊柱异常,儿童脊柱侧弯症的发病率高达25%以上。不良的姿势容易使脊柱长时间处于屈曲位或某些特定体位,这不仅增高了脊柱椎间盘内的压力,也使脊柱周围的肌肉和韧带长期处于非协调受力状态,以致于发生脊柱形态的异常改变。由于脊柱周围分布着复杂且重要的血管、神经和脊髓组织,这也造成脊柱手术风险较大。因此,针对脊柱疾病的运动康复尤显重要。运动康复生物力学是运动科学和康复医学中的重要学科,其中,脊柱运动康复生物力学是该学科理论和实践研究的关键环节。脊柱运动康复的生物力学涉及范围广泛,与人体运动和康复治疗相关的教练、医疗和科研人员都需要掌握该领域的基础知识和原理,相关教学与科研需求日益迫切。但由于脊柱结构的复杂性、力学机制的不确定性、评估的高成本、面向人群的特殊性和康复手段的多样性,使其在实验教学过程中不易直观展现与理解。因此,脊柱运动康复生物力学的实验教学很难达到良好的效果,学生反应难学,教师反应难教。基于以上原因,课程教学团队依据“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则,采用“线上虚拟交互理解与线下模拟实践相结合”的方式,将虚拟仿真技术融入到脊柱康复生物力学实验教学中。通过3D模型展现设计流程,情景模拟强化功能认知,以问题为导向推动实验开展,虚实结合,引导学生在虚拟环境中做真实验,使其更直观的了解脊柱的形态、功能和基本力学规律,并进一步掌握脊柱疾病的基本评估方法和康复手段。通过视觉、听觉和实践相结合的方式使学生近距离、全视角、多维度来认识脊柱运动康复生物力学,加强理论和实践的双重学习体验。通过脊柱运动康复生物力学虚拟仿真实验教学,可使学生全面掌握(1)脊柱相关的解剖学和生物力学相关原理,了解各节段椎体的结构和相关组织,及其相互作用的力学机制;(2)脊柱形态和功能的评估过程,通过三维仿真场景展示评估脊柱的主要设备,熟悉其构造和原理,掌握其操作要领;(3)脊柱相关疾病的损伤原理和康复方法,通过模拟脊柱评估的异常结果,掌握适宜的运动康复手段     
实验要求:
(1)是否记录每步实验结果:√是 £否
(2)实验结果与结论要求:√实验报告 心得体会 其他           实验报告包括实验名称、学生姓名、学号、实验过程、结果和分析,以及最终得分等内容。学生需如实记录实验步骤相应的实验结果,并从脊柱基本结构和功能认知、仪器设备构成及使用、数据分析处理、运动康复方案选择等方面进行详细记录;实验报告对本次实验进行总结,反思实验中的得失,并对下一步实验或专业学习提出意见。(3)其他描述实验总结:学生完成实验后进行总结,便于教师掌握学生对专业知识的了解,同时对本实验项目的成效进行评判,有助于虚拟仿真实验项目的改进。     
成绩评定:
1)考核内容
学生对脊柱解剖结构(含骨骼、肌肉、韧带的功能);脊柱动、静态功能检测方法,含设备操作;脊柱生物力学建模及分析;诊断及康复等知识的掌握。根据学生的学习情况,能够有针对性地考核学生的单项技能和综合分析技能。
2)考核方法 
    通过人机对话的模式,让学生通过虚拟仿真实验教学系统的考试功能进行考核。根据设定的考试目标,选择对应的考试模块,再通过系统反馈,评价学生的对脊柱形态、功能的掌握情况和评估、康复的综合水平。
3)考核形式: 
    ①个人身份登录学习:学生必须以个人身份登陆教学平台进行学习活动,包括开展网上学习、课堂讨论交流、完成布置的作业,不得顶替冒用他人身份登陆本课程在线进行学习活动。     ②积极推进过程评价:将考核和评价贯穿于在线学习的全过程,让学生产生内生性的学习动力,提高学习效果。任课教师可从学生出勤、课堂讨论、过程考核等方面开展过程评价。     ③采用“综合得分”对学生进行评价:从学习态度、实验技能、实验报告、能力提高等维度考察学生是否熟练掌握实验,是否达到实验目的与要求。
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