D-Casting 模块在牙科失蜡铸造教学中的有效性研究

该研究评估了 D-Casting 模块有效性，发现其可区分新手和专家，且技能能转移到实际操作。

　　

一、研究背景

失蜡铸造技术是牙科及牙科技术专业学生口腔修复实验室课程的重要组成部分，其操作的准确性和一致性对铸造成功至关重要，学生掌握该技术需要大量练习。然而，传统教学过程存在诸多问题，如新手学生在操作时易浪费昂贵材料、面临加热过程中的爆炸风险或身体伤害，且对学生操作的客观评估也颇具挑战。

严肃游戏作为一种教育或培训游戏，能为用户提供通过互动媒体发展技能和获取知识的机会。它可创建虚拟环境消除潜在危险，让学生通过游戏广泛练习技能，并提供严格的评分标准用于绩效评估。近年来，严肃游戏在牙科教育中的应用潜力已被证实，但针对牙科失蜡铸造教育的研究仍较为缺乏。在前期研究中，研究团队开发了 D-Casting 模块，本研究旨在评估该模块对教学和评估的影响。

二、D-Casting 模块的开发

D-Casting 模块旨在为牙科和牙科技术专业学生提供失蜡铸造训练。模块中介绍了铸造目的，基于真实失蜡铸造过程和环境构建虚拟 3D 模拟，展示了铸造过程中使用的主要设备和材料，并提供设备操作说明，虚拟模型可旋转和详细观察。模块构建了完整的铸造流程，包括 burnout、离心铸造机准备、熔化、铸造和冷却等步骤。参与者通过鼠标点击相关仪器或材料执行操作，温度设置和材料设置等关键选择元素以选择题和填空题等形式呈现，让参与者作答。此外，模块还开发了完善的奖惩机制，以提高参与者对操作任务的兴趣，同时利用游戏技术展示现实中难以观察到的过程。

三、研究方法

1. 结构效度评估
   • 参与者与招募：从重庆医科大学口腔医学院招募牙科及牙科技术专业的学生作为参与者，通过在线公告进行招募。参与者被分为四组：无铸造理论知识的一年级牙科学生、无铸造理论知识的二年级牙科技术学生、观看过失蜡铸造过程演示的高年级牙科学生、多次练习过失蜡铸造过程的低年级牙科技术学生。所有参与者均签署知情同意书，且被告知参与实验不会影响课程成绩。
   • 干预设计：为所有参与者提供材料包，包括铸造知识和过程的演示文稿、参考书目、D-Casting 模块使用手册以及 D-Casting 模块免费练习版的网站链接，让其使用一周。一周后，参与者使用 D-Casting 模块考试版进行测试，并参加多项选择题（MCQ）考试。测试过程中有教师和助教在场，以观察参与者、提供指导并解决模块使用中的问题。测试结束后，参与者需完成一份由主要研究者自行设计的 13 项问卷。
   • 数据收集：根据 α = 0.05、检验效能 0.95、大效应量 0.40 以及 4 个组别的设定，计算得出所需总样本量为 112。收集的主要指标包括客观指标和主观指标。客观指标有 D-Casting 模块测试分数（满分 100 分）、完成 D-Casting 模块测试的时间、MCQ 考试分数（满分 100 分）；主观指标通过自行设计的问卷收集。
   • 统计分析：使用描述性统计方法（包括均值、标准差（SD）、变异系数（C.V）和四分位数间距（IQR））对完成 D-Casting 模块测试的时间、D-Casting 模块测试分数和 MCQ 考试分数进行汇总。通过 Shapiro-Wilk 检验评估数据正态性，用 Levene 检验检查方差齐性。对于分布偏态和方差不齐的数据，使用 Kruskal-Wallis H 检验进行组间比较；其他数据则采用单因素方差分析。假设检验为双侧检验，显著性阈值设定为 P = 0.050（方差分析结果的显著性阈值使用 Bonferroni 法调整）。对自行设计的问卷进行探索性因子分析（EFA），通过 Bartlett 球形检验和 Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）检验评估矩阵的适用性（KMO > 0.8），使用 Varimax 旋转确定维度（项目共同度 > 0.4，每个因子载荷≥0.4），通过 Cronbach's Alpha 系数评估量表的内部一致性（Cronbach's alpha > 0.7）。自行设计问卷的数据以百分比形式呈现。使用 SPSS 26.0、Tableau 2023.2 和 GraphPad 8.0 进行统计分析。
2. 技能转移评估
   • 参与者与招募：从重庆医科大学口腔医学院招募三年级牙科技术专业学生作为参与者，通过在线公告招募。参与者在研究前均提供自愿知情同意，被随机分为对照组和 D-Casting 组，分组使用随机数表进行。
   • 干预设计：对照组采用传统教学方法，D-Casting 组采用传统教学方法结合 D-Casting 练习模块。课程结束后，参与者需完成 2 次失蜡铸造测试：一次是使用 D-Casting 测试模块的虚拟测试，另一次是在物理环境中使用学生统一制作的半成品进行的测试。物理环境测试结束后，由独立教师对铸件进行评估，作为测试结果。
   • 数据收集：根据 α = 0.05、检验效能 0.95、大效应量 0.90、2 个组别以及分配比 1 的设定，计算得出目标总样本量为 68。收集的主要指标为 D-Casting 模块测试分数（满分 100 分）和铸件分数（满分 100 分）。
   • 统计分析：对 D-Casting 模块测试分数和铸件分数进行描述性统计，包括均值、标准差、变异系数和四分位数间距。使用 Shapiro-Wilk 检验测试数据正态性，对于分布偏态的数据，使用 Mann-Whitney U 检验进行组间比较；否则，使用独立样本 T 检验。假设检验为双侧检验，显著性阈值为 P = 0.050。为进一步探究 D-Casting 模块测试分数与铸件分数之间的关系，进行简单中介分析。将教学方法作为自变量，铸件分数作为因变量，D-Casting 模块测试分数作为顺序中介变量。通过偏差校正 Bootstrap 法（n = 5000）计算直接、间接和总效应的标准化系数和 95% 置信区间（CI）。若 95% CI 不包含 0，则表示具有统计学意义。双尾 P 值 < 0.05 被认为具有显著性。使用 SPSS 26.0 和 GraphPad 8.0 进行统计分析，SPSS 上的 PROCESS 用于生成简单中介分析结果。

四、研究结果

1. 结构效度评估：本研究共招募了 145 名参与者，各小组数据响应率均为 100%，所有参与者均完整完成了铸造虚拟模块测试和问卷调查，且问卷反向问题筛查未发现异常数据。
   • 测试分数分析：D-Casting 测试分数呈偏态分布（P <0.001）且方差不齐（P < 0.001），四组间 D-Casting 测试分数存在显著差异（86.67 [15.832] vs. 88.62 [11.252] vs. 82.24 [15.674] vs. 96.39 [8.419]; P < 0.001）。其中，第 4 组（有经验的学生）的 D-Casting 测试分数显著高于第 1 组（无经验的牙科学生）、第 2 组（无经验的牙科技术学生）和第 3 组（观看过演示的牙科学生）；第 3 组的 D-Casting 测试分数与第 1 组、第 2 组相比，差异不显著；第 1 组和第 2 组的 D-Casting 测试分数差异也不显著。
   • 测试时间分析：D-Casting 测试时间数据呈偏态分布（P <0.001）且方差不齐（P = 0.004），四组在 D-Casting 测试上花费的时间无显著差异（696.980 [527.223] vs. 614.552 [465.661] vs. 641.207 [498.559] vs. 499.861 [250.947]; P = 0.744）。
   • MCQ 考试分数分析：MCQ 考试分数呈正态分布（P = 0.083）且方差齐性（P = 0.25），四组 MCQ 考试分数存在显著差异（64.71 [18.477] vs. 64.14 [18.996] vs. 67.93 [16.340] vs. 90.00 [14.343]; P < 0.001）。第 4 组的 MCQ 考试分数显著高于第 1 组、第 2 组和第 3 组；第 3 组与第 1 组、第 2 组的 MCQ 考试分数差异不显著；第 1 组和第 2 组的 MCQ 考试分数差异不显著。
   • 问卷分析：自行设计问卷的 EFA 结果显示，第 13 项（“我认为 D-Casting 模块的游戏化程度适合学习”）存在交叉载荷问题。删除该项目后重新进行 EFA 和可靠性分析，修改后的问卷具有可接受的信度和效度（Cronbach's alpha = 0.755; KMO = 0.828, P < 0.001）。修改后的问卷 12 个项目可归纳为 3 个维度，学生在系统可用性、学习效果和易用性维度给予了较多积极的主观评价。
2. 技能转移评估：本研究共招募了 78 名参与者，各小组数据响应率均为 100%，所有参与者均完成测试。
   • 测试分数比较：D-Casting 组的 D-Casting 模块测试分数显著高于对照组（84.21 [13.694] vs. 94.26 [8.629]; Z = -3.482; P < 0.001）；D-Casting 组的铸件分数也显著高于对照组（82.26 [13.711] vs. 89.64 [6.796]; Z = -2.033; P = 0.042）。
   • 中介分析结果：简单中介分析结果显示，教学方法与 D-Casting 模块测试分数显著相关（β = 0.808; t = 3.878; P < 0.001），D-Casting 模块测试分数与铸件分数显著相关（β = 0.829; t = 11.619; P < 0.001）。但当纳入中介变量后，教学方法与铸件分数无显著相关性（β = – 0.021; t = –0.145; P = 0.885），即直接效应不显著（P = 0.885; 95% CI ? 3.448 to 2.980），而教学方法对铸件分数的间接效应（95% CI 3.419 to 12.391）和总效应（P = 0.004; 95% CI 2.504 to 12.265）显著。这表明 D-Casting 模块测试分数在教学方法和铸件分数之间起完全中介作用。

五、讨论

1. 与先前工作的比较：失蜡铸造一直是口腔修复学实验室课程的难点，严肃游戏为其教学挑战提供了新的解决方案。以往 Yang 等人的工作主要集中在特定铸造操作的触觉渲染，未对开发的严肃游戏进行循证评估。随着现代失蜡铸造设备的应用，对学生心理运动技能的需求降低，而对铸造过程熟悉度和精确铸造时机的要求提高。本研究的 D-Casting 模块摒弃了触觉模拟，专注于视觉和基于反应的模拟，更贴合牙科实验室的实际操作，且应用更广泛。前期研究主要围绕模块开发过程和表面效度评估，本研究则聚焦于失蜡铸造过程的模拟，并建立了循证评估框架，评估了严肃游戏在失蜡铸造教学、学习和评估中的有效性，证实了 D-Casting 模块作为教学、学习和测试工具的潜力。
2. 主要发现
   • 结构效度评估结果分析：在结构效度评估中，第 4 组（有经验的学生）的 D-Casting 模块测试分数和 MCQ 考试分数显著高于其他 3 组（新手），这表明该模块能够有效区分不同经验水平的学生。第 3 组（观看过演示的牙科学生）D-Casting 模块测试分数低于第 1 组和第 2 组，但 MCQ 考试分数更高，可能是因为他们认为失蜡铸造是牙科技术人员的职责，更注重理论知识的获取，这也印证了 MCQ 考试不能完全反映学生实践技能水平的观点。第 1 组（牙科学生）在 D-Casting 模块测试分数和 MCQ 考试分数上高于第 2 组（牙科技术学生），可能是因为牙科学生学习积极性更高。四组在测试时间上无显著差异，可能是由于网络环境和硬件设备不同，导致游戏资源加载速度有差异。
   • 问卷维度分析：EFA 结果显示，学生在系统可用性方面认为 D-Casting 模块操作友好，多数学生对使用严肃游戏学习失蜡铸造过程感兴趣，且希望频繁使用该模块，认为模块容易掌握，其功能集成有效，还期待在其他专业课程中使用类似游戏。在学习效果方面，学生认为该模块能更直观全面地增强对铸造过程的理解，帮助识别自身铸造知识的薄弱点，使用后对整个铸造过程有更直观完整的认识，且接受模块练习和测试分开的形式。在易用性方面，不同组学生对模块结构复杂性的判断存在差异，这可能与模块遵循牙科技术人员国家职业技能标准的操作顺序有关，而实际操作中学生可能为图方便偏离该顺序，因此 D-Casting 练习对于防止错误操作和危险后果具有重要意义。学生对无提示测试包难度的认可度在 50% - 70% 之间，符合考试工具区分学生水平的预期。
   • 技能转移评估结果分析：在技能转移评估中，D-Casting 组的 D-Casting 模块分数和铸件分数均显著高于对照组，表明 D-Casting 模块通过教学和频繁练习可提高学生在铸造过程中的表现。简单中介分析显示 D-Casting 模块测试分数在教学方法和铸件分数间起完全中介作用，证实了该模块测试是失蜡铸造技能转移的重要影响因素，对技能转移有积极作用。以往该结论多以经验形式报告，本研究首次通过定量分析方法进行验证。但完全中介效应提示可能存在其他中介途径，因为铸造结果还受投资模具膨胀、蜡型质量、铸造条件、金属陶瓷合金等多种因素影响，未来研究可进一步考虑这些因素。
3. 局限性和未来工作：本研究的主要局限性在于单中心实验限制了样本量，参与者数量相对较少。未来研究计划在多所牙科学校的铸造过程教学和评估中应用 D-Casting 模块，为多中心实验奠定基础。此外，当前研究局限于牙科失蜡铸造领域和特定参与者群体，虽表明严肃游戏在提升程序性知识和技能方面有效，但在其他医学教育领域或临床培训环境中的适用性仍需进一步研究验证。同时，D-Casting 模块为观察学习曲线、研究严肃游戏对长期知识和技能保留的影响提供了机会，这些也将是未来研究的方向。

六、研究结论

本研究评估了前期提出的 D-Casting 模块的结构效度和技能转移有效性。结果表明，D-Casting 模块能够有效区分新手和专家，是失蜡铸造技能可靠的评估工具，且通过该模块获得的技能可成功转移到物理环境中的实际操作。尽管本研究存在一定局限性，但研究结果显示了专为医学教育设计的严肃游戏作为培训和评估工具的潜力，为当前研究提供了有价值的可行性证据。