基于智慧實驗室的人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

繆明星，李立文，顏天華，丁啟龍

(1.中國藥科大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.中國藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210009)

《人體解剖學(xué)生理學(xué)實驗》是一門研究正常人體形態(tài)及構(gòu)造的科學(xué)，是藥學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的一門重要基礎(chǔ)課程[1]。該課程集科學(xué)性與實踐性于一體，在藥學(xué)類各專業(yè)本科生的實驗教學(xué)中具有重要地位。我國很多高校目前人體解剖生理學(xué)實驗課程，存在實驗課程設(shè)置從屬于理論教學(xué)，實驗學(xué)時數(shù)較少，對學(xué)生的技能培訓(xùn)不夠規(guī)范，尚未形成獨(dú)立實驗教學(xué)體系；實驗教學(xué)項目內(nèi)容比較陳舊，以經(jīng)典性、驗證性實驗為主，缺乏綜合性、研創(chuàng)性實驗教學(xué)內(nèi)容；實驗儀器設(shè)施比較陳舊，信息化技術(shù)在實驗教學(xué)中應(yīng)用不充分等問題。

“智慧實驗室”是指軟件虛擬技術(shù)模擬仿真實驗環(huán)境，以學(xué)習(xí)分析技術(shù)智能指導(dǎo)實驗過程，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)實驗臨場感的實驗環(huán)境[2]。“智慧實驗室”通過對實驗資源的識別、追蹤、監(jiān)管及學(xué)生實驗過程與結(jié)果的反饋，構(gòu)建學(xué)生自發(fā)式教學(xué)環(huán)境，逐步改變對學(xué)生“一步一式”的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式[3]。我校國家藥學(xué)實驗教學(xué)示范中心(以下簡稱“藥學(xué)實驗中心”)首次提出將“智慧實驗室”的理念融入人體解剖生理學(xué)實驗課程全過程，逐步優(yōu)化整合實驗項目，替換更新不合理實驗內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生人體解剖生理學(xué)基礎(chǔ)知識及實驗操作技能。

1 我校人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

人體解剖生理學(xué)實驗在藥學(xué)專業(yè)本科生實驗課程中具有十分重要地位[4]。但受幾十年教育理論及傳統(tǒng)思維的影響，我國藥學(xué)高等教育在實驗課堂教學(xué)及實驗室建設(shè)等環(huán)節(jié)仍停留在附屬及次要地位[5]。我校藥學(xué)實驗中心每年承擔(dān)41個班級本科生人體解剖生理學(xué)實驗課程教學(xué)工作、1 300余名藥學(xué)專業(yè)本科生接受人體解剖生理學(xué)實驗技能培訓(xùn)。該課程共51學(xué)時，分17周完成。具體包括人體解剖模型講解3周，基礎(chǔ)性、驗證性實驗8周，綜合性、設(shè)計性實驗5周、實驗理論考查及實驗操作考試1周。

藥學(xué)實驗中心利用教育部中央高校修繕基金及學(xué)校本科教學(xué)改革經(jīng)費(fèi)資助，建設(shè)了6間生理藥理學(xué)機(jī)能實驗室，為每個實驗室配備8套420-F生物機(jī)能實驗系統(tǒng)，ZZ-6小動物自主活動測試儀(成都泰盟軟件有限公司)、HX-100E小動物呼吸機(jī)、HW-200離體組織灌流系統(tǒng)、GL-2離體心臟灌流系統(tǒng)、BI-2000醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)等學(xué)設(shè)備用于實驗教學(xué)。藥學(xué)實驗中心結(jié)合創(chuàng)新型藥學(xué)人才培養(yǎng)需求，融合藥學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生理學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，圍繞創(chuàng)新藥物藥效及相關(guān)機(jī)制研究，先后建設(shè)了6間“智慧實驗室，自主開發(fā)了“人體解剖學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”和“互動課堂V1.2.0”軟件。基于“智慧實驗室”將二者聯(lián)合應(yīng)用于人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)。

2 基于“智慧實驗室”的人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)體系

2.1 “智慧實驗室”功能介紹 隨著高等院校進(jìn)入智慧化校園建設(shè)階段后，“智慧實驗室”在智慧化校園中起到非常關(guān)鍵的作用[6]。“智慧實驗室”根據(jù)功能分為老師示范教學(xué)區(qū)和學(xué)生實驗區(qū)。老師示范區(qū)安裝1臺高清術(shù)野攝像機(jī)作為示范教學(xué)；學(xué)生實驗區(qū)安裝8個高清攝像機(jī)、8臺電腦進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、互動教學(xué)用，所有錄制的視頻可推送到智慧實驗室平臺，供學(xué)生、老師進(jìn)行點(diǎn)播學(xué)習(xí)，老師、領(lǐng)導(dǎo)教學(xué)巡課；同時支持在學(xué)校的管理服務(wù)中心在大屏上進(jìn)行督導(dǎo)巡課。

“智慧實驗室”中控界面板功能介紹：智慧實驗室中控面板如圖1所示。①上課：教室內(nèi)設(shè)備自動打開；②下課：教室內(nèi)設(shè)備自動關(guān)閉；③主屏開：觸摸一體機(jī)自動打開；④主屏關(guān)：觸摸一體機(jī)自動關(guān)閉；⑤授課模式：大屏顯示教師機(jī)系統(tǒng)；學(xué)生工位顯示各自系統(tǒng)；⑥授課學(xué)生同屏：大屏及學(xué)生工位全部顯示教師機(jī)系統(tǒng)；⑦示教模式：大屏顯示示教攝像機(jī)畫面；學(xué)生工位顯示各自系統(tǒng)。示教學(xué)生同屏大屏及學(xué)生工位全部顯示示教攝像機(jī)畫面。學(xué)生1演示：大屏及學(xué)生工位全部顯示學(xué)生工位1系統(tǒng)畫面，以此類推。

新的示教系統(tǒng)可以實驗保教師機(jī)大屏幕與學(xué)生機(jī)顯示屏同步教師示教全過程，從而解決之前在教師示教時，學(xué)生一哄而上層層圍著教師觀察，導(dǎo)致很難保證所有學(xué)生都能夠清晰看到示教過程的弊端。

圖1 “智慧教室”中控界面板

“智慧實驗室”在人體解剖生理學(xué)中的應(yīng)用：基于智慧實驗室，藥學(xué)實驗中心開發(fā)了“互動課堂V1.2.0”軟件和“人體解剖學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。學(xué)生在課前，可以在網(wǎng)上自學(xué)實驗內(nèi)容，帶著問題去進(jìn)行實驗，可以大大提高學(xué)習(xí)興趣，同時有利于實驗的順利完成。“互動課堂V1.2.0”軟件由課堂考勤簽到、雙屏互動、電子綠板、分組討論、課堂答題、學(xué)生評教等模塊組成。“人體解剖學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”由三維數(shù)字人體、360度人體標(biāo)本庫、在線學(xué)習(xí)與考試3個模塊組成。通過這兩個軟件系統(tǒng)相互協(xié)作應(yīng)用于教學(xué)，具有對全校師生免費(fèi)開放，不受時空、訪問人數(shù)限制和多種設(shè)備(PC、手機(jī)、ipad等)等任意訪問等優(yōu)勢。學(xué)生可以在教室，宿舍、圖書館登錄訪問，沒有時間限制和人數(shù)限制。學(xué)生還可以通過在線學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行人體解剖生理學(xué)知識的測驗，鞏固所學(xué)基礎(chǔ)理論知識。

2.2 基于“智慧實驗室”的人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)具體環(huán)節(jié) 基于“智慧實驗室”的人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)51個學(xué)時，分5個輪次，共17次實驗，每次實驗教學(xué)為3個學(xué)時。具體包括實驗設(shè)計與項目實施，數(shù)據(jù)整理與結(jié)果分析、效果評價與成績考核等環(huán)節(jié)。首先以藥學(xué)理科基地班試典，逐步探索合并基礎(chǔ)性試驗，優(yōu)化綜合性試驗，增設(shè)創(chuàng)新性試驗，并逐步向藥學(xué)類各專業(yè)推廣。

第一輪實驗教學(xué)(第1～3周)：人體解剖模型篇。要求學(xué)生掌握運(yùn)動、呼吸、消化、泌尿、循環(huán)、神經(jīng)、內(nèi)分泌及生殖系統(tǒng)的組成部分、位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能。

第二輪實驗教學(xué)(第4周)：動物實驗基本操作篇。要求學(xué)生掌握實驗基本要求與實驗室安全衛(wèi)生規(guī)則；學(xué)習(xí)實驗結(jié)果記錄與數(shù)據(jù)處理；實驗報告寫作規(guī)范；掌握常用手術(shù)器械操作規(guī)范，熟悉生物機(jī)能信號采集系統(tǒng)及換能器的使用SOP等；掌握常用實驗動物(小鼠、蟾蜍、家兔等)解剖及常用給藥方法(小鼠腹腔注射、肌肉注射，增加尾靜脈，家兔耳緣靜脈等，蟾蜍舌靜脈)。

第三輪實驗教學(xué)(第5～10周)：基礎(chǔ)性試驗篇。要求學(xué)生完成刺激交感迷走混合神經(jīng)、期外收縮、代償間歇對蟾蜍心臟功能的影響；組織興奮性的觀察、神經(jīng)干動作電位； 血腦屏障、反射弧分析；腦內(nèi)乙酰膽堿的定性測定；血液涂片、紅細(xì)胞滲透脆性、血型鑒定、出凝血時間測定； 化學(xué)物質(zhì)對離體心臟的影響、蟾蜍腸系膜微循環(huán)觀察等實驗內(nèi)容。

通過以上6次實驗教學(xué)，加深學(xué)生對所學(xué)基礎(chǔ)理論理解的基礎(chǔ)上，給予學(xué)生更多的動手操作機(jī)會，將學(xué)生從枯燥的理論學(xué)習(xí)中跳出來，體會到實驗過程的樂趣，并為進(jìn)一步開展綜合性實驗奠定基礎(chǔ)。

第四輪實驗教學(xué)(第11～14周)：綜合性實驗篇。本輪實驗要求學(xué)生掌握藥物對家兔呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié)；藥物對家兔離體腸肌運(yùn)動的影響因素；藥物家兔動脈血壓的調(diào)節(jié)；藥物對家兔尿生成影響因素等實驗內(nèi)容。

完成以上4次實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，教師布置創(chuàng)新性實驗設(shè)計作業(yè)。指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成實驗選題，項目實施，數(shù)據(jù)整理，結(jié)果匯報，成績考核等環(huán)節(jié)。

第五輪實驗教學(xué)(第15～17周)：創(chuàng)新性實驗篇。

①第一次：大學(xué)生創(chuàng)新實驗設(shè)計。

教師組織學(xué)生將各種研究方案拿出來展開討論,論證方法的優(yōu)缺點(diǎn)與結(jié)果分析,再由教師對研究方案進(jìn)行評價和總結(jié)，最終確定一條或多條合理可行的實驗方案。

②第二次：大學(xué)生創(chuàng)新實驗實施。

利用實驗中心提供的大學(xué)生創(chuàng)新實驗平臺，能為學(xué)生開展傳統(tǒng)生理實驗難以完成的大型綜合性實驗項目，加強(qiáng)學(xué)生對生理學(xué)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生根據(jù)上次課自主設(shè)計的實驗方案，開展“研究創(chuàng)新性實驗”。通過開設(shè)“研究創(chuàng)新性實驗”課程使學(xué)生從文獻(xiàn)檢索、方案設(shè)計、項目申報書撰寫等初級過程開始逐步深入，逐步融入科學(xué)研究全過程[7]。探索性實驗是指針對某個領(lǐng)域有關(guān)的未知或者未全知的科學(xué)問題，采用科學(xué)思維方式，進(jìn)行創(chuàng)新探索研究的一種開放式教學(xué)實驗[8]。例如傳統(tǒng)的生理學(xué)實驗中“家兔血壓神經(jīng)體液調(diào)節(jié)”、“家兔呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié)” 及“家兔尿生成的影響因素”原來是3個獨(dú)立實驗[9]。通過計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)將這3次實驗進(jìn)行整合為“家兔血壓、尿生成，呼吸運(yùn)動的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)” 綜合性實驗。可在一個實驗動物上實現(xiàn)動物血壓、心率、心電圖、尿生成兩、呼吸頻次等指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測，并分析其相互影響。

③第三次：大學(xué)生創(chuàng)新實驗考核。

要求學(xué)生在課前對所有實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并獨(dú)立撰寫實驗報告。學(xué)生以PPT形式匯報實驗結(jié)果，教師對實驗結(jié)果進(jìn)行分析,總結(jié)實驗的重點(diǎn)與難點(diǎn)，提高學(xué)生對人體解剖生理學(xué)實驗學(xué)習(xí)的興趣。

2.3 建立基于“智慧實驗室”的人體解剖生理學(xué)實驗成績考核評價體系 該實驗課程考核應(yīng)根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生的課前準(zhǔn)備情況、課堂互動參與情況、對問題的深入分析討論情況以及實驗理論考查及操作成績，并結(jié)合教學(xué)方法及教學(xué)效果進(jìn)行TBL教學(xué)滿意度調(diào)查[10-11]。

原有的實驗總成績(100%)包括平時成績(30%)、實驗理論考試成績(40%)及實驗操作成績(30%)3部分組成。其中平時成績考核的依據(jù)僅僅是課堂表現(xiàn)和實驗報告書寫情況。本課程利用“互動課堂V1.2.0”軟件在線學(xué)習(xí)與課堂答題模塊，將互動答題成績加入平時成績，并逐步提高互動答題成績在平時成績中所占的比例。該學(xué)習(xí)與考試系統(tǒng)能夠作現(xiàn)有考試模式有益補(bǔ)充。現(xiàn)在教師上課前先把試題及答案傳輸?shù)健盎诱n堂V1.2.0”系統(tǒng)，學(xué)生可以利用課間在線答題，系統(tǒng)自動評分(學(xué)生可以多次答題，但只記錄第一次答題的成績作為平時成績)。

原來實驗操作成績僅僅考察實驗基本操作完善的質(zhì)量及完成時間等方面。2009年開始，藥學(xué)實驗中心一直在國家藥學(xué)理科基地班及國家生命科學(xué)基地班進(jìn)行本科生研創(chuàng)性實驗教學(xué)探索，并逐步向藥學(xué)其他專業(yè)推廣。研創(chuàng)性實驗鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成課題選題，方案設(shè)計，項目實施，數(shù)據(jù)整理及實驗報告等環(huán)節(jié)。研創(chuàng)性實驗的成績將從實驗設(shè)計可行性，實驗項目實施性，實驗結(jié)果可靠性，課題匯報流暢度等方面考核實驗成績，建立綜合性設(shè)計型實驗教學(xué)評價體系。

3 基于“智慧實驗室”的人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)改革成果

“智慧實驗室”實現(xiàn)了教師機(jī)與學(xué)生機(jī)聯(lián)網(wǎng)，新的示教系統(tǒng)可以實現(xiàn)教師機(jī)大屏幕和學(xué)生機(jī)屏幕上同時清晰呈現(xiàn)教師機(jī)的高清示教，確保每位學(xué)生都能夠清晰看到示教全過程。有利于提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；“智慧實驗室”將“人體解剖學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”和“互動課堂V1.2.0”軟件二者聯(lián)合應(yīng)用于人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)。新的教學(xué)手段在課前的預(yù)習(xí)，平時課堂中的互動答題，課后的復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)都將發(fā)揮很大作用，有利于激發(fā)學(xué)生對人體解剖生理學(xué)實驗的興趣，并鞏固人體解剖學(xué)基礎(chǔ)理論知識。

新的實驗成績考核評價體系，利用軟件的在線學(xué)習(xí)與課堂答題模塊，將互動答題成績加入平時成績，并逐步提高互動答題成績在平時成績中所占的比例。將研創(chuàng)性實驗的成績將從實驗設(shè)計，實驗完成情況，實驗報告質(zhì)量等方面，多維度、多層次考查學(xué)生對實驗的理解掌握程度。實驗理論考試改用在線考試和評分，可以提高工作效率，有效減少老師的閱卷工作量。

4 討論

“智慧實驗室”極大地豐富人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)手段，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，然而新教學(xué)系統(tǒng)還存在一些需要完善的地方。比如“智慧實驗室”需要配備高清攝像頭、電腦、手術(shù)無影燈、示教操作平臺及建立互聯(lián)網(wǎng)，實驗室建設(shè)成本較高；“智慧實驗室”與420-F生物機(jī)能實驗系統(tǒng)等設(shè)備存在軟件兼容性的問題；學(xué)生實驗操作視頻上傳功能還需要與教務(wù)處的學(xué)生個人信息系統(tǒng)對接后才能完善使用等。

綜上，建設(shè)基于“智慧實驗室”人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)體系將引領(lǐng)國內(nèi)人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)改革方向，并培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范化人體解剖生理學(xué)實驗?zāi)芰Γ囵B(yǎng)社會急需的具有復(fù)合型藥學(xué)人才奠定基礎(chǔ)。