多措并舉多學科參與共建技術創新醫學實驗教學平臺

馬劍峰，馬韞韜，鄒永新，魏欣冰，馬 湉，張尚立

（1.山東大學a.基礎醫學院；b.生命科學學院，濟南250012；2.蘭州大學第二臨床醫學院，蘭州730000）

0 引 言

進入新世紀，我國的高等教育進入一個全面發展的新階段，教育理念從過去單純的跟隨、消化、吸收轉變為學習、創新和超越，其核心就是創新。在整個創新的大背景下，隨著國家對教育持續、長期的大力投入，構建具有創新理念的實驗教學環境，建設高水平、智慧化、技術創新的實驗教學平臺，必將有力提高醫學本科生實驗技能、創新能力和自主學習能力，成為本科生強化科學研究理念、培養高素質創新型醫學人才的重要平臺。

1 建設醫學實驗教學平臺的基本思路

我校基礎醫學實驗中心是首批國家級實驗教學示范中心和國家級醫學虛擬仿真實驗中心，醫學機能實驗課是國家級精品課程和國家級精品資源共享課，近年來實現了跨越式發展，綜合水平和辦學質量明顯提升。

以機能學實驗教學平臺為例，這是我國一個具有綜合優勢的實驗教學平臺，面向基礎醫學院、公共衛生學院、口腔醫學院、護理學院、藥學院5 個學院開課，開設有醫學機能學融合實驗、生理學實驗、藥理學實驗、病理生理學實驗、心理學實驗5 門實驗課程，是學校開設課程多、學時多、學生人數多、影響面廣的綜合性實驗教學平臺。

在教學實踐中發現，實驗教學項目更新率低，有部分實驗教學項目理念已經落后且十幾年不變，主要表現在教學的基本模式老化，實驗方法及技術陳舊，學生自主學習能力無法體現。2009 年醫學基礎實驗中心啟動了新一輪醫學基礎實驗課程體系建設，將實驗項目分為基礎、綜合和創新3 個層次，綜合性項目要求實驗內容體現學科交叉和融合，創新項目重在培養學生的創新思維，為保證實驗課程的教學質量，實驗中心通過招標的形式建設了一批綜合性和創新性實驗項目［1-2］。隨著教學改革的深入，綜合性、創新性實驗項目的開展，發現部分實驗技術已遠遠跟不上實驗教學改革的步伐，一些設備落后，沒有使用先進理念的高級生理機能實驗設備，更沒有引入以虛擬現實（VR）為基礎的虛擬教學設備［3］。

為此，以國家級基礎醫學實驗教學示范中心和國家級醫學虛擬仿真實驗教學中心為依托，結合學校教學質量工程建設，融創新精神于實驗室建設和實驗教學改革。在學校教改項目和實驗室軟件建設項目支持下，通過立項方式進行實驗技術開發、實驗教學項目研究、實驗課件及虛擬仿真軟件制作等項目的教學研究（見表1），這些項目在教學中得以運用，為培養高素質的創新性醫科人才了提供嶄新平臺，明顯提高了實驗教學效果和質量［4-5］。

2 醫學實驗教學平臺的主要內容

醫學是一門實驗科學，實踐教學是醫學生加深和掌握知識的重要途徑，最新實驗技術在基礎醫學上的應用，可提高學生的自主學習和實踐能力。以基礎醫學院機能實驗教學平臺為骨干，藥理學、病理生理學、生理學以及遺傳發育與細胞生物學實驗室部分老師共同參與，以專業的信息技術為依托，以新一代的信號采集系統為技術支持，再融合藥理學、病理學、生理學及細胞生物學新技術，形成了多措并舉多學科參與的醫學實驗教學技術的創新性改革。

表1 創新團隊近年獲得學校教改項目的資助

2.1 基礎醫學實驗教學平臺虛擬仿真實驗項目初探

醫學生實踐動手能力以及經驗的積累非常重要，以往醫學生們只是局限于書本知識的學習，看到的都是平面的東西，缺少立體的概念，更無法產生互動。

在實驗教學中，由于實驗設備、實驗場地和經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行。虛擬仿真實驗可以彌補實物教學資源的不足，可以使學生獲得與真實實驗相近的體會，從而加深對教學內容的理解，學生還能隨時隨地在虛擬環境中開展實驗活動，提高學生的自主學習和實踐能力［6-7］。

（1）動態肺順應性的影響因素模型虛擬仿真實驗的建立。目前國內高校五年制、七年制、八年制實驗教學中關于呼吸系統的實驗項目均為比較簡單的呼吸運動波形描記，缺乏對肺實質功能性項目的研究，“動態肺順應性測定”就是肺實質功能性研究項目之一。然而，由于消耗大量的家兔，手術操作復雜，觀察實驗結果、統計實驗數據一般大于4h，要完整地觀察整個實驗比較困難，使其無法應用到實驗教學中。

肺順應性指在外力作用下克服彈性阻力所引起的肺容量變化，通常用單位壓力變化下所引起的容量變化來表示。肺動態順應性（Cdyn）是肺順應性的一種，指在呼吸運動中當氣流速度等于零時潮氣量（Vt）與跨肺壓（ΔP）之比；肺順應性反映肺彈性阻力大小，從而影響肺通氣功能。

對日本大耳白兔采用PowerLab 1 L 流量探頭，Chart5.0 軟件客觀測定家兔的潮氣量值；采用壓力換能器，Chart5.0 軟件客觀測定家兔的胸膜腔內壓值變化，對氣流量作積分處理即為肺容量變化，生物信號分析記錄系統繪制肺內壓-容積曲線，即肺順應性變化曲線。據此成功建立動態肺順應性測定家兔模型，建立模型同時拍攝實驗錄像，并撰寫腳本，據此建設了醫學機能學“動態肺順應性的測定技術”；創建醫學機能學動態肺順應性的影響因素綜合實驗項目，構建動態肺順應性測定虛擬仿真實驗教學模型（見圖1）。

圖1 動態肺順應性測定虛擬仿真實驗教學模型

通過虛擬仿真技術，將復雜的實驗操作與多年教學經驗結合，開發出新型的為探索性教學模式、為研究呼吸系統疾病提供了一個功能性的研究方法，起到加深對教學內容理解的作用（見圖2）。

圖2 動態肺順應性測定虛擬仿真實驗

（2）小鼠動脈粥樣硬化斑塊破裂模型虛擬仿真實驗的建立。隨著我國生活水平的日益提高及步入老齡化社會，急性冠狀動脈綜合征的發生率逐步上升，而動脈粥樣硬化斑塊破裂是導致該病的重要原因，嚴重威脅著人類的身體健康和生命，是機能學教學研究的重要內容。然而，由于目前動脈粥樣硬化斑塊破裂動物模型可控性差，手術操作復雜，實驗周期長，且動物死亡率較高，使其無法應用到機能實驗教學中。因此，找到一種合適的動脈粥樣硬化動物模型，為開展以動脈粥樣硬化研究為基礎的實驗項目提供了可能。

根據臨床斑塊破裂發生的內因和誘發因素，選擇高脂喂養的ApoE-/-小鼠，并采用頸動脈放置縮窄性套管的方法，人工模擬血管狹窄，再通過LPS、冰水刺激和苯腎上腺素聯合刺激，在短時間內給予動脈粥樣硬化模型小鼠一定的炎癥感染、應激刺激，并通過苯腎上腺素給予人為造成小鼠血壓升高，血管收縮。經歷這種類似人類發病經過之后，成功建立動脈粥樣硬化斑塊破裂小鼠模型（見圖3），建立模型同時拍攝實驗錄像，并撰寫腳本，構建小鼠動脈粥樣硬化斑塊破裂虛擬仿真實驗教學模型實驗建設虛擬仿真實驗。

圖3 虛擬仿真實驗建立模型

通過虛擬仿真技術，將復雜的實驗操作制作成具有輔助教學特色的虛擬實驗，使動脈粥樣硬化斑塊破裂實驗與實際教學有機結合，起到強化實驗教學的作用［8-9］。

2.2 基礎醫學實驗教學平臺實驗技術的創新性

（1）創新機能融合實驗動物視網膜缺血再灌注損傷及藥物的保護作用項目。視網膜作為神經組織，在缺血缺氧環境中易受到損傷，而視網膜中央動脈是終末動脈，極易發生缺血事件，并可迅速導致視網膜的嚴重損傷。視網膜的缺血性損傷又是許多眼病如青光眼、網膜中央動脈阻塞等發展過程中所不可避免的一個病理生理過程，有效挽救缺血視網膜組織的措施是及時恢復血流再灌注，然而長期研究發現再灌注時視網膜的功能并未恢復，相反出現明顯的功能障礙，這種情況被稱為視網膜缺血再灌注（Retinal Ischemia Reperfusion，RIR）損傷。其損傷機制的研究一直是眼科界及病理生理學科所關注的一個熱點。因此視網膜缺血再灌注損傷的研究，對臨床工作具有非常重要的指導意義。

目前較常用的視網膜缺血模型主要有：升高眼內壓模型、血管結扎模型及球后注射血管收縮劑等。升高眼內壓模型因其方法簡便、模型性強已成為目前被國內外廣泛采用的一種方法，這種方法是通過人工向動物的前房施加一定的壓力，在眼內形成14.63 kPa的眼壓，使得眼底血管斷流，造成視網膜缺血。

實驗目的是要求學生了解視網膜缺血再灌注損傷的實驗方法和損傷機制，以及藥物保護視網膜缺血再灌注損傷的作用機理。

（2）發明了一種動物視網膜壓力儀。缺血性視網膜損傷是眼科常見的一種臨床表現，對其進行研究需要建立缺血性視網膜損傷模型。采用生理鹽水前房加壓灌注法制作高眼壓模型是最為常用的一種造模方法，但目前國內尚未有這種專用的模型制作裝置。針對這種情況，設計了一種動物視網膜壓力儀，用于制備缺血性視網膜損傷模型（見圖4）。

圖4 動物視網膜壓力儀

該裝置采用壓縮空氣作為壓力源，以氣-液隔離器為施壓執行器，通過壓力傳感器檢測壓力，用控制器控制壓力和加壓時間，并且控制器采用模塊化方法進行設計，其壓力的控制采用通用的智能工業調節器來實現，時間控制采用通用的智能時間繼電器來實現。

該裝置可自動按設定時間對眼前房施加壓力，并且時間準確，壓力恒定，預先設定壓力和定時時間后，整個實驗過程自動進行。使用該裝置不僅保證了實驗過程的一致性，使實驗操作更加規范和嚴謹，而且提高了工作效率［10-11］。

（3）研制了細胞接觸抑制現象觀察裝置。惡性腫瘤是嚴重危害人們身心健康的一類常見病、多發病，其主要組成是腫瘤細胞，通過對腫瘤細胞與正常細胞形態的異型性描述，對認識腫瘤的實質具有重要的臨床意義。隨著細胞培養技術在醫學和生命科學教學、科研中的大量應用，學生可以從細胞生物學的角度來直觀地了解腫瘤細胞，加深對于腫瘤良、惡性的理解。

目前，在細胞實驗中指導學生認識癌細胞還只是停留在切片和靜態的細胞形態觀察上，老師給學生灌輸較為先進的理論只能以口頭或模式圖或圖片進行，無法以動態形式展現出來，對于利用觀察或檢測裝置對細胞密度依賴性生長抑制（細胞接觸抑制現象）或關于正常細胞與惡性腫瘤細胞的區別進行直觀地顯示的裝置還未見報道。因此在現有理論和實驗基礎上，利用機械原理與細胞學、生物學實驗技術相結合的方法，研制了“細胞接觸抑制現象觀察裝置”，應用于實驗教學，可使學生在進行離體細胞培養實驗時，極為方便地以動態形式直接觀察到待檢實驗細胞生長接觸抑制的存在與否、細胞接觸抑制釋放現象以及鑒別腫瘤細胞與正常細胞的生長增殖狀態，達到區分正常細胞與轉化或癌變細胞的目的。該實驗注重增加學生動手操作和活體跟蹤觀察的內容，提高了實驗的趣味性，培養了學生對正常細胞和癌變細胞的正確認識，鍛煉了學生獨立操作能力［12］。

（4）數控動物燙傷儀的研制及應用研究。燒（燙）傷治療藥物的研究離不開動物燙傷模型的制作，燙傷模型制造的好壞又直接影響到對藥物療效的評價和鑒定。目前較常用的燒燙傷造模型主要有：化學法（化學灼傷法）、物理法（分為蒸汽燙傷、水浴燙傷、電弧灼傷和電熱燙傷）。標準的燙傷模型制作需要標準的燙傷儀，而目前還缺少適用范圍廣、燙傷面積均一、操作方便的燙傷儀。這對研究燙（燒）傷創面修復和藥效評價帶來不便，甚至造成嚴重錯誤的結果。經過潛心研究、分析和對比，認為電熱燙傷是最具有可控性、操作簡單、重現性好，適用于大小動物，是較理想的燒燙傷方法，為此著力在電熱燙傷方面進行深入的研究，更好地解決電熱燙傷方面的一些難題。該研制的燙傷儀，可以恒定燙傷溫度，溫度變化值僅在很小的范圍內波動；自動控制電燙時間，并能保證壓力穩定，以確保燙傷面積均勻一致［13-14］（見圖5）。

圖5 數控動物燙傷儀

目前已在本校機能實驗教學平臺開放實驗中開設燙傷實驗，還為大學生科技創新開展燙傷相關實驗搭建了一個寬闊的平臺。

（5）離體培養細胞缺氧儀的應用研究。氧是機體不可缺少的養生之氣，是人類一切活動的基礎，是機體發育成長和生命活動的動力。缺氧是指當組織和細胞得不到充足的氧，或用氧障礙不能充分利用氧時，組織和細胞的代謝、功能，甚至形態結構也可能發生異常變化的病理過程。目前認為缺氧是造成細胞損傷的最常見原因，可以誘發體內各系統的功能改變，是引起臨床各科多種疾病甚至死亡的最重要和最常見的直接因素或主要病理過程之一，因此該領域研究越來越受到關注。而一個理想的缺氧實驗模型或缺氧實驗儀器，無疑是該領域研究的技術關鍵。

利用自動化控制技術與藥理實驗技術相結合的方法，研制了離體細胞缺氧儀。在缺氧儀控制下氮氣首先經過減壓計和流量計按照設定的恒定流量進入缺氧罐，氧傳感器和溫度傳感器將此信號經過放大器放大，再把模擬信號轉變成數字信號，由智能控制器處理后驅動控制電路，自動調節溫度和進、出氣閥，保證缺氧罐內的溫度和氮氣濃度的恒定，從而模擬形成一個類似細胞在生物體內的缺氧環境［15］。

實驗表明，該發明的“離體培養細胞缺氧儀”與傳統自制的缺氧實驗裝置相比，具有自動化程度高、自動調控氮氣濃度和溫度、直接顯示缺氧槽中的溫度和氧含量等優點。不僅操作簡便，性能穩定，而且減少了實驗過程中氮氣的使用以及人的繁瑣勞動，使得實驗結果更具科學性，儀器應用更具廣泛性［16］。

（6）通過學校立項的其他教研項目。此外新型哺乳類動物缺氧實驗裝置、實驗動物持續吸入麻醉手術臺（見圖6）等一大批項目研究成果已入選校實驗室軟件建設項目庫，并應用于本科生實驗教學，經歷了多年的教學實踐，得到教師和學生的廣泛認可［17］。

圖6 哺乳類動物缺氧實驗儀

3 醫學實驗教學平臺的成效

（1）形成了一支富有創新精神、熱心實驗教學改革的創新團隊。創新團隊成員來自生理學、藥理學和病理生理學等學系及遺傳發育與細胞生物學實驗室的部分教師和實驗技術人員，經過精心遴選組建而成。創新團隊成員潛心實驗教學研究，致力于實驗室建設、實驗教學改革和實驗技術創新，在長期合作基礎上形成了良好的教學集體、鑄就了新型的教育理念，自身業務素質和整體水平有了大幅度的提高［18］。

（2）創新團隊以精品課程建設、教學改革項目為依托，以培養學生創新和實踐能力為主要目標，在基礎醫學實驗教學等方面取得了一系列成果和經驗。近年來在實驗技術類核心期刊《實驗室研究與探索》《實驗技術與管理》上發表論文5 篇，獲得省級教學成果一等獎1 項、校級教學成果獎多項，在歷屆全國高校自制教學儀器設備評選中多次獲獎，這都極大地促進了教師及實驗技術隊伍建設和教學水平的提高，平臺所在實驗中心獲得國家級實驗教學示范中心和國家級醫學虛擬仿真實驗教學中心稱號，醫學機能平臺獲得國家精品課程及國家級精品資源共享課程［19］稱號。

（3）研究成果受到了學生和實驗指導老師的良好評價，明顯提高了實驗教學的成功率和學生進行科學研究的興趣。臨床醫學2010 年級七年制3 班同學在實驗報告中寫到使用實驗動物持續吸入麻醉手術臺麻醉大鼠，對環境沒有污染，麻醉效果很好；生理與病理生理學系老師在使用新型哺乳類動物缺氧實驗裝置后說：“學生在實驗中不再為無為、無效操作耗費大量的時間，把有限的時間和精力應用到鉆研實驗技術、觀察缺氧現象、培養動手能力、思考缺氧機理上，大大提高實驗效率和效果；實驗中不再使用水銀，再也不用為實驗室安全擔心了。”這樣的評價使團隊對今后的不斷創新有了更多的動力和信心。

4 結 語

立足全面提高學生創新精神和實踐能力，以建設信息化實驗教學資源和共享優質實驗教學資源為核心，以計算機技術、電子技術和信息技術為依托，以新一代的信號采集系統為技術支持，再融合藥理學、病理學、生理學及細胞生物學新技術，創新教學項目、革新實驗方法、發明相關技術，顯著拓展了基礎醫學實驗教學資源，學生做實驗更積極、更主動、更高效，給學生節約出能獨立思考并解決問題的有效時間，改革涉及了醫學虛擬仿真實驗模式探究、實驗教學研究、實驗技術發明等實驗教學的各個方面，通過創新不僅實驗教學效果、教學質量、教學效益得到了顯著提高，還在實驗室形成了一支重視實驗教學，熱心實驗教學改革的創新團隊。