基于問題導向的毒理學基礎實驗教學模式探討

郭 蓉， 曾 明， 關 嵐， 葉淑姿， 唐思璇， 肖 芳

(中南大學 湘雅公共衛生學院衛生毒理學系， 長沙 410078)

0 引 言

毒理學是一門研究各種外源性有害因素對生物體的損害作用及其作用機制，并在此基礎上對外源性有害因素進行安全性評價和風險評估的學科，其對改善環境質量，保障人群健康和促進社會經濟可持續發展具有重要作用。毒理學基礎是一門兼具理論性與應用性的綜合性課程，其中的許多理論和研究方法可為“三大衛生”所用，故也是公共衛生與預防醫學專業本科生必修的重要基礎學科課程。多年來，我國毒理學以及其他預防醫學主干課程的教學模式基本上都是“灌輸式”或“填鴨式”教育，學生在理論課上被動接收知識，在實驗課上按照老師設計好的實驗方案及示教操作按部就班地完成實驗，學生的學習能力及綜合素質沒有得到有效的體現和鍛煉，實踐能力也與用人單位的需求相脫節?！昂笠咔闀r代”新的公共衛生形勢也對公共衛生人才培養提出了更高的要求，促使高等學校必須改革公共衛生教育，而毒理學也需要緊跟時代步伐，改革實驗課的教學方法，加強學生綜合素質能力的訓練，培養滿足新時期需求的實用型公共衛生人才。

1 我校毒理學基礎課程教學現狀

我校開設毒理學基礎課程的專業主要為五年制預防醫學，課程總學時為60學時，理論課與實驗課學時比為7∶8。

1.1 課程設置情況

預防醫學專業的毒理學基礎理論課程主要可分為3大部分，分別為毒理學基本概念與基礎知識、毒理學安全性評價的相關理論與基本方法和毒理學的分支學科簡介(見表1)。其中第2部分一般首先介紹各類毒性作用的相關理論，然后講述研究或檢測相應毒性作用的實驗原理、原則與具體方法。

表1 毒理學基礎理論課教學設置

毒理學基礎的實驗課程也可分為3大部分，分別為綜合性、設計性和驗證性實驗(見表2)。在綜合性實驗部分，教師講述動物實驗的基本操作技術并演示，比如抓取、性別鑒定、灌胃等操作，隨后學生再各自進行操作的熟悉和練習。在設計性實驗與驗證性實驗部分，學生按照教師的安排完成各類實驗，并對相應化學物的某方面毒作用進行評價與討論。

表2 毒理學基礎實驗課教學設置

1.2 毒理學基礎實驗教學中存在的問題

(1) 傳統實驗教學理念的影響。傳統的毒理學實驗教學著眼于對理論的驗證，只是理論課程的附屬品[1]。授課教師在理論課上講述各類實驗的設計原則與各步驟的操作要點，在實驗課上依托于具體實驗項目將實驗設計與操作形象化。實驗課的作用只體現在培養學生的動手能力與實驗技能上，實驗課自身不成系統，也無法起到對理論課補充、完善和深化的作用[1]。并且由于學生在實驗課上一般不做過多思考, 只是簡單地按照具體步驟“按部就班”地進行實驗, 其實驗思維得不到有效的發散和鍛煉，實驗技能的培養實際上也相對有限。

(2) 實驗教學手段單一。實驗課內容基本均為示教性實驗，由教師講授并進行操作演示后，學生再按照老師的操作一步步重復完成實驗。即使是設計性實驗，也是由教師事先做好實驗設計，學生在實驗課上按照既成的設計方案選取實驗動物、進行分組、配制受試物、染毒以及進行實驗效應的觀察，最后將實驗數據及結果形成實驗報告。劑量的設置、受試物的毒性評價方法等都由教師思考設計，甚至周期比較長的實驗如精子畸形實驗也由教師染毒后學生直接采取生物樣本進行檢測或觀察。即使教師已經非常詳細地講述了染毒方式，學生也因為沒有切身體會而無法掌握具體操作。這種“照葫蘆畫瓢”的實驗方式對學生的積極性、主動性和創新能力的發展是極其不利的。

(3) 實驗內容陳舊。由于實驗課依附于理論課，實驗課的設置是為了加深和鞏固課堂理論教學效果，很多實驗內容很經典，但同時也非常陳舊。生命科學發展日新月異，其新理論和新技術也推動了毒理學的發展，催生了很多毒理學分支學科。然而，無論是新技術還是新研究內容，毒理學的快速發展并沒有在本科生的實驗課上得到很好的體現。甚至很多本科生從來沒有接觸過一些比較先進的儀器與實驗技術，這與用人單位的需求也是脫節的。

(4) 缺乏完整的實驗教學體系。在理論課上，化學物的各類毒作用分章節講授，各章節的聯系性不強。同樣，在實驗課上，每次實驗的內容也相對獨立，聯系松散。然而，一種化學物質對機體產生的毒性作用一般具有多樣性，不僅有急慢性毒性和“三致”作用之分，還涉及多種組織器官, 相應的毒性評價也非單一的實驗能夠解決, 因此學生對于化學物質毒性評價的系統性缺乏全面的把握, 其批判性思維、合作能力和自主學習能力等均無法得到體現和鍛煉。

(5) 課程考核形式單一。傳統的毒理學基礎課程成績主要由兩部分組成。一部分是代表理論掌握程度的期末考試成績，另一部分是代表實驗課表現的實驗報告分數，兩部分成績的比例一般為7:3。對于理論課考試，很多同學會選擇在接近期末考試時“突擊”，這種方式可以讓學生在考試中“順利過關”，但考試后不久那些短期內記住的知識就會被遺忘[2]。而對于實驗成績，即使有的同學在實驗操作上敷衍了事，只要按照老師的實驗方案和其他同學的報告本完成實驗報告，同樣也可以拿到不錯的分數。

(6) 缺乏綜合能力培養。由于公共衛生所涉及工作的廣泛性，對公共衛生人才的綜合能力有相對較高的要求，且這種要求在“后疫情時代”的新時期顯得更為緊迫。能滿足崗位需求的公共衛生人才，一定不單具備理論知識，還需要有將理論知識轉化為實踐的能力[2]以及團隊合作精神、問題解決能力、終身學習能力等[3]。傳統的毒理學理論課程采取的是“滿堂灌”方式，而實驗課程是學生按照老師的操作一步步重復完成實驗，理論課上學生被動接受知識，實驗課上學生機械完成操作，而通過這種方式學生所能掌握的知識非常有限，綜合能力也基本得不到實質性鍛煉。當然這種現象在預防醫學的專業課程中普遍存在, 而由此暴露的公共衛生人才培養缺陷也在本次“新冠”疫情的抗戰中展現無遺。

2 PBL教學模式

問題導向學習(Problem-Based Learning，PBL)是一種自我指導、以問題為基礎、小組學習的教學模式[4], 并不是指一種特定的教育方法。根據所采用的教育方法的設計和教師的技巧，它可以有許多不同的含義，但共同點都是在教學過程中使用真實的、結構不良的、現實世界的問題來刺激和組織所有的學習問題[5-6]。所使用的問題可以是案例簡介、完整案例或以各種形式模擬的問題[5]。PBL的教學設計原則是以問題為中心, 以學生為主體, 教師為引導者, 強調學習的情景化和小組合作。

學習者從一個需要解決的實際問題出發，在解決過程中會引出一系列小問題，通過利用各種學習教育資源，對這些小問題進行解釋，最后將信息綜合，得到最開始的實際問題的解決方案[7]。不同于傳統的授課模式，在PBL中學生是學習及教學活動的主體。得到一個需要解決的實際問題后，由學生進行術語的澄清、問題的定義、問題的分析與細化、針對具體問題制定學習目標、利用各種教育教學資源與小組合作進行問題的解釋、綜合并測試所獲得的信息[8]。在PBL中，教師不再充當知識的灌輸者[9]，也不是學生獲取知識的直接來源，而是整個教學活動的引導者。教師不能過度指導而使學生不需自由思考和自學，也不能放任學生去考慮問題探究過程中的所有步驟而影響學習目標。學習的情境和應用的情境越相似，學習的轉移就越有可能發生，表現就越好。所以教師設計的問題應該做到與學生在以后的職業實踐中遇到的問題盡可能相似[10]。PBL的學習是以小組合作的形式進行的，一個實際問題的解決方案是小組共同努力的結果。整個學習過程都以小組為單位展開，無論是問題的分析還是信息獲取后的綜合以及最后對解決方案進行驗證，都離不開同伴協作，在這個過程中的思想碰撞與信息交流可以實現知識的傳遞與相互促進。

3 基于PBL的毒理學基礎實驗教學改革

針對預防醫學的毒理學實驗，改革方案如圖1所示，主要增加了綜合設計性實驗環節，學生通過自主設計實驗方案并進行實驗操作，完成必需的毒理學試驗程序和項目，對某給定的受試毒物做出安全性評價。這個環節在主要的理論知識課程和基本的實驗操作課程完成后進行。

圖1 基于PBL的毒理學基礎實驗教學改革方案

3.1 教師的準備

(1) 問題設計。問題是PBL學習的起點，一個好的問題應該和實際工作中遇到的問題相似[11]。在改革的毒理學實驗教學中，“問題”一般是“某受試毒物的毒理學安全性評價”。所以問題的設計就是選擇何種受試物進行評價及如何進行評價。問題的設計還要遵循維果斯基的“最近發展區理論”[5]，讓學生能“跳一跳摘到果子”，所以問題設計不能太簡單或太復雜。由于理論課是分章節授課，實驗課也是分毒性評價方法單獨教學，學生對整個課程沒有一個完整的認識，所以問題的選擇要能使得學生在設計實驗方案時把各章節的知識聯系起來，可用到不止一種毒性評價方法，包括急性毒性試驗、局部毒性試驗和特殊毒性實驗。

(2) 教師集體備課與演練。PBL要求教師在教學過程中做一個多面手，既不能過分參與學生的自主學習，又要及時發現學生學習過程中存在的問題，適時激發和鼓勵學生，引導教學活動的順利進行。所以PBL是一種非?？简灲處熌芰Φ慕虒W理念與方法，教師需要經過一定的學習與演練后，才能更好地組織教學活動。教學方案的制定以及教學資源的建設需要教師集體備課決定，而從實驗方案的設計到實驗的實施等一系列學生需要經歷的過程也應該組織相同能力的同學進行演練，以期在真正實施時的教學方案能夠更加可行。

(3) 教學資源建設。包括新的教學團隊的建設和相關教學資料的準備。教學團隊負責所有PBL的工作，從教學方案的制定到組織協調教學活動，再到實驗器材與實驗動物的預訂和最后的考核評價。教學團隊必須包括給學生講授過理論課和實驗課的教師，因為他們更清楚學生的學習情況及能力范圍。建立一個教學資料庫，其中主要包括各種實驗操作的視頻。從最基本的動物實驗操作如抓取固定、性別鑒定、灌胃、腹腔注射、各種生物材料的采集和各種標本片的制作方法，到一些必需的實驗儀器操作方法。還應該根據情況加入一些其他學習資源，比如推薦閱讀的文章以及學習實驗設計的網站等。將該學習資料庫推薦給學生，學生可以通過事先學習來減少在實驗過程中的操作失誤。

3.2 實施改革方案

(1) 介紹新增教學環節。在學期開始前，就向同學們介紹課程改革的目的、形式和內容，以及學生在課程中需要完成的任務、教師充當的角色、實驗課程的具體進度安排等，讓學生能夠以一種全新的態度對待新的課程設置。

(2) 問題導入。在兩周前將需要解決的問題發放給學生，如“某皮膚消毒劑的安全性評價”，要求學生以8人左右為1個小組，查閱有關資料，制定實驗方案。問題應該以指導性手冊的形式發放給學生，讓學生能明白需要做的具體工作，如受試物的有關物理化學資料、人體可能接觸的方式與攝入量、需要做的毒理學實驗、每一項實驗的具體步驟(動物選擇、動物數、分組、劑量設置、染毒途徑、觀察指標及檢測方法、試驗期限)、相應毒性的評價方法等。

(3) 設計實驗方案。我院本科預防醫學一個年級近80人，可以分為10組，每組7～9人，每5個小組為1個大班。在學生自由組隊的基礎上，教師可以稍作調整，盡量讓每個小組的成員優勢互補，讓各個小組的學生層次相近，使得各小組都有能力順利完成實驗。每個大班共同負責1種受試物的毒性評價。學生以小組為單位查閱資料，判斷需要進行哪幾種實驗來評價受試物的毒性，然后進行整個實驗方案的設計。如果各小組負責整個方案設計的工作量太大而難以完成，也可以先組織學生討論需要進行哪些實驗，然后1個小組只負責某個實驗方案的設計。所以小組數也可以根據需要進行的實驗項目數來進行調整。在學生設計方案的過程中，教師應跟蹤小組進度，及時發現學生存在的問題并予以指導，可以推薦學生去了解某種理論或去讀哪一本書等，而不要直接告訴學生解決方案[9]。在方案匯報前，各小組將實驗方案提交給教師，讓教師能事先發現學生實驗方案的問題并為匯報的點評和方案優化建議做準備。

(4) 方案匯報。問題發放兩周后組織大班進行實驗方案的匯報，5個小組逐一匯報。每個小組匯報后由教師指出方案中存在的問題并引導大家討論，教師可以用暗示、平行例子等啟發學生，如果某個問題難以解決而拖慢課程進度，可以先跳過此問題繼續推進課堂，讓學生課后繼續查閱相關文獻解決該問題。所有小組匯報完成后，要求學生在1周內查閱資料對其中存在的問題進行修改，并將各小組實驗方案綜合后撰寫完整的實驗設計報告。在教師確認實驗方案中的一些關鍵環節已經基本沒有問題后，可安排各小組開展各自部分的實驗。

(5) 實施實驗方案。在實驗開始前，要求小組制定時間計劃表，具體到哪一天執行什么操作，教師按照學生的實驗設計和時間計劃準備實驗動物和實驗儀器。可以另外準備幾只備用實驗動物，如果學生對于某個操作不太熟悉，可以由教師在備用動物身上進行操作示教，也可以提供給學生正式操作前來練手。每個小組至少需要1名教師的全程指導。要求學生在實驗時做好分工，認真記錄實驗，還可以要求學生全程拍攝實驗操作過程，在最后所有小組的實驗結果匯報展示中放映。小組的實驗完成后，要求學生們將自己小組實驗的所有過程寫成實驗報告并上交。

(6) 實驗結果匯報。各個小組的實驗結束后，組織大班進行實驗過程與結果的匯報。各小組匯報中應該包括實驗目的、實驗材料、實驗內容、具體的實驗步驟(包括實驗流程圖并配合錄制的實驗過程視頻來展示)、實驗結果、實驗結論和實驗討論等。各小組要著重討論在實驗過程中遇到的問題，可以包括成功解決的問題、如果條件允許還可以深入探究的問題、超出能力范圍的問題以及實驗過程中的疏忽等。所有小組匯報完成后，要求學生綜合各小組實驗撰寫完整的實驗報告，報告中要求總結此次設計性實驗的收獲與感悟，如何優化自己的實驗方案，并提出實驗安排和課程改進的建議。

(7) 評價與總結。需要對學生的學習過程及效果進行評估。評估者包括教師和學生本人。由于PBL的主要目的是提高學生應用知識的能力和解決實際工作問題的能力，所以簡單地將理論考試分數作為評價學習效果的指標是不合理的，應該對學生的綜合能力提高程度進行評估。這包括自評和他評。設置自評問卷讓學生在參與改革項目前后對自己的各方面能力進行評價。他評則主要由教師完成，也需要設計他評問卷，這個評價是一個持續的過程，從學生參與課程前、參與課程中、參與課程后各方面的表現給予評價。同時也需要對教師的教學過程和PBL課程設置進行評價，以改進課程設計, 由學生和教師雙方進行評價。教學團隊將整個教學過程總結，將教學改革經驗撰寫為案例，并在以后的教學活動中逐漸優化。

4 教學改革過程中的思考

4.1 學生方面

我校預防醫學的本科生在進入四年級學習專業課之前，已經在以往的藥理學、生理學、機能實驗學等諸多課程中接觸了實驗設計、小組案例討論以及各種課程設計，也有多次小組合作展示和個人展示的經歷，大部分同學都參與過“大學生創新創業項目”，所以學生們已經具備了一定的資料查找能力、小組合作能力以及項目設計能力，可以在PBL的設計性實驗課中完成自己的任務。教師也可以在開展PBL教學之前的實驗課程中就要求學生設計相應的實驗，來鍛煉學生的實驗設計能力。相對于有沒有能力自主完成實驗，預防醫學的本科生面臨的更大阻礙可能是時間太少，所有的專業理論課程和實驗課程都在大四下學期開展，學生們每天的課程任務繁重，學期過半后又要準備各科的期末考試，而讓學生去查閱資料設計可行的實驗方案并予以實施需花費大量時間, 此問題的有效解決需要學院調整學生的課程安排。

4.2 教師方面

教師能否做好引導者的角色是PBL課程成敗的關鍵。如果認為PBL就只是學生自主學習的一個過程，簡單地放任學生去自由討論或自由探索，那學生很難尋求到真正的答案，甚至會使PBL課程無法順利推進到終點。而如果教師總是無意識地主導小組探索問題的過程，學生很快就會轉向教師尋求答案，PBL將轉變為由教師主導的研討會[6]。這種問題實際上在國內很多PBL課程中都存在。如何做好一個引導者而不是主導者，不僅需要學習PBL的理念和方法，更需要教師在實踐中不斷總結經驗。我院的毒理學教師人數偏少，不能保證每個學習小組都有1個教師指導，而“三大衛生”的很多知識和實驗技術與毒理學是相通的，可以吸引這些系室的教師加入毒理學系的PBL教師團隊。高校的教師不僅有教學任務，還承擔著繁重的科研任務以及各種行政職務，而PBL課程的構建和組織會耗費大量的時間和精力，對教師來說力不從心，這種問題的解決也需要學校及學院從各方面進行支持和鼓勵。

4.3 PBL的有效性評價

由于PBL著重解決學生應用知識的能力，而不是記憶知識，所以僅以理論知識的測驗分數來評價學習是否有效是不合理的，甚至一些以這種方式進行評價的結果顯示出PBL學生和傳統學生沒有差異[12-13]。由于不能用傳統的知識測試來評價PBL的學習效果，PBL的有效性評價一直沒有一個標準。事實上，PBL對學生能力的提高體現在很多方面，無法簡單用某一種方法評價。當前的PBL評價與學習目標沒有做到很好的契合，只是為了評價而評價[14]。教學評價的真正作用應該是為了促進教學，發現其中的不足并及時糾正。有學者認為，PBL的評價應有自我評價、同伴評價、教師評價和團隊評價，評價內容應該包括知識層面、技能層面和態度層面，評價方法要以形成性評價和終結性評價相結合，既要評價短期成效，還要評價長期成效[14]。

5 結 語

毒理學基礎傳統教學的不足日漸顯露，教學理念和教學方式的改革勢在必行，PBL可以有效提高學生的知識應用能力和其他綜合能力的作用已經在諸多實踐中得到證明[15-17]。目前這種教學模式雖然并不完全適合我國的情況，但可以結合傳統教學進行，兼顧理論知識的傳授和實踐技能的培養。教學改革不可能一蹴而就，但隨著PBL教學理念的推廣、教學經驗的積累、教學體系的完善和評價標準的系統化，PBL將會使更多的學生受益。