新醫科視域下人體機能實驗課程的開發與應用

童學紅，王 偉，梁 雪，韓艷芳，黃 松，李利生

（首都醫科大學，北京 100069）

2019年教育部等相關部門“新醫科”建設的提出，引導教育者以信息技術為代表的新一輪科技革命，推進新一輪醫學教育綜合改革。眾所周知，實驗教學是高等醫學教育的重要環節，對于基礎階段培養具有創新思維能力和實踐能力的高素質醫學人才具有重要意義。機能學實驗中所涵蓋的生理實驗內容，是醫學生了解正常機體生理功能變化與調節機制的基礎實驗模塊，其中人體機能實驗是以學生為實驗觀察對象，可直接獲取人體數據，使得學生能夠親身參與，體驗人體實驗所帶來的直觀感受，同時避免了實驗動物的消耗，符合動物實驗研究的“3R”原則[1-2]。此類實驗與臨床觀察關系密切，也是傳統機能學實驗的補充和拓展。由以往以動物實驗為主的教學模式向人體與動物實驗相結合的教學模式轉變，有助于醫學生更好地掌握人體功能變化的特點，為后期臨床學習奠定堅實的基礎。但在實驗教學中，如何將基礎實驗中機制的探索與臨床醫學中的人體檢測技能培訓相結合，成為高等醫學教育教學過程中亟待解決的問題[3]。因此，優化人體機能實驗課程內容，構建以系統為核心的應用性人體機能實驗課程，既可以培養學生直接針對臨床人體生理實驗的技能，又可探究其檢測機制及臨床意義。本文通過應用Lab Station系統優化現有人體機能實驗課程內容、改進人體機能實驗教學系統附件，從而進一步強化人體機能實驗教學項目的科學性與可行性，同時探索與臨床相結合的新的實驗教學內容，為提高人體機能實驗教學質量奠定堅實基礎，使本校國內領先的系列化人體機能實驗再上新臺階[4-7]。

1 人體機能實驗教學現狀及發展

首都醫科大學基礎醫學實驗教學中心機能實驗室自2005 年率先引進澳大利亞ADInstruments 公司LabTutor 人體實驗教 學系統，開設以系統為核心的應用性人體機能實驗，是國內高 校開設人體機能實驗較早的醫學院校。現已開設了心血管系 統、呼吸系統、泌尿系統、神經肌肉系統及心理生理學實驗內 容，取得了良好的教學效果。但在教學過程中，發現一些實驗課 程內容的安排和設計需要進一步完善。2019 年本實驗室又將 LabTutor 人體實驗教學系統升級為LabStation 系統。此系統為 實驗教學提供了一個開放、交互的平臺，教師可以利用LabStation 在線創建人體機能實驗課程，可以把實驗涉及的背景知識 及臨床典型病例融入課程內容，構成基礎與臨床相結合的一體 化教學環境。這為高水平復合型醫學人才培養構建了極具應用 價值的實驗教學支撐平臺。

2 人體機能實驗課程內容的優化

2.1 心血管系統實驗的優化

傳統的人體心血管系統實驗，側重于測量靜息狀態下及不同體位變換后血壓、心電等各項指標變化，然后討論其影響機制。即使某些院校開展了此項實驗，包含運動狀態下測量血壓、心電等內容，但由于以往記錄設備、實驗軟件、定量運動的實時數據采集等客觀障礙，以及教師的實驗設計思路、教學觀念等主觀因素影響，很難將靜息狀態與定量運動的心血管系統實驗進行一體化的整合設計，并付諸高質量的教學實踐。本室利用最新的Lab Station交互平臺，配置了實時顯示各種負荷狀態下心率、熱量消耗等數據的運動裝置，同時要求學生學習人民衛生出版社出版的《生理學》（第9版）教材，在熟悉關于血壓和心電圖理論知識的基礎上，將運動狀態下的心血管生理功能測量融入實驗，使學生既可在靜止時，也可在動感單車上運動時實時監測心率等變化，待心率上升到100以上測量血壓和心電。通過測量靜息時、運動中和運動后的血壓、心電變化，對于學生深刻理解收縮壓、舒張壓、外周阻力、心臟生物電等重要概念，不同狀態下神經、體液對血壓的不同影響機制等，以及基礎理論和臨床變化之間相互關系大有裨益。同時基于這一整合性人體機能實驗平臺，學生可根據日常生活與臨床實際，對現有實驗內容進行修改和創新設計。這對于提高學生實際應用能力，對知其然并知其所以然的過程探索有明顯促進作用[8-9]。

2.2 神經肌肉系統實驗的優化

隨著可穿戴設備和信息技術的飛速發展，傳統的神經—肌肉類機能實驗的實驗方法和模式也必將隨之嬗變。勢必由經典的蛙類神經—肌肉實驗轉向記錄指標較為單一的人體神經—肌肉實驗，然后再向整合性、豐富性更高的人體機能實驗趨勢演化。例如，原先記錄蛙類坐骨神經動作電位、傳導速度，以及腓腸肌收縮活動的實驗內容，已經可以由Lab Tutor人體實驗教學系統，通過對人體前臂內尺神經進行電刺激來演示募集、收縮總和、強直收縮。現在基于最新的Lab Station系統，改變原先單一測量肌肉收縮活動，可以把不同狀態下的肌電信號、肌肉疲勞信號等變化指標融入實驗內容，創建骨骼肌功能整合性實驗。可以做到刺激尺神經的同時，記錄小拇指肌肉收縮活動（單收縮、不完全強直收縮及完全強直收縮），以及動作電位的變化，并且可以通過改變不同刺激位置（腕部和肘部）記錄和測量尺神經的傳導速度。

再如，本實驗室也優化創建了反射與反應時間實驗，記錄不同刺激和不同條件下（受試者在完全集中、注意力分散狀態下對視覺和聽覺線索快速反應）的反射和反應時間。其中反射實驗是誘發一個膝跳反應，記錄產生反應的時間以及膝跳反射所產生的大腿股四頭肌上的肌電幅度。此實驗由于要在大腿四頭肌上安放記錄電極，所以只能在春夏季方便開設。為了在秋冬季也能開展此項實驗，本實驗室設計了另一套實驗方案，將角度記錄傳感器固定在膝關節外側，記錄引起反應的時間，以及膝跳反應時小腿抬高的角度，這同樣可以達到測量反射的時間和幅度目的，進而完成此項實驗。在春夏季開設此實驗可以兩套方案同時實施并進行比較，開拓學生用不同方法探究科學問題的思維。

2.3 呼吸系統實驗的優化

呼吸運動調節的相關內容，是機能實驗教學體系不可或缺的部分。以往學生主要是對麻醉后的家兔進行觀察，通過施加干預步驟繼而探究呼吸調節的參與因素和機制。正如本文前面提及的，機能實驗教學正在由以往以動物實驗為主的教學模式向著人體與動物實驗相結合的教學模式轉變。本實驗室利用人體實驗教學系統，以人體為實驗對象，不僅記錄、分析正常狀態下人體的肺功能變量，還模擬記錄了氣道狹窄患者的呼吸情況。用強力膠帶覆蓋呼吸管道，用鋼筆或削尖的鉛筆在上述膠帶上扎一個直徑約為5mm的圓孔，重新連接到呼吸流量換能器上。學生可領會氣道狹窄時（例如哮喘）呼吸的感覺，并對正常數據和“模擬哮喘”之間的肺功能變量進行比較。也可在保證安全的情況下，用過度充氣的肺模擬一個患者的呼吸情況，然后記錄肺容量和肺通氣量。在測定安靜狀態下的肺功能基礎上，增加了運動狀態下的肺功能測量。部分學生在動感單車上進行輕量運動后，再測量肺容量、肺通氣量及呼吸頻率，比較運動前及運動后心率、呼吸流量及呼吸頻率的變化。通過以上呼吸系統部分實驗內容在人體上實施，使得人體機能實驗教學真正與臨床密切聯系的愿景一步步變為現實。

3 創建文件化實驗課程，構建實時反饋的教學模式

運用Lab Station人體實驗教學系統，教師可以自主編輯、優化人體機能實驗教學內容，在實驗課程中添加自己編輯好的微視頻及挑戰題。創建文件化的人體實驗課程，可以幫助學生更好地理解實驗涉及的知識點，更快地完成實驗操作。教師創建好的課程配有完整的文件支持，包括大量的教學材料（背景知識、設備連接、操作視頻及學生操作指南等），形成了詳細的文件化的實驗課程，而不用再編寫配套的實驗講義。學生可以自主完成實驗相關知識的學習并記錄自己在不同生理狀態下（安靜、運動、緊張或激動）的生理參數的變化，完成數據分析及實驗報告。這種教學方式根據師生互動情形，實時交互反饋，加深了學生對人體整體機能的理解，培養了學生綜合分析問題及獨立思考問題的能力，為醫學課程與后續臨床課程的接軌打下良好基礎[10-12]。

4 人體機能實驗附件的完善

在實驗教學過程中，通過對一些實驗附件的改進，可以服務于新的實驗設計，提高實驗效率，豐富實驗內容。例如，在進行骨骼肌收縮活動記錄時，需要將記錄收縮力的手指脈搏傳感器固定在桌面上，但在實驗中經常因為粘貼不牢固，位置發生移動而影響實驗數據的記錄。本室根據需要，將手指脈搏傳感器固定在一個和手掌尺寸相適宜的有機玻璃面板上，節省了學生實驗操作的時間，保障了實驗數據記錄的準確性。在人體呼吸系統實驗中，為避免受試者之間交叉感染，定制了一種紙質一次性吹嘴，口徑能和呼吸流量偵測探頭導管緊密連接，保證導聯系統的密閉性，因而保障了實驗的安全性[13-14]。

“實驗室可以比擬為現代化大學的心臟”，可見實驗教學的重要性。本室通過對人體機能實驗課程的開發與應用，順應機能實驗教學發展趨勢，積極提升機能實驗教學質量，努力踐行時代所賦予實驗教學的責任和使命，希望和同道一起為機能實驗教學的發展貢獻力量[15]。