董守良,馬 明，唐曉龍，常 民

(1蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院動(dòng)物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)系， 蘭州 730000； 2蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心)

蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)面向教育部拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃(1.0，2.0)萃英生物學(xué)班、生物科學(xué)強(qiáng)基班、生物科學(xué)基地班和生物技術(shù)基地班的學(xué)生開(kāi)設(shè)。實(shí)驗(yàn)課程早期分兩個(gè)層次(動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)36學(xué)時(shí)，動(dòng)物生理學(xué)大實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí))，一段時(shí)間合并為綜合性實(shí)驗(yàn)72學(xué)時(shí)，到現(xiàn)在生物技術(shù)基地班改為36學(xué)時(shí)，其他班級(jí)仍為72學(xué)時(shí)的發(fā)展歷程。課程可以追溯到20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)50年代-80年代課程名稱(chēng)為人體及動(dòng)物生理學(xué)課程的附屬實(shí)驗(yàn)課，后隨理論課程改為動(dòng)物生理學(xué)后也改為動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)[1]。楊浪明教授、劉積高教授、李仁德教授、陳強(qiáng)教授和董守良教授先后擔(dān)任課程負(fù)責(zé)人，目前有2名教授、一名講師和一名實(shí)驗(yàn)師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教授參與一線實(shí)驗(yàn)課堂。在幾代教學(xué)團(tuán)隊(duì)的努力下，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量一直保持較高的水準(zhǔn)且進(jìn)行了不斷的改革和提高。課程2020年入選甘肅省省級(jí)一流課程，虛擬仿真項(xiàng)目于2019年入選甘肅省省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，2021年申請(qǐng)國(guó)家級(jí)一流課程，目前正在評(píng)審中。2003年由李仁德教授、董守良教授、陳強(qiáng)教授編寫(xiě)的《人體及動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》由蘭州大學(xué)出版社出版。

1 混合式的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在2001年，課程團(tuán)隊(duì)就建立了理論課程的教學(xué)網(wǎng)站，于2016年建立蘭州大學(xué)首門(mén)實(shí)驗(yàn)課慕課。實(shí)驗(yàn)課慕課首先在校內(nèi)慕課網(wǎng)站上線，2018年上線中國(guó)大學(xué)慕課平臺(tái)(https://www.icourse163.org/learn/LZU-1206432801)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課慕課的建設(shè)，我們發(fā)現(xiàn)混合式教學(xué)幾乎適用于所有的實(shí)驗(yàn)課程并擁有巨大優(yōu)勢(shì)，具備許多傳統(tǒng)教學(xué)模式?jīng)]有的特點(diǎn)。學(xué)生可以自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間，在線上隨時(shí)隨地地交流互動(dòng)，這給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)巨大的變革[2]。很多兄弟院校也針對(duì)動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)或者生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課混合式教學(xué)開(kāi)展了很好的改革和嘗試，有些教師還進(jìn)行了平行班的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[3-8]。山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)系白曉潔教師就線上課程的制作分享了自己的心得體會(huì)[5]；濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院劉梅芳教師采用平行班比對(duì)的方式肯定了混合式教學(xué)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)課的提升[9]；復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院曹洋教師采用調(diào)查問(wèn)卷的方式對(duì)混合式教學(xué)模式的效果進(jìn)行了反饋[10]。我們?cè)谔m州大學(xué)也采用匿名調(diào)查問(wèn)卷的方式進(jìn)行課程的效果評(píng)估[11]。

2 動(dòng)物福利與倫理對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)和應(yīng)用

1988年，科技部頒布了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例，明確了從飼養(yǎng)、飲水、墊料和從業(yè)人員四方面體現(xiàn)動(dòng)物福利思想。1997年，科技部在關(guān)于“九五”期間實(shí)驗(yàn)動(dòng)物發(fā)展的若干意見(jiàn)中，第一次體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利和3R原則。2005年，北京市科委頒布了北京市實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利倫理審查指南，其中詳細(xì)介紹了科研院所開(kāi)展實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理審查的程序和要求。2006年，科技部就關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見(jiàn)中，明確了對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)管理、使用、運(yùn)輸?shù)确矫娓＠麊?wèn)題進(jìn)行了規(guī)范，并將“違反實(shí)驗(yàn)動(dòng)物保護(hù)規(guī)范”列為六種科研不端行為之一。我校的動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中慢性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展高血壓模型的復(fù)制和損毀大腦中樞核團(tuán)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，都需要造模后飼養(yǎng)3周左右。為更好地保護(hù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和觀察到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)課堂上很早就主動(dòng)向?qū)W生講解了動(dòng)物福利與倫理的原則，自2016年起，在實(shí)驗(yàn)課上要求每位學(xué)生都要簽署動(dòng)物實(shí)驗(yàn)福利和倫理知情同意書(shū)，并經(jīng)過(guò)學(xué)院動(dòng)物倫理委員會(huì)審批。

國(guó)內(nèi)部分兄弟院校也基于動(dòng)物福利和倫理方面開(kāi)展了相應(yīng)的教學(xué)改革研究和實(shí)踐[12]。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院馬小根教師就依據(jù)3R原則，對(duì)家兔呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)與家兔尿生成的影響因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革。教師通常將家兔呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)和影響尿生成的因素作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，從而造成動(dòng)物浪費(fèi)。馬小根教師對(duì)其進(jìn)行了整合[13]。首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心機(jī)能實(shí)驗(yàn)室張晨教師在醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，優(yōu)化和提升兩棲類(lèi)動(dòng)物機(jī)能實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，打造“一蛙多用”綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)骨骼肌收縮實(shí)驗(yàn)、神經(jīng)動(dòng)作電位記錄實(shí)驗(yàn)、蛙心起搏點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、心電圖記錄等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行時(shí)空優(yōu)化，整合為一次綜合實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)動(dòng)物福利[14]。德州學(xué)院生物系田志環(huán)教師甚至做到了跨年級(jí)的學(xué)時(shí)、課程安排整合。大學(xué)二年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的動(dòng)物生理課程，一年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的普通動(dòng)物學(xué)課程，都要用脊椎動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)，課程整合后可以共用一只蟾蜍[15]。

3 基于3R原則的72學(xué)時(shí)混合式實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不但要讓學(xué)生掌握生理學(xué)的基本知識(shí)、理論和技能，也要為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)其他課程(如醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)課程)和進(jìn)行科研奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所以課程改革在堅(jiān)持高階性的同時(shí)，仍保持以學(xué)生為中心，讓其更有效地學(xué)習(xí)。而混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)就是能充分利用學(xué)生的碎片時(shí)間，通過(guò)手機(jī)等媒介學(xué)習(xí)線上內(nèi)容，線下課堂留給學(xué)生提升動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。混合式教學(xué)再結(jié)合動(dòng)物福利與倫理的要求，不局限于理論講授，而是將理論應(yīng)用于課堂實(shí)踐，在課程的設(shè)計(jì)中就融入3R的理念，也要引導(dǎo)學(xué)生去思考為何要這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課，為學(xué)生今后參加科研打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基于此，課程團(tuán)隊(duì)建立線上為輔、線下為主的混合式教學(xué)方法，形成課前預(yù)習(xí)、課中實(shí)踐、課后總結(jié)的完整過(guò)程。課程團(tuán)隊(duì)調(diào)整72學(xué)時(shí)的課時(shí)分配為8學(xué)時(shí)/周，共9周的模式，對(duì)同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)基于3R理論合理整合；將急性實(shí)驗(yàn)和慢性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加強(qiáng)科研內(nèi)容轉(zhuǎn)化到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。線下課堂理論部分以翻轉(zhuǎn)課堂的形式為主，教師針對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)，讓學(xué)生將本次實(shí)驗(yàn)的所有項(xiàng)目流程進(jìn)行回顧和梳理并參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的熟悉度進(jìn)行補(bǔ)充和完善，對(duì)容易引起實(shí)驗(yàn)失敗的因素進(jìn)行重點(diǎn)講述，對(duì)注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行提醒。如果課時(shí)安排很短，比如每周4學(xué)時(shí)，共18周，那么去除線上課時(shí)部分和線下翻轉(zhuǎn)課堂部分，學(xué)生的動(dòng)手時(shí)間將大比例減少，并不適合混合式教學(xué)，也不適合應(yīng)用3R理論到課程的設(shè)計(jì)之中。

3.1 72學(xué)時(shí)動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的課程設(shè)計(jì)

72學(xué)時(shí)動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容安排上，包含3部分內(nèi)容：緒論、基礎(chǔ)知識(shí)，經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以及探究性實(shí)驗(yàn)。在緒論、基礎(chǔ)知識(shí)這部分實(shí)驗(yàn)中，教師主要向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)安全相關(guān)知識(shí)，包括人和動(dòng)物共患病、常規(guī)實(shí)驗(yàn)安全等；BL420F電生理儀器的硬件、軟件使用；手術(shù)器械、打結(jié)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物相關(guān)內(nèi)容；形成性考核辦法及實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作規(guī)范。此部分占用一次實(shí)驗(yàn)課。經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分包含8個(gè)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的大方向：即神經(jīng)肌肉系列實(shí)驗(yàn)；心臟系列實(shí)驗(yàn)；神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；呼吸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；泌尿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；能量代謝實(shí)驗(yàn)；消化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；電生理實(shí)驗(yàn)。探究性實(shí)驗(yàn)有5個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包含鎮(zhèn)痛藥物實(shí)驗(yàn)(科研轉(zhuǎn)化為教學(xué)，急性，必選)；慢性高血壓模型造模(科研轉(zhuǎn)化為教學(xué))/腦立體定位實(shí)驗(yàn)(慢性，選1)；學(xué)習(xí)記憶實(shí)驗(yàn)/焦慮與抑郁實(shí)驗(yàn)(科研轉(zhuǎn)化為教學(xué)，慢性，選1)。學(xué)生選擇3個(gè)模塊完成。

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，我校動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)涵蓋了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的基本知識(shí)(動(dòng)物福利和倫理、飼養(yǎng)、抓取等基本操作)，電生理儀器的硬件和軟件操作使用等，常規(guī)手術(shù)器械、打結(jié)技術(shù)以及與學(xué)生廣泛關(guān)注的課程考核等方面的內(nèi)容。從第2次課程到第9次課程，教師分別針對(duì)電生理、神經(jīng)肌肉、心臟和循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、能量代謝、消化系統(tǒng)安排具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從經(jīng)典驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)到科研轉(zhuǎn)化為教學(xué)的探究性實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足一流學(xué)生的訓(xùn)練要求和知識(shí)的覆蓋需求。線上課程包含全部的理論部分和實(shí)驗(yàn)操作演示，共55個(gè)視頻，總時(shí)長(zhǎng)8 h 44 min。

3.2 2021年春季動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課具體安排

課程團(tuán)隊(duì)每年會(huì)更新20%-30%的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要體現(xiàn)在選作實(shí)驗(yàn)部分。由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)常和設(shè)備數(shù)量限制，部分實(shí)驗(yàn)學(xué)生只能選做其中一個(gè)。2021年春季的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排如下：①緒論、基礎(chǔ)知識(shí)(實(shí)驗(yàn)室安全、動(dòng)物倫理、動(dòng)物及意外傷害處理、生理學(xué)儀器)；②神經(jīng)肌肉系列實(shí)驗(yàn)/反射弧的分析和反射時(shí)測(cè)定；③心臟系列實(shí)驗(yàn)(蟾蜍心搏過(guò)程的觀察和描記，心室的期外收縮和代償間歇、心臟的神經(jīng)支配、蟾蜍離體心臟灌流)；④慢性高血壓模型造模/腦立體定位實(shí)驗(yàn)；⑤家兔呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)、動(dòng)脈血壓的測(cè)定及影響因素；⑥家兔泌尿?qū)嶒?yàn)/減壓神經(jīng)放電；⑦肌動(dòng)作電位的測(cè)定及微電極制作技術(shù)、離體小腸生理特性/第4周實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定總結(jié)；⑧小鼠鎮(zhèn)痛藥效實(shí)驗(yàn)/動(dòng)物代謝率的測(cè)定與分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；⑨焦慮抑郁/十字高架迷宮/水迷宮。實(shí)驗(yàn)貫穿動(dòng)物福利和倫理的原則，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)以致用。我們將慢性實(shí)驗(yàn)安排在前。在實(shí)驗(yàn)課全部結(jié)束前，學(xué)生可以看到慢性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)、期末考試復(fù)習(xí)和暑期的夏令營(yíng)活動(dòng)不受影響。

3.3 具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例

3.3.1 心臟系列實(shí)驗(yàn) 我們以心臟系列實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)(一次實(shí)驗(yàn)課，8學(xué)時(shí)，線上2學(xué)時(shí)，線下6學(xué)時(shí))為例，介紹如何將動(dòng)物福利原則應(yīng)用到混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生了解心臟相關(guān)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，包含4個(gè)經(jīng)典的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：①心臟的觀察和心搏活動(dòng)的電生理學(xué)記錄；②期前收縮和代償間歇；③心臟的神經(jīng)支配；④離體蛙心灌流。依據(jù)3R原則，我們?cè)谧钌偈褂脛?dòng)物數(shù)量的前提下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成全部實(shí)驗(yàn)，只需一只牛蛙，讓學(xué)生開(kāi)展盡量多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)習(xí)得到最大化。實(shí)驗(yàn)①、②和③共同使用生理機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的同一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，即期前收縮和代償間歇。實(shí)驗(yàn)①正常的心搏曲線不需要電刺激，只需要張力換能器記錄心博曲線，讓學(xué)生了解前負(fù)荷的影響；實(shí)驗(yàn)②需要設(shè)置電刺激參數(shù)安裝刺激電極；實(shí)驗(yàn)③需要先做手術(shù)，找到迷走-交感神經(jīng)干，然后安裝保護(hù)電極并設(shè)置相應(yīng)的電刺激參數(shù)。實(shí)驗(yàn)④在完成前面3個(gè)實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行手術(shù)離體心臟。這樣一只牛蛙即可完成全部實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。如果課時(shí)充足，我們還可以加入牛蛙心電圖監(jiān)測(cè)等其他實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.3.2 神經(jīng)肌肉系列實(shí)驗(yàn) 在神經(jīng)肌肉系列實(shí)驗(yàn)中(一次實(shí)驗(yàn)課，8學(xué)時(shí)，線上2學(xué)時(shí)，線下6學(xué)時(shí))，一只牛蛙可以完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容：①反射時(shí)的測(cè)定和反射弧的分析；②坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本的制備；③骨骼肌的單收縮；④刺激強(qiáng)度與反應(yīng)的關(guān)系；⑤刺激頻率與反應(yīng)的關(guān)系；⑥神經(jīng)干雙向動(dòng)作電位的引導(dǎo)；⑦神經(jīng)干動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度的測(cè)定；⑧神經(jīng)干單向動(dòng)作電位的引導(dǎo)。

在“雙一流”高校建設(shè)中，新時(shí)代拔尖人才的培養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求進(jìn)一步提高，不但要適應(yīng)一流領(lǐng)軍人才的拔尖培養(yǎng)，還要兼顧不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。其他交叉學(xué)科對(duì)生命科學(xué)的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，改革實(shí)驗(yàn)課程的模式有利于創(chuàng)新人才在實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維、終身學(xué)習(xí)能力方面的培養(yǎng)和健康成長(zhǎng)。