周 紅，高興亞，張 楓，袁藝標(biāo)

（1.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級教學(xué)示范中心 江蘇 南京 211166；2.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級虛擬仿真中心 江蘇 南京2 11166；3.南京醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)系 江蘇 南京 211166）

醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的一個重要的環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)生理學(xué)實驗以驗證式動物實驗為主，內(nèi)容陳舊，教學(xué)形式單一，已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)具有創(chuàng)新性新型醫(yī)學(xué)人才的需求。醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)必須以強化實踐教學(xué)為著力點，以信息技術(shù)的應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，提升實驗教學(xué)學(xué)科綜合性、技術(shù)先進性和方法探究性，實現(xiàn)實驗教學(xué)效果的新突破[3]。近年來，南京醫(yī)科大學(xué)國家級基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)示范中心機能實驗室以培養(yǎng)卓越人才為導(dǎo)向，不斷充實探索性實驗，融入人體機能實驗，同時推進信息化、人工智能和虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，構(gòu)建結(jié)合動物實驗-人體實驗-基于ESP的虛擬仿真實驗的“三位一體”實驗教學(xué)體系，將基礎(chǔ)與臨床應(yīng)用密切結(jié)合，探索醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)新模式。

本文介紹了南京醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)呼吸系統(tǒng)“呼吸運動的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”“三位一體”整合實驗?zāi)Ｊ健?/p>

1 硬件設(shè)施升級

根據(jù)“三位一體”整合實驗教學(xué)開展的需求，整個機能實驗室進行了水電氣、網(wǎng)絡(luò)的升級改造，鋪設(shè)聚氯乙烯地面、配備LED照明等。配置的三位一體實驗臺可以同時開展人體實驗、動物實驗和虛擬仿真實驗。實驗動物生物信息化采集系統(tǒng)由我校教師團隊自主研發(fā)，在國內(nèi)醫(yī)學(xué)院校推廣應(yīng)用，有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)。人體實驗軟件為其最新研制成果，界面設(shè)計簡單友好，使用方便，有一定的數(shù)據(jù)分析功能，滿足教學(xué)需求。

全新的視頻和錄像系統(tǒng)可以實現(xiàn)線上和線下同步化，滿足特殊時期的實驗教學(xué)需求。視頻系統(tǒng)會把老師的每個示教過程清晰地展示在學(xué)生的終端機上，避免了因圍觀而影響視覺效果的情況。學(xué)生的操作經(jīng)過錄像系統(tǒng)可以很好地展示在教師機上，老師可以第一時間發(fā)現(xiàn)學(xué)生的不規(guī)范或錯誤操作，及時糾正。

2 呼吸系統(tǒng)“三位一體”整合實驗設(shè)計

呼吸系統(tǒng)的生理功能和調(diào)控是生理學(xué)的重要內(nèi)容，其中呼吸功能的調(diào)節(jié)、肺通氣的原理、胸膜腔內(nèi)壓的形成等知識點既是重點也是難點，概念抽象，不易理解。正常的胸膜腔密閉且呈負(fù)壓，是進行正常呼吸運動的結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)。一旦胸膜腔密閉結(jié)構(gòu)被破壞，負(fù)壓消失，肺通氣功能出現(xiàn)障礙，就形成氣胸。氣胸是常見的內(nèi)外科急癥，氣體進入密閉的胸膜腔，造成胸膜腔內(nèi)壓力增高迫使肺塌陷，影響呼吸運動和肺通氣功能，嚴(yán)重的會導(dǎo)致機體缺氧，甚至危及生命。

本研究針對“肺通氣的實現(xiàn)”這一醫(yī)學(xué)問題設(shè)計了“呼吸運動的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”三位一體整合實驗。利用人體實驗反映人體肺通氣功能變化，通過動物實驗探究肺通氣的各種影響因素，利用ESP實驗聯(lián)系臨床相關(guān)疾病案例，探索各因素引起肺通氣功能變化的機制、治療原則等。實驗內(nèi)容涉及生理學(xué)、解剖學(xué)、病理生理學(xué)、內(nèi)科學(xué)、外科學(xué)等多學(xué)科知識，從正常到疾病，從基礎(chǔ)到臨床，從現(xiàn)象到本質(zhì)，實現(xiàn)了基礎(chǔ)和臨床結(jié)合，實訓(xùn)和虛擬互補，教學(xué)與科研融通。

2.1 人體實驗

本實驗以檢測正常人肺通氣功能和變化為目的，以學(xué)生為實驗對象，利用生物信號采集系統(tǒng)，測量潮氣量、肺活量、用力肺活量、時間肺活量等指標(biāo)。在實驗設(shè)計上，我們分別采取檢測安靜時和運動后的通氣功能指標(biāo)，觀察呼吸運動前后肺通氣功能的變化。同時，我們要求每實驗小組記錄下至少兩位同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)，然后匯總?cè)鄶?shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計學(xué)檢驗，用統(tǒng)計學(xué)方法科學(xué)探討肺通氣功能隨機體運動狀態(tài)的變化而改變的規(guī)律。

人體實驗約占3個學(xué)時，其中教師授課約15分鐘，學(xué)生實踐操作約65分鐘，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析約10分鐘，最后分析討論20分鐘，教師可根據(jù)實際課堂情況適當(dāng)調(diào)整時間。講授內(nèi)容主要包括實驗原理和操作步驟。在分析討論中，老師可引導(dǎo)學(xué)生首先分析運動前后肺通氣功能發(fā)生了什么樣的變化，進一步探討為什么會出現(xiàn)這種變化，生理意義何在等問題，從而得出這樣的結(jié)論：當(dāng)運動時，機體的耗氧量大大增加，產(chǎn)生的CO2也大大增加，這就需要通過調(diào)節(jié)增加肺通氣功能適應(yīng)機體需求，其生理意義在于保持體內(nèi)氧濃度和CO2濃度的穩(wěn)定。最后，老師可向?qū)W生提出“呼吸運動調(diào)節(jié)的機制”等問題，誘導(dǎo)學(xué)生深入思考體內(nèi)化學(xué)感受器反射性調(diào)節(jié)呼吸運動的作用和途徑，為后續(xù)的動物實驗的做鋪墊。

2.2 動物實驗

“呼吸運動的調(diào)節(jié)”是一個非常經(jīng)典的生理學(xué)動物實驗，學(xué)生通過觀察家兔吸入氣變化對呼吸活動的影響并分析其作用機制。教學(xué)安排上，動物實驗用時5學(xué)時，結(jié)合分組操作、視頻講解、老師現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生動物麻醉，氣管插管等，讓學(xué)生有充分的實踐操作機會，提高學(xué)生的實踐能力。實驗內(nèi)容上，我們通過分別改變動物吸入氣中O2和CO2的濃度以及外周血中H+濃度，觀察這些因素改變是如何調(diào)節(jié)呼吸運動的，誘導(dǎo)學(xué)生深入探討O2、CO2、H+濃度變化調(diào)節(jié)呼吸的機制和途徑，勾勒出化學(xué)感受性調(diào)節(jié)反射的反射弧。

在人體實驗中，學(xué)生通過實驗觀察到運動引起的呼吸運動的變化，并分析出由于運動引起的體內(nèi)O2、CO2、H+濃度變化導(dǎo)致呼吸運動發(fā)生相應(yīng)的改變；而動物實驗中，學(xué)生分別觀察了O2、CO2、H+濃度變化對呼吸的影響，并深入分析了它們的作用機制和途徑。這樣人體實驗和動物實驗相互聯(lián)系，相互結(jié)合，層層遞進，從不同角度探討呼吸運動的調(diào)節(jié)機制，有助于學(xué)生更好地理解并培養(yǎng)科學(xué)的思維能力。

2.3 基于ESP的虛擬仿真實驗

2.3.1 ESP內(nèi)涵

ESP(Electronic Standardized Patient)標(biāo)準(zhǔn)化病人教學(xué)系統(tǒng)是基于System Physiology理論支撐，利用臨床數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過人工智能進行數(shù)據(jù)分析挖掘建立的生理驅(qū)動虛擬人為核心技術(shù)的人體功能虛擬系統(tǒng)。ESP的內(nèi)核由南京醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合全國多家高校與上海夢之路數(shù)字科技有限公司合力研發(fā)。該系統(tǒng)通過模擬人體在健康生理和病理生理、藥理狀態(tài)下主要生理指標(biāo)的變化，并顯示造成這些變化的機制和原理，揭示人體運行的規(guī)律（生理）、常用藥物的藥效（藥理）以及疾病狀態(tài)下功能的變化（病生）。

2.3.2 氣胸ESP實驗設(shè)計

氣胸ESP實驗堅持“能實不虛”的基本原則進行虛擬仿真項目設(shè)計[4-5]，通過ESP機能學(xué)功能數(shù)字人，解決實驗教學(xué)中學(xué)生按步驟操作無法結(jié)合案例自由探索的缺憾，利用數(shù)據(jù)模型提供直觀氣胸形成原理，利用虛擬仿真實驗案例模擬氣胸臨床場景，無須遵循固定的實驗步驟，學(xué)生可以對虛擬患者進行觀察、分析，自由探索氣胸的發(fā)生機制。本實驗用時2學(xué)時。

本項目包括4個模塊：①“機械模型”模塊，從物理學(xué)角度解釋胸膜腔內(nèi)壓形成的本質(zhì)及肺通氣是如何實現(xiàn)的；②“生理模型”模塊，從生理學(xué)角度認(rèn)識呼吸運動調(diào)節(jié)的規(guī)律；③“臨床案例”模塊，通過三種類型氣胸相關(guān)案例的機制探討、實驗性治療和療效觀察，考核學(xué)生對知識的運用能力；④“總結(jié)評價”模塊，通過對學(xué)生操作的數(shù)據(jù)分析完成形成性評價。

“機械模型”模塊使用交互式互動的物理模型，用機械運動模擬呼吸生理過程，幫助同學(xué)理解胸膜腔負(fù)壓形成的原理及其對肺通氣的影響和表面張力對呼吸系統(tǒng)的影響。

“生理模型”模塊模擬在體情況下，在神經(jīng)系統(tǒng)的參與下肺通氣的活動過程，通過對動脈血氧分壓、二氧化碳分壓、H+濃度等因素的實時調(diào)節(jié)，從人體生理學(xué)角度反映在體條件下單因素引發(fā)的肺通氣調(diào)節(jié)反應(yīng)。該模塊依托ESP功能數(shù)字人進行實時仿真運算，用數(shù)據(jù)驅(qū)動3D模型的動態(tài)變化，在完成生理模型學(xué)習(xí)后完成實驗報告及實驗知識考核。

“臨床案例”模塊引入臨床常見的三種類型氣胸，即開放性氣胸、閉合性氣胸張力性氣胸，模擬疾病過程中患者癥狀、體征和患側(cè)胸腹腔內(nèi)壓值等臨床監(jiān)測指標(biāo)的變化。學(xué)生通過觀察和分析，應(yīng)用從機械模型和生理模型中學(xué)的知識，對各個臨床案例中相關(guān)疾病的病理生理機制及治療原則進行演繹推理，找出其中引起肺通氣異常的主要因素，并檢測治療效果，完成測試題。通過任務(wù)的驅(qū)動，促進學(xué)生對學(xué)習(xí)資源的積極主動應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的整體性、全面性和融通性，鍛煉其綜合分析和自主學(xué)習(xí)能力[6]。

“總結(jié)評價”模塊總結(jié)本實驗需要掌握的知識點，并對學(xué)生操作的數(shù)據(jù)進行分析，完成形成性評價，有助于引導(dǎo)學(xué)生進行深層次和成就式學(xué)習(xí)，總結(jié)評價是教與學(xué)雙向質(zhì)量的重要手段[7]。系統(tǒng)將自動記錄學(xué)生的訪問信息、每次操作和考核的結(jié)果，生成評價報告，并進行錯題解析。

3 “三位一體”整合實驗的實施效果

“呼吸運動的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”整合實驗針對同一醫(yī)學(xué)問題，即肺通氣功能實現(xiàn)，強化人體機能實驗，利用人體實驗反映人體肺通氣功能變化；保留了傳統(tǒng)動物實驗的核心內(nèi)容，通過動物實驗探究肺通氣的各種影響因素；利用ESP發(fā)現(xiàn)各因素引起肺通氣功能變化的機制，幫助學(xué)生推演氣胸發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和防治策略，提高知識的理解和運用能力，訓(xùn)練臨床思維。三種實驗?zāi)Ｊ接袡C銜接、虛實互補，從現(xiàn)象到本質(zhì)，逐步深入。實驗過程中注重探索，以任務(wù)為驅(qū)動，實驗過程參照科研訓(xùn)練的程序，加強創(chuàng)新實踐訓(xùn)練。調(diào)查統(tǒng)計顯示，學(xué)生對整合實驗的學(xué)習(xí)興趣顯著提升，表示很喜歡這樣的實驗課，希望能多開設(shè)類似的整合實驗；同時，同學(xué)們的創(chuàng)新思維和實踐能力明顯提高，多次在多項實驗技能大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲獎。南京醫(yī)科大學(xué)基于“三位一體”機能實驗教學(xué)新體系建設(shè)的“信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育深度融合的創(chuàng)新實踐”曾獲國家級教學(xué)成果二等獎，“醫(yī)學(xué)教育的信息化流程再造”曾獲江蘇省教學(xué)成果特等獎。

4 結(jié)語

“三位一體”生理實驗教學(xué)新體系由我校首創(chuàng)，該體系針對同一論題，將人體機能實驗、動物實驗和虛擬仿真實驗有機融合并綜合運用，實現(xiàn)早臨床、早科研和推動學(xué)生自主學(xué)習(xí)教學(xué)新理念。新體系適應(yīng)了勝任力導(dǎo)向、能力培養(yǎng)為核心的醫(yī)學(xué)教育新模式的要求，學(xué)生反饋效果好，得到同行的高度評價。因此，2021年中國生理學(xué)會在我校舉辦教學(xué)培訓(xùn)班，旨在促進交流、資源共享、創(chuàng)新合作，加快推進生理學(xué)實驗教學(xué)改革進程，推動醫(yī)學(xué)教育事業(yè)建設(shè)和發(fā)展。這一舉措強調(diào)了教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合，探索構(gòu)建知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型實驗課程體系的重要性。