動物福利原則下的混合式生理學實驗教學改革

董守良,馬 明，唐曉龍，常 民

(1蘭州大學生命科學學院動物學與生物醫(yī)學系， 蘭州 730000； 2蘭州大學生命科學學院國家級教學示范中心)

蘭州大學生命科學學院的動物生理學實驗面向教育部拔尖人才培養(yǎng)計劃(1.0，2.0)萃英生物學班、生物科學強基班、生物科學基地班和生物技術基地班的學生開設。實驗課程早期分兩個層次(動物生理學實驗36學時，動物生理學大實驗54學時)，一段時間合并為綜合性實驗72學時，到現(xiàn)在生物技術基地班改為36學時，其他班級仍為72學時的發(fā)展歷程。課程可以追溯到20世紀50年代，20世紀50年代-80年代課程名稱為人體及動物生理學課程的附屬實驗課，后隨理論課程改為動物生理學后也改為動物生理學實驗[1]。楊浪明教授、劉積高教授、李仁德教授、陳強教授和董守良教授先后擔任課程負責人，目前有2名教授、一名講師和一名實驗師參與實驗教學，教授參與一線實驗課堂。在幾代教學團隊的努力下，實驗課程的教學質量一直保持較高的水準且進行了不斷的改革和提高。課程2020年入選甘肅省省級一流課程，虛擬仿真項目于2019年入選甘肅省省級虛擬仿真實驗課程，2021年申請國家級一流課程，目前正在評審中。2003年由李仁德教授、董守良教授、陳強教授編寫的《人體及動物生理學實驗指導》由蘭州大學出版社出版。

1 混合式的生理學實驗教學

在2001年，課程團隊就建立了理論課程的教學網站，于2016年建立蘭州大學首門實驗課慕課。實驗課慕課首先在校內慕課網站上線，2018年上線中國大學慕課平臺(https://www.icourse163.org/learn/LZU-1206432801)。通過實驗課慕課的建設，我們發(fā)現(xiàn)混合式教學幾乎適用于所有的實驗課程并擁有巨大優(yōu)勢，具備許多傳統(tǒng)教學模式沒有的特點。學生可以自主安排學習時間，在線上隨時隨地地交流互動，這給傳統(tǒng)教學模式帶來巨大的變革[2]。很多兄弟院校也針對動物生理學實驗或者生理學實驗課混合式教學開展了很好的改革和嘗試，有些教師還進行了平行班的對比實驗[3-8]。山西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生理學系白曉潔教師就線上課程的制作分享了自己的心得體會[5]；濟寧醫(yī)學院藥學院劉梅芳教師采用平行班比對的方式肯定了混合式教學模式對實驗課的提升[9]；復旦大學生命科學學院曹洋教師采用調查問卷的方式對混合式教學模式的效果進行了反饋[10]。我們在蘭州大學也采用匿名調查問卷的方式進行課程的效果評估[11]。

2 動物福利與倫理對實驗教學的指導和應用

1988年，科技部頒布了實驗動物管理條例，明確了從飼養(yǎng)、飲水、墊料和從業(yè)人員四方面體現(xiàn)動物福利思想。1997年，科技部在關于“九五”期間實驗動物發(fā)展的若干意見中，第一次體現(xiàn)了實驗動物福利和3R原則。2005年，北京市科委頒布了北京市實驗動物福利倫理審查指南，其中詳細介紹了科研院所開展實驗動物倫理審查的程序和要求。2006年，科技部就關于善待實驗動物的指導性意見中，明確了對實驗動物的飼養(yǎng)管理、使用、運輸?shù)确矫娓＠麊栴}進行了規(guī)范，并將“違反實驗動物保護規(guī)范”列為六種科研不端行為之一。我校的動物生理學實驗中慢性實驗開展高血壓模型的復制和損毀大腦中樞核團兩個實驗，都需要造模后飼養(yǎng)3周左右。為更好地保護實驗動物和觀察到理想的實驗結果，教學團隊在實驗課堂上很早就主動向學生講解了動物福利與倫理的原則，自2016年起，在實驗課上要求每位學生都要簽署動物實驗福利和倫理知情同意書，并經過學院動物倫理委員會審批。

國內部分兄弟院校也基于動物福利和倫理方面開展了相應的教學改革研究和實踐[12]。濟源職業(yè)技術學院馬小根教師就依據(jù)3R原則，對家兔呼吸運動的調節(jié)與家兔尿生成的影響因素實驗進行了改革。教師通常將家兔呼吸運動的調節(jié)和影響尿生成的因素作為兩個獨立的實驗，從而造成動物浪費。馬小根教師對其進行了整合[13]。首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學實驗教學中心機能實驗室張晨教師在醫(yī)學機能實驗教學中，優(yōu)化和提升兩棲類動物機能實驗的設計和實施，打造“一蛙多用”綜合實驗，對骨骼肌收縮實驗、神經動作電位記錄實驗、蛙心起搏點實驗、心電圖記錄等多個實驗，進行時空優(yōu)化，整合為一次綜合實驗，增強動物福利[14]。德州學院生物系田志環(huán)教師甚至做到了跨年級的學時、課程安排整合。大學二年級學生開設的動物生理課程，一年級學生開設的普通動物學課程，都要用脊椎動物做實驗，課程整合后可以共用一只蟾蜍[15]。

3 基于3R原則的72學時混合式實驗課程設計

生理學實驗的教學不但要讓學生掌握生理學的基本知識、理論和技能，也要為學生后續(xù)學習其他課程(如醫(yī)學專業(yè)課程)和進行科研奠定堅實的基礎。所以課程改革在堅持高階性的同時，仍保持以學生為中心，讓其更有效地學習。而混合式教學的優(yōu)勢就是能充分利用學生的碎片時間，通過手機等媒介學習線上內容，線下課堂留給學生提升動手能力和實踐能力?；旌鲜浇虒W再結合動物福利與倫理的要求，不局限于理論講授，而是將理論應用于課堂實踐，在課程的設計中就融入3R的理念，也要引導學生去思考為何要這樣設計實驗課，為學生今后參加科研打下堅實基礎。

基于此，課程團隊建立線上為輔、線下為主的混合式教學方法，形成課前預習、課中實踐、課后總結的完整過程。課程團隊調整72學時的課時分配為8學時/周，共9周的模式，對同類型實驗基于3R理論合理整合；將急性實驗和慢性實驗相結合，加強科研內容轉化到本科實驗教學。線下課堂理論部分以翻轉課堂的形式為主，教師針對預習內容進行提問，讓學生將本次實驗的所有項目流程進行回顧和梳理并參與實驗設計。教師針對實驗流程的熟悉度進行補充和完善，對容易引起實驗失敗的因素進行重點講述，對注意事項及實驗安全進行提醒。如果課時安排很短，比如每周4學時，共18周，那么去除線上課時部分和線下翻轉課堂部分，學生的動手時間將大比例減少，并不適合混合式教學，也不適合應用3R理論到課程的設計之中。

3.1 72學時動物生理學實驗課的課程設計

72學時動物生理學實驗課的內容安排上，包含3部分內容：緒論、基礎知識，經典驗證性實驗以及探究性實驗。在緒論、基礎知識這部分實驗中，教師主要向學生介紹實驗安全相關知識，包括人和動物共患病、常規(guī)實驗安全等；BL420F電生理儀器的硬件、軟件使用；手術器械、打結、實驗動物相關內容；形成性考核辦法及實驗報告寫作規(guī)范。此部分占用一次實驗課。經典驗證性實驗部分包含8個生理學實驗的大方向：即神經肌肉系列實驗；心臟系列實驗；神經系統(tǒng)實驗；呼吸系統(tǒng)實驗；泌尿系統(tǒng)實驗；能量代謝實驗；消化系統(tǒng)實驗；電生理實驗。探究性實驗有5個實驗模塊，包含鎮(zhèn)痛藥物實驗(科研轉化為教學，急性，必選)；慢性高血壓模型造模(科研轉化為教學)/腦立體定位實驗(慢性，選1)；學習記憶實驗/焦慮與抑郁實驗(科研轉化為教學，慢性，選1)。學生選擇3個模塊完成。

通過以上的實驗內容安排，我校動物生理學實驗的設計涵蓋了實驗動物的基本知識(動物福利和倫理、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)手術器械、打結技術以及與學生廣泛關注的課程考核等方面的內容。從第2次課程到第9次課程，教師分別針對電生理、神經肌肉、心臟和循環(huán)系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、能量代謝、消化系統(tǒng)安排具體實驗內容，從經典驗證性的實驗到科研轉化為教學的探究性實驗，滿足一流學生的訓練要求和知識的覆蓋需求。線上課程包含全部的理論部分和實驗操作演示，共55個視頻，總時長8 h 44 min。

3.2 2021年春季動物生理學實驗課具體安排

課程團隊每年會更新20%-30%的實驗內容，主要體現(xiàn)在選作實驗部分。由于實驗的時常和設備數(shù)量限制，部分實驗學生只能選做其中一個。2021年春季的實驗內容安排如下：①緒論、基礎知識(實驗室安全、動物倫理、動物及意外傷害處理、生理學儀器)；②神經肌肉系列實驗/反射弧的分析和反射時測定；③心臟系列實驗(蟾蜍心搏過程的觀察和描記，心室的期外收縮和代償間歇、心臟的神經支配、蟾蜍離體心臟灌流)；④慢性高血壓模型造模/腦立體定位實驗；⑤家兔呼吸運動的調節(jié)、動脈血壓的測定及影響因素；⑥家兔泌尿實驗/減壓神經放電；⑦肌動作電位的測定及微電極制作技術、離體小腸生理特性/第4周實驗結果測定總結；⑧小鼠鎮(zhèn)痛藥效實驗/動物代謝率的測定與分析虛擬仿真實驗；⑨焦慮抑郁/十字高架迷宮/水迷宮。實驗貫穿動物福利和倫理的原則，讓學生體會到學以致用。我們將慢性實驗安排在前。在實驗課全部結束前，學生可以看到慢性實驗結果，后續(xù)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗、期末考試復習和暑期的夏令營活動不受影響。

3.3 具體實驗設計案例

3.3.1 心臟系列實驗 我們以心臟系列實驗的課程設計(一次實驗課，8學時，線上2學時，線下6學時)為例，介紹如何將動物福利原則應用到混合式實驗教學中。本次實驗的主要目的是讓學生了解心臟相關的生理學實驗，包含4個經典的生理學實驗模塊：①心臟的觀察和心搏活動的電生理學記錄；②期前收縮和代償間歇；③心臟的神經支配；④離體蛙心灌流。依據(jù)3R原則，我們在最少使用動物數(shù)量的前提下，根據(jù)實驗設計完成全部實驗，只需一只牛蛙，讓學生開展盡量多的實驗項目，使學習得到最大化。實驗①、②和③共同使用生理機能實驗系統(tǒng)上的同一個實驗模塊，即期前收縮和代償間歇。實驗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，讓學生了解前負荷的影響；實驗②需要設置電刺激參數(shù)安裝刺激電極；實驗③需要先做手術，找到迷走-交感神經干，然后安裝保護電極并設置相應的電刺激參數(shù)。實驗④在完成前面3個實驗后，進行手術離體心臟。這樣一只牛蛙即可完成全部實驗設計內容。如果課時充足，我們還可以加入牛蛙心電圖監(jiān)測等其他實驗內容。

3.3.2 神經肌肉系列實驗 在神經肌肉系列實驗中(一次實驗課，8學時，線上2學時，線下6學時)，一只牛蛙可以完成8個實驗模塊內容：①反射時的測定和反射弧的分析；②坐骨神經-腓腸肌標本的制備；③骨骼肌的單收縮；④刺激強度與反應的關系；⑤刺激頻率與反應的關系；⑥神經干雙向動作電位的引導；⑦神經干動作電位傳導速度的測定；⑧神經干單向動作電位的引導。

在“雙一流”高校建設中，新時代拔尖人才的培養(yǎng)對實驗教學的要求進一步提高，不但要適應一流領軍人才的拔尖培養(yǎng)，還要兼顧不同層次學生的學習需求。其他交叉學科對生命科學的依賴性越來越強，改革實驗課程的模式有利于創(chuàng)新人才在實踐能力、創(chuàng)新思維、終身學習能力方面的培養(yǎng)和健康成長。