醫(yī)學(xué)生理學(xué)呼吸系統(tǒng)“三位一體”整合實(shí)驗(yàn)探究

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(guó)家級(jí)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(guó)家級(jí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證式動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為著力點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)科綜合性、技術(shù)先進(jìn)性和方法探究性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的新突破[3]。近年來(lái)，南京醫(yī)科大學(xué)國(guó)家級(jí)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心機(jī)能實(shí)驗(yàn)室以培養(yǎng)卓越人才為導(dǎo)向，不斷充實(shí)探索性實(shí)驗(yàn)，融入人體機(jī)能實(shí)驗(yàn)，同時(shí)推進(jìn)信息化、人工智能和虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，構(gòu)建結(jié)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)-人體實(shí)驗(yàn)-基于ESP的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“三位一體”實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測(cè)-氣胸ESP實(shí)驗(yàn)”“三位一體”整合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

1 硬件設(shè)施升級(jí)

根據(jù)“三位一體”整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的需求，整個(gè)機(jī)能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水電氣、網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)可以同時(shí)開(kāi)展人體實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生物信息化采集系統(tǒng)由我校教師團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，在國(guó)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(shí)驗(yàn)軟件為其最新研制成果，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)線上和線下同步化，滿足特殊時(shí)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。視頻系統(tǒng)會(huì)把老師的每個(gè)示教過(guò)程清晰地展示在學(xué)生的終端機(jī)上，避免了因圍觀而影響視覺(jué)效果的情況。學(xué)生的操作經(jīng)過(guò)錄像系統(tǒng)可以很好地展示在教師機(jī)上，老師可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)學(xué)生的不規(guī)范或錯(cuò)誤操作，及時(shí)糾正。

2 呼吸系統(tǒng)“三位一體”整合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)點(diǎn)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，概念抽象，不易理解。正常的胸膜腔密閉且呈負(fù)壓，是進(jìn)行正常呼吸運(yùn)動(dòng)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(jiàn)的內(nèi)外科急癥，氣體進(jìn)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(yùn)動(dòng)和肺通氣功能，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致機(jī)體缺氧，甚至危及生命。

本研究針對(duì)“肺通氣的實(shí)現(xiàn)”這一醫(yī)學(xué)問(wèn)題設(shè)計(jì)了“呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測(cè)-氣胸ESP實(shí)驗(yàn)”三位一體整合實(shí)驗(yàn)。利用人體實(shí)驗(yàn)反映人體肺通氣功能變化，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)探究肺通氣的各種影響因素，利用ESP實(shí)驗(yàn)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(jī)制、治療原則等。實(shí)驗(yàn)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(shí)，從正常到疾病，從基礎(chǔ)到臨床，從現(xiàn)象到本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)和臨床結(jié)合，實(shí)訓(xùn)和虛擬互補(bǔ)，教學(xué)與科研融通。

2.1 人體實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)正常人肺通氣功能和變化為目的，以學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用生物信號(hào)采集系統(tǒng)，測(cè)量潮氣量、肺活量、用力肺活量、時(shí)間肺活量等指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，我們分別采取檢測(cè)安靜時(shí)和運(yùn)動(dòng)后的通氣功能指標(biāo)，觀察呼吸運(yùn)動(dòng)前后肺通氣功能的變化。同時(shí)，我們要求每實(shí)驗(yàn)小組記錄下至少兩位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后匯總?cè)鄶?shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法科學(xué)探討肺通氣功能隨機(jī)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而改變的規(guī)律。

人體實(shí)驗(yàn)約占3個(gè)學(xué)時(shí)，其中教師授課約15分鐘，學(xué)生實(shí)踐操作約65分鐘，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析約10分鐘，最后分析討論20分鐘，教師可根據(jù)實(shí)際課堂情況適當(dāng)調(diào)整時(shí)間。講授內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)前后肺通氣功能發(fā)生了什么樣的變化，進(jìn)一步探討為什么會(huì)出現(xiàn)這種變化，生理意義何在等問(wèn)題，從而得出這樣的結(jié)論：當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)增加肺通氣功能適應(yīng)機(jī)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(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)制”等問(wèn)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(yùn)動(dòng)的作用和途徑，為后續(xù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的做鋪墊。

2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

“呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)”是一個(gè)非常經(jīng)典的生理學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)觀察家兔吸入氣變化對(duì)呼吸活動(dòng)的影響并分析其作用機(jī)制。教學(xué)安排上，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用時(shí)5學(xué)時(shí)，結(jié)合分組操作、視頻講解、老師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)物麻醉，氣管插管等，讓學(xué)生有充分的實(shí)踐操作機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，我們通過(guò)分別改變動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到運(yùn)動(dòng)引起的呼吸運(yùn)動(dòng)的變化，并分析出由于運(yùn)動(dòng)引起的體內(nèi)O2、CO2、H+濃度變化導(dǎo)致呼吸運(yùn)動(dòng)發(fā)生相應(yīng)的改變；而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生分別觀察了O2、CO2、H+濃度變化對(duì)呼吸的影響，并深入分析了它們的作用機(jī)制和途徑。這樣人體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相互聯(lián)系，相互結(jié)合，層層遞進(jìn)，從不同角度探討呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)驗(yàn)

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(guò)人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析挖掘建立的生理驅(qū)動(dòng)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(guó)多家高校與上海夢(mèng)之路數(shù)字科技有限公司合力研發(fā)。該系統(tǒng)通過(guò)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(jī)制和原理，揭示人體運(yùn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

氣胸ESP實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的基本原則進(jìn)行虛擬仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)[4-5]，通過(guò)ESP機(jī)能學(xué)功能數(shù)字人，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生按步驟操作無(wú)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(shí)驗(yàn)案例模擬氣胸臨床場(chǎng)景，無(wú)須遵循固定的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生可以對(duì)虛擬患者進(jìn)行觀察、分析，自由探索氣胸的發(fā)生機(jī)制。本實(shí)驗(yàn)用時(shí)2學(xué)時(shí)。

本項(xiàng)目包括4個(gè)模塊：①“機(jī)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(shí)現(xiàn)的；②“生理模型”模塊，從生理學(xué)角度認(rèn)識(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的規(guī)律；③“臨床案例”模塊，通過(guò)三種類型氣胸相關(guān)案例的機(jī)制探討、實(shí)驗(yàn)性治療和療效觀察，考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力；④“總結(jié)評(píng)價(jià)”模塊，通過(guò)對(duì)學(xué)生操作的數(shù)據(jù)分析完成形成性評(píng)價(jià)。

“機(jī)械模型”模塊使用交互式互動(dòng)的物理模型，用機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬呼吸生理過(guò)程，幫助同學(xué)理解胸膜腔負(fù)壓形成的原理及其對(duì)肺通氣的影響和表面張力對(duì)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(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)動(dòng)脈血氧分壓、二氧化碳分壓、H+濃度等因素的實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)3D模型的動(dòng)態(tài)變化，在完成生理模型學(xué)習(xí)后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)知識(shí)考核。

“臨床案例”模塊引入臨床常見(jiàn)的三種類型氣胸，即開(kāi)放性氣胸、閉合性氣胸張力性氣胸，模擬疾病過(guò)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(cè)指標(biāo)的變化。學(xué)生通過(guò)觀察和分析，應(yīng)用從機(jī)械模型和生理模型中學(xué)的知識(shí)，對(duì)各個(gè)臨床案例中相關(guān)疾病的病理生理機(jī)制及治療原則進(jìn)行演繹推理，找出其中引起肺通氣異常的主要因素，并檢測(cè)治療效果，完成測(cè)試題。通過(guò)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)資源的積極主動(dòng)應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)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(píng)價(jià)”模塊總結(jié)本實(shí)驗(yàn)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生操作的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成形成性評(píng)價(jià)，有助于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次和成就式學(xué)習(xí)，總結(jié)評(píng)價(jià)是教與學(xué)雙向質(zhì)量的重要手段[7]。系統(tǒng)將自動(dòng)記錄學(xué)生的訪問(wèn)信息、每次操作和考核的結(jié)果，生成評(píng)價(jià)報(bào)告，并進(jìn)行錯(cuò)題解析。

3 “三位一體”整合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果

“呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)-肺通氣功能檢測(cè)-氣胸ESP實(shí)驗(yàn)”整合實(shí)驗(yàn)針對(duì)同一醫(yī)學(xué)問(wèn)題，即肺通氣功能實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)化人體機(jī)能實(shí)驗(yàn)，利用人體實(shí)驗(yàn)反映人體肺通氣功能變化；保留了傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)的理解和運(yùn)用能力，訓(xùn)練臨床思維。三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接袡C(jī)銜接、虛實(shí)互補(bǔ)，從現(xiàn)象到本質(zhì)，逐步深入。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注重探索，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程參照科研訓(xùn)練的程序，加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練。調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，學(xué)生對(duì)整合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣顯著提升，表示很喜歡這樣的實(shí)驗(yàn)課，希望能多開(kāi)設(shè)類似的整合實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，同學(xué)們的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力明顯提高，多次在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲獎(jiǎng)。南京醫(yī)科大學(xué)基于“三位一體”機(jī)能實(shí)驗(yàn)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(shí)踐”曾獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，“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(jiǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

“三位一體”生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系由我校首創(chuàng)，該體系針對(duì)同一論題，將人體機(jī)能實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合并綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)早臨床、早科研和推動(dòng)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(píng)價(jià)。因此，2021年中國(guó)生理學(xué)會(huì)在我校舉辦教學(xué)培訓(xùn)班，旨在促進(jìn)交流、資源共享、創(chuàng)新合作，加快推進(jìn)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程，推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育事業(yè)建設(shè)和發(fā)展。這一舉措強(qiáng)調(diào)了教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合，探索構(gòu)建知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型實(shí)驗(yàn)課程體系的重要性。