基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)

李 楠 李 平 袁藝標

1.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)系 江蘇南京 210029;2.南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院消化醫(yī)學(xué)中心 江蘇南京 210029;3.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院國家級實驗教學(xué)示范中心 江蘇南京 210029

近日,教育部發(fā)布《關(guān)于印發(fā)基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃2.0基地(2021年度)名單的通知》,南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)拔尖學(xué)生培養(yǎng)基地成功入選。因此,加快培養(yǎng)基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才旨在深入貫徹落實習近平總書記關(guān)于教育的重要論述和中央人才工作會議精神。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)是研究人的生命和疾病現(xiàn)象本質(zhì)及規(guī)律的學(xué)科,是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ),其實驗教學(xué)顯得尤為重要[1]。實驗教學(xué)質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到學(xué)校高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。目前,由于高校招生規(guī)模擴大,實驗設(shè)備和硬件設(shè)施相對落后,甚至受醫(yī)學(xué)倫理等條件限制,導(dǎo)致學(xué)生動手機會不夠,無法完全滿足基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的需求[2]。教學(xué)內(nèi)容層面,以驗證性實驗為主,各學(xué)科之間相互獨立缺乏交叉融合,實驗教學(xué)質(zhì)量跟不上新的教學(xué)理念發(fā)展,綜合發(fā)展和創(chuàng)新的空間受限[3]。以教育信息化帶動教學(xué)現(xiàn)代化是國家教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇?！笆奈濉逼陂g,教育的全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成必然趨勢,虛擬仿真作為新興的信息技術(shù)手段,能夠有效地推動高等教育的高質(zhì)量發(fā)展[4]。面對“新—醫(yī)科”“雙一流”對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)新需求,南京醫(yī)科大學(xué)建立了多層次、階梯式的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真資源結(jié)構(gòu)。

1 多層次、階梯式的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真資源形態(tài)建設(shè)

采用整合與開發(fā)相結(jié)合的方式,建立基礎(chǔ)性實驗、綜合與創(chuàng)新性實驗、人體實驗等不同梯次類型的虛擬仿真資源,全面融入課程體系,滿足個性化學(xué)習需求以培養(yǎng)能夠解決重大醫(yī)學(xué)科學(xué)難題、引領(lǐng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的未來領(lǐng)軍人才為目標,梳理現(xiàn)有基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真資源的結(jié)構(gòu)分布,重新設(shè)計虛擬仿真資源體系。建立多層次、階梯式的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真資源形態(tài),滿足數(shù)字化背景下的個性化學(xué)習需求,促進教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。以學(xué)生為中心,能力培養(yǎng)為導(dǎo)向,設(shè)計分為機能實驗學(xué)、形態(tài)實驗學(xué)與解剖學(xué)三大組成部分。

1.1 機能實驗學(xué)

機能實驗學(xué)是我國基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獨立設(shè)置的一門整合式課程,該課程依托基礎(chǔ)、承接臨床、輻射科研,具有多學(xué)科交叉和融合的特點,是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的重要組成部分。

(1)基礎(chǔ)性實驗:提取出原有生理學(xué)、藥理學(xué)、病理生理學(xué)虛擬實驗中基礎(chǔ)性項目,新建器械標識、動物基礎(chǔ)操作、試劑配制等虛擬仿真模塊。

①心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)性實驗項目:骨骼肌的單收縮和復(fù)合收縮、期前收縮和代償間歇、蛙心灌流、消化道平滑肌的生理特性、神經(jīng)干動作電位引導(dǎo)與不應(yīng)期測定、抗高血壓藥物、擬腎上腺素藥與抗腎上腺素藥的作用、水腫、失血性休克、急性右心衰竭、急性呼吸功能不全等。

②器械標識:器械儀器是實驗用物的重要組成部分,學(xué)生在進入實驗課前缺乏對器械儀器的名稱、應(yīng)用的實驗范圍、使用維護缺乏應(yīng)有的認識,課題規(guī)劃開發(fā)器械識別模塊,通過碎片化學(xué)習、翻轉(zhuǎn)課題等形式開展應(yīng)用。該模塊采用蛙類、哺乳類動物手術(shù)器械儀器的三維模型,支持任意角度觀看旋轉(zhuǎn),并配以圖文介紹。

③動物基礎(chǔ)操作:動物基本操作是醫(yī)學(xué)生基礎(chǔ)階段需要掌握的重要技能,受制于環(huán)境、場地、實驗對象、試劑、器械等因素影響,很難在課程外得到訓(xùn)練,將家兔、大鼠、蛙類等常規(guī)實驗動物的基本操作單獨列出,方便學(xué)生碎片化學(xué)習及混合式教學(xué)。

④試劑配制:試劑配制方法、禁忌、前后次序、計量、濃度都有嚴格的要求。如果試劑配制過程中出現(xiàn)錯誤,會難以獲得符合預(yù)期的實驗結(jié)果。熟練掌握標準規(guī)范的配制試劑流程,是培養(yǎng)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)科研創(chuàng)新人才的基本環(huán)節(jié)之一。從藥品試劑的特點出發(fā),虛擬系統(tǒng)主要包含實驗藥物、麻醉藥物、單位濃度換算和試劑配制四個模塊。

(2)創(chuàng)新設(shè)計性實驗:在原有的呼吸、泌尿、血壓綜合實驗之外,設(shè)計高階虛擬仿真項目“缺氧對小鼠的生存及基因表達的影響”“自主設(shè)計的藥物效應(yīng)評價及肝臟對藥物代謝作用”,提升課程前沿性和創(chuàng)新性,學(xué)習結(jié)果具有探究性和個性化。

1.2 形態(tài)實驗學(xué)

形態(tài)實驗學(xué)是研究正常人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能以及病理狀態(tài)下發(fā)生改變的一門學(xué)科,是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗課程體系的重要組成部分。分析新的教育形態(tài)下課程的設(shè)置要求,設(shè)計不同層次的形態(tài)學(xué)虛擬仿真資源結(jié)構(gòu)。綜合與創(chuàng)新性實驗?zāi)K新建“肺栓塞臨床病理銜接虛擬仿真實驗”等項目,以滿足變化的教學(xué)需求。

1.2.1 肺栓塞臨床病理銜接虛擬仿真實驗

通過交互式界面,借鑒“嚴肅的游戲”理念,引入闖關(guān)升級的推進模式,最大限度地吸引學(xué)生的學(xué)習興趣。使用客觀分析的綜合評價系統(tǒng),自動生成實驗評分、錯題本和針對性的評價解析,可作為課后復(fù)習的參考資料,拓展本項目的應(yīng)用范圍。通過線上平臺和階段存檔的安排,滿足學(xué)生隨時隨地個性化學(xué)習的需求。以互動推進、虛擬仿真為教學(xué)實施模式,旨在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生臨床病理銜接的思維。

1.2.2 腫瘤免疫治療的虛擬仿真實驗

本項目主體從兩個部分設(shè)計:第一部分理論建構(gòu),以3D仿真動畫和人機互動的進階式問題闖關(guān),引導(dǎo)學(xué)生完成抗腫瘤免疫應(yīng)答和腫瘤逃逸機制的基礎(chǔ)理論知識建構(gòu)。第二部分免疫檢查點阻斷免疫治療,通過學(xué)習獲得2018年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的“檢查點(check points)”阻斷治療的發(fā)現(xiàn)、原理、方法及其臨床效果分析,幫助學(xué)生感受科學(xué)巨匠的探索創(chuàng)新精神,融入思政元素,激發(fā)對科研的興趣和參與科研的內(nèi)在動機。

1.3 人體解剖學(xué)

人體解剖學(xué)是研究人體正常形態(tài)結(jié)構(gòu)的科學(xué),其任務(wù)在于理解和掌握人體各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)、位置和毗鄰關(guān)系,是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、護理學(xué)等眾多醫(yī)學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ),在醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用。目前解剖學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中已建成“解剖學(xué)在線自主學(xué)習系統(tǒng)”“3DBody三維人體導(dǎo)航系統(tǒng)”,在解剖實驗教學(xué)中發(fā)揮重要作用,取得良好的教學(xué)效果。為進一步提升醫(yī)學(xué)生臨床應(yīng)用實踐能力,全面推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型,規(guī)劃新建“系統(tǒng)解剖學(xué)虛擬動態(tài)教學(xué)系統(tǒng)”“臨床應(yīng)用局部解剖學(xué)三維虛擬自主學(xué)習系統(tǒng)”,逐步完善解剖學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源體系。

1.3.1 系統(tǒng)解剖學(xué)虛擬動態(tài)教學(xué)系統(tǒng)

基于人體解剖實物標本,按人衛(wèi)版系統(tǒng)解剖學(xué)教科書,以720度無死角多維度觀察系解九大系統(tǒng)的主要3D數(shù)字標本。同時展現(xiàn)其毗鄰關(guān)系、附著點、顏色、大小等,利于學(xué)生自主學(xué)習。并以標本為基礎(chǔ),建設(shè)成解剖學(xué)教學(xué)、自測、考試等綜合一體化教學(xué)平臺。

1.3.2 臨床應(yīng)用局部解剖學(xué)三維虛擬自主學(xué)習系統(tǒng)

以具有南醫(yī)大傳統(tǒng)特色的局部解剖學(xué)的“層次解剖操作”為基礎(chǔ),結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展需求,進行操作過程的全程解析,建立三維虛擬自主學(xué)習系統(tǒng),配套完整的教學(xué)視頻資料,供學(xué)生在局解操作中進行自主學(xué)習。并以此為基礎(chǔ),進一步構(gòu)建局部解剖學(xué)綜合性教學(xué)體系。

2 功能數(shù)字人虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)

依托功能數(shù)字人平臺,開發(fā)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)高階虛擬仿真項目,促進基礎(chǔ)與臨床融合。運用功能數(shù)字人,引入臨床案例,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)知識分析臨床問題的能力。功能數(shù)字人(Electronic Standardized Patient,ESP)平臺由聯(lián)合業(yè)內(nèi)多家高校,采用校企合作研發(fā),不斷完善,依據(jù)教材和國內(nèi)外文獻,嚴格把關(guān),具備較強的學(xué)術(shù)性。ESP的設(shè)計方法是基于目前人體系統(tǒng)生理學(xué)的基礎(chǔ)理論,結(jié)合臨床相關(guān)期刊和數(shù)據(jù),利用模擬電路、物理學(xué)等方法建立數(shù)學(xué)模型,通過人工智能和數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行模擬數(shù)據(jù)的優(yōu)化和校正,建立以生理驅(qū)動虛擬人體為核心技術(shù)的人體功能虛擬系統(tǒng)。系統(tǒng)通過模擬人體在生理和病理生理、藥理狀態(tài)下主要生理指標的變化,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)。開發(fā)基于ESP內(nèi)核的呼吸系統(tǒng)、心臟電生理、聽覺系統(tǒng)虛擬仿真實驗,進一步完善功能數(shù)字人高階虛擬仿真實驗資源體系。運用功能數(shù)字人,引入臨床案例,促進基礎(chǔ)與臨床融合。

2.1 基于ESP內(nèi)核的呼吸系統(tǒng)基礎(chǔ)和臨床虛擬仿真實驗

在呼吸系統(tǒng)疾病教學(xué)實施過程中,肺通氣和肺換氣是重點和難點,鑒于這是一種臨床的常見病多發(fā)病,醫(yī)生對呼吸系統(tǒng)運行及呼吸機原理認識不足。為此,擬從呼吸系統(tǒng)入手引入項目,規(guī)劃設(shè)計基于ESP內(nèi)核的呼吸系統(tǒng)基礎(chǔ)和臨床虛擬仿真實驗。案例分析模塊將基礎(chǔ)知識連接到臨床應(yīng)用,通過直觀的物理模型和生理模型,解析呼吸系統(tǒng)肺通氣和肺換氣原理,以及影響肺通氣和肺換氣諸因素的具體作用;采用“單因素沖擊響應(yīng)”設(shè)計,支撐學(xué)生進行非程序化的自由探索實驗,學(xué)生對輔助呼吸的原理有強烈的感性認識。

2.2 基于ESP內(nèi)核的心臟電生理虛擬仿真實驗

心臟電生理功能紊亂會導(dǎo)致多種心律失常,是引起心源性猝死的重要因素之一。心臟電生理機制復(fù)雜且抽象,同學(xué)理解困難。采用“單因素沖擊響應(yīng)”架構(gòu)設(shè)計,在傳統(tǒng)動物實驗、人體機能實驗之外,從微觀到宏觀,建立一體化模式。為此,從循環(huán)系統(tǒng)入手,引入設(shè)計基于ESP內(nèi)核的“心臟電生理”虛擬仿真實驗,學(xué)生通過該項目將基礎(chǔ)知識連接到臨床應(yīng)用,理解心肌細胞動作電位形成的本質(zhì),認識心臟電傳導(dǎo)的規(guī)律,熟悉臨床常見心律失常中心肌電生理變化的主要影響因素,并了解心律失常的藥物治療原則。

2.3 基于ESP內(nèi)核的聽覺系統(tǒng)虛擬仿真實驗

借助ESP內(nèi)核,從聽覺系統(tǒng)入手,分為四大模塊開展,從原理解析(包括解剖傳音結(jié)構(gòu);感音生理功能)到聽覺人體機能實驗仿真,到臨床案例分析耳聾、耳鳴等,最后到創(chuàng)新科技實驗(例如圖像—音頻轉(zhuǎn)換、語音導(dǎo)盲仗等),層層展開。直觀的物理模型和生理模型,解析聽覺的產(chǎn)生原理,以人機互動的仿真人機機能實驗支持學(xué)生的自由探索;案例分析模塊將基礎(chǔ)知識聯(lián)合臨床應(yīng)用,模擬臨床上關(guān)于聽覺的檢測方法;通過創(chuàng)新科技實驗增加學(xué)生學(xué)習和探索的興趣。最終形成一套完整的系統(tǒng),幫助學(xué)生熟悉和認識臨床常見聽覺疾病的發(fā)病機制和治療手段。

3 虛擬仿真共享平臺形成性評價模式建設(shè)

在高等教育“十四五”期間,虛擬實驗教學(xué)進入2.0時代,在體系化建設(shè)的同時,對虛擬仿真共享平臺提出了從資源平臺向課程平臺的轉(zhuǎn)變。注重以課程為架構(gòu)組織實施教學(xué),在原有虛擬仿真項目的基礎(chǔ)上,配套相關(guān)課前、課后教學(xué)資源及其組織形態(tài)的配套功能,重視實驗教學(xué)的形成性評價。平臺從功能需求上設(shè)計教務(wù)、學(xué)院/學(xué)系、教師、學(xué)生、管理員等角色,開展教學(xué)實施。虛擬仿真實驗評價中,可以對成績、時長智能統(tǒng)計通過圖文展示,統(tǒng)計出虛擬實驗中的錯誤步驟和錯誤率,并圍繞項目設(shè)計的能力維度進行數(shù)據(jù)挖掘與分析,讓教師可以在教學(xué)中有針對地進行教學(xué)。課題以“形成性評價、持續(xù)改進”為宗旨,發(fā)展勝任力導(dǎo)向、能力培養(yǎng)和自主學(xué)習為核心的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)考核評價新模式,將考核評價貫穿于實驗教學(xué)全過程。形成性評價包含實體實驗和虛擬仿真實驗,從學(xué)習態(tài)度、動手能力、團隊協(xié)作、知識的應(yīng)用能力、學(xué)習效果、創(chuàng)新意識等多個維度進行全面評價。建立實驗教學(xué)的形成性評價模式,解決了評價模式單一、重知識輕能力、重理論輕實踐等問題。

4 校際虛擬仿真實驗教學(xué)項目共建共享

發(fā)揮我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心在行業(yè)內(nèi)的影響力,采用虛擬教研室運行模式,探索基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真平臺共建共享機制。以課程為中心對虛擬仿真聯(lián)盟基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會成員單位的資源互聯(lián)互通,建立起課程體系,開展專業(yè)教育。對課程體系中尚需建設(shè)的,發(fā)揮各成員單位的學(xué)科優(yōu)勢,擇優(yōu)建設(shè),建立成本分擔和利益分配機制?？紤]分配均衡,實行有償共享,依據(jù)成員單位對課程的資源貢獻度、優(yōu)質(zhì)度進行裁定。形成政府主導(dǎo)、聯(lián)盟協(xié)調(diào)、公司運營、學(xué)校受益的運行模式,推動綠色節(jié)約可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)已成為當前一流課程建設(shè)的重要方向,是落實“十四五”高等教育高質(zhì)量發(fā)展主要任務(wù)的重要手段。按照新的人才培養(yǎng)與能力發(fā)展需求,建立多層次、階梯式的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真資源,以適應(yīng)數(shù)字化背景下的個性化學(xué)習需求。本文立足基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué),率先開展基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系化建設(shè),推進虛擬仿真實驗教學(xué)項目持續(xù)建設(shè)與探索,將功能數(shù)字人引入臨床案例,完善虛擬仿真平臺形成性評價模式,探索跨校、跨地區(qū)的虛擬仿真實驗教學(xué)項目共建共享機制,帶動教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型,滿足虛擬實驗教學(xué)2.0時代的新需求。全省乃至全國的高校進行互聯(lián)互通,共建共享,對于推動高?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展具有良好的推廣價值。