李 楠 李 平 袁艺标

1.南京医科大学基础医学院解剖学系 江苏南京 210029;2.南京医科大学第二附属医院消化医学中心 江苏南京 210029;3.南京医科大学基础医学院国家级实验教学示范中心 江苏南京 210029

近日,教育部发布《关于印发基础学科拔尖学生培养计划2.0基地(2021年度)名单的通知》,南京医科大学基础医学拔尖学生培养基地成功入选。因此,加快培养基础学科拔尖人才旨在深入贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和中央人才工作会议精神。基础医学是研究人的生命和疾病现象本质及规律的学科,是现代医学的基础,其实验教学显得尤为重要[1]。实验教学质量的好坏将直接关系到学校高素质医学人才培养目标的实现。目前,由于高校招生规模扩大,实验设备和硬件设施相对落后,甚至受医学伦理等条件限制,导致学生动手机会不够,无法完全满足基础医学实验教学的需求[2]。教学内容层面,以验证性实验为主,各学科之间相互独立缺乏交叉融合,实验教学质量跟不上新的教学理念发展,综合发展和创新的空间受限[3]。以教育信息化带动教学现代化是国家教育事业发展的战略选择。“十四五”期间,教育的全面数字化转型已成必然趋势,虚拟仿真作为新兴的信息技术手段,能够有效地推动高等教育的高质量发展[4]。面对“新—医科”“双一流”对基础医学人才的培养新需求,南京医科大学建立了多层次、阶梯式的基础医学虚拟仿真资源结构。

1 多层次、阶梯式的基础医学虚拟仿真资源形态建设

采用整合与开发相结合的方式,建立基础性实验、综合与创新性实验、人体实验等不同梯次类型的虚拟仿真资源,全面融入课程体系,满足个性化学习需求以培养能够解决重大医学科学难题、引领医学发展的未来领军人才为目标,梳理现有基础医学虚拟仿真资源的结构分布,重新设计虚拟仿真资源体系。建立多层次、阶梯式的基础医学虚拟仿真资源形态,满足数字化背景下的个性化学习需求,促进教学模式的转变。以学生为中心,能力培养为导向,设计分为机能实验学、形态实验学与解剖学三大组成部分。

1.1 机能实验学

机能实验学是我国基础医学领域独立设置的一门整合式课程,该课程依托基础、承接临床、辐射科研,具有多学科交叉和融合的特点,是基础医学实验教学的重要组成部分。

(1)基础性实验:提取出原有生理学、药理学、病理生理学虚拟实验中基础性项目,新建器械标识、动物基础操作、试剂配制等虚拟仿真模块。

①心血管系统、神经系统、消化系统、呼吸系统在内的基础性实验项目:骨骼肌的单收缩和复合收缩、期前收缩和代偿间歇、蛙心灌流、消化道平滑肌的生理特性、神经干动作电位引导与不应期测定、抗高血压药物、拟肾上腺素药与抗肾上腺素药的作用、水肿、失血性休克、急性右心衰竭、急性呼吸功能不全等。

②器械标识:器械仪器是实验用物的重要组成部分,学生在进入实验课前缺乏对器械仪器的名称、应用的实验范围、使用维护缺乏应有的认识,课题规划开发器械识别模块,通过碎片化学习、翻转课题等形式开展应用。该模块采用蛙类、哺乳类动物手术器械仪器的三维模型,支持任意角度观看旋转,并配以图文介绍。

③动物基础操作:动物基本操作是医学生基础阶段需要掌握的重要技能,受制于环境、场地、实验对象、试剂、器械等因素影响,很难在课程外得到训练,将家兔、大鼠、蛙类等常规实验动物的基本操作单独列出,方便学生碎片化学习及混合式教学。

④试剂配制:试剂配制方法、禁忌、前后次序、计量、浓度都有严格的要求。如果试剂配制过程中出现错误,会难以获得符合预期的实验结果。熟练掌握标准规范的配制试剂流程,是培养基础医学科研创新人才的基本环节之一。从药品试剂的特点出发,虚拟系统主要包含实验药物、麻醉药物、单位浓度换算和试剂配制四个模块。

(2)创新设计性实验:在原有的呼吸、泌尿、血压综合实验之外,设计高阶虚拟仿真项目“缺氧对小鼠的生存及基因表达的影响”“自主设计的药物效应评价及肝脏对药物代谢作用”,提升课程前沿性和创新性,学习结果具有探究性和个性化。

1.2 形态实验学

形态实验学是研究正常人体的形态结构、功能以及病理状态下发生改变的一门学科,是基础医学实验课程体系的重要组成部分。分析新的教育形态下课程的设置要求,设计不同层次的形态学虚拟仿真资源结构。综合与创新性实验模块新建“肺栓塞临床病理衔接虚拟仿真实验”等项目,以满足变化的教学需求。

1.2.1 肺栓塞临床病理衔接虚拟仿真实验

通过交互式界面,借鉴“严肃的游戏”理念,引入闯关升级的推进模式,最大限度地吸引学生的学习兴趣。使用客观分析的综合评价系统,自动生成实验评分、错题本和针对性的评价解析,可作为课后复习的参考资料,拓展本项目的应用范围。通过线上平台和阶段存档的安排,满足学生随时随地个性化学习的需求。以互动推进、虚拟仿真为教学实施模式,旨在培养医学生临床病理衔接的思维。

1.2.2 肿瘤免疫治疗的虚拟仿真实验

本项目主体从两个部分设计:第一部分理论建构,以3D仿真动画和人机互动的进阶式问题闯关,引导学生完成抗肿瘤免疫应答和肿瘤逃逸机制的基础理论知识建构。第二部分免疫检查点阻断免疫治疗,通过学习获得2018年诺贝尔生理学或医学奖的“检查点(check points)”阻断治疗的发现、原理、方法及其临床效果分析,帮助学生感受科学巨匠的探索创新精神,融入思政元素,激发对科研的兴趣和参与科研的内在动机。

1.3 人体解剖学

人体解剖学是研究人体正常形态结构的科学,其任务在于理解和掌握人体各器官的形态结构、位置和毗邻关系,是基础医学、临床医学、护理学等众多医学专业的重要基础,在医学人才培养中发挥重要作用。目前解剖学虚拟仿真实验教学中已建成“解剖学在线自主学习系统”“3DBody三维人体导航系统”,在解剖实验教学中发挥重要作用,取得良好的教学效果。为进一步提升医学生临床应用实践能力,全面推进教育数字化转型,规划新建“系统解剖学虚拟动态教学系统”“临床应用局部解剖学三维虚拟自主学习系统”,逐步完善解剖学虚拟仿真实验教学资源体系。

1.3.1 系统解剖学虚拟动态教学系统

基于人体解剖实物标本,按人卫版系统解剖学教科书,以720度无死角多维度观察系解九大系统的主要3D数字标本。同时展现其毗邻关系、附着点、颜色、大小等,利于学生自主学习。并以标本为基础,建设成解剖学教学、自测、考试等综合一体化教学平台。

1.3.2 临床应用局部解剖学三维虚拟自主学习系统

以具有南医大传统特色的局部解剖学的“层次解剖操作”为基础,结合临床医学发展需求,进行操作过程的全程解析,建立三维虚拟自主学习系统,配套完整的教学视频资料,供学生在局解操作中进行自主学习。并以此为基础,进一步构建局部解剖学综合性教学体系。

2 功能数字人虚拟仿真教学项目建设

依托功能数字人平台,开发基础医学高阶虚拟仿真项目,促进基础与临床融合。运用功能数字人,引入临床案例,培养学生应用基础知识分析临床问题的能力。功能数字人(Electronic Standardized Patient,ESP)平台由联合业内多家高校,采用校企合作研发,不断完善,依据教材和国内外文献,严格把关,具备较强的学术性。ESP的设计方法是基于目前人体系统生理学的基础理论,结合临床相关期刊和数据,利用模拟电路、物理学等方法建立数学模型,通过人工智能和数据分析技术进行模拟数据的优化和校正,建立以生理驱动虚拟人体为核心技术的人体功能虚拟系统。系统通过模拟人体在生理和病理生理、药理状态下主要生理指标的变化,显示造成这些变化的机制和原理,揭示人体运行的规律(生理)、常用药物的药效(药理)以及疾病状态下功能的变化(病生)。开发基于ESP内核的呼吸系统、心脏电生理、听觉系统虚拟仿真实验,进一步完善功能数字人高阶虚拟仿真实验资源体系。运用功能数字人,引入临床案例,促进基础与临床融合。

2.1 基于ESP内核的呼吸系统基础和临床虚拟仿真实验

在呼吸系统疾病教学实施过程中,肺通气和肺换气是重点和难点,鉴于这是一种临床的常见病多发病,医生对呼吸系统运行及呼吸机原理认识不足。为此,拟从呼吸系统入手引入项目,规划设计基于ESP内核的呼吸系统基础和临床虚拟仿真实验。案例分析模块将基础知识连接到临床应用,通过直观的物理模型和生理模型,解析呼吸系统肺通气和肺换气原理,以及影响肺通气和肺换气诸因素的具体作用;采用“单因素冲击响应”设计,支撑学生进行非程序化的自由探索实验,学生对辅助呼吸的原理有强烈的感性认识。

2.2 基于ESP内核的心脏电生理虚拟仿真实验

心脏电生理功能紊乱会导致多种心律失常,是引起心源性猝死的重要因素之一。心脏电生理机制复杂且抽象,同学理解困难。采用“单因素冲击响应”架构设计,在传统动物实验、人体机能实验之外,从微观到宏观,建立一体化模式。为此,从循环系统入手,引入设计基于ESP内核的“心脏电生理”虚拟仿真实验,学生通过该项目将基础知识连接到临床应用,理解心肌细胞动作电位形成的本质,认识心脏电传导的规律,熟悉临床常见心律失常中心肌电生理变化的主要影响因素,并了解心律失常的药物治疗原则。

2.3 基于ESP内核的听觉系统虚拟仿真实验

借助ESP内核,从听觉系统入手,分为四大模块开展,从原理解析(包括解剖传音结构;感音生理功能)到听觉人体机能实验仿真,到临床案例分析耳聋、耳鸣等,最后到创新科技实验(例如图像—音频转换、语音导盲仗等),层层展开。直观的物理模型和生理模型,解析听觉的产生原理,以人机互动的仿真人机机能实验支持学生的自由探索;案例分析模块将基础知识联合临床应用,模拟临床上关于听觉的检测方法;通过创新科技实验增加学生学习和探索的兴趣。最终形成一套完整的系统,帮助学生熟悉和认识临床常见听觉疾病的发病机制和治疗手段。

3 虚拟仿真共享平台形成性评价模式建设

在高等教育“十四五”期间,虚拟实验教学进入2.0时代,在体系化建设的同时,对虚拟仿真共享平台提出了从资源平台向课程平台的转变。注重以课程为架构组织实施教学,在原有虚拟仿真项目的基础上,配套相关课前、课后教学资源及其组织形态的配套功能,重视实验教学的形成性评价。平台从功能需求上设计教务、学院/学系、教师、学生、管理员等角色,开展教学实施。虚拟仿真实验评价中,可以对成绩、时长智能统计通过图文展示,统计出虚拟实验中的错误步骤和错误率,并围绕项目设计的能力维度进行数据挖掘与分析,让教师可以在教学中有针对地进行教学。课题以“形成性评价、持续改进”为宗旨,发展胜任力导向、能力培养和自主学习为核心的基础医学实验教学考核评价新模式,将考核评价贯穿于实验教学全过程。形成性评价包含实体实验和虚拟仿真实验,从学习态度、动手能力、团队协作、知识的应用能力、学习效果、创新意识等多个维度进行全面评价。建立实验教学的形成性评价模式,解决了评价模式单一、重知识轻能力、重理论轻实践等问题。

4 校际虚拟仿真实验教学项目共建共享

发挥我校基础医学国家级虚拟仿真实验教学中心在行业内的影响力,采用虚拟教研室运行模式,探索基础医学虚拟仿真平台共建共享机制。以课程为中心对虚拟仿真联盟基础医学专业委员会成员单位的资源互联互通,建立起课程体系,开展专业教育。对课程体系中尚需建设的,发挥各成员单位的学科优势,择优建设,建立成本分担和利益分配机制。考虑分配均衡,实行有偿共享,依据成员单位对课程的资源贡献度、优质度进行裁定。形成政府主导、联盟协调、公司运营、学校受益的运行模式,推动绿色节约可持续发展。

结语

虚拟仿真实验教学已成为当前一流课程建设的重要方向,是落实“十四五”高等教育高质量发展主要任务的重要手段。按照新的人才培养与能力发展需求,建立多层次、阶梯式的基础医学虚拟仿真资源,以适应数字化背景下的个性化学习需求。本文立足基础医学实验教学,率先开展基础医学虚拟仿真实验教学体系化建设,推进虚拟仿真实验教学项目持续建设与探索,将功能数字人引入临床案例,完善虚拟仿真平台形成性评价模式,探索跨校、跨地区的虚拟仿真实验教学项目共建共享机制,带动教育数字化转型,满足虚拟实验教学2.0时代的新需求。全省乃至全国的高校进行互联互通,共建共享,对于推动高校基础医学实验教学创新发展具有良好的推广价值。