李 楠 李 平 袁藝標

1.南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖學系 江蘇南京 210029;2.南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院消化醫(yī)學中心 江蘇南京 210029;3.南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院國家級實驗教學示范中心 江蘇南京 210029

近日,教育部發(fā)布《關于印發(fā)基礎學科拔尖學生培養(yǎng)計劃2.0基地(2021年度)名單的通知》,南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學拔尖學生培養(yǎng)基地成功入選。因此,加快培養(yǎng)基礎學科拔尖人才旨在深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和中央人才工作會議精神?；A醫(yī)學是研究人的生命和疾病現(xiàn)象本質及規(guī)律的學科,是現(xiàn)代醫(yī)學的基礎,其實驗教學顯得尤為重要[1]。實驗教學質量的好壞將直接關系到學校高素質醫(yī)學人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。目前,由于高校招生規(guī)模擴大,實驗設備和硬件設施相對落后,甚至受醫(yī)學倫理等條件限制,導致學生動手機會不夠,無法完全滿足基礎醫(yī)學實驗教學的需求[2]。教學內(nèi)容層面,以驗證性實驗為主,各學科之間相互獨立缺乏交叉融合,實驗教學質量跟不上新的教學理念發(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)字化轉型已成必然趨勢,虛擬仿真作為新興的信息技術手段,能夠有效地推動高等教育的高質量發(fā)展[4]。面對“新—醫(yī)科”“雙一流”對基礎醫(yī)學人才的培養(yǎng)新需求,南京醫(yī)科大學建立了多層次、階梯式的基礎醫(yī)學虛擬仿真資源結構。

1 多層次、階梯式的基礎醫(yī)學虛擬仿真資源形態(tài)建設

采用整合與開發(fā)相結合的方式,建立基礎性實驗、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,滿足個性化學習需求以培養(yǎng)能夠解決重大醫(yī)學科學難題、引領醫(yī)學發(fā)展的未來領軍人才為目標,梳理現(xiàn)有基礎醫(yī)學虛擬仿真資源的結構分布,重新設計虛擬仿真資源體系。建立多層次、階梯式的基礎醫(yī)學虛擬仿真資源形態(tài),滿足數(shù)字化背景下的個性化學習需求,促進教學模式的轉變。以學生為中心,能力培養(yǎng)為導向,設計分為機能實驗學、形態(tài)實驗學與解剖學三大組成部分。

1.1 機能實驗學

機能實驗學是我國基礎醫(yī)學領域獨立設置的一門整合式課程,該課程依托基礎、承接臨床、輻射科研,具有多學科交叉和融合的特點,是基礎醫(yī)學實驗教學的重要組成部分。

(1)基礎性實驗:提取出原有生理學、藥理學、病理生理學虛擬實驗中基礎性項目,新建器械標識、動物基礎操作、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)的基礎性實驗項目:骨骼肌的單收縮和復合收縮、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)干動作電位引導與不應期測定、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,學生在進入實驗課前缺乏對器械儀器的名稱、應用的實驗范圍、使用維護缺乏應有的認識,課題規(guī)劃開發(fā)器械識別模塊,通過碎片化學習、翻轉課題等形式開展應用。該模塊采用蛙類、哺乳類動物手術器械儀器的三維模型,支持任意角度觀看旋轉,并配以圖文介紹。

③動物基礎操作:動物基本操作是醫(yī)學生基礎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,方便學生碎片化學習及混合式教學。

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,會難以獲得符合預期的實驗結果。熟練掌握標準規(guī)范的配制試劑流程,是培養(yǎng)基礎醫(yī)學科研創(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)新設計性實驗:在原有的呼吸、泌尿、血壓綜合實驗之外,設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”“自主設計的藥物效應評價及肝臟對藥物代謝作用”,提升課程前沿性和創(chuàng)新性,學習結果具有探究性和個性化。

1.2 形態(tài)實驗學

形態(tài)實驗學是研究正常人體的形態(tài)結構、功能以及病理狀態(tài)下發(fā)生改變的一門學科,是基礎醫(yī)學實驗課程體系的重要組成部分。分析新的教育形態(tài)下課程的設置要求,設計不同層次的形態(tài)學虛擬仿真資源結構。綜合與創(chuàng)新性實驗模塊新建“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,引入闖關升級的推進模式,最大限度地吸引學生的學習興趣。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,可作為課后復習的參考資料,拓展本項目的應用范圍。通過線上平臺和階段存檔的安排,滿足學生隨時隨地個性化學習的需求。以互動推進、虛擬仿真為教學實施模式,旨在培養(yǎng)醫(yī)學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計:第一部分理論建構,以3D仿真動畫和人機互動的進階式問題闖關,引導學生完成抗腫瘤免疫應答和腫瘤逃逸機制的基礎理論知識建構。第二部分免疫檢查點阻斷免疫治療,通過學習獲得2018年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的“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,幫助學生感受科學巨匠的探索創(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

人體解剖學是研究人體正常形態(tài)結構的科學,其任務在于理解和掌握人體各器官的形態(tài)結構、位置和毗鄰關系,是基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、護理學等眾多醫(yī)學專業(yè)的重要基礎,在醫(yī)學人才培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用。目前解剖學虛擬仿真實驗教學中已建成“解剖學在線自主學習系統(tǒng)”“3DBody三維人體導航系統(tǒng)”,在解剖實驗教學中發(fā)揮重要作用,取得良好的教學效果。為進一步提升醫(yī)學生臨床應用實踐能力,全面推進教育數(shù)字化轉型,規(guī)劃新建“系統(tǒng)解剖學虛擬動態(tài)教學系統(tǒng)”“臨床應用局部解剖學三維虛擬自主學習系統(tǒng)”,逐步完善解剖學虛擬仿真實驗教學資源體系。

1.3.1 系統(tǒng)解剖學虛擬動態(tài)教學系統(tǒng)

基于人體解剖實物標本,按人衛(wèi)版系統(tǒng)解剖學教科書,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)其毗鄰關系、附著點、顏色、大小等,利于學生自主學習。并以標本為基礎,建設成解剖學教學、自測、考試等綜合一體化教學平臺。

1.3.2 臨床應用局部解剖學三維虛擬自主學習系統(tǒng)

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

2 功能數(shù)字人虛擬仿真教學項目建設

依托功能數(shù)字人平臺,開發(fā)基礎醫(yī)學高階虛擬仿真項目,促進基礎與臨床融合。運用功能數(shù)字人,引入臨床案例,培養(yǎng)學生應用基礎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,具備較強的學術性。ESP的設計方法是基于目前人體系統(tǒng)生理學的基礎理論,結合臨床相關期刊和數(shù)據(jù),利用模擬電路、物理學等方法建立數(shù)學模型,通過人工智能和數(shù)據(jù)分析技術進行模擬數(shù)據(jù)的優(yōu)化和校正,建立以生理驅動虛擬人體為核心技術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,促進基礎與臨床融合。

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

在呼吸系統(tǒng)疾病教學實施過程中,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)劃設計基于ESP內(nèi)核的呼吸系統(tǒng)基礎和臨床虛擬仿真實驗。案例分析模塊將基礎知識連接到臨床應用,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”設計,支撐學生進行非程序化的自由探索實驗,學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。心臟電生理機制復雜且抽象,同學理解困難。采用“單因素沖擊響應”架構設計,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,引入設計基于ESP內(nèi)核的“心臟電生理”虛擬仿真實驗,學生通過該項目將基礎知識連接到臨床應用,理解心肌細胞動作電位形成的本質,認識心臟電傳導的規(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(包括解剖傳音結構;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—音頻轉換、語音導盲仗等),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生的自由探索;案例分析模塊將基礎知識聯(lián)合臨床應用,模擬臨床上關于聽覺的檢測方法;通過創(chuàng)新科技實驗增加學生學習和探索的興趣。最終形成一套完整的系統(tǒng),幫助學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

在高等教育“十四五”期間,虛擬實驗教學進入2.0時代,在體系化建設的同時,對虛擬仿真共享平臺提出了從資源平臺向課程平臺的轉變。注重以課程為架構組織實施教學,在原有虛擬仿真項目的基礎上,配套相關課前、課后教學資源及其組織形態(tài)的配套功能,重視實驗教學的形成性評價。平臺從功能需求上設計教務、學院/學系、教師、學生、管理員等角色,開展教學實施。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,讓教師可以在教學中有針對地進行教學。課題以“形成性評價、持續(xù)改進”為宗旨,發(fā)展勝任力導向、能力培養(yǎng)和自主學習為核心的基礎醫(yī)學實驗教學考核評價新模式,將考核評價貫穿于實驗教學全過程。形成性評價包含實體實驗和虛擬仿真實驗,從學習態(tài)度、動手能力、團隊協(xié)作、知識的應用能力、學習效果、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項目共建共享

發(fā)揮我校基礎醫(yī)學國家級虛擬仿真實驗教學中心在行業(yè)內(nèi)的影響力,采用虛擬教研室運行模式,探索基礎醫(yī)學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)盟基礎醫(yī)學專業(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的,發(fā)揮各成員單位的學科優(yōu)勢,擇優(yōu)建設,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)質度進行裁定。形成政府主導、聯(lián)盟協(xié)調(diào)、公司運營、學校受益的運行模式,推動綠色節(jié)約可持續(xù)發(fā)展。

結語

虛擬仿真實驗教學已成為當前一流課程建設的重要方向,是落實“十四五”高等教育高質量發(fā)展主要任務的重要手段。按照新的人才培養(yǎng)與能力發(fā)展需求,建立多層次、階梯式的基礎醫(yī)學虛擬仿真資源,以適應數(shù)字化背景下的個性化學習需求。本文立足基礎醫(yī)學實驗教學,率先開展基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系化建設,推進虛擬仿真實驗教學項目持續(xù)建設與探索,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項目共建共享機制,帶動教育數(shù)字化轉型,滿足虛擬實驗教學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醫(yī)學實驗教學創(chuàng)新發(fā)展具有良好的推廣價值。