丁 潔 徐力致 夏天嬌

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院機能學(xué)教研室,江蘇省南京市 210008

2021年9月,科技部發(fā)布《科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》,醞釀多年的“中國腦計劃”正式啟動。該計劃以“腦認(rèn)知功能解析”為核心,以“理解腦、修復(fù)腦、模擬腦”為目標(biāo),鼓勵對腦認(rèn)知功能原理、認(rèn)知障礙相關(guān)重大腦疾病診治及類腦計算/腦機智能發(fā)展展開深入研究[1]。據(jù)統(tǒng)計,腦疾病患者約占全球人口總數(shù)的13%以上。在我國,腦疾病也是致殘致死率最高的疾病。因此“中國腦計劃”對腦疾病領(lǐng)域進行了積極布局,提出了“建立若干種認(rèn)知障礙相關(guān)重大腦疾病精準(zhǔn)早期診斷標(biāo)準(zhǔn)和干預(yù)手段“在分子、環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)以及疾病人群等多個層次全面解析腦疾病的發(fā)病機制”等具體目標(biāo)。這無疑是對我國醫(yī)學(xué)發(fā)展及醫(yī)學(xué)教育提出了新的要求。因此,無論從培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及專業(yè)能力,還是滿足時代需求、實現(xiàn)服務(wù)人類健康的終極目標(biāo)來說,在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)本科教學(xué)中開展腦科學(xué)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)具有十分重要的意義。然而,由于腦科學(xué)實驗的特殊性,對實驗者的手術(shù)操作能力、實驗室條件以及知識通融能力均有相當(dāng)高的要求,限制了該類實驗在本科生實驗教學(xué)中實施。為構(gòu)建完善的實驗教學(xué)體系、培養(yǎng)對疾病研究具有總體設(shè)計與規(guī)劃能力的優(yōu)秀醫(yī)學(xué)生,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院與成都泰盟軟件有限公司合作開發(fā)了針對腦科學(xué)的重要領(lǐng)域——神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)的系列虛擬仿真綜合實驗,旨在將科研素養(yǎng)的培育前移到本科生階段,助力培養(yǎng)精醫(yī)學(xué)、懂科技、引領(lǐng)時代的高層次創(chuàng)新醫(yī)學(xué)人才。本文以該系列虛仿綜合實驗之一——《條件恐懼系統(tǒng)檢測學(xué)習(xí)與記憶虛擬仿真實驗》為例,探討神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)虛擬仿真實驗項目在醫(yī)學(xué)機能學(xué)本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

1 盡早融入神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)實驗,構(gòu)建完善的醫(yī)學(xué)機能學(xué)本科實驗教學(xué)體系

醫(yī)學(xué)機能學(xué)實驗課程作為連接基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁課程,以器官功能變化為主要觀察指標(biāo),通過從正?！膊　D(zhuǎn)歸三個層面系統(tǒng)的觀察和推演,探究機體功能的客觀規(guī)律[2]。課程訓(xùn)練學(xué)生基本的實驗操作技能、加深其對相關(guān)課程基礎(chǔ)知識的理解和綜合掌握技能、著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)。通過深度激發(fā)學(xué)生主動探究的能力訓(xùn)練,在對醫(yī)學(xué)科學(xué)本質(zhì)的探尋中,奠定學(xué)生創(chuàng)新型的科學(xué)邏輯思維基礎(chǔ)。

神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)是一門以實驗為主的科學(xué),通過對機體認(rèn)知行為的評估探索腦功能的奧秘。我院醫(yī)學(xué)機能學(xué)實驗在“盡早培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生對疾病研究的總體設(shè)計和規(guī)劃能力”的教學(xué)理念下,融入神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)實驗內(nèi)容,大力提升本科實驗教學(xué)體系。任課老師從學(xué)科特點出發(fā),結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿,設(shè)計出以動物神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型的建立方法、認(rèn)知行為檢測工具使用和數(shù)據(jù)分析方法為主要內(nèi)容的神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)虛擬仿真實驗項目。通過教學(xué)演練,解讀專業(yè)知識,拓寬學(xué)生眼界,自然而然構(gòu)建“腦科學(xué)”—“神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)”—“神經(jīng)認(rèn)知行為學(xué)”的科研思維體系。

2 《條件恐懼系統(tǒng)檢測學(xué)習(xí)與記憶虛擬仿真實驗》主要特色及教學(xué)開展過程

2.1 主要特色

2.1.1 實驗內(nèi)容聚焦科學(xué)研究前沿,實現(xiàn)科教協(xié)同:人類對于腦科學(xué)的認(rèn)知逐步提升[3],國際腦科學(xué)飛速發(fā)展,各國紛紛啟動大型腦研究計劃。本實驗內(nèi)容以世界科學(xué)研究的前沿——腦科學(xué)為切入點,聚焦神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)研究中的關(guān)鍵實驗環(huán)節(jié),將學(xué)科前沿滲透進基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗課程。實驗高度仿真腦科學(xué)研究行為測試分析平臺真實場景,還原真實實驗流程,基于真實數(shù)據(jù)校準(zhǔn)軟件模型,實驗藍本源于主創(chuàng)教師的科研工作,依托多個國家及省部級科研項目,實驗設(shè)計思路科學(xué)、數(shù)據(jù)真實可靠。

2.1.2 面向臨床前沿問題、培養(yǎng)綜合分析能力:認(rèn)知障礙相關(guān)腦疾病研究作為中國腦計劃的重要一環(huán),對解決我國實際的人民生活需求具有重大意義。其中,術(shù)后認(rèn)知功能障礙發(fā)生原因與解決方法是臨床關(guān)注的熱點問題之一[4]。麻醉藥物使用被認(rèn)為是介導(dǎo)術(shù)后認(rèn)知功能障礙發(fā)生的重要風(fēng)險因素[5-6]。主創(chuàng)教師與臨床前期的合作研究首次證實6h異氟醚麻醉可損傷小鼠麻醉后包括空間記憶、新物體識別能力、情景恐懼記憶在內(nèi)的各項認(rèn)知功能[7-8]?；谏鲜鲅芯勘尘?本實驗通過建立長時程異氟醚麻醉介導(dǎo)的認(rèn)知功能障礙模型,評估其造成術(shù)后認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險。實驗的完成過程不僅是對認(rèn)知功能障礙的病理生理學(xué)基礎(chǔ)知識的整合與融匯,讓學(xué)生理解如何運用基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗方法來探究實際問題;更重要的是,學(xué)生能深刻感受到獨立思考在日常工作、學(xué)習(xí)乃至醫(yī)學(xué)發(fā)展中的重要作用,意識到醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展是建立在不斷創(chuàng)新探究的基礎(chǔ)之上的,從而自發(fā)有意識地提高自己的思考與創(chuàng)新能力,達到大學(xué)教育的最終目的。

2.1.3 自然滲透對醫(yī)學(xué)生人文素養(yǎng)的培養(yǎng):實驗以臨床案例創(chuàng)設(shè)情境探究病因,為進一步深入探討治療或解決方案奠定理論基礎(chǔ),讓學(xué)生體會醫(yī)者研究疾病、攻克健康難題的職業(yè)責(zé)任。實驗中體現(xiàn)對實驗動物福利的關(guān)注,突出了虛擬實驗避免使用大量實驗動物的優(yōu)勢,除了讓學(xué)生了解實驗動物3R原則,更是希望學(xué)生以己推人,不僅關(guān)愛自己、親朋乃至全人類的生命健康,更要包含大愛,尊重敬畏自然生靈,樹立崇高的人生觀、宇宙觀和自然觀。

2.2 教學(xué)過程

2.2.1 實驗背景及介紹:本階段包括介紹實驗背景、流程、目的及預(yù)習(xí)考核四個環(huán)節(jié)。背景介紹包括腦科學(xué)研究的起源與發(fā)展、認(rèn)知功能障礙模型建立的原理、條件恐懼實驗系統(tǒng)檢測學(xué)習(xí)與記憶實驗原理等內(nèi)容,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。預(yù)習(xí)考核環(huán)節(jié)可評測自主預(yù)習(xí)效果,凸顯重點內(nèi)容。

2.2.2 實驗操作及分析:本階段包括應(yīng)用、探究和鞏固三個模塊。以問題導(dǎo)入式、自主學(xué)習(xí)式和互動探究式為教學(xué)方法,重點掌握動物模型的建立,條件恐懼實驗系統(tǒng)的準(zhǔn)備、使用,實驗結(jié)果的觀測、收集與數(shù)據(jù)處理等知識內(nèi)容。課后測驗可以及時鞏固所學(xué)知識,同時實時反饋給教師教學(xué)效果。

2.2.3 實驗報告及討論:本階段需深入思考與討論實驗結(jié)果、完成實驗報告。課程資料庫、互動答疑環(huán)節(jié),推動學(xué)生進一步自發(fā)追蹤科學(xué)前沿動態(tài),促進溝通與討論,培養(yǎng)系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究思維與能力(見圖1)。

圖1 《條件恐懼系統(tǒng)檢測學(xué)習(xí)與記憶虛擬仿真實驗》教學(xué)過程

2.3 教學(xué)重點與難點的設(shè)計與目標(biāo)設(shè)定

2.3.1 專業(yè)儀器使用訓(xùn)練:專業(yè)儀器使用能力是重要的實驗操作技能之一。實驗著眼于專業(yè)儀器——麻醉機和條件恐懼系統(tǒng)兩套儀器開展該能力的訓(xùn)練。本實驗利用異氟醚這一臨床常用的麻醉藥物,建立由手術(shù)麻醉誘發(fā)認(rèn)知功能損傷的疾病模型。然而,異氟醚屬于管控藥品,有嚴(yán)格的使用管理制度,而麻醉狀態(tài)中必要的給氧操作也存在安全隱患。故而疾病模型的建立過程無法在真實教學(xué)環(huán)境中大規(guī)模實施。因此,我們將這部分內(nèi)容設(shè)置為學(xué)習(xí)重點之一,建模過程涉及吸入式麻醉機與麻醉藥物的使用等學(xué)習(xí)內(nèi)容。吸入麻醉是目前臨床常用的麻醉方式,將其使用訓(xùn)練設(shè)計入本科生基礎(chǔ)教學(xué)實驗,具有現(xiàn)實意義。項目對麻醉相關(guān)儀器設(shè)備與實驗流程進行高度還原,按照臨床手術(shù)實際情況,對麻醉管路連接與檢漏、氧氣與麻醉機的接入、麻醉誘導(dǎo)和維持時應(yīng)選擇的濃度及流量的設(shè)置等進行人機交互操作,讓學(xué)生了解并學(xué)習(xí)到吸入麻醉的操作方法及其在小動物實驗中的具體應(yīng)用。造模成功后,開展小鼠認(rèn)知功能的檢測。條件恐懼檢測系統(tǒng)設(shè)備價格較高,實驗環(huán)境嚴(yán)苛,不適合大規(guī)模實驗教學(xué),難以滿足學(xué)生多人次反復(fù)操作練習(xí)的需求。因此,熟練掌握條件恐懼系統(tǒng)檢測認(rèn)知功能的具體方法是另一學(xué)習(xí)重點。實驗中訓(xùn)練階段與測試階段均需預(yù)先對系統(tǒng)進行調(diào)試與參數(shù)設(shè)置,是學(xué)習(xí)難點所在:這步操作看似相似,卻具有不同的目的與意義,前者是建立關(guān)聯(lián)記憶、后者是測定功能改變。學(xué)生首先對儀器結(jié)構(gòu)、與系統(tǒng)使用方法進行學(xué)習(xí),再正式實驗流程,漸進式理解實驗的整個過程與意義。虛擬仿真交互操作可以讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)并熟悉整個實驗過程,交互問題也可以強化重點知識。

2.3.2 分析與解決問題能力訓(xùn)練:實驗課程的核心與難點在于對結(jié)果與數(shù)據(jù)的分析,充分體現(xiàn)出學(xué)生分析與解決問題的能力。項目摒棄給予類似“標(biāo)準(zhǔn)答案”的模擬數(shù)據(jù),而是融入真實研究數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識生命體的復(fù)雜性,不迷信已有經(jīng)驗,根據(jù)科學(xué)分析方法,透過重重迷惑挖掘本質(zhì)。

2.3.3 綜合素質(zhì)提升訓(xùn)練:對相關(guān)課程基礎(chǔ)知識的理解和綜合掌握技能是培養(yǎng)學(xué)生真正創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)的原動力。實驗通過多維度學(xué)習(xí)培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的綜合素質(zhì)。如案例引入緊扣臨床,建立問題導(dǎo)向性的思維習(xí)慣;再現(xiàn)真實科研過程、探討真實實驗數(shù)據(jù),建立臨床研究的科學(xué)思維方式;交互提示操作細節(jié),重視職業(yè)規(guī)范培養(yǎng);設(shè)置思考題滲透動物保護理念,認(rèn)識動物實驗的重要性與必要性,引導(dǎo)學(xué)生理性思考動物保護與人類健康研究之間的關(guān)系;多方位評價體系與課后知識拓展鼓勵學(xué)生對已有知識深挖及批判性思考問題等。

3 總結(jié)與反思

在投入教學(xué)的近3年時間中,該實驗的接受度不斷提升,教學(xué)優(yōu)勢明顯。實驗以解決臨床實際問題為最終目標(biāo),讓學(xué)生體會專業(yè)知識在實際工作中的應(yīng)用,學(xué)有所用、學(xué)以致用,切實做到基礎(chǔ)教學(xué)和臨床實踐緊密結(jié)合。實驗?zāi)繕?biāo)層層深入、內(nèi)容緊密結(jié)合科學(xué)前沿、方法先進,有效推動實驗課程向探索性創(chuàng)新性方向的建設(shè),將培養(yǎng)科研素養(yǎng)的目標(biāo)前移到本科生階段。同時,很多生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級本科生及研究生也申請使用該實驗,并且普遍反映實驗內(nèi)容兼具實用性與創(chuàng)新性,對腦科學(xué)及認(rèn)知行為學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的科研學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)意義。其間,實驗被認(rèn)定為江蘇省首批一流本科課程(虛擬仿真實驗教學(xué)課程),不斷推動該虛仿實驗的建設(shè)與后續(xù)完善。

誠然,我們也在不斷地發(fā)現(xiàn)問題并努力解決:(1)虛仿實驗的學(xué)習(xí)不限時空、自由度大,極其考驗自主學(xué)習(xí)能力,因此采用多元化的評價方式、分步驟賦分,可能推動學(xué)生開展有效學(xué)習(xí)、保持持續(xù)的專注力。(2)學(xué)生學(xué)習(xí)能力參差,成效不易考察。實驗報告能夠很好地體現(xiàn)出學(xué)生的思維過程,因此,提倡實驗報告的“個性化”——不僅限于實驗過程與結(jié)果的呈現(xiàn),鼓勵學(xué)生進行有深度的創(chuàng)新性思考與總結(jié)。設(shè)置沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的實驗報告,不僅可以了解每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,更是幫助學(xué)生體會在遵循科學(xué)的原則下,敢于創(chuàng)新、敢于思辨,是創(chuàng)新型人才應(yīng)該具備的能力。(3)我院自主設(shè)計的虛擬實驗多以任課教師自身科研工作為背景,專業(yè)前沿性強,學(xué)科通融性高,屬于綜合性創(chuàng)新實驗,因此低年級學(xué)生想要完成好,必須具有堅實的基礎(chǔ)。教師可以酌情對重點、難點深剖,幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)疲勞,達到現(xiàn)有知識的升華。(4)為提高對知識的綜合應(yīng)用能力,通過線上線下集體討論、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)形式,開展有針對性的討論性學(xué)習(xí),鼓勵“自評自辯”,大大激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情,鍛煉了學(xué)習(xí)能力,提升了學(xué)習(xí)效果。同時為實驗內(nèi)容的完善與提升、課程進一步改革與建設(shè),積累了大量寶貴的經(jīng)驗。我們深刻地體會到虛擬實驗的建設(shè)必須與理論教學(xué)、臨床實踐深度結(jié)合,充分考慮與發(fā)掘教師與學(xué)生的主觀能動性,才能真正發(fā)揮其在教學(xué)中的作用。

黨的二十大報告提出,推進健康中國建設(shè),把保障人民健康放在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略位置,完善人民健康促進政策。作為綜合性大學(xué)的醫(yī)學(xué)教育,除了肩負培養(yǎng)領(lǐng)導(dǎo)型創(chuàng)新醫(yī)學(xué)人才的重任,更負有對全社會輸出專業(yè)、科學(xué)的醫(yī)學(xué)健康知識的責(zé)任。《條件恐懼系統(tǒng)檢測學(xué)習(xí)與記憶虛擬仿真實驗》的背景來自亟待解決的醫(yī)學(xué)臨床問題,直接涉足民眾與社會普遍關(guān)注的健康話題。因此我們積極嘗試將該實驗推廣至我校其他專業(yè)的本科教學(xué),旨在向非醫(yī)學(xué)類學(xué)科師生介紹相關(guān)疾病的研究進展、普及醫(yī)學(xué)知識,幫助普通大眾從科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識疾病、樹立積極的健康觀念。同時,希望通過這種交流,更大范圍、深層次地建立多學(xué)科之間的交叉通融,促進多學(xué)科新碰撞,為產(chǎn)生原創(chuàng)成果及培養(yǎng)交叉型人才帶來新的可能性,進而促進神經(jīng)認(rèn)知障礙相關(guān)腦疾病的發(fā)病機制的解析、診斷與治療,為深入實踐中國腦計劃“一體兩翼”的發(fā)展戰(zhàn)略提供新思路。