疫情期間基于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用與探索

陳俞材，郭 健，朱慶文，程 薇

(北京中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)學(xué)院，北京 100029)

“機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)”是將生理學(xué)、病理生理學(xué)和藥理學(xué)3門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合在一起的1門獨(dú)立課程，是醫(yī)學(xué)教育中重要的基礎(chǔ)課程之一[1]。此外，課程團(tuán)隊(duì)還通過中醫(yī)特色的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，從而為后續(xù)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程和防治疾病的醫(yī)療實(shí)踐奠定基礎(chǔ)[2]。

生理學(xué)、病理生理學(xué)和藥理學(xué)都是實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科。疫情期間，為了學(xué)生可以按部就班開展學(xué)習(xí)，響應(yīng)國(guó)家“停課不停教，停課不停學(xué)”的教學(xué)任務(wù)，本課程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)的探索性實(shí)踐。

1 新冠疫情期間線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本學(xué)期線上虛擬實(shí)驗(yàn)采用了夢(mèng)之路數(shù)字科技有限公司開發(fā)的醫(yī)學(xué)魔課云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(http://www.yxsypt.com)，這也是教育部高等教育司發(fā)布的“新型冠狀病毒肺炎，簡(jiǎn)稱：新冠肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)疫情防控期間支持高校在線教學(xué)的課程資源平臺(tái)和技術(shù)平臺(tái)”。

首先利用平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)操作的視頻資源，安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)。通過這樣的方式，使學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)原理。在實(shí)驗(yàn)課過程中，教師先利用騰訊課堂及微信群等途徑，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所涉及的實(shí)驗(yàn)原理、方法及虛擬實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行講解，然后學(xué)生利用平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)，在這一過程中，教師與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，解答問題，學(xué)生最終根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

此外，北京中醫(yī)藥大學(xué)所開設(shè)的機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中創(chuàng)新性地引入了中醫(yī)特色的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在疫情期間學(xué)生雖然不能實(shí)際操作，但可以進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，進(jìn)行模擬開題和結(jié)題答辯。不僅如此，課程團(tuán)隊(duì)還建設(shè)了“四物湯對(duì)血虛證的作用和機(jī)制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在疫情期間，本課程團(tuán)隊(duì)充分利用這一資源，讓學(xué)生開展中醫(yī)特色的線上虛擬實(shí)驗(yàn)，增加其對(duì)中西醫(yī)結(jié)合的見解。

2 線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過一段時(shí)間的線上教學(xué)實(shí)踐，課程團(tuán)隊(duì)積累了部分經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，制訂了關(guān)于線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)問題的調(diào)查問卷，收集北京中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)專業(yè)2018級(jí)卓越中西醫(yī)班和中醫(yī)實(shí)驗(yàn)班167名學(xué)生的反饋，并進(jìn)行分析。大部分學(xué)生對(duì)本學(xué)期以線上形式開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的總體反饋為滿意(74.85%)。課題組對(duì)該調(diào)查問卷進(jìn)行了總結(jié)，線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)勢(shì)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富

前期傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)課程中，內(nèi)容包括“坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本制備”“人體心臟聽診、動(dòng)脈血壓測(cè)定和體表心電圖記錄”等7個(gè)驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)，以及中醫(yī)特色綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。采用在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)的課程資源，其廣度和深度都有明顯提升。例如在線下開展“坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本制備”這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生主要實(shí)驗(yàn)流程是先制備坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本，之后進(jìn)行單收縮和強(qiáng)直收縮等現(xiàn)象的觀察。而在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，一方面補(bǔ)充了完整的“蟾蜍手術(shù)基本操作虛擬實(shí)驗(yàn)”課程內(nèi)容，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)廣度及條理性；另一方面，虛擬系統(tǒng)利用筒箭毒堿、新斯的明等工具藥以及玻璃電極注射等實(shí)驗(yàn)手段，在完成基本教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步讓學(xué)生深化認(rèn)識(shí)理解了神經(jīng)-骨骼肌接頭的相關(guān)理論內(nèi)容。在傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)中，很難讓學(xué)生直接接觸筒箭毒堿一類劇毒管制藥品，線上虛擬實(shí)驗(yàn)則很好地避免了這一問題。有64.67%的受訪學(xué)生認(rèn)為，相比于原有的線下實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)有利于更深刻全面地了解實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)理論知識(shí)，這也符合該實(shí)驗(yàn)課程通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的驗(yàn)證從而加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)理解的教學(xué)目標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程更為優(yōu)化

利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在線開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以進(jìn)一步優(yōu)化原有難度較高或者步驟單一的實(shí)驗(yàn)過程。傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)干擾因素較多，很有可能因?yàn)閭€(gè)人操作問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，無法進(jìn)行進(jìn)一步分析。例如在制備牛蛙坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本的過程中，學(xué)生可能由于物理?yè)p傷、操作過程較長(zhǎng)等原因，使坐骨神經(jīng)興奮傳導(dǎo)出現(xiàn)障礙，所以后續(xù)觀察不到完整的強(qiáng)直收縮等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，不僅避免了這一問題，還可以同步觀察刺激強(qiáng)度、動(dòng)作電位幅度以及張力曲線，讓學(xué)生可以全面思考分析3者之間的關(guān)系。而在線下進(jìn)行“家兔動(dòng)脈血壓的神經(jīng)、體液調(diào)節(jié)”實(shí)驗(yàn)過程中，涉及到頸總動(dòng)脈插管術(shù)等操作，部分學(xué)生可能因?yàn)椴僮鞑皇炀毜纫蛩匾鸩骞苁?。而在虛擬實(shí)驗(yàn)中，這一問題也得到了很好的改善。不僅如此，在“高鉀血癥對(duì)機(jī)體的影響”實(shí)驗(yàn)中，也涉及心血管系統(tǒng)相關(guān)操作，例如經(jīng)頸總動(dòng)脈將導(dǎo)管插入左心室這一過程，其操作難度較大，采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則可以很好地在實(shí)驗(yàn)過程中展示左心室內(nèi)壓的變化情況。

2.3 符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理要求

動(dòng)物倫理學(xué)(animal ethics)是關(guān)于人與動(dòng)物關(guān)系的倫理信念、道德態(tài)度和行為規(guī)范的理論體系，是一門尊重動(dòng)物的價(jià)值和權(quán)利的倫理學(xué)說[3]。面臨新形勢(shì)下高校思想政治教育工作的新任務(wù)和新課題，醫(yī)學(xué)院校改進(jìn)思想政治教育工作方法、推進(jìn)課程思政建設(shè)的要求更為迫切[4-5]。

在課程開始之初，課程團(tuán)隊(duì)就制作了專門的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理微課，就相關(guān)動(dòng)物倫理、動(dòng)物福利的知識(shí)進(jìn)行講授。另一方面，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中也增加動(dòng)物倫理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作的講解，如麻醉藥的劑量選擇、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處死方法的選擇等。問卷調(diào)查顯示，通過線上實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，94.01%的受訪學(xué)生經(jīng)過相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理內(nèi)容有更清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步深入了解了“3R原則”的相關(guān)內(nèi)容。例如在“影響缺氧耐受性的因素”這一實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)主要流程包括觀察低張性缺氧以及溫度和預(yù)適應(yīng)對(duì)缺氧耐受性的影響等項(xiàng)目。而年齡因素對(duì)缺氧耐受性影響這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要用到乳鼠，且缺氧窒息過程對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造成較大痛苦，考慮到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理因素，此類觀察項(xiàng)無法大量開展。線上虛擬實(shí)驗(yàn)則避免了這一問題，在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加了年齡因素、亞硝酸鹽中毒、氰化鉀中毒、一氧化碳中毒等觀察項(xiàng)，在增加課程學(xué)習(xí)資源的基礎(chǔ)上，減少了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，減輕了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的痛苦和死亡。

在往年的機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有學(xué)生反映對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束處死動(dòng)物有所不忍。在本學(xué)習(xí)利用虛擬平臺(tái)教學(xué)后，調(diào)查反饋如表1和表2所示，84.43%的受訪學(xué)生認(rèn)為，這種學(xué)習(xí)形式更符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理要求，可以減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用。94.61%的學(xué)生認(rèn)為從減少傷害實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的角度，虛擬實(shí)驗(yàn)的形式較傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 開展機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)是否更符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理要求Table 1 Whether virtual functional experiment is more in line with the requirements of experimental animal ethics

表2 虛擬實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)Table 2 Advantages of virtual experiment over traditional offline experiment

3 線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足

經(jīng)過疫情期間通過虛擬平臺(tái)方式開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐及學(xué)生反饋，課程團(tuán)隊(duì)也總結(jié)出該教學(xué)方式存在的不足(表3)。首先，絕大部分受訪學(xué)生(94.61%)認(rèn)為單純依靠虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不能動(dòng)手操作，缺乏實(shí)踐過程。在課程建議部分也發(fā)現(xiàn)，其中許多學(xué)生希望后期可以以該平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行線上、線下過程相結(jié)合。也有66.47%的受訪學(xué)生認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)固定，不利于學(xué)生就不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行思考。針對(duì)這一點(diǎn)，啟發(fā)平臺(tái)開發(fā)者今后可以轉(zhuǎn)換思路，根據(jù)操作不同設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維。最后，61.68%的受訪學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景相差距大，不能很好地激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣。所以在后續(xù)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)多采用真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程視頻與虛擬操作相結(jié)合的方式進(jìn)行。

表3 虛擬實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)的缺陷Table 3 Deficiency of virtual experiment compared with traditional offline experiment

4 結(jié)語與展望

通過本次研究發(fā)現(xiàn)，在線開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大部分學(xué)生對(duì)于這一新的教學(xué)手段持積極態(tài)度。但是也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，線下實(shí)踐仍然是必不可少的環(huán)節(jié)。通過本次疫情期間對(duì)這一新的教學(xué)方式的探索，提示在今后的機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，通過引入在線虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，進(jìn)行“線上預(yù)習(xí)+線下實(shí)踐”的模式將會(huì)是該課程今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)?！巴Ｕn不停教、停課不停學(xué)”既是戰(zhàn)疫情應(yīng)急之舉，需要多方協(xié)力完成[6]。經(jīng)過此次線上開展機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，總結(jié)新教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)，在今后的實(shí)踐中不斷發(fā)揚(yáng)，針對(duì)存在的部分問題，則可以在后續(xù)教學(xué)過程中不斷優(yōu)化，這將為機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)及其他相關(guān)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的開展提供借鑒。