基礎醫學拔尖創新人才培養中的“雙課堂”整合式實驗教學模式

吳敏昊 高國全 汪雪蘭 周 倜 彭 毅 許志威 郭開華 王淑珍

(中山大學中山醫學院, 廣州 510080)

創新性人才培養是基礎醫學學科發展的核心[1]。現代醫學和社會的發展對基礎醫學人才培養模式提出了更高的要求,要以寬厚的科學為基礎,著重培養學生的創新思維和科學研究實踐能力[2-4]。近年來,國內多家醫學院校在基礎醫學本科生教育改革方面進行了一些有益的嘗試,如理論課程體系整合,開展模塊化教學或開設課程群;實驗教學改革,開設綜合性或探索性大實驗等[4-8]。這些改革措施取得了一定的效果,但在實施和推進過程中仍存在一些不足[9-12]。因此,亟需通過構建基礎醫學創新教學體系,打造高效的實驗教學模式,探索出一條適用于拔尖創新人才培養的新路徑。

中山大學自2014年起開始復招基礎醫學本科專業,2020年獲批教育部首批“基礎醫學專業(強基計劃)”及“基礎醫學(陳心陶)拔尖學生培養基地”。經過多年實踐,逐步構建了符合基礎醫學學科特點的拔尖人才培養體系,形成了“生醫并重、疾病導向、創新引領”的模塊化課程體系。近年來,中山大學中山醫學院積極探索基礎醫學實驗教學課程體系整合和教學模式改革[5-6],經過6年的實踐驗證和不斷優化,探索出一種適用于基礎醫學本科生創新和實踐能力培養的“雙課堂”整合實驗教學模式。以下重點分享基礎醫學本科“雙課堂”整合實驗教學模式的建立和實施情況。

1 基礎醫學“雙課堂”整合實驗教學模式的建立與實施

中山大學中山醫學院從2015年起成立了基礎醫學實驗教學改革團隊,前期在北大、復旦、交大、浙大等多家國內一流醫學院校深入調研,并廣泛征求一線教師、科研項目負責人(principle investigator,PI)和醫學本科生的意見,在此基礎上設計并構建了“第一課堂”(實驗課堂教學)和“第二課堂”(PI實驗室實踐)相結合的整合實驗教學模式,不斷優化改進,探索出一種適應于醫學創新人才培養的基礎醫學“雙課堂”整合實驗教學新模式。

學生可以通過“第一課堂”的綜合性大實驗模塊、學術研討模塊和虛擬實驗教學模塊,了解到相應的前沿技術和科研進展;通過“第二課堂”獲得全程“一對一”導師指導和系統規范化的實驗室培訓。基礎醫學專業本科生前期在PI實驗室輪轉,確定感興趣的科研方向;中期將第一課堂的創新性實驗設計和開題報告與第二課堂的預實驗及畢業設計無縫連接,讓學生近距離接觸和了解學院PI的科研領域;后期在創新性探索實驗的基礎上確定并完成畢業設計課題,全方位培養學生的科研素養和創新能力。具體實施情況和要點如下:

1.1 “生醫并重、疾病導向、創新引領”的基礎醫學整合式大實驗課程的建立

基礎醫學“雙課堂”整合實驗教學模式全程由一線PI主導設計和參與教學,緊密聯系醫學研究實際需求,綜合性大實驗模塊和專題討論模塊讓學生全面掌握基礎醫學多個研究領域的前沿進展,讓學生早期接觸高端、前沿的生物學和醫學實驗方法,并得到系統、規范化的實驗技能培訓;生物安全虛擬仿真實驗教學模塊讓學生了解生物安全三級實驗室的進出流程、防護裝備穿戴以及突發事件應急處理的操作規范;通過創新性大實驗設計充分發揮了學生的自主創新性,培養了學生的動手能力、探索精神和創新能力。

“第一課堂”包括《分子醫學前沿技術(一)》(180學時,5學分,專業必修)和《分子醫學前沿技術(二)》(36學時,1學分,專業必修)這兩門整合式大實驗課程,主要在實驗教學中心完成[5,13]。《分子醫學前沿技術(一)》主要包括分子生物學、免疫學、微生物學、病毒性和機能形態學5個綜合性大實驗,實驗選題從臨床實際和科學前沿問題出發,通過提前發布問題,讓學生以小組為單位,自主查閱文獻,提出實驗方案,和老師討論后確定最終方案并獨立完成的教學方式,培養學生自主學習和解決問題的能力。5個大實驗交叉進行,全程實驗操作和進度安排均由學生獨立完成,也解決了傳統實驗教學中因為課時或場地條件限制導致的實驗內容“斷片”和“不連貫”問題。《分子醫學前沿技術(二)》主要根據中山大學醫科的優勢學科方向,邀請高水平PI給學生講授其重大成果的發現經歷和相關領域前沿進展;并邀請生物安全三級實驗室主管老師進行生物安全培訓和虛擬實驗教學,讓學生了解到生物安全的重要性。通過將一線科研融入課堂教學,加強了學生對于科研的認知和理解,幫助他們找到感興趣的科研方向,并自主完成1個創新性大實驗的設計和實踐。

課程內容設計以一線科研PI為主導,吸引高水平PI(“杰青”“優青”“青千”“青長”和中山大學“百人計劃”引進人才等)的加盟,打造一支高素質、精英化的“學術型”教學團隊。此外,由于大實驗耗時長、操作復雜、各學生小組獨立操作,實驗進度差異較大,對實驗平臺和教輔人員提出很高要求。為了保證教學效果,學院投入專項經費,從空間、儀器、人員等方面建設了專門的高水平實驗教學平臺,配置了流式細胞儀、熒光正置/倒置顯微鏡、熒光定量PCR、超高速冷凍離心機、智能凝膠成像系統等一系列高端科研儀器,以滿足基礎醫學綜合創新性大實驗課程的需求。同時,在課程籌備階段由一線PI對實驗教輔人員進行技術培訓,做好綜合性大實驗和創新性大實驗的軟硬件保障。

1.2 “第一課堂”和“第二課堂”相結合的創新性教學模式的實施

“第一課堂”為實驗室課堂教學,包括《分子醫學前沿技術(一)》和《分子醫學前沿技術(二)》這兩門整合式大實驗課程,以科學前沿和臨床疾病為導向,建設模塊化課程群,通過小班教學、問題導向、翻轉課堂、虛擬仿真、情景教學等多種教學模式開展5個綜合性大實驗,同時加入不同研究領域的專題學術討論,充分調動學生的主觀能動性。

“第二課堂”為PI實驗室實踐,選擇具有高水平研究能力和擁有開展科學研究必備的實驗室空間的高水平PI作為基礎醫學本科生的學術導師或科研導師。學生和導師間雙向選擇,一對一指導。前期在PI實驗室輪轉,讓學生近距離接觸和了解學院PI的科研領域,找到自己的科研興趣所在;后期實行科研導師負責制,學生在科研導師實驗室完成畢業課題設計,科研導師對學生進行科研指導,負責最后的科研課題完成和論文答辯,保證系統、高水平的科研訓練貫穿全程。此外,通過科研實踐、開題答辯、中期考核、論文審核、畢業答辯等多個環節的考核和評估,在“第二課堂”實行比較全面的進行性評價,強化了對于基礎醫學學生綜合素質、科研能力和創新思維的培養。

如圖1所示,學生通過“第一課堂”的綜合性大實驗模塊、學術研討模塊和虛擬實驗教學模塊,了解到相應的前沿技術和科研進展。“第一課堂”和“第二課堂”的有機結合,將創新性實驗設計、開題報告和畢業設計做實做細,強化了對學生創新思維和科研能力的培養。

1.3 多種教學模式并行,全面實施形成性評價

“第一課堂”積極探索多種教學方法和多維度考核評價學生的模式,全方位培養拔尖創新人才。通過TBL和翻轉課堂、理論教學、虛擬仿真教學(包括生物安全線上虛擬游戲模塊和現場VR情景式教學)、探索性實驗、前沿講座、專題研討、個性化課題設計和答辯報告會等方式,培養同學的自主學習能力、團隊意識、分析解決問題能力、組織領導才能等綜合素質。在5個綜合性大實驗中,先讓學生按小組提出實驗設計方案,老師引導討論,形成最終實驗方案。小班研討模式有利于激發學生學習熱情,引導學生自主學習、合作學習和深度學習,培養學生探索未知問題的能力。在“第一課堂”的教學過程和“第二課堂”的實踐過程中全面實施以形成性評價為主的考核評定方式。“第一課堂”分子生物學、免疫學、微生物學和機能形態學大實驗開始前由學生分小組(每組3～4人)自行設計實驗內容匯報討論,進行自評和他評,確定實驗方案后,以小組為單位進行實驗操作。每個學生在每個大實驗的開始和結束進行問卷調查,根據學生的反饋及時調整。每個學年結束,結合問卷調查、課堂評教、教師反饋和導師意見等多方信息進行分析,對課程教學設計和培養體系進行優化。“第二課堂”借鑒本校基礎醫學研究生培養模式的成功經驗,在創新性實驗設計中邀請不同學科領域的高水平PI做專題講座,參與學生課題設計討論和開題答辯;同時要求科研導師全程一對一指導學生日常科研實踐活動(1年以上)、開題答辯、中期考核、論文審核和畢業答辯,各環節參考研究生管理模式進行規范化管理,實現本科生和研究生教育的無縫銜接。

1.4 注重加強生物安全教育并將課程思政滲透在教學過程中

學校率先在國內本科生實驗教學中開設生物安全三級實驗室虛擬仿真教學,并將相關課程思政內容滲透其中。生物安全攸關民眾健康、社會安定和國家戰略安全。目前多種重大、新發突發傳染病嚴重威脅公共衛生和人民健康,其防治研究必須在相應的生物安全實驗室進行;而國內外生物安全專業人才緊缺。考慮到生物安全三級實驗室的特殊性(生物安全風險、場地空間小、防護裝備昂貴),生物安全虛擬仿真實驗是最佳普及培訓方式[14]。

中山大學生物安全三級實驗室是華南地區最早的生物安全三級實驗室,承擔了大量的生物安全研究和人才培訓工作。通過生物安全理論講座,讓學生了解目前國際生物安全前沿動態及國家戰略需求,將個人發展與國家需求緊密結合,提升了國際視野和家國情懷。通過生物安全三級實驗室VR和網絡版虛擬仿真教學,并在實踐過程中根據師生反饋不斷整合優化成兩大模塊:①生物安全三級實驗室進出流程及防護裝備穿戴; ②生物安全三級實驗室火災、溢灑等突發事故應急處理。模擬真實情景,采用VR沉浸互動式智慧課堂教學方式,顯著提高了學生的參與度和學習效率。由于課堂時間限制,我們還配套開發了相同情景內容的網絡版生物安全互動游戲模塊,用于學生課外學習和實踐。該成果目前也成功應用到研究生及其他生物安全人員的前期培訓,獲得“2018年國家虛擬仿真實驗教學項目”稱號,并于2020年入選首批國家級一流本科課程名單。

1.5 “雙課堂”整合實驗教學模式的實施效果

基礎醫學“雙課堂”整合實驗教學模式經過6年的實踐檢驗,在創新拔尖人才培養方面效果顯著,得到了師生的一致好評。據2018級和2017級基礎醫學專業本科生的教學評價問卷調查結果顯示,學生在“第一課堂”整合式大實驗課程(即《分子醫學前沿技術》)的教學內容設計、任課教師表現和教學效果等方面均給出高度評價(圖2)。

在最近3屆(第5～7屆)的“全國大學生基礎醫學創新研究暨實驗設計論壇”上,中山大學基礎醫學專業學生參加全國總決賽合計26人次,其中獲得一等獎5人次、二等獎7人次、三等獎5人次。此外,“雙課堂”模式中的課程思政和生物安全教育也提高了學生的使命感和責任擔當。新冠疫情以來,基礎醫學專業學生多次參加核酸檢測、流調、科普等防疫志愿服務工作,以極高的參與熱情、良好的服務質量、優秀的專業素養,用實際行動展示了中山醫學子的勇氣、責任和擔當。

2 未來建設思路

2.1 與時俱進,不斷完善“第一課堂”大實驗教學內容

隨著精準醫學的不斷發展,可考慮增加生物信息學分析、分子遺傳學、分子診斷學等實驗課程,以確保緊跟醫學研究前沿。生物安全是目前國家戰略需求,但目前國內生物安全人才緊缺。未來可以增加課程中生物安全講座的學時,讓學生了解到更多的生物安全知識和前沿動態,同時可以加強生物安全防護裝備實物穿戴演示的培訓。

2.2 總結經驗,并將其應用到更多醫學專業拔尖創新人才培養

基礎醫學綜合大實驗和創新性實驗設計,目前采取的是全程小班教學,主要面向基礎醫學和強基專業的本科生。“第二課堂”全程一對一導師制依托中山大學醫科的雄厚師資,讓學生得到全程系統規范的科研培訓,也為創新性大實驗的開展提供了平臺。目前全程導師制和基礎科研培訓均已納入八年制臨床醫學的培養方案中,未來如果實驗場地、師資和經費許可,可考慮將這種“雙課堂”實驗教學模式擴大至臨床醫學八年制學生。

3 結 語

基礎醫學教育是醫學拔尖創新人才培養的基石。基礎醫學拔尖創新人才應注重培養其寬厚的理論儲備、扎實的實驗技能和創新的科研思維,以適應醫學發展和國家戰略需求。基礎醫學實驗教學是拔尖創新人才培養的關鍵環節,“雙課堂”模式將實驗教學從課堂擴展到PI實驗室,保證了全程系統規范化的科研培訓和高水平、個性化的創新性大實驗的開展,為構建適用于基礎醫學拔尖創新人才培養的新型實驗教學課程體系提供了思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明吳敏昊:設計課題,收集資料,撰寫論文;汪雪蘭、周倜、彭毅、許志威、郭開華:收集資料,查閱文獻,分析問卷;王淑珍、高國全:設計課題,修改論文