信息技術與實驗課程整合在基礎醫學教育中的應用

許 燕 李 沛 張善鋒

(鄭州大學基礎醫學院實驗中心,鄭州 450001)

教育部、國家衛健委、國家中醫藥管理局聯合發布的《關于加強醫教協同實施卓越醫生教育培養計劃2.0 的意見》指出:把加快推進現代信息技術與醫學教育教學的深度融合作為改革的戰略選擇,推進“互聯網+醫學教育”,用新技術共建共享優質醫學教育資源;廣泛開展混合式教學和在線教育[1]。

醫學實踐教學作為一種高級專業技能教育,數字信息技術與醫學實驗課程的融合改變了其教學模式、教學方法,加強基礎醫學虛擬仿真實驗教學建設可在較高水平上有效化解實物醫學實驗的生物安全風險高、資源較稀缺等系列困難[2],其具有降低教育成本,提高教育質量,更好地發揮基礎醫學教育人才與技術優勢。

鄭州大學基礎醫學實驗中心圍繞課程整合與網絡信息化教學平臺建設,進行了一些探索,旨在為高等醫學教育形成完善規范的數字信息化醫學實驗教學模式提供借鑒與參考。

1 信息技術與實驗課程整合的探索

1.1 建立機能學虛擬仿真實驗項目

醫學機能學是基礎醫學實驗的一門重要課程,具有理論直觀性,其主要通過建立動物模型模擬臨床患者,來觀察并探討疾病發生過程中各項生命指標變化機制、疾病發生發展病理生理過程及藥物作用機制的基礎醫學實驗課程[3]。

本著“以實為主,以虛補實,虛實結合”的教學原則[4-5],我們以真實動物實驗為模板,建立了具有自主軟著權的三維虛擬仿真手術實驗場景,機能學虛擬仿真實驗教學實現了教學中知識點的可視化、數字化、虛擬化,解決了實驗教學難點問題,適合學生反復演練學習、提升實驗教學效果并減少浪費[6]。

學習者可人機交互操作實驗全過程。通過觀看“云平臺”的實驗演示部分,學生可以對將要進行的實驗形成感性認識,同時避免了教師在實驗示教時多人圍看,讓每位學生都能清楚地觀看到實驗操作中的每一個步驟,并且教師可以就操作的難點進行重點講解,學生后繼實景操作時實驗成功率幾近 100%。另外,對于因動物倫理、學時限制、實驗安全、儀器造價、慢性實驗、模型復制難度大等原因,現實中無法開展的經典實驗以虛擬演示和操作呈現,擴大學生知識面、加深其對理論知識的理解消化。

1.2 建立數字化智慧實驗室

為了能夠快速地發現每臺實驗的進展情況,及時處理手術中出現的操作問題和儀器異常,我們自主創新建立了數字化智慧教學系統用于機能學實驗課堂。該系統由教師機工作端、多媒體、同步演示、生物采集系統、動物呼吸機、學生機工作端組成,系統安裝的實驗模塊按學科或系統分類,根據需求進行選擇,教師端可一機多屏實時查看每個實驗臺上學生機中生物信號采集系統的操作界面和手術場景,及時發現實驗數據和操作的異常問題,從而快速排查實驗操作各環節并處理。同時,對具有典型意義的實驗操作場景和數據可以進行實時屏幕傳遞、共享投影。實驗結果可用數據和圖形兩種形式處理后上傳至數據庫,交由教師批閱及管理。

1.3 建立形態學數碼互動實驗室

形態學實驗以觀察各類大體和切片標本為主要教學方式,其中組織切片標本是重要的教學資源[7]。但是,玻璃切片標本在教學中容易損壞,日久會褪色,而組織來源較少的標本在損耗后難以及時補充,因此,我們將玻璃切片進行掃描,轉化為高分辨率的數碼切片,按照教學大綱章節設置分類建立數據庫,以此為基礎同時建設了數碼互動實驗室。教師通過教學系統既可將數據庫中的數碼切片快速傳遞至學生端的計算機,也可以將顯微鏡下的實體切片通過投影儀展示給學生,而學生顯微鏡下觀察到的切片可以通過攝像頭捕捉后傳輸到教師教學系統中,教師可以通過其觀察到學生端顯微圖像,并且可以進行一對一、一對多輔導和答疑。實驗室內通過無線網絡的互聯,實現了數字切片的快速傳輸。學生進入實驗室后,打開移動端APP,就可以和本人座位的顯微鏡聯通,鏡下看到的切片圖像在移動端可同步看到并下載保存。

1.4 人體解剖學虛擬仿真實驗教學

局部解剖學是臨床醫學專業學生必須牢牢掌握的基礎學科,通過數字信息技術與解剖學知識相結合的虛擬教學可以很好地解決這一問題[8]。我們根據教學大綱的要求,制作了具有自主知識產權的局部解剖虛擬教學軟件,緊貼真實的虛擬操作,使學生達到解剖學仿真訓練目的。進入虛擬操作界面后,學生點擊鼠標拖動虛擬器械即可實現虛擬解剖實驗,操作選擇正確則實驗就會順利進入下一環節,并顯示該操作的成績分值;反之則需重新操作。這樣學生通過虛擬操作先進行自學,由淺入深逐層掌握機體結構,提高手術操作的準確性,另外,在虛擬操作過程中還可點擊任意放大屏幕圖片,觀察機體的深層結構、細微結構。

引入系統解剖數字化教學軟件,每個系統的每個器官可以單獨三維旋轉顯示,尤其配有珍貴易損標本,如篩管、蝶骨、耳蝸等。另外,這種軟件可用以斷層解剖,學生通過對虛擬人體任何橫斷面、矢狀切面隨手一畫,就能看見該斷面的解剖結構、器官間的毗鄰關系、CT 影像圖片。兩種虛擬教學的共同使用,起到更好的互補[9]。

1.5 建立微課資源庫

微課即微型視頻網絡課程,是圍繞學科知識點或教學環節設計研發的短時、情景化的視頻課程單元。其優勢是:篇幅精短、演示靈活方便,碎片化學習利于集中注意力[10-12]。適用于課堂前后的預復習環節,學習中學生根據自身需要,側重學習內容,從而實現分層教學和個性化學習。我們根據課程特點,選擇不同的課程設置,將知識點拆分成5～10 min 的微課視頻,先利用問題引入,之后通過思維導圖使學生了解每個點的內容及點之間的關聯,這樣做利于學生快速提取自己需要的知識。

2 網絡信息化教學平臺建設

為了讓學生更好地體驗學習過程,獲得最佳教學效果,利用信息技術和虛擬仿真實驗開發軟件建設和整合各學科教學資源,構建一個開放、互動和智能化的虛擬仿真教學平臺(圖1)。依托建立的專有“云平臺”(http://zzu.hmcyhpg.com),通過計算機網絡向校內外和社會全面共享各種教學資源,讓教與學可視化。建設的網絡資源學習平臺(圖2),連通“移動端”“教室端”“教學端”三大端口,開啟整個基礎醫學教育的“一平三端”智慧教學系統。做到智慧教育、智慧管理,實現真正意義上的老師和學生可以 24 h 隨時登錄和學習的“云教育”。

圖1 基礎醫學實驗中心網絡信息化教學平臺構架

圖2 教學資源共享庫

同時還建立了全英文虛擬實驗操作云平臺,并對外接入“中國大學MOOC”的“愛課程”國際平臺。學生可在世界范圍內登錄進行學習,從而使學校的醫學留學生教育與國際接軌的同時,另一方面也擴大了學校的知名度。

建立共享的教學資源庫。通過課程創建、課程運行管理、師生線上線下互動、課后教學效果分析等從全方面監控及督促學生專業知識的學習。

在虛擬仿真教學平臺中引入課程思政教育,通過虛擬仿真方式將專業教育與臨床模擬倫理教學有機結合,有效地激發了學生對相關醫學倫理問題的敏感性,使其在職業道德、社會責任意識等方面有效提升自身素養。

學生借助于虛擬實驗平臺網上提交實驗報告。操作時學生無需瀏覽器插件通過Web 端完成全部虛擬操作后,在線提交實驗報告。教師端能對學生完成的虛擬實驗情況進行檢查和批改。同樣,學生端可以查看個人實驗成績和老師評語。專業水準管理云平臺團隊,并對云平臺進行分專業、分區管理(圖3)。對學生的學業相關數據及時統計,進行課程學習中的形成性評價。

圖3 教育資源云平臺結構圖

此種平臺建設模式的成功,全方面監控及督促學生的專業知識的學習,為卓越醫師培養計劃的完成打下基礎。

3 課程整合過程中應注意的問題

實踐是創新能力培養的主陣地,“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”,因此虛擬實驗目前不能完全取代以手術操作為主的課堂實驗,虛擬實驗用于預復習和擴展知識是其優勢[13]。醫學是門實踐性很強的課程,一臺綜合實驗的開展更接近真實手術環境,多人參與,既各司其職又需相互配合,培養學生的團隊合作精神和動手能力,加深感官體驗以訓練其掌握手術操作中應具有的精確度、分寸感。雖然實驗過程中包含有很多意外變化因素,但正是這種意外存在,才能有助于學生提高自身的獨立思考、分析及解決問題的能力,會對疾病的發生、發展及機制有更直觀的認識和體會[2]。

形態學數碼互動教學環節不可忽視學習方法的傳授。臨床上組織切片的觀察,從肉眼看到鏡下觀都有一套嚴謹規范的觀察方法和注意事項,實驗教學同樣應以遵循。數碼顯微教學系統將組織切片的微觀畫面方便、迅捷地傳輸至計算機顯示屏,雖然利于學生對組織、細胞的觀察[14],但過度依賴會使得學生使用顯微鏡的能力大大下降,并且觀察時隨意且缺乏目的性,此與臨床上觀察組織切片的注意事項不符,在實驗教學過程中需及時糾正學生對顯微鏡觀察方法的輕忽,使操作更加規范。

4 網絡信息技術與實驗課程的整合實現“互聯網+醫學教育”

數字信息技術使醫學實驗教學方式、方法發生變革,先進的學習平臺、教學資源的開放共享、虛擬現實、線上線下混合式教學模式,創造了與傳統教學模式不同的“教學環境”,實現了既能體現老師的主導性,又能體現學生主體性,以自主、探究、創新為特點的教與學互動模式,并有效化解實物醫學實驗的生物安全、醫學倫理限制問題。同時,為進一步擴大醫學教育受益面至國內外其他醫學高校,具有重要的現實意義[15]。

因此,我們的醫學教育既要跟得上互聯網信息科技的發展,同時也應結合自身學科的特點,做到線上線下教學的優勢互補,傾聽師生的反饋和國內外同行的建議,不斷創新、改進教學內容,完善、規范先進教學方法,以適合當代醫學人才培養的要求,繼而開展更加優質且高效的醫學實驗教學活動。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明許燕:研究構思與設計,數據收集與分析,撰寫論文;李沛:可行性分析,研究驗證;張善鋒:項目建設,修改論文