醫(yī)學生理學呼吸系統(tǒng)“三位一體”整合實驗探究

周 紅，高興亞，張 楓，袁藝標

（1.南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學國家級教學示范中心 江蘇 南京 211166；2.南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學國家級虛擬仿真中心 江蘇 南京2 11166；3.南京醫(yī)科大學生理學系 江蘇 南京 211166）

醫(yī)學實驗教學是培養(yǎng)醫(yī)學生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質的一個重要的環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)生理學實驗以驗證式動物實驗為主，內容陳舊，教學形式單一，已經不能滿足培養(yǎng)具有創(chuàng)新性新型醫(yī)學人才的需求。醫(yī)學人才培養(yǎng)必須以強化實踐教學為著力點，以信息技術的應用作為提高教學質量的重要手段，提升實驗教學學科綜合性、技術先進性和方法探究性，實現實驗教學效果的新突破[3]。近年來，南京醫(yī)科大學國家級基礎醫(yī)學實驗教學示范中心機能實驗室以培養(yǎng)卓越人才為導向，不斷充實探索性實驗，融入人體機能實驗，同時推進信息化、人工智能和虛擬仿真技術在醫(yī)學實驗教學中的應用，構建結合動物實驗-人體實驗-基于ESP的虛擬仿真實驗的“三位一體”實驗教學體系，將基礎與臨床應用密切結合，探索醫(yī)學實驗教學新模式。

本文介紹了南京醫(yī)科大學生理學呼吸系統(tǒng)“呼吸運動的調節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”“三位一體”整合實驗模式。

1 硬件設施升級

根據“三位一體”整合實驗教學開展的需求，整個機能實驗室進行了水電氣、網絡的升級改造，鋪設聚氯乙烯地面、配備LED照明等。配置的三位一體實驗臺可以同時開展人體實驗、動物實驗和虛擬仿真實驗。實驗動物生物信息化采集系統(tǒng)由我校教師團隊自主研發(fā)，在國內醫(yī)學院校推廣應用，有較好的應用基礎。人體實驗軟件為其最新研制成果，界面設計簡單友好，使用方便，有一定的數據分析功能，滿足教學需求。

全新的視頻和錄像系統(tǒng)可以實現線上和線下同步化，滿足特殊時期的實驗教學需求。視頻系統(tǒng)會把老師的每個示教過程清晰地展示在學生的終端機上，避免了因圍觀而影響視覺效果的情況。學生的操作經過錄像系統(tǒng)可以很好地展示在教師機上，老師可以第一時間發(fā)現學生的不規(guī)范或錯誤操作，及時糾正。

2 呼吸系統(tǒng)“三位一體”整合實驗設計

呼吸系統(tǒng)的生理功能和調控是生理學的重要內容，其中呼吸功能的調節(jié)、肺通氣的原理、胸膜腔內壓的形成等知識點既是重點也是難點，概念抽象，不易理解。正常的胸膜腔密閉且呈負壓，是進行正常呼吸運動的結構和功能基礎。一旦胸膜腔密閉結構被破壞，負壓消失，肺通氣功能出現障礙，就形成氣胸。氣胸是常見的內外科急癥，氣體進入密閉的胸膜腔，造成胸膜腔內壓力增高迫使肺塌陷，影響呼吸運動和肺通氣功能，嚴重的會導致機體缺氧，甚至危及生命。

本研究針對“肺通氣的實現”這一醫(yī)學問題設計了“呼吸運動的調節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”三位一體整合實驗。利用人體實驗反映人體肺通氣功能變化，通過動物實驗探究肺通氣的各種影響因素，利用ESP實驗聯系臨床相關疾病案例，探索各因素引起肺通氣功能變化的機制、治療原則等。實驗內容涉及生理學、解剖學、病理生理學、內科學、外科學等多學科知識，從正常到疾病，從基礎到臨床，從現象到本質，實現了基礎和臨床結合，實訓和虛擬互補，教學與科研融通。

2.1 人體實驗

本實驗以檢測正常人肺通氣功能和變化為目的，以學生為實驗對象，利用生物信號采集系統(tǒng)，測量潮氣量、肺活量、用力肺活量、時間肺活量等指標。在實驗設計上，我們分別采取檢測安靜時和運動后的通氣功能指標，觀察呼吸運動前后肺通氣功能的變化。同時，我們要求每實驗小組記錄下至少兩位同學的實驗數據，然后匯總全班數據，并進行統(tǒng)計學檢驗，用統(tǒng)計學方法科學探討肺通氣功能隨機體運動狀態(tài)的變化而改變的規(guī)律。

人體實驗約占3個學時，其中教師授課約15分鐘，學生實踐操作約65分鐘，數據統(tǒng)計分析約10分鐘，最后分析討論20分鐘，教師可根據實際課堂情況適當調整時間。講授內容主要包括實驗原理和操作步驟。在分析討論中，老師可引導學生首先分析運動前后肺通氣功能發(fā)生了什么樣的變化，進一步探討為什么會出現這種變化，生理意義何在等問題，從而得出這樣的結論：當運動時，機體的耗氧量大大增加，產生的CO2也大大增加，這就需要通過調節(jié)增加肺通氣功能適應機體需求，其生理意義在于保持體內氧濃度和CO2濃度的穩(wěn)定。最后，老師可向學生提出“呼吸運動調節(jié)的機制”等問題，誘導學生深入思考體內化學感受器反射性調節(jié)呼吸運動的作用和途徑，為后續(xù)的動物實驗的做鋪墊。

2.2 動物實驗

“呼吸運動的調節(jié)”是一個非常經典的生理學動物實驗，學生通過觀察家兔吸入氣變化對呼吸活動的影響并分析其作用機制。教學安排上，動物實驗用時5學時，結合分組操作、視頻講解、老師現場指導學生動物麻醉，氣管插管等，讓學生有充分的實踐操作機會，提高學生的實踐能力。實驗內容上，我們通過分別改變動物吸入氣中O2和CO2的濃度以及外周血中H+濃度，觀察這些因素改變是如何調節(jié)呼吸運動的，誘導學生深入探討O2、CO2、H+濃度變化調節(jié)呼吸的機制和途徑，勾勒出化學感受性調節(jié)反射的反射弧。

在人體實驗中，學生通過實驗觀察到運動引起的呼吸運動的變化，并分析出由于運動引起的體內O2、CO2、H+濃度變化導致呼吸運動發(fā)生相應的改變；而動物實驗中，學生分別觀察了O2、CO2、H+濃度變化對呼吸的影響，并深入分析了它們的作用機制和途徑。這樣人體實驗和動物實驗相互聯系，相互結合，層層遞進，從不同角度探討呼吸運動的調節(jié)機制，有助于學生更好地理解并培養(yǎng)科學的思維能力。

2.3 基于ESP的虛擬仿真實驗

2.3.1 ESP內涵

ESP(Electronic Standardized Patient)標準化病人教學系統(tǒng)是基于System Physiology理論支撐，利用臨床數據建立數學模型，通過人工智能進行數據分析挖掘建立的生理驅動虛擬人為核心技術的人體功能虛擬系統(tǒng)。ESP的內核由南京醫(yī)科大學聯合全國多家高校與上海夢之路數字科技有限公司合力研發(fā)。該系統(tǒng)通過模擬人體在健康生理和病理生理、藥理狀態(tài)下主要生理指標的變化，并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）。

2.3.2 氣胸ESP實驗設計

氣胸ESP實驗堅持“能實不虛”的基本原則進行虛擬仿真項目設計[4-5]，通過ESP機能學功能數字人，解決實驗教學中學生按步驟操作無法結合案例自由探索的缺憾，利用數據模型提供直觀氣胸形成原理，利用虛擬仿真實驗案例模擬氣胸臨床場景，無須遵循固定的實驗步驟，學生可以對虛擬患者進行觀察、分析，自由探索氣胸的發(fā)生機制。本實驗用時2學時。

本項目包括4個模塊：①“機械模型”模塊，從物理學角度解釋胸膜腔內壓形成的本質及肺通氣是如何實現的；②“生理模型”模塊，從生理學角度認識呼吸運動調節(jié)的規(guī)律；③“臨床案例”模塊，通過三種類型氣胸相關案例的機制探討、實驗性治療和療效觀察，考核學生對知識的運用能力；④“總結評價”模塊，通過對學生操作的數據分析完成形成性評價。

“機械模型”模塊使用交互式互動的物理模型，用機械運動模擬呼吸生理過程，幫助同學理解胸膜腔負壓形成的原理及其對肺通氣的影響和表面張力對呼吸系統(tǒng)的影響。

“生理模型”模塊模擬在體情況下，在神經系統(tǒng)的參與下肺通氣的活動過程，通過對動脈血氧分壓、二氧化碳分壓、H+濃度等因素的實時調節(jié)，從人體生理學角度反映在體條件下單因素引發(fā)的肺通氣調節(jié)反應。該模塊依托ESP功能數字人進行實時仿真運算，用數據驅動3D模型的動態(tài)變化，在完成生理模型學習后完成實驗報告及實驗知識考核。

“臨床案例”模塊引入臨床常見的三種類型氣胸，即開放性氣胸、閉合性氣胸張力性氣胸，模擬疾病過程中患者癥狀、體征和患側胸腹腔內壓值等臨床監(jiān)測指標的變化。學生通過觀察和分析，應用從機械模型和生理模型中學的知識，對各個臨床案例中相關疾病的病理生理機制及治療原則進行演繹推理，找出其中引起肺通氣異常的主要因素，并檢測治療效果，完成測試題。通過任務的驅動，促進學生對學習資源的積極主動應用，有利于培養(yǎng)學生知識結構的整體性、全面性和融通性，鍛煉其綜合分析和自主學習能力[6]。

“總結評價”模塊總結本實驗需要掌握的知識點，并對學生操作的數據進行分析，完成形成性評價，有助于引導學生進行深層次和成就式學習，總結評價是教與學雙向質量的重要手段[7]。系統(tǒng)將自動記錄學生的訪問信息、每次操作和考核的結果，生成評價報告，并進行錯題解析。

3 “三位一體”整合實驗的實施效果

“呼吸運動的調節(jié)-肺通氣功能檢測-氣胸ESP實驗”整合實驗針對同一醫(yī)學問題，即肺通氣功能實現，強化人體機能實驗，利用人體實驗反映人體肺通氣功能變化；保留了傳統(tǒng)動物實驗的核心內容，通過動物實驗探究肺通氣的各種影響因素；利用ESP發(fā)現各因素引起肺通氣功能變化的機制，幫助學生推演氣胸發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和防治策略，提高知識的理解和運用能力，訓練臨床思維。三種實驗模式有機銜接、虛實互補，從現象到本質，逐步深入。實驗過程中注重探索，以任務為驅動，實驗過程參照科研訓練的程序，加強創(chuàng)新實踐訓練。調查統(tǒng)計顯示，學生對整合實驗的學習興趣顯著提升，表示很喜歡這樣的實驗課，希望能多開設類似的整合實驗；同時，同學們的創(chuàng)新思維和實踐能力明顯提高，多次在多項實驗技能大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲獎。南京醫(yī)科大學基于“三位一體”機能實驗教學新體系建設的“信息技術與醫(yī)學教育深度融合的創(chuàng)新實踐”曾獲國家級教學成果二等獎，“醫(yī)學教育的信息化流程再造”曾獲江蘇省教學成果特等獎。

4 結語

“三位一體”生理實驗教學新體系由我校首創(chuàng)，該體系針對同一論題，將人體機能實驗、動物實驗和虛擬仿真實驗有機融合并綜合運用，實現早臨床、早科研和推動學生自主學習教學新理念。新體系適應了勝任力導向、能力培養(yǎng)為核心的醫(yī)學教育新模式的要求，學生反饋效果好，得到同行的高度評價。因此，2021年中國生理學會在我校舉辦教學培訓班，旨在促進交流、資源共享、創(chuàng)新合作，加快推進生理學實驗教學改革進程，推動醫(yī)學教育事業(yè)建設和發(fā)展。這一舉措強調了教學與信息技術的深度融合，探索構建知識、能力、素質協調發(fā)展的新型實驗課程體系的重要性。