機能學教學中課堂設計性實驗的探索與實踐

董曉敏,孫笑語,崔艷秋,童學紅,李利生

(首都醫科大學基礎醫學國家級實驗教學示范中心機能實驗室, 北京 100069; △通訊作者)

醫學機能學是一門實驗性課程,是將機體生理、疾病發生發展、藥物治療等內容有機結合的醫學核心課程,是基礎實驗與臨床前沿相結合的橋梁課程[1,2]。實驗的課堂設計要求學生在實驗課堂中當堂設計并實施完成,設計性實驗課程具有培養學生創新思維和調動學習興趣的作用[3-5]。2019年 10月 31日,教育部發布的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》[6]中提出“提升課程的高階性、突出課程的創新性、增加課程的挑戰度”即“兩性一度”的“金課”概念,強調“課程是人才培養的核心要素”。我校機能學實驗室參照“金課”的“兩性一度”標準,結合醫學機能學實驗特點,進行多維度改革探索,開展各種類型的設計性實驗教學,積累了一定的教學經驗,參與學生反饋效果良好。本文以未知溶液Y對牛蛙心臟的影響的課堂設計性實驗為例,總結設計性實驗教學中的一些經驗與反思,尤其是教學內容設計與混合式教學模式的應用,以供參考。

1 機能學課堂設計性實驗在基礎醫學教學中的重要性

在機能學實驗教學實踐中,基礎性實驗主要目的為訓練學生基本操作技能、加強理論知識理解與鞏固;綜合性實驗主要目的為提升學生對正常到異常再到治療后的機體功能變化的完整過程的系統認識和邏輯思維。這些實驗的題目與內容一般是按照教學大綱擬定,按照既定步驟進行[7]。自主設計性實驗具有培養學生創新思維和調動學習興趣方面的作用,但是存在一些問題,如設計實驗內容因不符合現實條件而無法實現,時間跨度長阻礙學生興趣和積極性,只在少數專業或少數長學制學生中開展,教師工作量過大等。在課堂設計性實驗中,學生以小組為單位,根據實驗選題設計實驗方案,在課堂討論、完成實驗并撰寫實驗報告,各專業學生均可參加。教師反饋及時且為個性化指導,能夠使他們較早接觸科研思維能力訓練。精心設計的實驗教學內容將雨課堂、微課、虛擬仿真實驗等多種方式應用到課堂設計性實驗中,線上線下混合教學模式可培養醫學生獨立發現、分析、解決問題的探究能力,強化醫學生創新思維和創新能力。該教學模式符合提升現代醫生崗位勝任力的培養目標。課堂設計性實驗已成為培養學生創新能力和科研思維能力的一種高效、有力的載體。

2 實驗教學設計

2.1 以問題為導向的課堂設計性實驗教學設計

人類天生具有求知欲,這種內在驅動力促使人類探究未知領域。教學設計從激發學生好奇心為出發點,選用一種未知溶液,以未知溶液對牛蛙心臟有哪些影響問題為導向進行設計,充分調動學生探索欲。教師根據教學內容及學生的知識儲備,優化組合多種教學方法,應用混合式教學模式,進行課前線上+課中線下課堂+課后線上復習拓展的教學設計。具體設計如圖1。

圖1 課堂設計性實驗教學設計示意

2.2 線上實驗資源優化

①實驗錄播視頻。視頻內容設計遵循科學性和邏輯性,適配課堂實驗內容,由多個問題鏈串聯成一個錄播課或幾個短小視頻。比如未知溶液Y對牛蛙心臟的影響的錄播實驗內容主要包括牛蛙的捉拿方法、牛蛙靜脈注射血管與位置的選擇、靜脈注射操作技能、離體蛙心制備高階手術操作技能以及如何快速數據存取及圖形剪輯。教師將錄播課視頻鏈接式投放到雨課堂或微信公眾號,以便學生可隨時隨地進行學習。②開放醫學虛擬仿真教學平臺。學生登錄教學平臺學習心血管系統與影響心輸出量的因素相關內容,進行虛擬實驗操作,設計并開放標準化電子病人案例使用權限。③課后拓展性資料。內容包括展示大學生基礎醫學創新研究暨實驗設計大賽優秀作品、典型臨床病例如心源性猝死、最新科研發展動態。

3 實驗教學實施

3.1 課前學生線上學習

①在機能學疾病模型復制的首次模塊課堂上,教師整體介紹基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗課程安排,并在此次實驗課堂中介紹并發布線上預習內容,使學生在課堂設計性實驗前有2-3周時間來進行線上預習、熟悉虛擬仿真實驗中相關操作以及查詢與課堂設計有關文獻。②教師課前向學生發放調查問卷,了解不同層次學生能否獨立設計實驗項目、對設計性實驗的熟悉度、對實驗設計原則和實驗內容知識點了解程度、預習情況等。

3.2 課中實驗以學生為主體

①前言引入環節:教師講述科學研究、實驗設計及原則,總結分析前幾次機能實驗課的實驗設計原則,如家兔肝性腦病實驗和高鉀血癥實驗中的對照原則,缺氧實驗中小鼠的均衡原則等,讓首次接觸科學實驗設計的學生進一步完善知識體系,從國家、社會及個人層面強調科研重要性,融入科研報國的思政教育,引發學生自主思考本科生科研的必要性。②學生通過實驗觀察發現問題:學生團隊互相合作,觀察腹靜脈注入未知溶液Y對其心臟的影響。教師提問實驗有何結果,引導學生思考并探討心律變化的機制,通過翻轉課堂討論總結未知溶液Y對其心臟的影響,課程中注重培養學生團隊合作精神。③學生主導實驗設計:學生根據Y溶液對牛蛙心臟可能的影響提出實驗假說,并設計新的實驗證明其假說。教師對實驗團隊進行具體指導并進行過程性評價。團隊在課堂上開展高階實驗難度挑戰賽,合作制作離體心臟灌流模型,充分激發學生學習興趣,訓練學生動手操作能力。④課堂實驗總結:學生在課堂討論后完成實驗,撰寫實驗報告。教師引導學生選擇統計方法,進行實驗總結。

3.3 課后線上拓展

①教師發布課后復習題目,如本次實驗設計中存在哪些不足,針對不足,在之后實驗中應如何改進?學生思考并進一步吸收內化實驗設計的能力。②教師展示大學生基礎醫學創新研究暨實驗設計大賽優秀作品,提高學生參加比賽申報創新項目的積極性。③教師推送與本次課堂實驗相關的典型臨床疾病案例,如心源性猝死。④學生查找最新科研發展動態。

3.4 考核與成績評定方式多元化

教師根據課程教學目標設計可量化的評價方式。預習成績評定方式是教師對線上課程知識內容、實驗注意事項等進行提問,學生答對可加分。實驗課程評定方式為教師對學生進行三次可測量的形成性評價:分別是實驗觀察環節評定學生發現并提出問題的能力、動手操作能力;實驗設計環節評定學生討論機制、設計實驗的能力;實驗總結階段評定學生分析數據及匯報能力。在形成性評價中,教師能積極、及時反饋,學生自評或同伴評價能推動學生學習并幫助學生提升實驗設計能力與實驗實施能力。期末成績評定方式為學生在期末考核試題和技能操作中參加考核獲取成績。教師匯總預習成績、實驗課程中的形成性評價、期末成績多項內容,得出終結性評價結果。

4 教學效果評價

學生表示,通過混合式教學模式應用于課堂設計性實驗這一方式提高了個人自主設計實驗的能力,強化了發現問題、解決問題的思維能力,也增強了申報創新項目和參加比賽的意愿;增加了機能學實驗預習途徑后,其學習興趣極大提高。學習效果方面,學生網絡作業和總結性試卷顯示,學生學習效果為優。同行評價方面,該教學設計在全國性基礎醫學實驗課程展示比賽中獲得一等獎。

5 教學中加強思政元素融入

①教師將混合式教學模式應用于課堂設計性實驗即現代先進技術融入課堂,在學生身邊展示國家科學技術現代化的成果,加強對學生的國情教育,培養學生熱愛祖國。②教師在課堂前言中提問“本科生是否需要了解實驗設計等科學研究”。我國經濟社會發展比過去任何時候都更加需要科學技術解決方案,更加需要增強創新這個第一動力。由此向學生引入科研報國教育。③教師在課堂實踐中逐步強化未來年輕醫生同理心與共情力,培養醫學生尊重生命,醫者仁心。④在機能實驗課堂中,學生以小組為單位互相協作,需要緊密配合完成操作。教師以搶救心臟驟?；颊邽槔谌雸F隊合作精神,為將來醫生崗位勝任力打下基礎。⑤實驗探索設計環節,離體心臟模型制作難度較高,可以培養學生勇于探索的科學精神,建立科學的價值觀。⑥實驗對象牛蛙代替蟾蜍,以踐行《野生動物保護法》。因國家已將蟾蜍列為明令保護的“三有動物”,從而提高學生法律意識與法治素養。

6 混合式教學模式是提高課堂設計性實驗教學質量的有效途徑

隨著信息技術與醫學教育教學深度融合,技術促進課堂發生巨大變革。互聯網人工智能+教育的發展背景下,各地醫學院校大力推進醫學教學改革[8-10],多種多樣的教學方法模式如案例式教學(CBL)、問題探究式(PBL)等應用于醫學教學過程中?！盎ヂ摼W+”混合式教學模式是在“互聯網+”物聯網的背景下構建的教學平臺,與微課、慕課、雨課堂、虛擬仿真平臺、騰訊會議、釘釘直播、考易平臺等多種教學方法融合,進行網絡授課[11,12]。對于線上線下混合式教學的標準與方法,教育學界學者沒有明確定義,但越來越多的教育學者指出線上線下的教學內容比例不宜用于區分混合式教學與其他教學,更強調應關注線上線下內容的融合適配度,而不是簡單的混搭[13]。所以混合式教學包含多種網絡教學混合和線上線下教學實踐混合?；旌鲜浇虒W將成為未來高校教育的常態[14,15]。學生實驗課面臨的現實為缺少有效預習途徑進行預習、學生學習主動思維不強以及實驗課時減少,開展設計性實驗卻要求實驗內容符合現實基礎并具有新穎性。由于課堂設計性實驗與現有書本知識聯系少、學生對研究領域如“一種未知溶液對機體的影響”不了解、學生需要查詢大量文獻、調研多種原因,課前學生需花費2-3周時間進行預習和準備資料,實驗課時有限又不允許學生課上查找,就需要引入課堂應用混合式教學模式這一形式解決這種難題?；旌鲜浇虒W模式打破時間和空間限制,為學生構建了一種處處可學、時時能學的學習體系;讓學生課前線上完成實驗前準備階段,課上可以充分發揮學生的積極思維能力;可為課程構建豐富的線上課程資源;可延伸機能實驗課程的深度,極大提高翻轉課堂效果?；旌鲜浇虒W中加入了虛擬仿真實驗和標準化電子病人案例,使學生在線下網絡進入學生端后,可以身臨其境感受虛擬手術并模擬醫生對患者進行診療,為本科生建立了基礎醫學與臨床醫學融會貫通的橋梁。混合式教學的方式可以使教師將資源有效推送給學生,這種資源包括教學課件等硬資源和師德師風等軟資源。所以混合式教學模式應用于機能學課堂設計性實驗是提高醫學人才培養質量的有效途徑。

7 教學反思

當前階段,互聯網人工智能技術全面逐步進入教育教學中[16],我們認為開展混合式教學模式的設計性實驗教學需要具備以下條件:首先,要建設新時代高素質專業化的創新型教師隊伍,全面提升教師信息化專業素養,加強教師融合使用各種教學方式的能力;其次,大力支持教師利用信息技術優化課程。

課堂設計性實驗混合式教學模式在實踐中也存在一些問題,如線上課程內容無法精準有效適配線下課程、線上虛擬仿真平臺機能學實驗內容較少、多項設計性實驗內容所需技術無法在網絡上模擬操作或虛擬仿真平臺實驗不符合本校實驗教學內容。課程教學全過程要求教師不僅是知識的傳授者,更是引導者、活動設計者和個性化輔導者。有些教師在線上線下+課前課中課后全過程缺乏統一意識,各個教學環節相互呼應點不足,有待進一步完善。有些學生對待線上學習不認真,存在敷衍心態,需要教師及時提供相應督促輔導。如何更有效開展教學評價?教師借助信息化統計數據分析評價可以快速及時了解學習結果及每個學生存在的不同問題、完善課程多元化考核評價方式;亦可發展線上學生的同伴評價和自我評價,引導學生反思及提高認知等方面。

總之,課堂設計性實驗教學實踐以問題為導向,發揮學生的主體性,教學設計以教師為引導,在自主探究疾病發生的基本機制中,讓學生經歷兩次“思考問題”的頭腦風暴。課程引導學生不斷地發現問題,并用科學實驗解決問題,為未來醫生崗位勝任力打下基礎。機能學課堂設計性實驗讓本科生早接觸科學研究,使學生初步掌握機能學科在科學研究中常用的方法和實驗設計思路,培養學生科學的思維能力和創新意識,提高學生綜合分析問題和解決問題的能力,養成理論聯系實際、勇于探索的科學精神。機能學課堂設計性實驗符合“金課”提升課程高階性、突出課程的創新性、增加課程的挑戰度“兩性一度”的特點,需要我們不斷探索與完善。