《條件恐懼系統檢測學習與記憶虛擬仿真實驗》在高校醫學機能學本科實驗教學中的應用與反思*

丁 潔 徐力致 夏天嬌

南京大學醫學院機能學教研室,江蘇省南京市 210008

2021年9月,科技部發布《科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》,醞釀多年的“中國腦計劃”正式啟動。該計劃以“腦認知功能解析”為核心,以“理解腦、修復腦、模擬腦”為目標,鼓勵對腦認知功能原理、認知障礙相關重大腦疾病診治及類腦計算/腦機智能發展展開深入研究[1]。據統計,腦疾病患者約占全球人口總數的13%以上。在我國,腦疾病也是致殘致死率最高的疾病。因此“中國腦計劃”對腦疾病領域進行了積極布局,提出了“建立若干種認知障礙相關重大腦疾病精準早期診斷標準和干預手段“在分子、環路、網絡以及疾病人群等多個層次全面解析腦疾病的發病機制”等具體目標。這無疑是對我國醫學發展及醫學教育提出了新的要求。因此,無論從培養大學生科學素養及專業能力,還是滿足時代需求、實現服務人類健康的終極目標來說,在基礎醫學本科教學中開展腦科學相關內容的學習具有十分重要的意義。然而,由于腦科學實驗的特殊性,對實驗者的手術操作能力、實驗室條件以及知識通融能力均有相當高的要求,限制了該類實驗在本科生實驗教學中實施。為構建完善的實驗教學體系、培養對疾病研究具有總體設計與規劃能力的優秀醫學生,南京大學醫學院與成都泰盟軟件有限公司合作開發了針對腦科學的重要領域——神經認知行為學的系列虛擬仿真綜合實驗,旨在將科研素養的培育前移到本科生階段,助力培養精醫學、懂科技、引領時代的高層次創新醫學人才。本文以該系列虛仿綜合實驗之一——《條件恐懼系統檢測學習與記憶虛擬仿真實驗》為例,探討神經認知行為學虛擬仿真實驗項目在醫學機能學本科實驗教學中的應用。

1 盡早融入神經認知行為學實驗,構建完善的醫學機能學本科實驗教學體系

醫學機能學實驗課程作為連接基礎醫學與臨床醫學的橋梁課程,以器官功能變化為主要觀察指標,通過從正常—疾病—轉歸三個層面系統的觀察和推演,探究機體功能的客觀規律[2]。課程訓練學生基本的實驗操作技能、加深其對相關課程基礎知識的理解和綜合掌握技能、著重培養學生的創新思維和科學素養。通過深度激發學生主動探究的能力訓練,在對醫學科學本質的探尋中,奠定學生創新型的科學邏輯思維基礎。

神經認知行為學是一門以實驗為主的科學,通過對機體認知行為的評估探索腦功能的奧秘。我院醫學機能學實驗在“盡早培養醫學生對疾病研究的總體設計和規劃能力”的教學理念下,融入神經認知行為學實驗內容,大力提升本科實驗教學體系。任課老師從學科特點出發,結合科學發展前沿,設計出以動物神經系統疾病模型的建立方法、認知行為檢測工具使用和數據分析方法為主要內容的神經認知行為學虛擬仿真實驗項目。通過教學演練,解讀專業知識,拓寬學生眼界,自然而然構建“腦科學”—“神經認知科學”—“神經認知行為學”的科研思維體系。

2 《條件恐懼系統檢測學習與記憶虛擬仿真實驗》主要特色及教學開展過程

2.1 主要特色

2.1.1 實驗內容聚焦科學研究前沿,實現科教協同:人類對于腦科學的認知逐步提升[3],國際腦科學飛速發展,各國紛紛啟動大型腦研究計劃。本實驗內容以世界科學研究的前沿——腦科學為切入點,聚焦神經認知科學研究中的關鍵實驗環節,將學科前沿滲透進基礎醫學實驗課程。實驗高度仿真腦科學研究行為測試分析平臺真實場景,還原真實實驗流程,基于真實數據校準軟件模型,實驗藍本源于主創教師的科研工作,依托多個國家及省部級科研項目,實驗設計思路科學、數據真實可靠。

2.1.2 面向臨床前沿問題、培養綜合分析能力:認知障礙相關腦疾病研究作為中國腦計劃的重要一環,對解決我國實際的人民生活需求具有重大意義。其中,術后認知功能障礙發生原因與解決方法是臨床關注的熱點問題之一[4]。麻醉藥物使用被認為是介導術后認知功能障礙發生的重要風險因素[5-6]。主創教師與臨床前期的合作研究首次證實6h異氟醚麻醉可損傷小鼠麻醉后包括空間記憶、新物體識別能力、情景恐懼記憶在內的各項認知功能[7-8]。基于上述研究背景,本實驗通過建立長時程異氟醚麻醉介導的認知功能障礙模型,評估其造成術后認知功能障礙的風險。實驗的完成過程不僅是對認知功能障礙的病理生理學基礎知識的整合與融匯,讓學生理解如何運用基礎醫學實驗方法來探究實際問題;更重要的是,學生能深刻感受到獨立思考在日常工作、學習乃至醫學發展中的重要作用,意識到醫學的快速發展是建立在不斷創新探究的基礎之上的,從而自發有意識地提高自己的思考與創新能力,達到大學教育的最終目的。

2.1.3 自然滲透對醫學生人文素養的培養:實驗以臨床案例創設情境探究病因,為進一步深入探討治療或解決方案奠定理論基礎,讓學生體會醫者研究疾病、攻克健康難題的職業責任。實驗中體現對實驗動物福利的關注,突出了虛擬實驗避免使用大量實驗動物的優勢,除了讓學生了解實驗動物3R原則,更是希望學生以己推人,不僅關愛自己、親朋乃至全人類的生命健康,更要包含大愛,尊重敬畏自然生靈,樹立崇高的人生觀、宇宙觀和自然觀。

2.2 教學過程

2.2.1 實驗背景及介紹:本階段包括介紹實驗背景、流程、目的及預習考核四個環節。背景介紹包括腦科學研究的起源與發展、認知功能障礙模型建立的原理、條件恐懼實驗系統檢測學習與記憶實驗原理等內容,激發學習興趣。預習考核環節可評測自主預習效果,凸顯重點內容。

2.2.2 實驗操作及分析:本階段包括應用、探究和鞏固三個模塊。以問題導入式、自主學習式和互動探究式為教學方法,重點掌握動物模型的建立,條件恐懼實驗系統的準備、使用,實驗結果的觀測、收集與數據處理等知識內容。課后測驗可以及時鞏固所學知識,同時實時反饋給教師教學效果。

2.2.3 實驗報告及討論:本階段需深入思考與討論實驗結果、完成實驗報告。課程資料庫、互動答疑環節,推動學生進一步自發追蹤科學前沿動態,促進溝通與討論,培養系統性的基礎研究思維與能力(見圖1)。

圖1 《條件恐懼系統檢測學習與記憶虛擬仿真實驗》教學過程

2.3 教學重點與難點的設計與目標設定

2.3.1 專業儀器使用訓練:專業儀器使用能力是重要的實驗操作技能之一。實驗著眼于專業儀器——麻醉機和條件恐懼系統兩套儀器開展該能力的訓練。本實驗利用異氟醚這一臨床常用的麻醉藥物,建立由手術麻醉誘發認知功能損傷的疾病模型。然而,異氟醚屬于管控藥品,有嚴格的使用管理制度,而麻醉狀態中必要的給氧操作也存在安全隱患。故而疾病模型的建立過程無法在真實教學環境中大規模實施。因此,我們將這部分內容設置為學習重點之一,建模過程涉及吸入式麻醉機與麻醉藥物的使用等學習內容。吸入麻醉是目前臨床常用的麻醉方式,將其使用訓練設計入本科生基礎教學實驗,具有現實意義。項目對麻醉相關儀器設備與實驗流程進行高度還原,按照臨床手術實際情況,對麻醉管路連接與檢漏、氧氣與麻醉機的接入、麻醉誘導和維持時應選擇的濃度及流量的設置等進行人機交互操作,讓學生了解并學習到吸入麻醉的操作方法及其在小動物實驗中的具體應用。造模成功后,開展小鼠認知功能的檢測。條件恐懼檢測系統設備價格較高,實驗環境嚴苛,不適合大規模實驗教學,難以滿足學生多人次反復操作練習的需求。因此,熟練掌握條件恐懼系統檢測認知功能的具體方法是另一學習重點。實驗中訓練階段與測試階段均需預先對系統進行調試與參數設置,是學習難點所在:這步操作看似相似,卻具有不同的目的與意義,前者是建立關聯記憶、后者是測定功能改變。學生首先對儀器結構、與系統使用方法進行學習,再正式實驗流程,漸進式理解實驗的整個過程與意義。虛擬仿真交互操作可以讓學生反復練習并熟悉整個實驗過程,交互問題也可以強化重點知識。

2.3.2 分析與解決問題能力訓練:實驗課程的核心與難點在于對結果與數據的分析,充分體現出學生分析與解決問題的能力。項目摒棄給予類似“標準答案”的模擬數據,而是融入真實研究數據,引導學生認識生命體的復雜性,不迷信已有經驗,根據科學分析方法,透過重重迷惑挖掘本質。

2.3.3 綜合素質提升訓練:對相關課程基礎知識的理解和綜合掌握技能是培養學生真正創新思維和科學素養的原動力。實驗通過多維度學習培養醫學生的綜合素質。如案例引入緊扣臨床,建立問題導向性的思維習慣;再現真實科研過程、探討真實實驗數據,建立臨床研究的科學思維方式;交互提示操作細節,重視職業規范培養;設置思考題滲透動物保護理念,認識動物實驗的重要性與必要性,引導學生理性思考動物保護與人類健康研究之間的關系;多方位評價體系與課后知識拓展鼓勵學生對已有知識深挖及批判性思考問題等。

3 總結與反思

在投入教學的近3年時間中,該實驗的接受度不斷提升,教學優勢明顯。實驗以解決臨床實際問題為最終目標,讓學生體會專業知識在實際工作中的應用,學有所用、學以致用,切實做到基礎教學和臨床實踐緊密結合。實驗目標層層深入、內容緊密結合科學前沿、方法先進,有效推動實驗課程向探索性創新性方向的建設,將培養科研素養的目標前移到本科生階段。同時,很多生命科學及醫學相關專業高年級本科生及研究生也申請使用該實驗,并且普遍反映實驗內容兼具實用性與創新性,對腦科學及認知行為學相關領域的科研學習具有指導意義。其間,實驗被認定為江蘇省首批一流本科課程(虛擬仿真實驗教學課程),不斷推動該虛仿實驗的建設與后續完善。

誠然,我們也在不斷地發現問題并努力解決:(1)虛仿實驗的學習不限時空、自由度大,極其考驗自主學習能力,因此采用多元化的評價方式、分步驟賦分,可能推動學生開展有效學習、保持持續的專注力。(2)學生學習能力參差,成效不易考察。實驗報告能夠很好地體現出學生的思維過程,因此,提倡實驗報告的“個性化”——不僅限于實驗過程與結果的呈現,鼓勵學生進行有深度的創新性思考與總結。設置沒有標準答案的實驗報告,不僅可以了解每個學生的學習情況,更是幫助學生體會在遵循科學的原則下,敢于創新、敢于思辨,是創新型人才應該具備的能力。(3)我院自主設計的虛擬實驗多以任課教師自身科研工作為背景,專業前沿性強,學科通融性高,屬于綜合性創新實驗,因此低年級學生想要完成好,必須具有堅實的基礎。教師可以酌情對重點、難點深剖,幫助學生克服學習疲勞,達到現有知識的升華。(4)為提高對知識的綜合應用能力,通過線上線下集體討論、翻轉課堂等多種教學形式,開展有針對性的討論性學習,鼓勵“自評自辯”,大大激發了學習熱情,鍛煉了學習能力,提升了學習效果。同時為實驗內容的完善與提升、課程進一步改革與建設,積累了大量寶貴的經驗。我們深刻地體會到虛擬實驗的建設必須與理論教學、臨床實踐深度結合,充分考慮與發掘教師與學生的主觀能動性,才能真正發揮其在教學中的作用。

黨的二十大報告提出,推進健康中國建設,把保障人民健康放在優先發展的戰略位置,完善人民健康促進政策。作為綜合性大學的醫學教育,除了肩負培養領導型創新醫學人才的重任,更負有對全社會輸出專業、科學的醫學健康知識的責任。《條件恐懼系統檢測學習與記憶虛擬仿真實驗》的背景來自亟待解決的醫學臨床問題,直接涉足民眾與社會普遍關注的健康話題。因此我們積極嘗試將該實驗推廣至我校其他專業的本科教學,旨在向非醫學類學科師生介紹相關疾病的研究進展、普及醫學知識,幫助普通大眾從科學本質認識疾病、樹立積極的健康觀念。同時,希望通過這種交流,更大范圍、深層次地建立多學科之間的交叉通融,促進多學科新碰撞,為產生原創成果及培養交叉型人才帶來新的可能性,進而促進神經認知障礙相關腦疾病的發病機制的解析、診斷與治療,為深入實踐中國腦計劃“一體兩翼”的發展戰略提供新思路。