多措并举多学科参与共建技术创新医学实验教学平台

马剑峰，马韫韬，邹永新，魏欣冰，马 湉，张尚立

（1.山东大学a.基础医学院；b.生命科学学院，济南250012；2.兰州大学第二临床医学院，兰州730000）

0 引 言

进入新世纪，我国的高等教育进入一个全面发展的新阶段，教育理念从过去单纯的跟随、消化、吸收转变为学习、创新和超越，其核心就是创新。在整个创新的大背景下，随着国家对教育持续、长期的大力投入，构建具有创新理念的实验教学环境，建设高水平、智慧化、技术创新的实验教学平台，必将有力提高医学本科生实验技能、创新能力和自主学习能力，成为本科生强化科学研究理念、培养高素质创新型医学人才的重要平台。

1 建设医学实验教学平台的基本思路

我校基础医学实验中心是首批国家级实验教学示范中心和国家级医学虚拟仿真实验中心，医学机能实验课是国家级精品课程和国家级精品资源共享课，近年来实现了跨越式发展，综合水平和办学质量明显提升。

以机能学实验教学平台为例，这是我国一个具有综合优势的实验教学平台，面向基础医学院、公共卫生学院、口腔医学院、护理学院、药学院5 个学院开课，开设有医学机能学融合实验、生理学实验、药理学实验、病理生理学实验、心理学实验5 门实验课程，是学校开设课程多、学时多、学生人数多、影响面广的综合性实验教学平台。

在教学实践中发现，实验教学项目更新率低，有部分实验教学项目理念已经落后且十几年不变，主要表现在教学的基本模式老化，实验方法及技术陈旧，学生自主学习能力无法体现。2009 年医学基础实验中心启动了新一轮医学基础实验课程体系建设，将实验项目分为基础、综合和创新3 个层次，综合性项目要求实验内容体现学科交叉和融合，创新项目重在培养学生的创新思维，为保证实验课程的教学质量，实验中心通过招标的形式建设了一批综合性和创新性实验项目［1-2］。随着教学改革的深入，综合性、创新性实验项目的开展，发现部分实验技术已远远跟不上实验教学改革的步伐，一些设备落后，没有使用先进理念的高级生理机能实验设备，更没有引入以虚拟现实（VR）为基础的虚拟教学设备［3］。

为此，以国家级基础医学实验教学示范中心和国家级医学虚拟仿真实验教学中心为依托，结合学校教学质量工程建设，融创新精神于实验室建设和实验教学改革。在学校教改项目和实验室软件建设项目支持下，通过立项方式进行实验技术开发、实验教学项目研究、实验课件及虚拟仿真软件制作等项目的教学研究（见表1），这些项目在教学中得以运用，为培养高素质的创新性医科人才了提供崭新平台，明显提高了实验教学效果和质量［4-5］。

2 医学实验教学平台的主要内容

医学是一门实验科学，实践教学是医学生加深和掌握知识的重要途径，最新实验技术在基础医学上的应用，可提高学生的自主学习和实践能力。以基础医学院机能实验教学平台为骨干，药理学、病理生理学、生理学以及遗传发育与细胞生物学实验室部分老师共同参与，以专业的信息技术为依托，以新一代的信号采集系统为技术支持，再融合药理学、病理学、生理学及细胞生物学新技术，形成了多措并举多学科参与的医学实验教学技术的创新性改革。

表1 创新团队近年获得学校教改项目的资助

2.1 基础医学实验教学平台虚拟仿真实验项目初探

医学生实践动手能力以及经验的积累非常重要，以往医学生们只是局限于书本知识的学习，看到的都是平面的东西，缺少立体的概念，更无法产生互动。

在实验教学中，由于实验设备、实验场地和经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。虚拟仿真实验可以弥补实物教学资源的不足，可以使学生获得与真实实验相近的体会，从而加深对教学内容的理解，学生还能随时随地在虚拟环境中开展实验活动，提高学生的自主学习和实践能力［6-7］。

（1）动态肺顺应性的影响因素模型虚拟仿真实验的建立。目前国内高校五年制、七年制、八年制实验教学中关于呼吸系统的实验项目均为比较简单的呼吸运动波形描记，缺乏对肺实质功能性项目的研究，“动态肺顺应性测定”就是肺实质功能性研究项目之一。然而，由于消耗大量的家兔，手术操作复杂，观察实验结果、统计实验数据一般大于4h，要完整地观察整个实验比较困难，使其无法应用到实验教学中。

肺顺应性指在外力作用下克服弹性阻力所引起的肺容量变化，通常用单位压力变化下所引起的容量变化来表示。肺动态顺应性（Cdyn）是肺顺应性的一种，指在呼吸运动中当气流速度等于零时潮气量（Vt）与跨肺压（ΔP）之比；肺顺应性反映肺弹性阻力大小，从而影响肺通气功能。

对日本大耳白兔采用PowerLab 1 L 流量探头，Chart5.0 软件客观测定家兔的潮气量值；采用压力换能器，Chart5.0 软件客观测定家兔的胸膜腔内压值变化，对气流量作积分处理即为肺容量变化，生物信号分析记录系统绘制肺内压-容积曲线，即肺顺应性变化曲线。据此成功建立动态肺顺应性测定家兔模型，建立模型同时拍摄实验录像，并撰写脚本，据此建设了医学机能学“动态肺顺应性的测定技术”；创建医学机能学动态肺顺应性的影响因素综合实验项目，构建动态肺顺应性测定虚拟仿真实验教学模型（见图1）。

图1 动态肺顺应性测定虚拟仿真实验教学模型

通过虚拟仿真技术，将复杂的实验操作与多年教学经验结合，开发出新型的为探索性教学模式、为研究呼吸系统疾病提供了一个功能性的研究方法，起到加深对教学内容理解的作用（见图2）。

图2 动态肺顺应性测定虚拟仿真实验

（2）小鼠动脉粥样硬化斑块破裂模型虚拟仿真实验的建立。随着我国生活水平的日益提高及步入老龄化社会，急性冠状动脉综合征的发生率逐步上升，而动脉粥样硬化斑块破裂是导致该病的重要原因，严重威胁着人类的身体健康和生命，是机能学教学研究的重要内容。然而，由于目前动脉粥样硬化斑块破裂动物模型可控性差，手术操作复杂，实验周期长，且动物死亡率较高，使其无法应用到机能实验教学中。因此，找到一种合适的动脉粥样硬化动物模型，为开展以动脉粥样硬化研究为基础的实验项目提供了可能。

根据临床斑块破裂发生的内因和诱发因素，选择高脂喂养的ApoE-/-小鼠，并采用颈动脉放置缩窄性套管的方法，人工模拟血管狭窄，再通过LPS、冰水刺激和苯肾上腺素联合刺激，在短时间内给予动脉粥样硬化模型小鼠一定的炎症感染、应激刺激，并通过苯肾上腺素给予人为造成小鼠血压升高，血管收缩。经历这种类似人类发病经过之后，成功建立动脉粥样硬化斑块破裂小鼠模型（见图3），建立模型同时拍摄实验录像，并撰写脚本，构建小鼠动脉粥样硬化斑块破裂虚拟仿真实验教学模型实验建设虚拟仿真实验。

图3 虚拟仿真实验建立模型

通过虚拟仿真技术，将复杂的实验操作制作成具有辅助教学特色的虚拟实验，使动脉粥样硬化斑块破裂实验与实际教学有机结合，起到强化实验教学的作用［8-9］。

2.2 基础医学实验教学平台实验技术的创新性

（1）创新机能融合实验动物视网膜缺血再灌注损伤及药物的保护作用项目。视网膜作为神经组织，在缺血缺氧环境中易受到损伤，而视网膜中央动脉是终末动脉，极易发生缺血事件，并可迅速导致视网膜的严重损伤。视网膜的缺血性损伤又是许多眼病如青光眼、网膜中央动脉阻塞等发展过程中所不可避免的一个病理生理过程，有效挽救缺血视网膜组织的措施是及时恢复血流再灌注，然而长期研究发现再灌注时视网膜的功能并未恢复，相反出现明显的功能障碍，这种情况被称为视网膜缺血再灌注（Retinal Ischemia Reperfusion，RIR）损伤。其损伤机制的研究一直是眼科界及病理生理学科所关注的一个热点。因此视网膜缺血再灌注损伤的研究，对临床工作具有非常重要的指导意义。

目前较常用的视网膜缺血模型主要有：升高眼内压模型、血管结扎模型及球后注射血管收缩剂等。升高眼内压模型因其方法简便、模型性强已成为目前被国内外广泛采用的一种方法，这种方法是通过人工向动物的前房施加一定的压力，在眼内形成14.63 kPa的眼压，使得眼底血管断流，造成视网膜缺血。

实验目的是要求学生了解视网膜缺血再灌注损伤的实验方法和损伤机制，以及药物保护视网膜缺血再灌注损伤的作用机理。

（2）发明了一种动物视网膜压力仪。缺血性视网膜损伤是眼科常见的一种临床表现，对其进行研究需要建立缺血性视网膜损伤模型。采用生理盐水前房加压灌注法制作高眼压模型是最为常用的一种造模方法，但目前国内尚未有这种专用的模型制作装置。针对这种情况，设计了一种动物视网膜压力仪，用于制备缺血性视网膜损伤模型（见图4）。

图4 动物视网膜压力仪

该装置采用压缩空气作为压力源，以气-液隔离器为施压执行器，通过压力传感器检测压力，用控制器控制压力和加压时间，并且控制器采用模块化方法进行设计，其压力的控制采用通用的智能工业调节器来实现，时间控制采用通用的智能时间继电器来实现。

该装置可自动按设定时间对眼前房施加压力，并且时间准确，压力恒定，预先设定压力和定时时间后，整个实验过程自动进行。使用该装置不仅保证了实验过程的一致性，使实验操作更加规范和严谨，而且提高了工作效率［10-11］。

（3）研制了细胞接触抑制现象观察装置。恶性肿瘤是严重危害人们身心健康的一类常见病、多发病，其主要组成是肿瘤细胞，通过对肿瘤细胞与正常细胞形态的异型性描述，对认识肿瘤的实质具有重要的临床意义。随着细胞培养技术在医学和生命科学教学、科研中的大量应用，学生可以从细胞生物学的角度来直观地了解肿瘤细胞，加深对于肿瘤良、恶性的理解。

目前，在细胞实验中指导学生认识癌细胞还只是停留在切片和静态的细胞形态观察上，老师给学生灌输较为先进的理论只能以口头或模式图或图片进行，无法以动态形式展现出来，对于利用观察或检测装置对细胞密度依赖性生长抑制（细胞接触抑制现象）或关于正常细胞与恶性肿瘤细胞的区别进行直观地显示的装置还未见报道。因此在现有理论和实验基础上，利用机械原理与细胞学、生物学实验技术相结合的方法，研制了“细胞接触抑制现象观察装置”，应用于实验教学，可使学生在进行离体细胞培养实验时，极为方便地以动态形式直接观察到待检实验细胞生长接触抑制的存在与否、细胞接触抑制释放现象以及鉴别肿瘤细胞与正常细胞的生长增殖状态，达到区分正常细胞与转化或癌变细胞的目的。该实验注重增加学生动手操作和活体跟踪观察的内容，提高了实验的趣味性，培养了学生对正常细胞和癌变细胞的正确认识，锻炼了学生独立操作能力［12］。

（4）数控动物烫伤仪的研制及应用研究。烧（烫）伤治疗药物的研究离不开动物烫伤模型的制作，烫伤模型制造的好坏又直接影响到对药物疗效的评价和鉴定。目前较常用的烧烫伤造模型主要有：化学法（化学灼伤法）、物理法（分为蒸汽烫伤、水浴烫伤、电弧灼伤和电热烫伤）。标准的烫伤模型制作需要标准的烫伤仪，而目前还缺少适用范围广、烫伤面积均一、操作方便的烫伤仪。这对研究烫（烧）伤创面修复和药效评价带来不便，甚至造成严重错误的结果。经过潜心研究、分析和对比，认为电热烫伤是最具有可控性、操作简单、重现性好，适用于大小动物，是较理想的烧烫伤方法，为此着力在电热烫伤方面进行深入的研究，更好地解决电热烫伤方面的一些难题。该研制的烫伤仪，可以恒定烫伤温度，温度变化值仅在很小的范围内波动；自动控制电烫时间，并能保证压力稳定，以确保烫伤面积均匀一致［13-14］（见图5）。

图5 数控动物烫伤仪

目前已在本校机能实验教学平台开放实验中开设烫伤实验，还为大学生科技创新开展烫伤相关实验搭建了一个宽阔的平台。

（5）离体培养细胞缺氧仪的应用研究。氧是机体不可缺少的养生之气，是人类一切活动的基础，是机体发育成长和生命活动的动力。缺氧是指当组织和细胞得不到充足的氧，或用氧障碍不能充分利用氧时，组织和细胞的代谢、功能，甚至形态结构也可能发生异常变化的病理过程。目前认为缺氧是造成细胞损伤的最常见原因，可以诱发体内各系统的功能改变，是引起临床各科多种疾病甚至死亡的最重要和最常见的直接因素或主要病理过程之一，因此该领域研究越来越受到关注。而一个理想的缺氧实验模型或缺氧实验仪器，无疑是该领域研究的技术关键。

利用自动化控制技术与药理实验技术相结合的方法，研制了离体细胞缺氧仪。在缺氧仪控制下氮气首先经过减压计和流量计按照设定的恒定流量进入缺氧罐，氧传感器和温度传感器将此信号经过放大器放大，再把模拟信号转变成数字信号，由智能控制器处理后驱动控制电路，自动调节温度和进、出气阀，保证缺氧罐内的温度和氮气浓度的恒定，从而模拟形成一个类似细胞在生物体内的缺氧环境［15］。

实验表明，该发明的“离体培养细胞缺氧仪”与传统自制的缺氧实验装置相比，具有自动化程度高、自动调控氮气浓度和温度、直接显示缺氧槽中的温度和氧含量等优点。不仅操作简便，性能稳定，而且减少了实验过程中氮气的使用以及人的繁琐劳动，使得实验结果更具科学性，仪器应用更具广泛性［16］。

（6）通过学校立项的其他教研项目。此外新型哺乳类动物缺氧实验装置、实验动物持续吸入麻醉手术台（见图6）等一大批项目研究成果已入选校实验室软件建设项目库，并应用于本科生实验教学，经历了多年的教学实践，得到教师和学生的广泛认可［17］。

图6 哺乳类动物缺氧实验仪

3 医学实验教学平台的成效

（1）形成了一支富有创新精神、热心实验教学改革的创新团队。创新团队成员来自生理学、药理学和病理生理学等学系及遗传发育与细胞生物学实验室的部分教师和实验技术人员，经过精心遴选组建而成。创新团队成员潜心实验教学研究，致力于实验室建设、实验教学改革和实验技术创新，在长期合作基础上形成了良好的教学集体、铸就了新型的教育理念，自身业务素质和整体水平有了大幅度的提高［18］。

（2）创新团队以精品课程建设、教学改革项目为依托，以培养学生创新和实践能力为主要目标，在基础医学实验教学等方面取得了一系列成果和经验。近年来在实验技术类核心期刊《实验室研究与探索》《实验技术与管理》上发表论文5 篇，获得省级教学成果一等奖1 项、校级教学成果奖多项，在历届全国高校自制教学仪器设备评选中多次获奖，这都极大地促进了教师及实验技术队伍建设和教学水平的提高，平台所在实验中心获得国家级实验教学示范中心和国家级医学虚拟仿真实验教学中心称号，医学机能平台获得国家精品课程及国家级精品资源共享课程［19］称号。

（3）研究成果受到了学生和实验指导老师的良好评价，明显提高了实验教学的成功率和学生进行科学研究的兴趣。临床医学2010 年级七年制3 班同学在实验报告中写到使用实验动物持续吸入麻醉手术台麻醉大鼠，对环境没有污染，麻醉效果很好；生理与病理生理学系老师在使用新型哺乳类动物缺氧实验装置后说：“学生在实验中不再为无为、无效操作耗费大量的时间，把有限的时间和精力应用到钻研实验技术、观察缺氧现象、培养动手能力、思考缺氧机理上，大大提高实验效率和效果；实验中不再使用水银，再也不用为实验室安全担心了。”这样的评价使团队对今后的不断创新有了更多的动力和信心。

4 结 语

立足全面提高学生创新精神和实践能力，以建设信息化实验教学资源和共享优质实验教学资源为核心，以计算机技术、电子技术和信息技术为依托，以新一代的信号采集系统为技术支持，再融合药理学、病理学、生理学及细胞生物学新技术，创新教学项目、革新实验方法、发明相关技术，显著拓展了基础医学实验教学资源，学生做实验更积极、更主动、更高效，给学生节约出能独立思考并解决问题的有效时间，改革涉及了医学虚拟仿真实验模式探究、实验教学研究、实验技术发明等实验教学的各个方面，通过创新不仅实验教学效果、教学质量、教学效益得到了显著提高，还在实验室形成了一支重视实验教学，热心实验教学改革的创新团队。