基础医学拔尖创新人才培养中的“双课堂”整合式实验教学模式

吴敏昊 高国全 汪雪兰 周 倜 彭 毅 许志威 郭开华 王淑珍

(中山大学中山医学院, 广州 510080)

创新性人才培养是基础医学学科发展的核心[1]。现代医学和社会的发展对基础医学人才培养模式提出了更高的要求,要以宽厚的科学为基础,着重培养学生的创新思维和科学研究实践能力[2-4]。近年来,国内多家医学院校在基础医学本科生教育改革方面进行了一些有益的尝试,如理论课程体系整合,开展模块化教学或开设课程群;实验教学改革,开设综合性或探索性大实验等[4-8]。这些改革措施取得了一定的效果,但在实施和推进过程中仍存在一些不足[9-12]。因此,亟需通过构建基础医学创新教学体系,打造高效的实验教学模式,探索出一条适用于拔尖创新人才培养的新路径。

中山大学自2014年起开始复招基础医学本科专业,2020年获批教育部首批“基础医学专业(强基计划)”及“基础医学(陈心陶)拔尖学生培养基地”。经过多年实践,逐步构建了符合基础医学学科特点的拔尖人才培养体系,形成了“生医并重、疾病导向、创新引领”的模块化课程体系。近年来,中山大学中山医学院积极探索基础医学实验教学课程体系整合和教学模式改革[5-6],经过6年的实践验证和不断优化,探索出一种适用于基础医学本科生创新和实践能力培养的“双课堂”整合实验教学模式。以下重点分享基础医学本科“双课堂”整合实验教学模式的建立和实施情况。

1 基础医学“双课堂”整合实验教学模式的建立与实施

中山大学中山医学院从2015年起成立了基础医学实验教学改革团队,前期在北大、复旦、交大、浙大等多家国内一流医学院校深入调研,并广泛征求一线教师、科研项目负责人(principle investigator,PI)和医学本科生的意见,在此基础上设计并构建了“第一课堂”(实验课堂教学)和“第二课堂”(PI实验室实践)相结合的整合实验教学模式,不断优化改进,探索出一种适应于医学创新人才培养的基础医学“双课堂”整合实验教学新模式。

学生可以通过“第一课堂”的综合性大实验模块、学术研讨模块和虚拟实验教学模块,了解到相应的前沿技术和科研进展;通过“第二课堂”获得全程“一对一”导师指导和系统规范化的实验室培训。基础医学专业本科生前期在PI实验室轮转,确定感兴趣的科研方向;中期将第一课堂的创新性实验设计和开题报告与第二课堂的预实验及毕业设计无缝连接,让学生近距离接触和了解学院PI的科研领域;后期在创新性探索实验的基础上确定并完成毕业设计课题,全方位培养学生的科研素养和创新能力。具体实施情况和要点如下:

1.1 “生医并重、疾病导向、创新引领”的基础医学整合式大实验课程的建立

基础医学“双课堂”整合实验教学模式全程由一线PI主导设计和参与教学,紧密联系医学研究实际需求,综合性大实验模块和专题讨论模块让学生全面掌握基础医学多个研究领域的前沿进展,让学生早期接触高端、前沿的生物学和医学实验方法,并得到系统、规范化的实验技能培训;生物安全虚拟仿真实验教学模块让学生了解生物安全三级实验室的进出流程、防护装备穿戴以及突发事件应急处理的操作规范;通过创新性大实验设计充分发挥了学生的自主创新性,培养了学生的动手能力、探索精神和创新能力。

“第一课堂”包括《分子医学前沿技术(一)》(180学时,5学分,专业必修)和《分子医学前沿技术(二)》(36学时,1学分,专业必修)这两门整合式大实验课程,主要在实验教学中心完成[5,13]。《分子医学前沿技术(一)》主要包括分子生物学、免疫学、微生物学、病毒性和机能形态学5个综合性大实验,实验选题从临床实际和科学前沿问题出发,通过提前发布问题,让学生以小组为单位,自主查阅文献,提出实验方案,和老师讨论后确定最终方案并独立完成的教学方式,培养学生自主学习和解决问题的能力。5个大实验交叉进行,全程实验操作和进度安排均由学生独立完成,也解决了传统实验教学中因为课时或场地条件限制导致的实验内容“断片”和“不连贯”问题。《分子医学前沿技术(二)》主要根据中山大学医科的优势学科方向,邀请高水平PI给学生讲授其重大成果的发现经历和相关领域前沿进展;并邀请生物安全三级实验室主管老师进行生物安全培训和虚拟实验教学,让学生了解到生物安全的重要性。通过将一线科研融入课堂教学,加强了学生对于科研的认知和理解,帮助他们找到感兴趣的科研方向,并自主完成1个创新性大实验的设计和实践。

课程内容设计以一线科研PI为主导,吸引高水平PI(“杰青”“优青”“青千”“青长”和中山大学“百人计划”引进人才等)的加盟,打造一支高素质、精英化的“学术型”教学团队。此外,由于大实验耗时长、操作复杂、各学生小组独立操作,实验进度差异较大,对实验平台和教辅人员提出很高要求。为了保证教学效果,学院投入专项经费,从空间、仪器、人员等方面建设了专门的高水平实验教学平台,配置了流式细胞仪、荧光正置/倒置显微镜、荧光定量PCR、超高速冷冻离心机、智能凝胶成像系统等一系列高端科研仪器,以满足基础医学综合创新性大实验课程的需求。同时,在课程筹备阶段由一线PI对实验教辅人员进行技术培训,做好综合性大实验和创新性大实验的软硬件保障。

1.2 “第一课堂”和“第二课堂”相结合的创新性教学模式的实施

“第一课堂”为实验室课堂教学,包括《分子医学前沿技术(一)》和《分子医学前沿技术(二)》这两门整合式大实验课程,以科学前沿和临床疾病为导向,建设模块化课程群,通过小班教学、问题导向、翻转课堂、虚拟仿真、情景教学等多种教学模式开展5个综合性大实验,同时加入不同研究领域的专题学术讨论,充分调动学生的主观能动性。

“第二课堂”为PI实验室实践,选择具有高水平研究能力和拥有开展科学研究必备的实验室空间的高水平PI作为基础医学本科生的学术导师或科研导师。学生和导师间双向选择,一对一指导。前期在PI实验室轮转,让学生近距离接触和了解学院PI的科研领域,找到自己的科研兴趣所在;后期实行科研导师负责制,学生在科研导师实验室完成毕业课题设计,科研导师对学生进行科研指导,负责最后的科研课题完成和论文答辩,保证系统、高水平的科研训练贯穿全程。此外,通过科研实践、开题答辩、中期考核、论文审核、毕业答辩等多个环节的考核和评估,在“第二课堂”实行比较全面的进行性评价,强化了对于基础医学学生综合素质、科研能力和创新思维的培养。

如图1所示,学生通过“第一课堂”的综合性大实验模块、学术研讨模块和虚拟实验教学模块,了解到相应的前沿技术和科研进展。“第一课堂”和“第二课堂”的有机结合,将创新性实验设计、开题报告和毕业设计做实做细,强化了对学生创新思维和科研能力的培养。

1.3 多种教学模式并行,全面实施形成性评价

“第一课堂”积极探索多种教学方法和多维度考核评价学生的模式,全方位培养拔尖创新人才。通过TBL和翻转课堂、理论教学、虚拟仿真教学(包括生物安全线上虚拟游戏模块和现场VR情景式教学)、探索性实验、前沿讲座、专题研讨、个性化课题设计和答辩报告会等方式,培养同学的自主学习能力、团队意识、分析解决问题能力、组织领导才能等综合素质。在5个综合性大实验中,先让学生按小组提出实验设计方案,老师引导讨论,形成最终实验方案。小班研讨模式有利于激发学生学习热情,引导学生自主学习、合作学习和深度学习,培养学生探索未知问题的能力。在“第一课堂”的教学过程和“第二课堂”的实践过程中全面实施以形成性评价为主的考核评定方式。“第一课堂”分子生物学、免疫学、微生物学和机能形态学大实验开始前由学生分小组(每组3～4人)自行设计实验内容汇报讨论,进行自评和他评,确定实验方案后,以小组为单位进行实验操作。每个学生在每个大实验的开始和结束进行问卷调查,根据学生的反馈及时调整。每个学年结束,结合问卷调查、课堂评教、教师反馈和导师意见等多方信息进行分析,对课程教学设计和培养体系进行优化。“第二课堂”借鉴本校基础医学研究生培养模式的成功经验,在创新性实验设计中邀请不同学科领域的高水平PI做专题讲座,参与学生课题设计讨论和开题答辩;同时要求科研导师全程一对一指导学生日常科研实践活动(1年以上)、开题答辩、中期考核、论文审核和毕业答辩,各环节参考研究生管理模式进行规范化管理,实现本科生和研究生教育的无缝衔接。

1.4 注重加强生物安全教育并将课程思政渗透在教学过程中

学校率先在国内本科生实验教学中开设生物安全三级实验室虚拟仿真教学,并将相关课程思政内容渗透其中。生物安全攸关民众健康、社会安定和国家战略安全。目前多种重大、新发突发传染病严重威胁公共卫生和人民健康,其防治研究必须在相应的生物安全实验室进行;而国内外生物安全专业人才紧缺。考虑到生物安全三级实验室的特殊性(生物安全风险、场地空间小、防护装备昂贵),生物安全虚拟仿真实验是最佳普及培训方式[14]。

中山大学生物安全三级实验室是华南地区最早的生物安全三级实验室,承担了大量的生物安全研究和人才培训工作。通过生物安全理论讲座,让学生了解目前国际生物安全前沿动态及国家战略需求,将个人发展与国家需求紧密结合,提升了国际视野和家国情怀。通过生物安全三级实验室VR和网络版虚拟仿真教学,并在实践过程中根据师生反馈不断整合优化成两大模块:①生物安全三级实验室进出流程及防护装备穿戴; ②生物安全三级实验室火灾、溢洒等突发事故应急处理。模拟真实情景,采用VR沉浸互动式智慧课堂教学方式,显著提高了学生的参与度和学习效率。由于课堂时间限制,我们还配套开发了相同情景内容的网络版生物安全互动游戏模块,用于学生课外学习和实践。该成果目前也成功应用到研究生及其他生物安全人员的前期培训,获得“2018年国家虚拟仿真实验教学项目”称号,并于2020年入选首批国家级一流本科课程名单。

1.5 “双课堂”整合实验教学模式的实施效果

基础医学“双课堂”整合实验教学模式经过6年的实践检验,在创新拔尖人才培养方面效果显著,得到了师生的一致好评。据2018级和2017级基础医学专业本科生的教学评价问卷调查结果显示,学生在“第一课堂”整合式大实验课程(即《分子医学前沿技术》)的教学内容设计、任课教师表现和教学效果等方面均给出高度评价(图2)。

在最近3届(第5～7届)的“全国大学生基础医学创新研究暨实验设计论坛”上,中山大学基础医学专业学生参加全国总决赛合计26人次,其中获得一等奖5人次、二等奖7人次、三等奖5人次。此外,“双课堂”模式中的课程思政和生物安全教育也提高了学生的使命感和责任担当。新冠疫情以来,基础医学专业学生多次参加核酸检测、流调、科普等防疫志愿服务工作,以极高的参与热情、良好的服务质量、优秀的专业素养,用实际行动展示了中山医学子的勇气、责任和担当。

2 未来建设思路

2.1 与时俱进,不断完善“第一课堂”大实验教学内容

随着精准医学的不断发展,可考虑增加生物信息学分析、分子遗传学、分子诊断学等实验课程,以确保紧跟医学研究前沿。生物安全是目前国家战略需求,但目前国内生物安全人才紧缺。未来可以增加课程中生物安全讲座的学时,让学生了解到更多的生物安全知识和前沿动态,同时可以加强生物安全防护装备实物穿戴演示的培训。

2.2 总结经验,并将其应用到更多医学专业拔尖创新人才培养

基础医学综合大实验和创新性实验设计,目前采取的是全程小班教学,主要面向基础医学和强基专业的本科生。“第二课堂”全程一对一导师制依托中山大学医科的雄厚师资,让学生得到全程系统规范的科研培训,也为创新性大实验的开展提供了平台。目前全程导师制和基础科研培训均已纳入八年制临床医学的培养方案中,未来如果实验场地、师资和经费许可,可考虑将这种“双课堂”实验教学模式扩大至临床医学八年制学生。

3 结 语

基础医学教育是医学拔尖创新人才培养的基石。基础医学拔尖创新人才应注重培养其宽厚的理论储备、扎实的实验技能和创新的科研思维,以适应医学发展和国家战略需求。基础医学实验教学是拔尖创新人才培养的关键环节,“双课堂”模式将实验教学从课堂扩展到PI实验室,保证了全程系统规范化的科研培训和高水平、个性化的创新性大实验的开展,为构建适用于基础医学拔尖创新人才培养的新型实验教学课程体系提供了思路。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明吴敏昊:设计课题,收集资料,撰写论文;汪雪兰、周倜、彭毅、许志威、郭开华:收集资料,查阅文献,分析问卷;王淑珍、高国全:设计课题,修改论文