基于问题导向的毒理学基础实验教学模式探讨

郭 蓉， 曾 明， 关 岚， 叶淑姿， 唐思璇， 肖 芳

(中南大学 湘雅公共卫生学院卫生毒理学系， 长沙 410078)

0 引 言

毒理学是一门研究各种外源性有害因素对生物体的损害作用及其作用机制，并在此基础上对外源性有害因素进行安全性评价和风险评估的学科，其对改善环境质量，保障人群健康和促进社会经济可持续发展具有重要作用。毒理学基础是一门兼具理论性与应用性的综合性课程，其中的许多理论和研究方法可为“三大卫生”所用，故也是公共卫生与预防医学专业本科生必修的重要基础学科课程。多年来，我国毒理学以及其他预防医学主干课程的教学模式基本上都是“灌输式”或“填鸭式”教育，学生在理论课上被动接收知识，在实验课上按照老师设计好的实验方案及示教操作按部就班地完成实验，学生的学习能力及综合素质没有得到有效的体现和锻炼，实践能力也与用人单位的需求相脱节。“后疫情时代”新的公共卫生形势也对公共卫生人才培养提出了更高的要求，促使高等学校必须改革公共卫生教育，而毒理学也需要紧跟时代步伐，改革实验课的教学方法，加强学生综合素质能力的训练，培养满足新时期需求的实用型公共卫生人才。

1 我校毒理学基础课程教学现状

我校开设毒理学基础课程的专业主要为五年制预防医学，课程总学时为60学时，理论课与实验课学时比为7∶8。

1.1 课程设置情况

预防医学专业的毒理学基础理论课程主要可分为3大部分，分别为毒理学基本概念与基础知识、毒理学安全性评价的相关理论与基本方法和毒理学的分支学科简介(见表1)。其中第2部分一般首先介绍各类毒性作用的相关理论，然后讲述研究或检测相应毒性作用的实验原理、原则与具体方法。

表1 毒理学基础理论课教学设置

毒理学基础的实验课程也可分为3大部分，分别为综合性、设计性和验证性实验(见表2)。在综合性实验部分，教师讲述动物实验的基本操作技术并演示，比如抓取、性别鉴定、灌胃等操作，随后学生再各自进行操作的熟悉和练习。在设计性实验与验证性实验部分，学生按照教师的安排完成各类实验，并对相应化学物的某方面毒作用进行评价与讨论。

表2 毒理学基础实验课教学设置

1.2 毒理学基础实验教学中存在的问题

(1) 传统实验教学理念的影响。传统的毒理学实验教学着眼于对理论的验证，只是理论课程的附属品[1]。授课教师在理论课上讲述各类实验的设计原则与各步骤的操作要点，在实验课上依托于具体实验项目将实验设计与操作形象化。实验课的作用只体现在培养学生的动手能力与实验技能上，实验课自身不成系统，也无法起到对理论课补充、完善和深化的作用[1]。并且由于学生在实验课上一般不做过多思考, 只是简单地按照具体步骤“按部就班”地进行实验, 其实验思维得不到有效的发散和锻炼，实验技能的培养实际上也相对有限。

(2) 实验教学手段单一。实验课内容基本均为示教性实验，由教师讲授并进行操作演示后，学生再按照老师的操作一步步重复完成实验。即使是设计性实验，也是由教师事先做好实验设计，学生在实验课上按照既成的设计方案选取实验动物、进行分组、配制受试物、染毒以及进行实验效应的观察，最后将实验数据及结果形成实验报告。剂量的设置、受试物的毒性评价方法等都由教师思考设计，甚至周期比较长的实验如精子畸形实验也由教师染毒后学生直接采取生物样本进行检测或观察。即使教师已经非常详细地讲述了染毒方式，学生也因为没有切身体会而无法掌握具体操作。这种“照葫芦画瓢”的实验方式对学生的积极性、主动性和创新能力的发展是极其不利的。

(3) 实验内容陈旧。由于实验课依附于理论课，实验课的设置是为了加深和巩固课堂理论教学效果，很多实验内容很经典，但同时也非常陈旧。生命科学发展日新月异，其新理论和新技术也推动了毒理学的发展，催生了很多毒理学分支学科。然而，无论是新技术还是新研究内容，毒理学的快速发展并没有在本科生的实验课上得到很好的体现。甚至很多本科生从来没有接触过一些比较先进的仪器与实验技术，这与用人单位的需求也是脱节的。

(4) 缺乏完整的实验教学体系。在理论课上，化学物的各类毒作用分章节讲授，各章节的联系性不强。同样，在实验课上，每次实验的内容也相对独立，联系松散。然而，一种化学物质对机体产生的毒性作用一般具有多样性，不仅有急慢性毒性和“三致”作用之分，还涉及多种组织器官, 相应的毒性评价也非单一的实验能够解决, 因此学生对于化学物质毒性评价的系统性缺乏全面的把握, 其批判性思维、合作能力和自主学习能力等均无法得到体现和锻炼。

(5) 课程考核形式单一。传统的毒理学基础课程成绩主要由两部分组成。一部分是代表理论掌握程度的期末考试成绩，另一部分是代表实验课表现的实验报告分数，两部分成绩的比例一般为7:3。对于理论课考试，很多同学会选择在接近期末考试时“突击”，这种方式可以让学生在考试中“顺利过关”，但考试后不久那些短期内记住的知识就会被遗忘[2]。而对于实验成绩，即使有的同学在实验操作上敷衍了事，只要按照老师的实验方案和其他同学的报告本完成实验报告，同样也可以拿到不错的分数。

(6) 缺乏综合能力培养。由于公共卫生所涉及工作的广泛性，对公共卫生人才的综合能力有相对较高的要求，且这种要求在“后疫情时代”的新时期显得更为紧迫。能满足岗位需求的公共卫生人才，一定不单具备理论知识，还需要有将理论知识转化为实践的能力[2]以及团队合作精神、问题解决能力、终身学习能力等[3]。传统的毒理学理论课程采取的是“满堂灌”方式，而实验课程是学生按照老师的操作一步步重复完成实验，理论课上学生被动接受知识，实验课上学生机械完成操作，而通过这种方式学生所能掌握的知识非常有限，综合能力也基本得不到实质性锻炼。当然这种现象在预防医学的专业课程中普遍存在, 而由此暴露的公共卫生人才培养缺陷也在本次“新冠”疫情的抗战中展现无遗。

2 PBL教学模式

问题导向学习(Problem-Based Learning，PBL)是一种自我指导、以问题为基础、小组学习的教学模式[4], 并不是指一种特定的教育方法。根据所采用的教育方法的设计和教师的技巧，它可以有许多不同的含义，但共同点都是在教学过程中使用真实的、结构不良的、现实世界的问题来刺激和组织所有的学习问题[5-6]。所使用的问题可以是案例简介、完整案例或以各种形式模拟的问题[5]。PBL的教学设计原则是以问题为中心, 以学生为主体, 教师为引导者, 强调学习的情景化和小组合作。

学习者从一个需要解决的实际问题出发，在解决过程中会引出一系列小问题，通过利用各种学习教育资源，对这些小问题进行解释，最后将信息综合，得到最开始的实际问题的解决方案[7]。不同于传统的授课模式，在PBL中学生是学习及教学活动的主体。得到一个需要解决的实际问题后，由学生进行术语的澄清、问题的定义、问题的分析与细化、针对具体问题制定学习目标、利用各种教育教学资源与小组合作进行问题的解释、综合并测试所获得的信息[8]。在PBL中，教师不再充当知识的灌输者[9]，也不是学生获取知识的直接来源，而是整个教学活动的引导者。教师不能过度指导而使学生不需自由思考和自学，也不能放任学生去考虑问题探究过程中的所有步骤而影响学习目标。学习的情境和应用的情境越相似，学习的转移就越有可能发生，表现就越好。所以教师设计的问题应该做到与学生在以后的职业实践中遇到的问题尽可能相似[10]。PBL的学习是以小组合作的形式进行的，一个实际问题的解决方案是小组共同努力的结果。整个学习过程都以小组为单位展开，无论是问题的分析还是信息获取后的综合以及最后对解决方案进行验证，都离不开同伴协作，在这个过程中的思想碰撞与信息交流可以实现知识的传递与相互促进。

3 基于PBL的毒理学基础实验教学改革

针对预防医学的毒理学实验，改革方案如图1所示，主要增加了综合设计性实验环节，学生通过自主设计实验方案并进行实验操作，完成必需的毒理学试验程序和项目，对某给定的受试毒物做出安全性评价。这个环节在主要的理论知识课程和基本的实验操作课程完成后进行。

图1 基于PBL的毒理学基础实验教学改革方案

3.1 教师的准备

(1) 问题设计。问题是PBL学习的起点，一个好的问题应该和实际工作中遇到的问题相似[11]。在改革的毒理学实验教学中，“问题”一般是“某受试毒物的毒理学安全性评价”。所以问题的设计就是选择何种受试物进行评价及如何进行评价。问题的设计还要遵循维果斯基的“最近发展区理论”[5]，让学生能“跳一跳摘到果子”，所以问题设计不能太简单或太复杂。由于理论课是分章节授课，实验课也是分毒性评价方法单独教学，学生对整个课程没有一个完整的认识，所以问题的选择要能使得学生在设计实验方案时把各章节的知识联系起来，可用到不止一种毒性评价方法，包括急性毒性试验、局部毒性试验和特殊毒性实验。

(2) 教师集体备课与演练。PBL要求教师在教学过程中做一个多面手，既不能过分参与学生的自主学习，又要及时发现学生学习过程中存在的问题，适时激发和鼓励学生，引导教学活动的顺利进行。所以PBL是一种非常考验教师能力的教学理念与方法，教师需要经过一定的学习与演练后，才能更好地组织教学活动。教学方案的制定以及教学资源的建设需要教师集体备课决定，而从实验方案的设计到实验的实施等一系列学生需要经历的过程也应该组织相同能力的同学进行演练，以期在真正实施时的教学方案能够更加可行。

(3) 教学资源建设。包括新的教学团队的建设和相关教学资料的准备。教学团队负责所有PBL的工作，从教学方案的制定到组织协调教学活动，再到实验器材与实验动物的预订和最后的考核评价。教学团队必须包括给学生讲授过理论课和实验课的教师，因为他们更清楚学生的学习情况及能力范围。建立一个教学资料库，其中主要包括各种实验操作的视频。从最基本的动物实验操作如抓取固定、性别鉴定、灌胃、腹腔注射、各种生物材料的采集和各种标本片的制作方法，到一些必需的实验仪器操作方法。还应该根据情况加入一些其他学习资源，比如推荐阅读的文章以及学习实验设计的网站等。将该学习资料库推荐给学生，学生可以通过事先学习来减少在实验过程中的操作失误。

3.2 实施改革方案

(1) 介绍新增教学环节。在学期开始前，就向同学们介绍课程改革的目的、形式和内容，以及学生在课程中需要完成的任务、教师充当的角色、实验课程的具体进度安排等，让学生能够以一种全新的态度对待新的课程设置。

(2) 问题导入。在两周前将需要解决的问题发放给学生，如“某皮肤消毒剂的安全性评价”，要求学生以8人左右为1个小组，查阅有关资料，制定实验方案。问题应该以指导性手册的形式发放给学生，让学生能明白需要做的具体工作，如受试物的有关物理化学资料、人体可能接触的方式与摄入量、需要做的毒理学实验、每一项实验的具体步骤(动物选择、动物数、分组、剂量设置、染毒途径、观察指标及检测方法、试验期限)、相应毒性的评价方法等。

(3) 设计实验方案。我院本科预防医学一个年级近80人，可以分为10组，每组7～9人，每5个小组为1个大班。在学生自由组队的基础上，教师可以稍作调整，尽量让每个小组的成员优势互补，让各个小组的学生层次相近，使得各小组都有能力顺利完成实验。每个大班共同负责1种受试物的毒性评价。学生以小组为单位查阅资料，判断需要进行哪几种实验来评价受试物的毒性，然后进行整个实验方案的设计。如果各小组负责整个方案设计的工作量太大而难以完成，也可以先组织学生讨论需要进行哪些实验，然后1个小组只负责某个实验方案的设计。所以小组数也可以根据需要进行的实验项目数来进行调整。在学生设计方案的过程中，教师应跟踪小组进度，及时发现学生存在的问题并予以指导，可以推荐学生去了解某种理论或去读哪一本书等，而不要直接告诉学生解决方案[9]。在方案汇报前，各小组将实验方案提交给教师，让教师能事先发现学生实验方案的问题并为汇报的点评和方案优化建议做准备。

(4) 方案汇报。问题发放两周后组织大班进行实验方案的汇报，5个小组逐一汇报。每个小组汇报后由教师指出方案中存在的问题并引导大家讨论，教师可以用暗示、平行例子等启发学生，如果某个问题难以解决而拖慢课程进度，可以先跳过此问题继续推进课堂，让学生课后继续查阅相关文献解决该问题。所有小组汇报完成后，要求学生在1周内查阅资料对其中存在的问题进行修改，并将各小组实验方案综合后撰写完整的实验设计报告。在教师确认实验方案中的一些关键环节已经基本没有问题后，可安排各小组开展各自部分的实验。

(5) 实施实验方案。在实验开始前，要求小组制定时间计划表，具体到哪一天执行什么操作，教师按照学生的实验设计和时间计划准备实验动物和实验仪器。可以另外准备几只备用实验动物，如果学生对于某个操作不太熟悉，可以由教师在备用动物身上进行操作示教，也可以提供给学生正式操作前来练手。每个小组至少需要1名教师的全程指导。要求学生在实验时做好分工，认真记录实验，还可以要求学生全程拍摄实验操作过程，在最后所有小组的实验结果汇报展示中放映。小组的实验完成后，要求学生们将自己小组实验的所有过程写成实验报告并上交。

(6) 实验结果汇报。各个小组的实验结束后，组织大班进行实验过程与结果的汇报。各小组汇报中应该包括实验目的、实验材料、实验内容、具体的实验步骤(包括实验流程图并配合录制的实验过程视频来展示)、实验结果、实验结论和实验讨论等。各小组要着重讨论在实验过程中遇到的问题，可以包括成功解决的问题、如果条件允许还可以深入探究的问题、超出能力范围的问题以及实验过程中的疏忽等。所有小组汇报完成后，要求学生综合各小组实验撰写完整的实验报告，报告中要求总结此次设计性实验的收获与感悟，如何优化自己的实验方案，并提出实验安排和课程改进的建议。

(7) 评价与总结。需要对学生的学习过程及效果进行评估。评估者包括教师和学生本人。由于PBL的主要目的是提高学生应用知识的能力和解决实际工作问题的能力，所以简单地将理论考试分数作为评价学习效果的指标是不合理的，应该对学生的综合能力提高程度进行评估。这包括自评和他评。设置自评问卷让学生在参与改革项目前后对自己的各方面能力进行评价。他评则主要由教师完成，也需要设计他评问卷，这个评价是一个持续的过程，从学生参与课程前、参与课程中、参与课程后各方面的表现给予评价。同时也需要对教师的教学过程和PBL课程设置进行评价，以改进课程设计, 由学生和教师双方进行评价。教学团队将整个教学过程总结，将教学改革经验撰写为案例，并在以后的教学活动中逐渐优化。

4 教学改革过程中的思考

4.1 学生方面

我校预防医学的本科生在进入四年级学习专业课之前，已经在以往的药理学、生理学、机能实验学等诸多课程中接触了实验设计、小组案例讨论以及各种课程设计，也有多次小组合作展示和个人展示的经历，大部分同学都参与过“大学生创新创业项目”，所以学生们已经具备了一定的资料查找能力、小组合作能力以及项目设计能力，可以在PBL的设计性实验课中完成自己的任务。教师也可以在开展PBL教学之前的实验课程中就要求学生设计相应的实验，来锻炼学生的实验设计能力。相对于有没有能力自主完成实验，预防医学的本科生面临的更大阻碍可能是时间太少，所有的专业理论课程和实验课程都在大四下学期开展，学生们每天的课程任务繁重，学期过半后又要准备各科的期末考试，而让学生去查阅资料设计可行的实验方案并予以实施需花费大量时间, 此问题的有效解决需要学院调整学生的课程安排。

4.2 教师方面

教师能否做好引导者的角色是PBL课程成败的关键。如果认为PBL就只是学生自主学习的一个过程，简单地放任学生去自由讨论或自由探索，那学生很难寻求到真正的答案，甚至会使PBL课程无法顺利推进到终点。而如果教师总是无意识地主导小组探索问题的过程，学生很快就会转向教师寻求答案，PBL将转变为由教师主导的研讨会[6]。这种问题实际上在国内很多PBL课程中都存在。如何做好一个引导者而不是主导者，不仅需要学习PBL的理念和方法，更需要教师在实践中不断总结经验。我院的毒理学教师人数偏少，不能保证每个学习小组都有1个教师指导，而“三大卫生”的很多知识和实验技术与毒理学是相通的，可以吸引这些系室的教师加入毒理学系的PBL教师团队。高校的教师不仅有教学任务，还承担着繁重的科研任务以及各种行政职务，而PBL课程的构建和组织会耗费大量的时间和精力，对教师来说力不从心，这种问题的解决也需要学校及学院从各方面进行支持和鼓励。

4.3 PBL的有效性评价

由于PBL着重解决学生应用知识的能力，而不是记忆知识，所以仅以理论知识的测验分数来评价学习是否有效是不合理的，甚至一些以这种方式进行评价的结果显示出PBL学生和传统学生没有差异[12-13]。由于不能用传统的知识测试来评价PBL的学习效果，PBL的有效性评价一直没有一个标准。事实上，PBL对学生能力的提高体现在很多方面，无法简单用某一种方法评价。当前的PBL评价与学习目标没有做到很好的契合，只是为了评价而评价[14]。教学评价的真正作用应该是为了促进教学，发现其中的不足并及时纠正。有学者认为，PBL的评价应有自我评价、同伴评价、教师评价和团队评价，评价内容应该包括知识层面、技能层面和态度层面，评价方法要以形成性评价和终结性评价相结合，既要评价短期成效，还要评价长期成效[14]。

5 结 语

毒理学基础传统教学的不足日渐显露，教学理念和教学方式的改革势在必行，PBL可以有效提高学生的知识应用能力和其他综合能力的作用已经在诸多实践中得到证明[15-17]。目前这种教学模式虽然并不完全适合我国的情况，但可以结合传统教学进行，兼顾理论知识的传授和实践技能的培养。教学改革不可能一蹴而就，但随着PBL教学理念的推广、教学经验的积累、教学体系的完善和评价标准的系统化，PBL将会使更多的学生受益。