新医科视域下人体机能实验课程的开发与应用

童学红，王 伟，梁 雪，韩艳芳，黄 松，李利生

（首都医科大学，北京 100069）

2019年教育部等相关部门“新医科”建设的提出，引导教育者以信息技术为代表的新一轮科技革命，推进新一轮医学教育综合改革。众所周知，实验教学是高等医学教育的重要环节，对于基础阶段培养具有创新思维能力和实践能力的高素质医学人才具有重要意义。机能学实验中所涵盖的生理实验内容，是医学生了解正常机体生理功能变化与调节机制的基础实验模块，其中人体机能实验是以学生为实验观察对象，可直接获取人体数据，使得学生能够亲身参与，体验人体实验所带来的直观感受，同时避免了实验动物的消耗，符合动物实验研究的“3R”原则[1-2]。此类实验与临床观察关系密切，也是传统机能学实验的补充和拓展。由以往以动物实验为主的教学模式向人体与动物实验相结合的教学模式转变，有助于医学生更好地掌握人体功能变化的特点，为后期临床学习奠定坚实的基础。但在实验教学中，如何将基础实验中机制的探索与临床医学中的人体检测技能培训相结合，成为高等医学教育教学过程中亟待解决的问题[3]。因此，优化人体机能实验课程内容，构建以系统为核心的应用性人体机能实验课程，既可以培养学生直接针对临床人体生理实验的技能，又可探究其检测机制及临床意义。本文通过应用Lab Station系统优化现有人体机能实验课程内容、改进人体机能实验教学系统附件，从而进一步强化人体机能实验教学项目的科学性与可行性，同时探索与临床相结合的新的实验教学内容，为提高人体机能实验教学质量奠定坚实基础，使本校国内领先的系列化人体机能实验再上新台阶[4-7]。

1 人体机能实验教学现状及发展

首都医科大学基础医学实验教学中心机能实验室自2005 年率先引进澳大利亚ADInstruments 公司LabTutor 人体实验教 学系统，开设以系统为核心的应用性人体机能实验，是国内高 校开设人体机能实验较早的医学院校。现已开设了心血管系 统、呼吸系统、泌尿系统、神经肌肉系统及心理生理学实验内 容，取得了良好的教学效果。但在教学过程中，发现一些实验课 程内容的安排和设计需要进一步完善。2019 年本实验室又将 LabTutor 人体实验教学系统升级为LabStation 系统。此系统为 实验教学提供了一个开放、交互的平台，教师可以利用LabStation 在线创建人体机能实验课程，可以把实验涉及的背景知识 及临床典型病例融入课程内容，构成基础与临床相结合的一体 化教学环境。这为高水平复合型医学人才培养构建了极具应用 价值的实验教学支撑平台。

2 人体机能实验课程内容的优化

2.1 心血管系统实验的优化

传统的人体心血管系统实验，侧重于测量静息状态下及不同体位变换后血压、心电等各项指标变化，然后讨论其影响机制。即使某些院校开展了此项实验，包含运动状态下测量血压、心电等内容，但由于以往记录设备、实验软件、定量运动的实时数据采集等客观障碍，以及教师的实验设计思路、教学观念等主观因素影响，很难将静息状态与定量运动的心血管系统实验进行一体化的整合设计，并付诸高质量的教学实践。本室利用最新的Lab Station交互平台，配置了实时显示各种负荷状态下心率、热量消耗等数据的运动装置，同时要求学生学习人民卫生出版社出版的《生理学》（第9版）教材，在熟悉关于血压和心电图理论知识的基础上，将运动状态下的心血管生理功能测量融入实验，使学生既可在静止时，也可在动感单车上运动时实时监测心率等变化，待心率上升到100以上测量血压和心电。通过测量静息时、运动中和运动后的血压、心电变化，对于学生深刻理解收缩压、舒张压、外周阻力、心脏生物电等重要概念，不同状态下神经、体液对血压的不同影响机制等，以及基础理论和临床变化之间相互关系大有裨益。同时基于这一整合性人体机能实验平台，学生可根据日常生活与临床实际，对现有实验内容进行修改和创新设计。这对于提高学生实际应用能力，对知其然并知其所以然的过程探索有明显促进作用[8-9]。

2.2 神经肌肉系统实验的优化

随着可穿戴设备和信息技术的飞速发展，传统的神经—肌肉类机能实验的实验方法和模式也必将随之嬗变。势必由经典的蛙类神经—肌肉实验转向记录指标较为单一的人体神经—肌肉实验，然后再向整合性、丰富性更高的人体机能实验趋势演化。例如，原先记录蛙类坐骨神经动作电位、传导速度，以及腓肠肌收缩活动的实验内容，已经可以由Lab Tutor人体实验教学系统，通过对人体前臂内尺神经进行电刺激来演示募集、收缩总和、强直收缩。现在基于最新的Lab Station系统，改变原先单一测量肌肉收缩活动，可以把不同状态下的肌电信号、肌肉疲劳信号等变化指标融入实验内容，创建骨骼肌功能整合性实验。可以做到刺激尺神经的同时，记录小拇指肌肉收缩活动（单收缩、不完全强直收缩及完全强直收缩），以及动作电位的变化，并且可以通过改变不同刺激位置（腕部和肘部）记录和测量尺神经的传导速度。

再如，本实验室也优化创建了反射与反应时间实验，记录不同刺激和不同条件下（受试者在完全集中、注意力分散状态下对视觉和听觉线索快速反应）的反射和反应时间。其中反射实验是诱发一个膝跳反应，记录产生反应的时间以及膝跳反射所产生的大腿股四头肌上的肌电幅度。此实验由于要在大腿四头肌上安放记录电极，所以只能在春夏季方便开设。为了在秋冬季也能开展此项实验，本实验室设计了另一套实验方案，将角度记录传感器固定在膝关节外侧，记录引起反应的时间，以及膝跳反应时小腿抬高的角度，这同样可以达到测量反射的时间和幅度目的，进而完成此项实验。在春夏季开设此实验可以两套方案同时实施并进行比较，开拓学生用不同方法探究科学问题的思维。

2.3 呼吸系统实验的优化

呼吸运动调节的相关内容，是机能实验教学体系不可或缺的部分。以往学生主要是对麻醉后的家兔进行观察，通过施加干预步骤继而探究呼吸调节的参与因素和机制。正如本文前面提及的，机能实验教学正在由以往以动物实验为主的教学模式向着人体与动物实验相结合的教学模式转变。本实验室利用人体实验教学系统，以人体为实验对象，不仅记录、分析正常状态下人体的肺功能变量，还模拟记录了气道狭窄患者的呼吸情况。用强力胶带覆盖呼吸管道，用钢笔或削尖的铅笔在上述胶带上扎一个直径约为5mm的圆孔，重新连接到呼吸流量换能器上。学生可领会气道狭窄时（例如哮喘）呼吸的感觉，并对正常数据和“模拟哮喘”之间的肺功能变量进行比较。也可在保证安全的情况下，用过度充气的肺模拟一个患者的呼吸情况，然后记录肺容量和肺通气量。在测定安静状态下的肺功能基础上，增加了运动状态下的肺功能测量。部分学生在动感单车上进行轻量运动后，再测量肺容量、肺通气量及呼吸频率，比较运动前及运动后心率、呼吸流量及呼吸频率的变化。通过以上呼吸系统部分实验内容在人体上实施，使得人体机能实验教学真正与临床密切联系的愿景一步步变为现实。

3 创建文件化实验课程，构建实时反馈的教学模式

运用Lab Station人体实验教学系统，教师可以自主编辑、优化人体机能实验教学内容，在实验课程中添加自己编辑好的微视频及挑战题。创建文件化的人体实验课程，可以帮助学生更好地理解实验涉及的知识点，更快地完成实验操作。教师创建好的课程配有完整的文件支持，包括大量的教学材料（背景知识、设备连接、操作视频及学生操作指南等），形成了详细的文件化的实验课程，而不用再编写配套的实验讲义。学生可以自主完成实验相关知识的学习并记录自己在不同生理状态下（安静、运动、紧张或激动）的生理参数的变化，完成数据分析及实验报告。这种教学方式根据师生互动情形，实时交互反馈，加深了学生对人体整体机能的理解，培养了学生综合分析问题及独立思考问题的能力，为医学课程与后续临床课程的接轨打下良好基础[10-12]。

4 人体机能实验附件的完善

在实验教学过程中，通过对一些实验附件的改进，可以服务于新的实验设计，提高实验效率，丰富实验内容。例如，在进行骨骼肌收缩活动记录时，需要将记录收缩力的手指脉搏传感器固定在桌面上，但在实验中经常因为粘贴不牢固，位置发生移动而影响实验数据的记录。本室根据需要，将手指脉搏传感器固定在一个和手掌尺寸相适宜的有机玻璃面板上，节省了学生实验操作的时间，保障了实验数据记录的准确性。在人体呼吸系统实验中，为避免受试者之间交叉感染，定制了一种纸质一次性吹嘴，口径能和呼吸流量侦测探头导管紧密连接，保证导联系统的密闭性，因而保障了实验的安全性[13-14]。

“实验室可以比拟为现代化大学的心脏”，可见实验教学的重要性。本室通过对人体机能实验课程的开发与应用，顺应机能实验教学发展趋势，积极提升机能实验教学质量，努力践行时代所赋予实验教学的责任和使命，希望和同道一起为机能实验教学的发展贡献力量[15]。