生物医学科学专业人体结构与功能课程的设计

王 放,辛 颖,张 灵,于 蕾,李 辉,刘 玲△

(1吉林大学基础医学院病原生物学系, 长春 130021;2吉林大学基础医学院病理学系; 3吉林大学基础医学院生物医学科学系; 4吉林大学基础医学院生理学系; 5吉林大学基础医学院教学管理科; △通讯作者)

生物医学科学是研究人体全周期各阶段结构与功能,特别是研究疾病的发生发展机制以及如何通过物理、化学、工程等手段治疗疾病,促进健康的基础学科。如今,我们已经进入了精准医学、转化医学、个性化医疗和大数据时代,对生物医学科学人才的需求越来越多,要求也越来越高。我校自成立生物医学科学专业以来,不断进行新医科知识体系的构建,促进学生医学与理化、生物、工程、数据、信息等多学科交叉于一体的形成[1,2]。

1 课程整合的背景

在我校的生物医学科学专业中,人体结构与功能作为构建综合的生物医学科学知识体系的一门重要课程,与生命科学基础、疾病学基础、疾病学概论等核心整合必修课程相互渗透,又与医学前沿、大数据分析、人工智能等选修拓展课程相互关联。我们对其的整合教学进行了多方面的探索和尝试。这门课程研究正常人体器官组织结构以及生理功能,包括传统课程中的人体解剖学、组织学与胚胎学、生理学等内容。国内外一些院校根据专业培养需求的不同,从内容和形式上采取了不同的整合方式。如部分院校的临床专业将人体结构与功能作为一门重要的桥梁课程与临床课程对接,内容和形式上更多地引领学生建立临床诊疗思维。有些院校的非临床专业如生物医学工程专业,将解剖学与组织学进行整合成为人体结构学,主要为了与生物学、工程学融合,面向医疗器械、医疗技术的发展[3]。针对生物医学科学专业的培养目标,此课程整合的基本理念是实现人体解剖学、组织学和生理学在逻辑上衔接,不仅考虑人体系统为单位的结构和功能之间的联系,同时也兼顾学科知识交叉的特点,使人体结构与功能不再是独立的知识点,而成为能够纵横交错联系的知识纽带。

2 课程整合的设计

人体结构与功能教学主要采用理论讲授、实验教学、线上资源相结合的方法,以基本理论、实验技能为根基,加强交叉学科的拓展融合。理论课除了为学生提供基础知识的学习,更为其展示交叉学科的相关知识,提高学生的科研意识,锻炼学生的应用能力,提升课程的融合程度[4]。实验教学中,教师通过虚拟实践教学系统与传统实物、切片的观察相结合的教学模式,做到理论与实践相结合,并通过临床及科研案例,培养学生独立分析问题和解决问题的能力。对于人体结构与功能这门课程,我们从教学内容和教学形式上实现了八个方面的整合,详述如下。

2.1 教学内容

2.1.1 结构与功能的整合:培养学生具有宽厚扎实的基础医学知识以及相应学科方向的专题知识 我们将课程内容按照学生的认知规律,由形态到功能、由宏观到微观有序地进行组合,改进了原来学科间只有时间顺序相互照应的整合模式,打破了学科间系统、细胞、分子、功能相互分割的讲课方法,以系统整合为主线,在每一节课内进行结构与功能上的充分融合,引导学生在掌握人体各器官系统的正常形态结构、位置和毗邻关系,进而了解其生理功能的表现形式、活动过程、发生机制及影响因素,理解机体为适应环境变化和维持整体生命活动所做的相应调节。以神经系统为例,教师在讲解视觉这一章节时,先从通路层级(解剖)讲述视觉传导通路的构成,再从视网膜的细胞和环路(组织学与胚胎学),至视杆细胞内的分子路径(生理),最后引入科学前沿实验,介绍单光子激发视杆细胞的电反应,以系统生物学的方法来解释整个视觉现象的机制,实现了形态与功能的深度融合。知识构建不但促使学生掌握人体正常器官和系统的形态和功能,更为后续课程奠定基础。

2.1.2 系统与系统间的整合:培养学生建立逻辑思维,使其具备自主学习和终生学习能力 尽管该课程按系统进行整合,但并不是一个线性系统。系统间根据知识相互穿插,形成一个高度交叉连接的网络。以神经系统与其他系统的整合为例,首先,神经系统、免疫系统、内分泌系统三者之间相互作用形成复杂的网络共同维持机体的稳态,三大系统在细胞组成、生物活性物质、周期性变化、信息存储和记忆、作用途径、正负反馈调节机制等方面存在许多共性,在授课过程中,我们将这三个系统在结构和功能上的联系再度进行整合;另外,神经和体液的调节是贯穿诸多系统的重点难点,如何发挥神经系统对各系统的统一和调节作用,是这门课程融合的重点。多数国外教材将神经系统编排在各章节前面,以利于学习者更好地理解神经和体液对各个系统的调节功能。但是,国内普遍认为神经系统非常复杂,是建立在各系统器官结构的基础之上,涉及大量的解剖和生理名词,需要学习者先掌握其他系统的结构,才能理解神经系统在全身的分布、支配和调节。所以,我们在保持原有神经系统在后的顺序基础上,对复杂的内容进行分层次融合,将内脏神经的结构与功能在各章节逐渐渗透,实现系统间知识的相互联系和融合,使学生在学习知识的同时培养系统性思维能力,深化医学科学思维训练。

2.1.3 学科与学科间的整合:培养学生构建综合的生物医学科学知识体系 依靠计算机的辅助,生物医学在诊断设备、三维图像重构、辅助药物设计、生物组学等方面都取得了跨越式的进步。生命科学的进步,尤其是在人工智能、仿生技术等领域的重大进展,又为计算机技术的发展不断创造新的结合点和突破口,二者的深度融合使生物医学加速进入数字化和高速化时代。生物医学科学专业融合了基础医学、临床医学、计算机科学和数学的理论知识,设置了人工智能、医学3D打印等拓展课程。人体结构与功能作为医学基础课,在课程设计中加强了与相关课程的联结。学生通过对人体器官结构和功能的学习,辅以3D打印人体器官来观察其病理变化,进而进行药物筛选和个性化用药指导,从而了解药物作用机制,再利用3D打印人体器官来模拟不同的临床病例,进行手术模拟训练,从而提高诊疗技能和水平[5]。因此,人体结构与功能、疾病学基础、疾病学、计算机科学、医学3D打印实现了课程间知识的融合和医学科学思想的渗透。

2.1.4 基础理论与科学研究的整合:培养学生形成科研思维,具有科学创新力 每节课程的设计不以涵盖浩如烟海的知识点为目标,而是精心挑选一些重要的基础理论加以展开探讨。每个话题都以经典的或最新的科学实验为出发点,相关知识点由相互关联的科学实验的推演过程组成。例如,学生学习脑的皮质功能时,可以通过PET和fMRI等脑功能成像技术,在屏幕上看到人脑思维行进的轨迹,甚至捕捉到瞬间顿悟、决策中的思想冲突等特定的脑图像,感受科学带来的震撼。学生也可以通过设计手机程序,利用Muse的EEG头盔检测到脑电波程序,分析出受试者是在发呆还是集中注意力,体会脑电波在人工智能中的研发应用。我们将这些科学实验以问题的形式提出,随之加以阐述,解释人类如何通过科学实验达到目前对人体结构与功能的认知。课程的插图大多源于原始文献,利于学生在学习基础知识的过程中实现基础理论与科学研究的结合,产生求知欲,逐步形成科研思维。

2.2 教学形式

2.2.1 理论与实践的整合:培养学生具备运用必要的科研方法,自主设计并独立从事科学研究的能力 教学形式中实现理论与实践的整合。实课验与理论课同步,分基础性实验、综合性实验和研究性实验三种类型。基础性实验精选最基本的、最代表实验特点的实验方法和技术,通过学习掌握相应学科的基本知识与基本技能,为综合性实验奠定基础[6]。以神经系统为例,基础实验设置6个内容,2次为一单元,一单元内包括内容相关联的形态学实验和生理功能实验,例如形态学实验为脊髓与脊神经的形态结构观察,生理学实验进行反射时的测定和反射弧的分析,完成从结构到功能的实践认知。综合型实验由多种实验手段和技术以及多层次的实验内容所组成,主要训练学生对知识和实验技术运用的综合能力、对实验的独立工作能力,为研究性实验顺利开展做好准备,例如,神经系统开展兔大脑皮层运动区的刺激效应及去大脑强直的研究。研究性实验是在完成基础实验和综合型实验的基础上,结合其他学科的知识和技术,要求学生自己设计实验方案,开展科学研究,撰写课程研究论文,为毕业论文研究工作的开展打下基础。例如,设计实验证明神经末梢是通过释放神经递质发挥对效应器的作用。理论与实践的结合,使学生在充分掌握知识的同时,具备必要的科研能力。

2.2.2 线下与线上资源的整合:培养学生具备国际化视野和国际竞争力,拓展学生的知识宽度 我们在理论课知识体系的框架下,增添了一些由其衍生出来的特色线上资源,推进医疗新技术、新药物研发的复合型人才的培养,将人体结构绘图与Procreate等绘图软件结合,录制手绘视频,开展学生基础医学知识动画设计线上比赛,辅助理解理论课重点难点知识。对于实验课,我们构建实验示范视频,方便学生课前预习了解实验过程,同时建立数字实验模拟软件,让学生深入了解实验原理和相关知识,实现虚拟现实技术有效的结合。线上资源也将利用人工智能技术,为学生提供更多与医学相关的前沿咨询和知识拓展。学生可以了解一些人工智能与人体生理功能、疾病诊疗相结合的原理和应用场景,并与专业人士进行交流和探讨[7]。IBM Watson Health是一个利用人工智能技术解决医疗保健行业挑战的平台,它可以帮助医生、研究者、政策制定者等各方面利益相关者提高诊断、治疗、预防、研发等方面的效率和质量。这样的拓展学习,既可以增强学生对人工智能在医学领域中的作用的认识,也可以激发他们对医学创新的探索兴趣。线上资源为学生搭建挑战医学极限的舞台,形成序进跨越相结合的创新实践平台[8]。

2.2.3 规划教材与辅助教材的整合:以新医科知识体系导向为原则,确保教材的先进性和引领性 我们在选用规划教材的基础上,针对整合课程的特点,编写具有系统性和实用性的教材,为学生的学习提供重要支持。因为有规划教材作为依托,所以整合课程教材作为辅助和补充。整合课程的教材按照人体的大体结构、组织结构和功能来组织,形成一个完整的知识体系。针对学生的不同需求,整合教材具有多样性,包括纸质教材、电子教材等多种形式,内容包括学习笔记、实验设计、习题集等不同方面,让学生根据自己的情况选择最适合自己的学习方式。整合课程的知识更新非常快。因此,教材尤其是电子版辅助教材做到及时更新,根据医学前沿研究和实践经验,及时修订、补充内容,以保持时效性和科学性[9]。

2.2.4 师资队伍的整合:极具创新思维的优秀教师聚集在一起,相互激励,共同超越,营造思想及能力引领的育人环境 高素质的教师队伍是教学质量的保证。整合课程涵盖多学科、多领域,教学难度大。我们从各学系挑选教师,组建专门的整合课程授课团队,兼顾学科专业与科研方向,将医学背景与非医学背景教师相结合,形成科学的培养方案;加强教师的理论知识和实践能力培养,通过集体备课和教学研讨,促使教师走出原有的学科圈,构建人体结构与功能这门课程完整的知识体系,进而参加交叉学科的学习和培训,拓展知识的广度;组织教师参加教学设计和教学方法的培训,引导他们使用多种教学方法和手段来提高整合教学效果;建立整合课程教学评估机制,对教师进行评估,并提供针对性的反馈和建议,帮助教师不断改进和提高教学质量。

人体结构与功能整合课程打破形态学与机能学的学科壁垒,实现了内容和形式上八个方面的整合,不仅能够帮助学生建立对人体结构和功能整体的认识和理解,还能够促进不同学科之间的交流和合作,形成一个更加完整和全面的知识体系,为科研与教学、医学信息产业、药物设计与研发等打下坚实的基础。今后的课程教学中,我们将进一步创新,根据专业需求,及时调整课程的侧重点和教学方法,逐步完善医理、医工、医文交叉融合的发展模式,培养符合新时代需求的复合型人才。