机能学教学中课堂设计性实验的探索与实践

董晓敏,孙笑语,崔艳秋,童学红,李利生

(首都医科大学基础医学国家级实验教学示范中心机能实验室, 北京 100069; △通讯作者)

医学机能学是一门实验性课程,是将机体生理、疾病发生发展、药物治疗等内容有机结合的医学核心课程,是基础实验与临床前沿相结合的桥梁课程[1,2]。实验的课堂设计要求学生在实验课堂中当堂设计并实施完成,设计性实验课程具有培养学生创新思维和调动学习兴趣的作用[3-5]。2019年 10月 31日,教育部发布的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》[6]中提出“提升课程的高阶性、突出课程的创新性、增加课程的挑战度”即“两性一度”的“金课”概念,强调“课程是人才培养的核心要素”。我校机能学实验室参照“金课”的“两性一度”标准,结合医学机能学实验特点,进行多维度改革探索,开展各种类型的设计性实验教学,积累了一定的教学经验,参与学生反馈效果良好。本文以未知溶液Y对牛蛙心脏的影响的课堂设计性实验为例,总结设计性实验教学中的一些经验与反思,尤其是教学内容设计与混合式教学模式的应用,以供参考。

1 机能学课堂设计性实验在基础医学教学中的重要性

在机能学实验教学实践中,基础性实验主要目的为训练学生基本操作技能、加强理论知识理解与巩固;综合性实验主要目的为提升学生对正常到异常再到治疗后的机体功能变化的完整过程的系统认识和逻辑思维。这些实验的题目与内容一般是按照教学大纲拟定,按照既定步骤进行[7]。自主设计性实验具有培养学生创新思维和调动学习兴趣方面的作用,但是存在一些问题,如设计实验内容因不符合现实条件而无法实现,时间跨度长阻碍学生兴趣和积极性,只在少数专业或少数长学制学生中开展,教师工作量过大等。在课堂设计性实验中,学生以小组为单位,根据实验选题设计实验方案,在课堂讨论、完成实验并撰写实验报告,各专业学生均可参加。教师反馈及时且为个性化指导,能够使他们较早接触科研思维能力训练。精心设计的实验教学内容将雨课堂、微课、虚拟仿真实验等多种方式应用到课堂设计性实验中,线上线下混合教学模式可培养医学生独立发现、分析、解决问题的探究能力,强化医学生创新思维和创新能力。该教学模式符合提升现代医生岗位胜任力的培养目标。课堂设计性实验已成为培养学生创新能力和科研思维能力的一种高效、有力的载体。

2 实验教学设计

2.1 以问题为导向的课堂设计性实验教学设计

人类天生具有求知欲,这种内在驱动力促使人类探究未知领域。教学设计从激发学生好奇心为出发点,选用一种未知溶液,以未知溶液对牛蛙心脏有哪些影响问题为导向进行设计,充分调动学生探索欲。教师根据教学内容及学生的知识储备,优化组合多种教学方法,应用混合式教学模式,进行课前线上+课中线下课堂+课后线上复习拓展的教学设计。具体设计如图1。

图1 课堂设计性实验教学设计示意

2.2 线上实验资源优化

①实验录播视频。视频内容设计遵循科学性和逻辑性,适配课堂实验内容,由多个问题链串联成一个录播课或几个短小视频。比如未知溶液Y对牛蛙心脏的影响的录播实验内容主要包括牛蛙的捉拿方法、牛蛙静脉注射血管与位置的选择、静脉注射操作技能、离体蛙心制备高阶手术操作技能以及如何快速数据存取及图形剪辑。教师将录播课视频链接式投放到雨课堂或微信公众号,以便学生可随时随地进行学习。②开放医学虚拟仿真教学平台。学生登录教学平台学习心血管系统与影响心输出量的因素相关内容,进行虚拟实验操作,设计并开放标准化电子病人案例使用权限。③课后拓展性资料。内容包括展示大学生基础医学创新研究暨实验设计大赛优秀作品、典型临床病例如心源性猝死、最新科研发展动态。

3 实验教学实施

3.1 课前学生线上学习

①在机能学疾病模型复制的首次模块课堂上,教师整体介绍基础性实验、综合性实验和设计性实验课程安排,并在此次实验课堂中介绍并发布线上预习内容,使学生在课堂设计性实验前有2-3周时间来进行线上预习、熟悉虚拟仿真实验中相关操作以及查询与课堂设计有关文献。②教师课前向学生发放调查问卷,了解不同层次学生能否独立设计实验项目、对设计性实验的熟悉度、对实验设计原则和实验内容知识点了解程度、预习情况等。

3.2 课中实验以学生为主体

①前言引入环节:教师讲述科学研究、实验设计及原则,总结分析前几次机能实验课的实验设计原则,如家兔肝性脑病实验和高钾血症实验中的对照原则,缺氧实验中小鼠的均衡原则等,让首次接触科学实验设计的学生进一步完善知识体系,从国家、社会及个人层面强调科研重要性,融入科研报国的思政教育,引发学生自主思考本科生科研的必要性。②学生通过实验观察发现问题:学生团队互相合作,观察腹静脉注入未知溶液Y对其心脏的影响。教师提问实验有何结果,引导学生思考并探讨心律变化的机制,通过翻转课堂讨论总结未知溶液Y对其心脏的影响,课程中注重培养学生团队合作精神。③学生主导实验设计:学生根据Y溶液对牛蛙心脏可能的影响提出实验假说,并设计新的实验证明其假说。教师对实验团队进行具体指导并进行过程性评价。团队在课堂上开展高阶实验难度挑战赛,合作制作离体心脏灌流模型,充分激发学生学习兴趣,训练学生动手操作能力。④课堂实验总结:学生在课堂讨论后完成实验,撰写实验报告。教师引导学生选择统计方法,进行实验总结。

3.3 课后线上拓展

①教师发布课后复习题目,如本次实验设计中存在哪些不足,针对不足,在之后实验中应如何改进?学生思考并进一步吸收内化实验设计的能力。②教师展示大学生基础医学创新研究暨实验设计大赛优秀作品,提高学生参加比赛申报创新项目的积极性。③教师推送与本次课堂实验相关的典型临床疾病案例,如心源性猝死。④学生查找最新科研发展动态。

3.4 考核与成绩评定方式多元化

教师根据课程教学目标设计可量化的评价方式。预习成绩评定方式是教师对线上课程知识内容、实验注意事项等进行提问,学生答对可加分。实验课程评定方式为教师对学生进行三次可测量的形成性评价:分别是实验观察环节评定学生发现并提出问题的能力、动手操作能力;实验设计环节评定学生讨论机制、设计实验的能力;实验总结阶段评定学生分析数据及汇报能力。在形成性评价中,教师能积极、及时反馈,学生自评或同伴评价能推动学生学习并帮助学生提升实验设计能力与实验实施能力。期末成绩评定方式为学生在期末考核试题和技能操作中参加考核获取成绩。教师汇总预习成绩、实验课程中的形成性评价、期末成绩多项内容,得出终结性评价结果。

4 教学效果评价

学生表示,通过混合式教学模式应用于课堂设计性实验这一方式提高了个人自主设计实验的能力,强化了发现问题、解决问题的思维能力,也增强了申报创新项目和参加比赛的意愿;增加了机能学实验预习途径后,其学习兴趣极大提高。学习效果方面,学生网络作业和总结性试卷显示,学生学习效果为优。同行评价方面,该教学设计在全国性基础医学实验课程展示比赛中获得一等奖。

5 教学中加强思政元素融入

①教师将混合式教学模式应用于课堂设计性实验即现代先进技术融入课堂,在学生身边展示国家科学技术现代化的成果,加强对学生的国情教育,培养学生热爱祖国。②教师在课堂前言中提问“本科生是否需要了解实验设计等科学研究”。我国经济社会发展比过去任何时候都更加需要科学技术解决方案,更加需要增强创新这个第一动力。由此向学生引入科研报国教育。③教师在课堂实践中逐步强化未来年轻医生同理心与共情力,培养医学生尊重生命,医者仁心。④在机能实验课堂中,学生以小组为单位互相协作,需要紧密配合完成操作。教师以抢救心脏骤停患者为例融入团队合作精神,为将来医生岗位胜任力打下基础。⑤实验探索设计环节,离体心脏模型制作难度较高,可以培养学生勇于探索的科学精神,建立科学的价值观。⑥实验对象牛蛙代替蟾蜍,以践行《野生动物保护法》。因国家已将蟾蜍列为明令保护的“三有动物”,从而提高学生法律意识与法治素养。

6 混合式教学模式是提高课堂设计性实验教学质量的有效途径

随着信息技术与医学教育教学深度融合,技术促进课堂发生巨大变革。互联网人工智能+教育的发展背景下,各地医学院校大力推进医学教学改革[8-10],多种多样的教学方法模式如案例式教学(CBL)、问题探究式(PBL)等应用于医学教学过程中。“互联网+”混合式教学模式是在“互联网+”物联网的背景下构建的教学平台,与微课、慕课、雨课堂、虚拟仿真平台、腾讯会议、钉钉直播、考易平台等多种教学方法融合,进行网络授课[11,12]。对于线上线下混合式教学的标准与方法,教育学界学者没有明确定义,但越来越多的教育学者指出线上线下的教学内容比例不宜用于区分混合式教学与其他教学,更强调应关注线上线下内容的融合适配度,而不是简单的混搭[13]。所以混合式教学包含多种网络教学混合和线上线下教学实践混合。混合式教学将成为未来高校教育的常态[14,15]。学生实验课面临的现实为缺少有效预习途径进行预习、学生学习主动思维不强以及实验课时减少,开展设计性实验却要求实验内容符合现实基础并具有新颖性。由于课堂设计性实验与现有书本知识联系少、学生对研究领域如“一种未知溶液对机体的影响”不了解、学生需要查询大量文献、调研多种原因,课前学生需花费2-3周时间进行预习和准备资料,实验课时有限又不允许学生课上查找,就需要引入课堂应用混合式教学模式这一形式解决这种难题。混合式教学模式打破时间和空间限制,为学生构建了一种处处可学、时时能学的学习体系;让学生课前线上完成实验前准备阶段,课上可以充分发挥学生的积极思维能力;可为课程构建丰富的线上课程资源;可延伸机能实验课程的深度,极大提高翻转课堂效果。混合式教学中加入了虚拟仿真实验和标准化电子病人案例,使学生在线下网络进入学生端后,可以身临其境感受虚拟手术并模拟医生对患者进行诊疗,为本科生建立了基础医学与临床医学融会贯通的桥梁。混合式教学的方式可以使教师将资源有效推送给学生,这种资源包括教学课件等硬资源和师德师风等软资源。所以混合式教学模式应用于机能学课堂设计性实验是提高医学人才培养质量的有效途径。

7 教学反思

当前阶段,互联网人工智能技术全面逐步进入教育教学中[16],我们认为开展混合式教学模式的设计性实验教学需要具备以下条件:首先,要建设新时代高素质专业化的创新型教师队伍,全面提升教师信息化专业素养,加强教师融合使用各种教学方式的能力;其次,大力支持教师利用信息技术优化课程。

课堂设计性实验混合式教学模式在实践中也存在一些问题,如线上课程内容无法精准有效适配线下课程、线上虚拟仿真平台机能学实验内容较少、多项设计性实验内容所需技术无法在网络上模拟操作或虚拟仿真平台实验不符合本校实验教学内容。课程教学全过程要求教师不仅是知识的传授者,更是引导者、活动设计者和个性化辅导者。有些教师在线上线下+课前课中课后全过程缺乏统一意识,各个教学环节相互呼应点不足,有待进一步完善。有些学生对待线上学习不认真,存在敷衍心态,需要教师及时提供相应督促辅导。如何更有效开展教学评价?教师借助信息化统计数据分析评价可以快速及时了解学习结果及每个学生存在的不同问题、完善课程多元化考核评价方式;亦可发展线上学生的同伴评价和自我评价,引导学生反思及提高认知等方面。

总之,课堂设计性实验教学实践以问题为导向,发挥学生的主体性,教学设计以教师为引导,在自主探究疾病发生的基本机制中,让学生经历两次“思考问题”的头脑风暴。课程引导学生不断地发现问题,并用科学实验解决问题,为未来医生岗位胜任力打下基础。机能学课堂设计性实验让本科生早接触科学研究,使学生初步掌握机能学科在科学研究中常用的方法和实验设计思路,培养学生科学的思维能力和创新意识,提高学生综合分析问题和解决问题的能力,养成理论联系实际、勇于探索的科学精神。机能学课堂设计性实验符合“金课”提升课程高阶性、突出课程的创新性、增加课程的挑战度“两性一度”的特点,需要我们不断探索与完善。