《条件恐惧系统检测学习与记忆虚拟仿真实验》在高校医学机能学本科实验教学中的应用与反思*

丁 洁 徐力致 夏天娇

南京大学医学院机能学教研室,江苏省南京市 210008

2021年9月,科技部发布《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》,酝酿多年的“中国脑计划”正式启动。该计划以“脑认知功能解析”为核心,以“理解脑、修复脑、模拟脑”为目标,鼓励对脑认知功能原理、认知障碍相关重大脑疾病诊治及类脑计算/脑机智能发展展开深入研究[1]。据统计,脑疾病患者约占全球人口总数的13%以上。在我国,脑疾病也是致残致死率最高的疾病。因此“中国脑计划”对脑疾病领域进行了积极布局,提出了“建立若干种认知障碍相关重大脑疾病精准早期诊断标准和干预手段“在分子、环路、网络以及疾病人群等多个层次全面解析脑疾病的发病机制”等具体目标。这无疑是对我国医学发展及医学教育提出了新的要求。因此,无论从培养大学生科学素养及专业能力,还是满足时代需求、实现服务人类健康的终极目标来说,在基础医学本科教学中开展脑科学相关内容的学习具有十分重要的意义。然而,由于脑科学实验的特殊性,对实验者的手术操作能力、实验室条件以及知识通融能力均有相当高的要求,限制了该类实验在本科生实验教学中实施。为构建完善的实验教学体系、培养对疾病研究具有总体设计与规划能力的优秀医学生,南京大学医学院与成都泰盟软件有限公司合作开发了针对脑科学的重要领域——神经认知行为学的系列虚拟仿真综合实验,旨在将科研素养的培育前移到本科生阶段,助力培养精医学、懂科技、引领时代的高层次创新医学人才。本文以该系列虚仿综合实验之一——《条件恐惧系统检测学习与记忆虚拟仿真实验》为例,探讨神经认知行为学虚拟仿真实验项目在医学机能学本科实验教学中的应用。

1 尽早融入神经认知行为学实验,构建完善的医学机能学本科实验教学体系

医学机能学实验课程作为连接基础医学与临床医学的桥梁课程,以器官功能变化为主要观察指标,通过从正常—疾病—转归三个层面系统的观察和推演,探究机体功能的客观规律[2]。课程训练学生基本的实验操作技能、加深其对相关课程基础知识的理解和综合掌握技能、着重培养学生的创新思维和科学素养。通过深度激发学生主动探究的能力训练,在对医学科学本质的探寻中,奠定学生创新型的科学逻辑思维基础。

神经认知行为学是一门以实验为主的科学,通过对机体认知行为的评估探索脑功能的奥秘。我院医学机能学实验在“尽早培养医学生对疾病研究的总体设计和规划能力”的教学理念下,融入神经认知行为学实验内容,大力提升本科实验教学体系。任课老师从学科特点出发,结合科学发展前沿,设计出以动物神经系统疾病模型的建立方法、认知行为检测工具使用和数据分析方法为主要内容的神经认知行为学虚拟仿真实验项目。通过教学演练,解读专业知识,拓宽学生眼界,自然而然构建“脑科学”—“神经认知科学”—“神经认知行为学”的科研思维体系。

2 《条件恐惧系统检测学习与记忆虚拟仿真实验》主要特色及教学开展过程

2.1 主要特色

2.1.1 实验内容聚焦科学研究前沿,实现科教协同:人类对于脑科学的认知逐步提升[3],国际脑科学飞速发展,各国纷纷启动大型脑研究计划。本实验内容以世界科学研究的前沿——脑科学为切入点,聚焦神经认知科学研究中的关键实验环节,将学科前沿渗透进基础医学实验课程。实验高度仿真脑科学研究行为测试分析平台真实场景,还原真实实验流程,基于真实数据校准软件模型,实验蓝本源于主创教师的科研工作,依托多个国家及省部级科研项目,实验设计思路科学、数据真实可靠。

2.1.2 面向临床前沿问题、培养综合分析能力:认知障碍相关脑疾病研究作为中国脑计划的重要一环,对解决我国实际的人民生活需求具有重大意义。其中,术后认知功能障碍发生原因与解决方法是临床关注的热点问题之一[4]。麻醉药物使用被认为是介导术后认知功能障碍发生的重要风险因素[5-6]。主创教师与临床前期的合作研究首次证实6h异氟醚麻醉可损伤小鼠麻醉后包括空间记忆、新物体识别能力、情景恐惧记忆在内的各项认知功能[7-8]。基于上述研究背景,本实验通过建立长时程异氟醚麻醉介导的认知功能障碍模型,评估其造成术后认知功能障碍的风险。实验的完成过程不仅是对认知功能障碍的病理生理学基础知识的整合与融汇,让学生理解如何运用基础医学实验方法来探究实际问题;更重要的是,学生能深刻感受到独立思考在日常工作、学习乃至医学发展中的重要作用,意识到医学的快速发展是建立在不断创新探究的基础之上的,从而自发有意识地提高自己的思考与创新能力,达到大学教育的最终目的。

2.1.3 自然渗透对医学生人文素养的培养:实验以临床案例创设情境探究病因,为进一步深入探讨治疗或解决方案奠定理论基础,让学生体会医者研究疾病、攻克健康难题的职业责任。实验中体现对实验动物福利的关注,突出了虚拟实验避免使用大量实验动物的优势,除了让学生了解实验动物3R原则,更是希望学生以己推人,不仅关爱自己、亲朋乃至全人类的生命健康,更要包含大爱,尊重敬畏自然生灵,树立崇高的人生观、宇宙观和自然观。

2.2 教学过程

2.2.1 实验背景及介绍:本阶段包括介绍实验背景、流程、目的及预习考核四个环节。背景介绍包括脑科学研究的起源与发展、认知功能障碍模型建立的原理、条件恐惧实验系统检测学习与记忆实验原理等内容,激发学习兴趣。预习考核环节可评测自主预习效果,凸显重点内容。

2.2.2 实验操作及分析:本阶段包括应用、探究和巩固三个模块。以问题导入式、自主学习式和互动探究式为教学方法,重点掌握动物模型的建立,条件恐惧实验系统的准备、使用,实验结果的观测、收集与数据处理等知识内容。课后测验可以及时巩固所学知识,同时实时反馈给教师教学效果。

2.2.3 实验报告及讨论:本阶段需深入思考与讨论实验结果、完成实验报告。课程资料库、互动答疑环节,推动学生进一步自发追踪科学前沿动态,促进沟通与讨论,培养系统性的基础研究思维与能力(见图1)。

图1 《条件恐惧系统检测学习与记忆虚拟仿真实验》教学过程

2.3 教学重点与难点的设计与目标设定

2.3.1 专业仪器使用训练:专业仪器使用能力是重要的实验操作技能之一。实验着眼于专业仪器——麻醉机和条件恐惧系统两套仪器开展该能力的训练。本实验利用异氟醚这一临床常用的麻醉药物,建立由手术麻醉诱发认知功能损伤的疾病模型。然而,异氟醚属于管控药品,有严格的使用管理制度,而麻醉状态中必要的给氧操作也存在安全隐患。故而疾病模型的建立过程无法在真实教学环境中大规模实施。因此,我们将这部分内容设置为学习重点之一,建模过程涉及吸入式麻醉机与麻醉药物的使用等学习内容。吸入麻醉是目前临床常用的麻醉方式,将其使用训练设计入本科生基础教学实验,具有现实意义。项目对麻醉相关仪器设备与实验流程进行高度还原,按照临床手术实际情况,对麻醉管路连接与检漏、氧气与麻醉机的接入、麻醉诱导和维持时应选择的浓度及流量的设置等进行人机交互操作,让学生了解并学习到吸入麻醉的操作方法及其在小动物实验中的具体应用。造模成功后,开展小鼠认知功能的检测。条件恐惧检测系统设备价格较高,实验环境严苛,不适合大规模实验教学,难以满足学生多人次反复操作练习的需求。因此,熟练掌握条件恐惧系统检测认知功能的具体方法是另一学习重点。实验中训练阶段与测试阶段均需预先对系统进行调试与参数设置,是学习难点所在:这步操作看似相似,却具有不同的目的与意义,前者是建立关联记忆、后者是测定功能改变。学生首先对仪器结构、与系统使用方法进行学习,再正式实验流程,渐进式理解实验的整个过程与意义。虚拟仿真交互操作可以让学生反复练习并熟悉整个实验过程,交互问题也可以强化重点知识。

2.3.2 分析与解决问题能力训练:实验课程的核心与难点在于对结果与数据的分析,充分体现出学生分析与解决问题的能力。项目摒弃给予类似“标准答案”的模拟数据,而是融入真实研究数据,引导学生认识生命体的复杂性,不迷信已有经验,根据科学分析方法,透过重重迷惑挖掘本质。

2.3.3 综合素质提升训练:对相关课程基础知识的理解和综合掌握技能是培养学生真正创新思维和科学素养的原动力。实验通过多维度学习培养医学生的综合素质。如案例引入紧扣临床,建立问题导向性的思维习惯;再现真实科研过程、探讨真实实验数据,建立临床研究的科学思维方式;交互提示操作细节,重视职业规范培养;设置思考题渗透动物保护理念,认识动物实验的重要性与必要性,引导学生理性思考动物保护与人类健康研究之间的关系;多方位评价体系与课后知识拓展鼓励学生对已有知识深挖及批判性思考问题等。

3 总结与反思

在投入教学的近3年时间中,该实验的接受度不断提升,教学优势明显。实验以解决临床实际问题为最终目标,让学生体会专业知识在实际工作中的应用,学有所用、学以致用,切实做到基础教学和临床实践紧密结合。实验目标层层深入、内容紧密结合科学前沿、方法先进,有效推动实验课程向探索性创新性方向的建设,将培养科研素养的目标前移到本科生阶段。同时,很多生命科学及医学相关专业高年级本科生及研究生也申请使用该实验,并且普遍反映实验内容兼具实用性与创新性,对脑科学及认知行为学相关领域的科研学习具有指导意义。其间,实验被认定为江苏省首批一流本科课程(虚拟仿真实验教学课程),不断推动该虚仿实验的建设与后续完善。

诚然,我们也在不断地发现问题并努力解决:(1)虚仿实验的学习不限时空、自由度大,极其考验自主学习能力,因此采用多元化的评价方式、分步骤赋分,可能推动学生开展有效学习、保持持续的专注力。(2)学生学习能力参差,成效不易考察。实验报告能够很好地体现出学生的思维过程,因此,提倡实验报告的“个性化”——不仅限于实验过程与结果的呈现,鼓励学生进行有深度的创新性思考与总结。设置没有标准答案的实验报告,不仅可以了解每个学生的学习情况,更是帮助学生体会在遵循科学的原则下,敢于创新、敢于思辨,是创新型人才应该具备的能力。(3)我院自主设计的虚拟实验多以任课教师自身科研工作为背景,专业前沿性强,学科通融性高,属于综合性创新实验,因此低年级学生想要完成好,必须具有坚实的基础。教师可以酌情对重点、难点深剖,帮助学生克服学习疲劳,达到现有知识的升华。(4)为提高对知识的综合应用能力,通过线上线下集体讨论、翻转课堂等多种教学形式,开展有针对性的讨论性学习,鼓励“自评自辩”,大大激发了学习热情,锻炼了学习能力,提升了学习效果。同时为实验内容的完善与提升、课程进一步改革与建设,积累了大量宝贵的经验。我们深刻地体会到虚拟实验的建设必须与理论教学、临床实践深度结合,充分考虑与发掘教师与学生的主观能动性,才能真正发挥其在教学中的作用。

党的二十大报告提出,推进健康中国建设,把保障人民健康放在优先发展的战略位置,完善人民健康促进政策。作为综合性大学的医学教育,除了肩负培养领导型创新医学人才的重任,更负有对全社会输出专业、科学的医学健康知识的责任。《条件恐惧系统检测学习与记忆虚拟仿真实验》的背景来自亟待解决的医学临床问题,直接涉足民众与社会普遍关注的健康话题。因此我们积极尝试将该实验推广至我校其他专业的本科教学,旨在向非医学类学科师生介绍相关疾病的研究进展、普及医学知识,帮助普通大众从科学本质认识疾病、树立积极的健康观念。同时,希望通过这种交流,更大范围、深层次地建立多学科之间的交叉通融,促进多学科新碰撞,为产生原创成果及培养交叉型人才带来新的可能性,进而促进神经认知障碍相关脑疾病的发病机制的解析、诊断与治疗,为深入实践中国脑计划“一体两翼”的发展战略提供新思路。