基于智慧实验室的人体解剖生理学实验教学体系构建

缪明星，李立文，颜天华，丁启龙

(1.中国药科大学药学院，江苏 南京 210009；2.中国药科大学基础医学与临床药学学院，江苏 南京 210009)

《人体解剖学生理学实验》是一门研究正常人体形态及构造的科学，是药学专业领域的一门重要基础课程[1]。该课程集科学性与实践性于一体，在药学类各专业本科生的实验教学中具有重要地位。我国很多高校目前人体解剖生理学实验课程，存在实验课程设置从属于理论教学，实验学时数较少，对学生的技能培训不够规范，尚未形成独立实验教学体系；实验教学项目内容比较陈旧，以经典性、验证性实验为主，缺乏综合性、研创性实验教学内容；实验仪器设施比较陈旧，信息化技术在实验教学中应用不充分等问题。

“智慧实验室”是指软件虚拟技术模拟仿真实验环境，以学习分析技术智能指导实验过程，以虚拟现实技术创设实验临场感的实验环境[2]。“智慧实验室”通过对实验资源的识别、追踪、监管及学生实验过程与结果的反馈，构建学生自发式教学环境，逐步改变对学生“一步一式”的传统实验教学模式[3]。我校国家药学实验教学示范中心(以下简称“药学实验中心”)首次提出将“智慧实验室”的理念融入人体解剖生理学实验课程全过程，逐步优化整合实验项目，替换更新不合理实验内容，强化学生人体解剖生理学基础知识及实验操作技能。

1 我校人体解剖生理学实验教学现状

人体解剖生理学实验在药学专业本科生实验课程中具有十分重要地位[4]。但受几十年教育理论及传统思维的影响，我国药学高等教育在实验课堂教学及实验室建设等环节仍停留在附属及次要地位[5]。我校药学实验中心每年承担41个班级本科生人体解剖生理学实验课程教学工作、1 300余名药学专业本科生接受人体解剖生理学实验技能培训。该课程共51学时，分17周完成。具体包括人体解剖模型讲解3周，基础性、验证性实验8周，综合性、设计性实验5周、实验理论考查及实验操作考试1周。

药学实验中心利用教育部中央高校修缮基金及学校本科教学改革经费资助，建设了6间生理药理学机能实验室，为每个实验室配备8套420-F生物机能实验系统，ZZ-6小动物自主活动测试仪(成都泰盟软件有限公司)、HX-100E小动物呼吸机、HW-200离体组织灌流系统、GL-2离体心脏灌流系统、BI-2000医学图像分析系统等学设备用于实验教学。药学实验中心结合创新型药学人才培养需求，融合药学、基础医学与生理学学科优势，围绕创新药物药效及相关机制研究，先后建设了6间“智慧实验室，自主开发了“人体解剖学网络学习系统”和“互动课堂V1.2.0”软件。基于“智慧实验室”将二者联合应用于人体解剖生理学实验教学。

2 基于“智慧实验室”的人体解剖生理学实验教学体系

2.1 “智慧实验室”功能介绍 随着高等院校进入智慧化校园建设阶段后，“智慧实验室”在智慧化校园中起到非常关键的作用[6]。“智慧实验室”根据功能分为老师示范教学区和学生实验区。老师示范区安装1台高清术野摄像机作为示范教学；学生实验区安装8个高清摄像机、8台电脑进行自主学习、互动教学用，所有录制的视频可推送到智慧实验室平台，供学生、老师进行点播学习，老师、领导教学巡课；同时支持在学校的管理服务中心在大屏上进行督导巡课。

“智慧实验室”中控界面板功能介绍：智慧实验室中控面板如图1所示。①上课：教室内设备自动打开；②下课：教室内设备自动关闭；③主屏开：触摸一体机自动打开；④主屏关：触摸一体机自动关闭；⑤授课模式：大屏显示教师机系统；学生工位显示各自系统；⑥授课学生同屏：大屏及学生工位全部显示教师机系统；⑦示教模式：大屏显示示教摄像机画面；学生工位显示各自系统。示教学生同屏大屏及学生工位全部显示示教摄像机画面。学生1演示：大屏及学生工位全部显示学生工位1系统画面，以此类推。

新的示教系统可以实验保教师机大屏幕与学生机显示屏同步教师示教全过程，从而解决之前在教师示教时，学生一哄而上层层围着教师观察，导致很难保证所有学生都能够清晰看到示教过程的弊端。

图1 “智慧教室”中控界面板

“智慧实验室”在人体解剖生理学中的应用：基于智慧实验室，药学实验中心开发了“互动课堂V1.2.0”软件和“人体解剖学网络学习系统”。学生在课前，可以在网上自学实验内容，带着问题去进行实验，可以大大提高学习兴趣，同时有利于实验的顺利完成。“互动课堂V1.2.0”软件由课堂考勤签到、双屏互动、电子绿板、分组讨论、课堂答题、学生评教等模块组成。“人体解剖学网络学习系统”由三维数字人体、360度人体标本库、在线学习与考试3个模块组成。通过这两个软件系统相互协作应用于教学，具有对全校师生免费开放，不受时空、访问人数限制和多种设备(PC、手机、ipad等)等任意访问等优势。学生可以在教室，宿舍、图书馆登录访问，没有时间限制和人数限制。学生还可以通过在线学习模块进行人体解剖生理学知识的测验，巩固所学基础理论知识。

2.2 基于“智慧实验室”的人体解剖生理学实验教学具体环节 基于“智慧实验室”的人体解剖生理学实验教学51个学时，分5个轮次，共17次实验，每次实验教学为3个学时。具体包括实验设计与项目实施，数据整理与结果分析、效果评价与成绩考核等环节。首先以药学理科基地班试典，逐步探索合并基础性试验，优化综合性试验，增设创新性试验，并逐步向药学类各专业推广。

第一轮实验教学(第1～3周)：人体解剖模型篇。要求学生掌握运动、呼吸、消化、泌尿、循环、神经、内分泌及生殖系统的组成部分、位置、形态、结构和功能。

第二轮实验教学(第4周)：动物实验基本操作篇。要求学生掌握实验基本要求与实验室安全卫生规则；学习实验结果记录与数据处理；实验报告写作规范；掌握常用手术器械操作规范，熟悉生物机能信号采集系统及换能器的使用SOP等；掌握常用实验动物(小鼠、蟾蜍、家兔等)解剖及常用给药方法(小鼠腹腔注射、肌肉注射，增加尾静脉，家兔耳缘静脉等，蟾蜍舌静脉)。

第三轮实验教学(第5～10周)：基础性试验篇。要求学生完成刺激交感迷走混合神经、期外收缩、代偿间歇对蟾蜍心脏功能的影响；组织兴奋性的观察、神经干动作电位； 血脑屏障、反射弧分析；脑内乙酰胆碱的定性测定；血液涂片、红细胞渗透脆性、血型鉴定、出凝血时间测定； 化学物质对离体心脏的影响、蟾蜍肠系膜微循环观察等实验内容。

通过以上6次实验教学，加深学生对所学基础理论理解的基础上，给予学生更多的动手操作机会，将学生从枯燥的理论学习中跳出来，体会到实验过程的乐趣，并为进一步开展综合性实验奠定基础。

第四轮实验教学(第11～14周)：综合性实验篇。本轮实验要求学生掌握药物对家兔呼吸运动的调节；药物对家兔离体肠肌运动的影响因素；药物家兔动脉血压的调节；药物对家兔尿生成影响因素等实验内容。

完成以上4次实验教学的基础上，教师布置创新性实验设计作业。指导学生独立完成实验选题，项目实施，数据整理，结果汇报，成绩考核等环节。

第五轮实验教学(第15～17周)：创新性实验篇。

①第一次：大学生创新实验设计。

教师组织学生将各种研究方案拿出来展开讨论,论证方法的优缺点与结果分析,再由教师对研究方案进行评价和总结，最终确定一条或多条合理可行的实验方案。

②第二次：大学生创新实验实施。

利用实验中心提供的大学生创新实验平台，能为学生开展传统生理实验难以完成的大型综合性实验项目，加强学生对生理学知识的系统学习，学生根据上次课自主设计的实验方案，开展“研究创新性实验”。通过开设“研究创新性实验”课程使学生从文献检索、方案设计、项目申报书撰写等初级过程开始逐步深入，逐步融入科学研究全过程[7]。探索性实验是指针对某个领域有关的未知或者未全知的科学问题，采用科学思维方式，进行创新探索研究的一种开放式教学实验[8]。例如传统的生理学实验中“家兔血压神经体液调节”、“家兔呼吸运动的调节” 及“家兔尿生成的影响因素”原来是3个独立实验[9]。通过计算机辅助教学系统将这3次实验进行整合为“家兔血压、尿生成，呼吸运动的神经体液调节” 综合性实验。可在一个实验动物上实现动物血压、心率、心电图、尿生成两、呼吸频次等指标的动态监测，并分析其相互影响。

③第三次：大学生创新实验考核。

要求学生在课前对所有实验数据进行处理并独立撰写实验报告。学生以PPT形式汇报实验结果，教师对实验结果进行分析,总结实验的重点与难点，提高学生对人体解剖生理学实验学习的兴趣。

2.3 建立基于“智慧实验室”的人体解剖生理学实验成绩考核评价体系 该实验课程考核应根据教学过程中学生的课前准备情况、课堂互动参与情况、对问题的深入分析讨论情况以及实验理论考查及操作成绩，并结合教学方法及教学效果进行TBL教学满意度调查[10-11]。

原有的实验总成绩(100%)包括平时成绩(30%)、实验理论考试成绩(40%)及实验操作成绩(30%)3部分组成。其中平时成绩考核的依据仅仅是课堂表现和实验报告书写情况。本课程利用“互动课堂V1.2.0”软件在线学习与课堂答题模块，将互动答题成绩加入平时成绩，并逐步提高互动答题成绩在平时成绩中所占的比例。该学习与考试系统能够作现有考试模式有益补充。现在教师上课前先把试题及答案传输到“互动课堂V1.2.0”系统，学生可以利用课间在线答题，系统自动评分(学生可以多次答题，但只记录第一次答题的成绩作为平时成绩)。

原来实验操作成绩仅仅考察实验基本操作完善的质量及完成时间等方面。2009年开始，药学实验中心一直在国家药学理科基地班及国家生命科学基地班进行本科生研创性实验教学探索，并逐步向药学其他专业推广。研创性实验鼓励学生发挥主观能动性，在教师的指导下独立完成课题选题，方案设计，项目实施，数据整理及实验报告等环节。研创性实验的成绩将从实验设计可行性，实验项目实施性，实验结果可靠性，课题汇报流畅度等方面考核实验成绩，建立综合性设计型实验教学评价体系。

3 基于“智慧实验室”的人体解剖生理学实验教学改革成果

“智慧实验室”实现了教师机与学生机联网，新的示教系统可以实现教师机大屏幕和学生机屏幕上同时清晰呈现教师机的高清示教，确保每位学生都能够清晰看到示教全过程。有利于提高教学质量，激发学生学习兴趣；“智慧实验室”将“人体解剖学网络学习系统”和“互动课堂V1.2.0”软件二者联合应用于人体解剖生理学实验教学。新的教学手段在课前的预习，平时课堂中的互动答题，课后的复习等环节都将发挥很大作用，有利于激发学生对人体解剖生理学实验的兴趣，并巩固人体解剖学基础理论知识。

新的实验成绩考核评价体系，利用软件的在线学习与课堂答题模块，将互动答题成绩加入平时成绩，并逐步提高互动答题成绩在平时成绩中所占的比例。将研创性实验的成绩将从实验设计，实验完成情况，实验报告质量等方面，多维度、多层次考查学生对实验的理解掌握程度。实验理论考试改用在线考试和评分，可以提高工作效率，有效减少老师的阅卷工作量。

4 讨论

“智慧实验室”极大地丰富人体解剖生理学实验教学手段，激发了学生学习兴趣，有效提高了实验教学质量，然而新教学系统还存在一些需要完善的地方。比如“智慧实验室”需要配备高清摄像头、电脑、手术无影灯、示教操作平台及建立互联网，实验室建设成本较高；“智慧实验室”与420-F生物机能实验系统等设备存在软件兼容性的问题；学生实验操作视频上传功能还需要与教务处的学生个人信息系统对接后才能完善使用等。

综上，建设基于“智慧实验室”人体解剖生理学实验教学体系将引领国内人体解剖生理学实验教学改革方向，并培养学生规范化人体解剖生理学实验能力，培养社会急需的具有复合型药学人才奠定基础。