运动生理学研究生教学中航天医学研究的体医融合实践探索

李小涛，赵 航，蒙鹏君，张剑锋，王惠娟，高 原，杨长斌，孙喜庆

(1.西安电子科技大学体育部/特殊环境生理与体能训练军民融合创新研究中心，陕西 西安 710126；2.中国航天员中心 航天医学基础与应用国家重点实验室，北京 100094；3.空军军医大学 航空航天医学训练教研室，陕西 西安 710032)

自2003年10月我国航天员杨利伟首次进入太空以来，我国载人航天事业逐步步入快车道，随着神舟九号与天宫一号的顺利对接，中国载人航天工程更是突飞猛进。今年5月天和核心舱的成功发射标志者我国载人航天正式步入空间站在轨建设阶段。今年9月17日神舟十二号3名航天员的飞行成组已圆满完成3个月的空间站在轨飞行安全顺利返回地球，今年10月另外3名中国航天员即将再次奔赴太空完成为期6个月的飞行任务。中国航天员登上月球指日可待。这些有目共睹的成绩激发了众多少年儿童的太空梦想，刺激了有志青年的创造力和对科学研究热情。深空探测活动的发展对长期航天飞行中航天员的安全与健康保障提出了挑战，同时也为航空航天医学的发展提供了空间；西方发达国家甚至一些发展中国家都在积极开展航天医学的探索，因此随着我国航天事业的蓬勃发展，我国航天医学也应努力进取不断创新。国际载人航天史自从加加林登上太空已有60多年的历史，我国广大民众在过去的10多年才开始了解失重可能会对人体产生的影响。有关航天医学的教育截至目前也仅局限在极少数的几所教学科研机构。第四军医大学航空航天医学系作为国内高校中唯一的航天医学专业本科、硕士、博士及博士后的培养机构，有理由肩负起这一历史使命，大力推进航天医学人才的培养[1-2]。未来航天医学领域的体医融合必将进一步促进医学与体育学科的交叉、进一步推动健康中国战略进程[3]，为我国载人航天事业培养出更多交叉性复合型人才。

1 航天领域的体医融合概况

1.1 航天领域运动与医学的关系

载人航天飞行时面临的失重会对人体各个系统产生不良影响，导致航天员肌肉蛋白流失、骨质丢失、心血管功能紊乱，并且在重返地球重力环境后出现运动能力减退、立位耐力下降等一系列去重力性适应不良生理改变。这种失重不良生理效应与运动员停训综合征及老年人的生理机能减退相似，而载人航天飞行过程中长期暴露于微重力环境所造成的这一系列适应性变化，恰好与地面长期的运动锻炼所产生的适应性变化效果相反(表1)。因此可延缓衰老预防停训综合征的体育运动锻炼可能是最为有效的失重不良生理效应的对抗措施，当前国际空间站及中国空间站所有航天员均按计划执行着规律的运动锻炼以期达到对抗失重所引起的身体机能减退[4-5]。

表1 运动生理适应效应与失重生理适应效应的对比

1.2 航天领域欧美国家的体医学融合现状

运动生理学与航天重力生理学之间存在着的这种对应的关系，早已被西方国家所重视。滑铁卢大学体育系的运动生理学教授带领的研究团队已在该领域进行了20余年研究，而美国密歇根理工大学运动机能与整合生理学教学研究团队也在2013年开始试图将航天医学内容融入运动生理学教学。在欧美国家，运动生理学早已成为众多综合性大学面对所有学生普遍开设的一门本科课程，其作为运动科学专业的一门必修课，同时是生理学、生物科学、神经生物学、生物医学工程等专业的推荐课程。

1.3 我国航天领域的体医融合现状

运动生理学作为我国体育类相关学科和专业的理论必修课程，也逐渐成为部分医学或健康相关专业的选修课程。前期有学者也尝试将航天医学中的重力生理学内容引入运动生理学教材中。

我们组成了由空军军医大学航空航天医学系从事人体失重生理效应研究的教授和博士牵头，联合西安电子科技大学相关专家组建的运动生理学教学科研创新团队，首次尝试了在体育专业研究生专业基础课程运动生理学的教学实践中引入航天医学重力生理学内容，并率先以西安电子科技大学为试点，旨在打破学科壁垒，在体育学运动人体科学专业硕士研究生运动生理学教学过程中导入航天医学相关内容，将失重生理内容作为学科交叉切入点的实践探索和尝试，以便培养研究生开放的思维创新能力和综合素养[6]。为我国载人航天工程培养出更多交叉性综合型体育专业研究生，以满足特种医学领域和特殊行业对运动科学专业技术人员的需求。

2 运动生理学课程设置现状

运动生理学是人体生理学学科领域的一个学科分支，同时又属于运动人体科学学科领域的主干课程，而人体生理学作为医学专业的一门主干基础课，主要研究探索人体各个生理系统的功能、调节等机制和规律；运动生理学则主要研究人体生理机能对身体活动和运动的反应和变化规律及人体生理机能对运动锻炼或运动训练的适应规律[6-7]。运动生理学的主要任务是，让学生理解和掌握人体在运动状态下和动态环境中的生理功能变化规律，主要从生物医学和运动两个方面对正常健康人体的生理功能变化规律和特点进行讲解。通常在学习运动生理学课程之前，学生需要先行选修基础解剖或生理学，以便教师在教授过程中可以更为深入地探讨人体各个生理系统的机能对运动产生的急性反应或者长期适应。运动生理学涉及的专题包括：运动的能量代谢、肌肉对运动的适应，心血管对运动的急性反应与适应、运动过程中的呼吸功能反应、运动过程中的神经内分泌调控、运动与免疫、运动训练的生理机制、高原对运动的影响、运动过程中的体温调节、妇女、儿童及老人等特殊人群运动的生理特征、运动促进健康的生理机制等。西安电子科技大学运动生理学课程的设立已有15年，主要面向体育学硕士研究生开设，原教学计划为每周1次2学时，共90分钟，共计16次32课时。在实际教学实践过程中一般按照专题做选择性讲授。

3 运动生理学课程调整策略

鉴于研究生本科期间已经学习过运动解剖学和运动生理学有一定的解剖生理学基础，而国内目前针对运动科学专业研究生的教材有限，课程内容设置进行了删减整合。改革后的课程计划为：第1周～第8周为运动生理学课程教学(共8次，16学时)，第9周～第15周为航天重力生理学课程教学(共7次，16学时)，第16周进行整个课程的考试(2学时)。具体调整如下：

3.1 基础生理学内容的调整

将原教学计划中与本科教学内容相重叠的基础生理学部分内容的讲授，改为由学生自行复习学习。这部分内容包括：血液、呼吸机能、循环机能、消化系统、泌尿系统、内分泌系统、免疫系统、神经系统以及肌肉活动等。本着“理论够用，注重应用”的原则，变动后的自学内容教材的选择也做了调整。这部分学生自修内容我们推荐学生将原有本科运动生理学教材大体浏览之后，再行阅读我们自己编写的带有科普性质的读物《人体健康的生理病理学基础》及其英文对照版BodyBasics。这样做的目的有如下四点：①减少重复讲解，从而为航天重力生理学内容的引入节省课时；②忽略机制细节把握整体，从而把精力集中到与实践联系更为密切的理论应用方面；③扩充常见病相关的病理学知识，从而为理解亚健康及非健康人群等特殊人群的运动生理学问题奠定基础；④以科普性专业性的简单英语阅读开始，分步骤循序渐进增强研究生英文阅读能力，从而为后续航天重力生理学内容引入后SCI英文专业学术论文的阅读和撰写奠定基础。

3.2 应用生理学内容的调整

原“运动生理学绪论”和“运动的能量代谢”的讲解内容予以保留，教材参照高等教育出版社出版王步标、华明两位教授主编的《运动生理学》中的“绪论”和“运动的能量代谢”[8]。此外，再补充部分代谢相关的英文文献。原教学计划中人体各生理系统对急性运动的反应及对运动锻炼或训练的适应等内容的讲授也予以保留，具体教法和内容也做了调整，这部分内容采取中英文混合教学模式，以激发学生自主学习英文学术文献的动力。教材选用我们参照国外相关文献资料自行编写的“运动生理学理论与应用”讲义，内容分“运动对健康人体生理机能的影响”和“运动对人体病理生理机能的影响”两部分若干专题。同时推荐学有余力的研究生再阅读指定的英文教程。

3.3 运动生理学与航天重力生理学的衔接

从教学实践中发现，第8周运动生理学课程内容讲授结束时，研究生已经打好了坚实的运动生理学的基础且英文阅读能力也得到了明显的提升。此时研究生的教学首次从课本转向学术文章。选取《航空航天生物动力学》“失重对人体的影响与防护”相关章节作为运动生理学理论与航天医学重力生理学理论之间过渡的桥梁[9]。该过渡部分从失重的概念、失重生理的研究方法、人体生理系统对失重的相应机制、生理系统对失重的适应和去适应、失重的防护措施等方面对航天医学失重生理学内容进行概述。这部分内容也就相当于航天重力生理学课程的绪论，从而将航天重力生理学内容顺利切入到运动生理学的课程当中。之后教材由课本彻底转向学术论文。这些论文有中文的但更多的是英文的，有原创科研报道也有科研综述。但主题始终围绕与失重或模拟失重相关的生理适应。研究生利用他们本科以来所获取的所有核心知识，很快便意识到航天飞行过程中人体对失重的生理适应与正常地面环境中人体对运动的生理适应恰好相反。航天重力生理学课程有助于加强学生对重要的运动生理学概念的理解，并激发了研究生对运动生理学和重力生理学相关问题深入探究的热情。以下是航天重力生理学6次课程内容的设置。

4 航天医学重力生理学课程内容的设置

航天医学重力生理学课程内容安排为每周1次2 学时90分钟，总计16学时。整个课程内容由6大专题和1个实验部分组成。前5次课在西安电子科技大学分别进行5个专题的讲授和讨论。第6和第7次课在第四军医大学航空航天重力生理学重点实验室，同时进行第6大专题的讲解和航天重力生理学实验的操作。具体构架和安排如下。

4.1 概述、历史回顾与现状

第一次课2学时：要求学生提前一周阅读航《航空航天生物动力学》教材当中的“失重对人体的影响与防护”章节相关内容，同时推荐阅读涉及航天医学相关理论的综述性中英文文献。课程讲授过程中结合来自网络的失重训练、国际空间站中航天员的太空生活、失重环境中的运动锻炼等航天失重相关视频资料从以下4个方面对航天医学失重生理学的发展予以介绍，暂不涉及复杂机制。①失重环境中人体的表现；②模拟失重的方法；③头低位卧床模拟失重模型的发展过程与实效性；④人体失重效应与对抗研究的现状。

4.2 失重对运动能力的影响

第二次课1学时：要求学生提前一周阅读涉及失重对运动能力影响的指定的中英文文献。本专题内容包括以下4个方面：①失重对人体有氧代谢及运动耐力的影响；②失重对速度爆发力协调灵敏平衡等运动能力的影响；③载人航天飞行中常用的运动锻炼方法；④基于运动的失重防护中最大摄氧量和无氧阈的应用。

4.3 微重力环境对骨骼肌肉的影响

第二次课1学时：由于这部分内容较少且与运动能力直接相关，因此和“失重对人体运动能力的影响”专题一起放在第二次课进行。要求学生提前一周阅读指定的最新发表的学术文章。本课程专题主要包括以下4个方面：①微重力环境骨骼肌肉体积与功能的改变；②微重力环境影响骨骼肌形态功能的机制；③微重力环境导致的骨质丢失；④骨骼肌肉的失重防护策略。

4.4 微重力环境对代谢、内分泌及免疫的影响

第三次课2学时：要求学生提前一周阅读指定的涉及失重对内分泌免疫及代谢影响中英文文献。本次课程专题主要包括以下6个方面：①微重力环境引发的蛋白代谢的改变；②微重力环境引发的胰岛素抵抗、能量代谢改变；③微重力环境引发的炎症反应过程；④微重力环境引发的人体矿物质和维生素吸收能力改变；⑤微重力环境引发的钙代谢改变；⑥基于药物的失重生理防护。

4.5 微重力环境对心血管机能的影响

第四次课和第五次课共4学时：由于本专题内容较多，所以安排两次课4个学时进行。要求学生提前一周阅读涉及失重对心血管系统影响的指定中英文文献。本次课程专题主要包括以下9个方面：①微重力环境中体液的重新分布；②微重力环境中血容量调节激素的改变；③微重力环境中血细胞的改变；④失重暴露对血压、心率、每搏输出量、总外周阻力的改变；⑤微重力环境引发的心电图改变；⑥长期微重力环境引发的心血管自主神经调节功能的改变；⑦长时间暴露于微重力环境后返回地球时立位耐力的改变；⑧立位耐力不良生理机制；⑨微重力环境所致心血管功能紊乱的防护。

4.6 失重的综合防护和对抗措施

第六次课2学时：在空军军医大学航空航天医学实验室进行，要求学生提前一周阅读我们课题组发表的失重防护相关学术论文[10-11]。课前我们针对其中的相关内容做一讨论和总结。对现有对抗措施的原理、效果及存在的问题，按如下具体方案作必要的讲解：①水盐补充；②下体负压；③企鹅服；④振动；⑤药物防护；⑥营养补充；⑦有氧运动锻炼多系统对抗策略；⑧抗阻力运动锻炼多系统对抗策略；⑨单纯人工重力多系统对抗策略；⑩基于人工重力的运动锻炼综合对抗策略。

4.7 航天重力生理学实验

第七次课(4学时)，在空军军医大学航空航天医学重点实验室完成，由于是最后一次课，且其中包含有大量的实验内容，故实际教学实时可以适当调整。

航天医学重力生理学实验包括以下4个实验模块。①人体模拟失重实验：在卧床模拟失重实验中，让研究生体验-6°头低位卧床模拟失重时自身的感受。②直立倾斜实验：实验过程中，让研究生通过无创逐跳血压连续监测系统(Finometer)观察人体体位变化对心率、血压、每搏输出量、心输出量等影响的即时效应。③下体负压耐力实验：在下体负压实验过程中让学生体验和相互观察下体负压改变时，人体体液重新分布的感受及心血管功能对其的反应。④基于人工重力的运动实验：介绍基于人体短臂离心机的人工重力产生的原理，并安排学生体验人工重力的效应及短臂离心机旋转过程中科里奥利加速度对前庭器官的影响；同时鼓励学生作为实验被试者参与我们正在进行的一项基于人工重力的运动对抗失重研究。

4.8 航天医学课题研究实践活动

研究生熟悉掌握航天医学实验设备操作使用流程后，择机前往深圳绿航星际太空科技研究院或中国航天员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验室，在导师或合作导师的指导下开展航天医学相关课题的实验研究。逐步实现“接触科研-了解科研-参与科研-主持科研”理论实践相结合的体医融合人才培养模式[12]。

5 航天医学重力生理学课程内容的实施

课程的开设主要面对体育学运动人体科学和体育教育训练学专业研究生，不排除后期医学生物工程等相关专业研究生的选修。学生必须有解剖学和生理学基础作为本课程的选修条件。航天重力生理学课程安排在整个学期的后半期，也就是从第9周开始，每周1次2学时。以下是本课程的一些实施策略，当然有些地方根据教育层次、班级规模及其他跨学院等具体情况的不同需要适当调整。

5.1 首次课的导入

截止航天重力生理学课程开始之前，学生在学术论文方面的阅读经验还不多。因此，我们先以跨学科的中文教材内容“失重对人体的影响”作为过渡，以便激发学生学习的积极性，同时避免直接引入学术论文难度过高，或直接引入英文教材压力太大等尴尬局面的产生。与此同时我们还加入了来自网络的航天失重视频素材作为补充，其中包括：失重训练、国际空间站中航天员的太空生活、失重环境中的运动锻炼等。等学生对航天失重有了直观的了解之后再逐步深入导入专业的学术研究论文。

5.2 贯穿整个学期始末的英文学论文阅读

在教学大纲中设定了本课程必须包含一系列的航天重力生理学相关的学术文章，以激励学生将其与前半学期所学的运动生理学知识相比较或者对比。与此同时我们始终强调英文学术资料的阅读，从学以致用为目的通过学生自主学习，培养其学术文献阅读和专业英语学习的自主性[13]。课程开始前两周我们会在网络学习共享系统中上传相关学术论文。给研究生提供一个可以提前阅读的时间选择，同时指出这些文章的阅读是必选的。强调课前阅读，同时积极借助新型教学手段开展航空航天医学理论教学，促进了研究生参与课堂讨论的积极性[14]。

5.3 小组讨论

采用小组讨论的交互学习模式替代以往惯用的课堂讲授模式，鼓励研究生的积极参与，更多地通过课堂讨论方式训练学生的思维和表达能力[15]。每次课堂提问都会安排学生分组(2～3人/组)进行讨论，着力打造课内外一体化的开放式教学模式[16]。在知识“构建”中，外在知识内化与反复思考、质疑同步进行，从而激活研究生自主发现问题、主动解决问题的学习的动机，激发创新研究的活力，增强研究生不断自我完善发展的潜能[17]。

5.4 课堂测试

航天医学重力生理学课程内容每次课程开始阶段，我们会利用10分钟左右的时间给研究生进行6～8个小题的测试。这些小测试的内容有选自前一次课的讨论内容，有来自推荐的文献。分问题设置一般相对简单，目的是促使研究生积极参与讨论并认真阅读推荐的相关文献。每次开课前十几分钟都有阅读资料相关内容的随堂小测试，测试结果直接影响学生期末考试成绩。

5.5 课后知识闭环的形成

航天医学重力生理学课程内容设置的目的是通过整个航天医学重力生理学内容中学到的相关理论，并通过逆向思维加强对运动生理学相关理论的理解。每节课后推荐的学术论文的阅读可给研究生提供充足的学习资源并与课堂所学运动生理学相关理论达到逆向补充，从而形成知识的闭环。“失重导致的心血管功能的紊乱与体育运动锻炼促进心血管机能改善”“长期微重力环境导致的无氧阈、最大摄氧量的下降与有氧运动锻炼促使的无氧阈和最大摄氧量的提高”均一一对应形成相关理论知识的闭环。相互对应可逆的适应性理论达成知识结构的完整性，并进一步激发研究生的开创性思维模式。此外课堂最后阶段，我们通过相关理论的总结将地球重力环境和航天失重环境对人体相关生理功能的影响进行较为全面的对比进一步加强知识结构的闭环的完善。

5.6 航天重力生理学实验安排

在航天医学重力生理学的教学过程中涉及的航天医学实验，利用教学研究团队的协作，通过校际交流写作实验平台完成。研究生的航天医学重力生理学相关实验内容与课程教学的失重的对抗与防护措施内容的讲授安排在空军军医大学的教育部航空航天医学重点实验室进行。由于内容较多且机会难得，这部分内容的讲授时间和实验操作实际远超过原计划的2学时，已达到了5～6学时。实验完全按照航空航天医学实验室的操作规范进行，相关实验必须撰写实验报告。在实验部分的教学中，通过多元性的培养主体、非线性培养过程，打通各院校“多主体”性体制壁垒，实现最大限度的优质资源整合和改革创新[18]。

5.7 考试与成绩评定

学期结束时，对整个运动生理学课程进行一次综合考试，考试成绩占总成绩的60%，综合考试内容以基于学术论文的简答题形式进行，这些简答题均与运动生理学和航天医学重力生理学的相关理论密切联系。期末总成绩25%以综述性论文的形式进行，15%来自随堂测试。

6 结语

通过在研究生运动生理学课程教学过程中引入航天医学重力生理学内容的尝试，促使研究生在学习过程中充分利用运动生理学与航天医学重力生理学相关内容间的对比策略，在学习航天医学重力生理学这一全新内容的同时加强了运动生理学相关理论与概念。希望我们这样的教学实践探索可以给其他教学工作者一丝启发。同时我们期望通过这样的教学尝试，能为中国载人航天事业培养更多的运动专业人才。随后我们准备在师范院校体育专业运动生理学中继续这种尝试。下一步我们计划在航空航天医学课程体系中进行运动生理学课程引入的教学尝试，以期为中国空军培养文武兼备的航天医学力量，为航天失重不良生理效应对抗研究领域培养基础知识更为扎实的科研工作者。