动物福利原则下的混合式生理学实验教学改革

董守良,马 明，唐晓龙，常 民

(1兰州大学生命科学学院动物学与生物医学系， 兰州 730000； 2兰州大学生命科学学院国家级教学示范中心)

兰州大学生命科学学院的动物生理学实验面向教育部拔尖人才培养计划(1.0，2.0)萃英生物学班、生物科学强基班、生物科学基地班和生物技术基地班的学生开设。实验课程早期分两个层次(动物生理学实验36学时，动物生理学大实验54学时)，一段时间合并为综合性实验72学时，到现在生物技术基地班改为36学时，其他班级仍为72学时的发展历程。课程可以追溯到20世纪50年代，20世纪50年代-80年代课程名称为人体及动物生理学课程的附属实验课，后随理论课程改为动物生理学后也改为动物生理学实验[1]。杨浪明教授、刘积高教授、李仁德教授、陈强教授和董守良教授先后担任课程负责人，目前有2名教授、一名讲师和一名实验师参与实验教学，教授参与一线实验课堂。在几代教学团队的努力下，实验课程的教学质量一直保持较高的水准且进行了不断的改革和提高。课程2020年入选甘肃省省级一流课程，虚拟仿真项目于2019年入选甘肃省省级虚拟仿真实验课程，2021年申请国家级一流课程，目前正在评审中。2003年由李仁德教授、董守良教授、陈强教授编写的《人体及动物生理学实验指导》由兰州大学出版社出版。

1 混合式的生理学实验教学

在2001年，课程团队就建立了理论课程的教学网站，于2016年建立兰州大学首门实验课慕课。实验课慕课首先在校内慕课网站上线，2018年上线中国大学慕课平台(https://www.icourse163.org/learn/LZU-1206432801)。通过实验课慕课的建设，我们发现混合式教学几乎适用于所有的实验课程并拥有巨大优势，具备许多传统教学模式没有的特点。学生可以自主安排学习时间，在线上随时随地地交流互动，这给传统教学模式带来巨大的变革[2]。很多兄弟院校也针对动物生理学实验或者生理学实验课混合式教学开展了很好的改革和尝试，有些教师还进行了平行班的对比实验[3-8]。山西医科大学基础医学院生理学系白晓洁教师就线上课程的制作分享了自己的心得体会[5]；济宁医学院药学院刘梅芳教师采用平行班比对的方式肯定了混合式教学模式对实验课的提升[9]；复旦大学生命科学学院曹洋教师采用调查问卷的方式对混合式教学模式的效果进行了反馈[10]。我们在兰州大学也采用匿名调查问卷的方式进行课程的效果评估[11]。

2 动物福利与伦理对实验教学的指导和应用

1988年，科技部颁布了实验动物管理条例，明确了从饲养、饮水、垫料和从业人员四方面体现动物福利思想。1997年，科技部在关于“九五”期间实验动物发展的若干意见中，第一次体现了实验动物福利和3R原则。2005年，北京市科委颁布了北京市实验动物福利伦理审查指南，其中详细介绍了科研院所开展实验动物伦理审查的程序和要求。2006年，科技部就关于善待实验动物的指导性意见中，明确了对实验动物的饲养管理、使用、运输等方面福利问题进行了规范，并将“违反实验动物保护规范”列为六种科研不端行为之一。我校的动物生理学实验中慢性实验开展高血压模型的复制和损毁大脑中枢核团两个实验，都需要造模后饲养3周左右。为更好地保护实验动物和观察到理想的实验结果，教学团队在实验课堂上很早就主动向学生讲解了动物福利与伦理的原则，自2016年起，在实验课上要求每位学生都要签署动物实验福利和伦理知情同意书，并经过学院动物伦理委员会审批。

国内部分兄弟院校也基于动物福利和伦理方面开展了相应的教学改革研究和实践[12]。济源职业技术学院马小根教师就依据3R原则，对家兔呼吸运动的调节与家兔尿生成的影响因素实验进行了改革。教师通常将家兔呼吸运动的调节和影响尿生成的因素作为两个独立的实验，从而造成动物浪费。马小根教师对其进行了整合[13]。首都医科大学基础医学实验教学中心机能实验室张晨教师在医学机能实验教学中，优化和提升两栖类动物机能实验的设计和实施，打造“一蛙多用”综合实验，对骨骼肌收缩实验、神经动作电位记录实验、蛙心起搏点实验、心电图记录等多个实验，进行时空优化，整合为一次综合实验，增强动物福利[14]。德州学院生物系田志环教师甚至做到了跨年级的学时、课程安排整合。大学二年级学生开设的动物生理课程，一年级学生开设的普通动物学课程，都要用脊椎动物做实验，课程整合后可以共用一只蟾蜍[15]。

3 基于3R原则的72学时混合式实验课程设计

生理学实验的教学不但要让学生掌握生理学的基本知识、理论和技能，也要为学生后续学习其他课程(如医学专业课程)和进行科研奠定坚实的基础。所以课程改革在坚持高阶性的同时，仍保持以学生为中心，让其更有效地学习。而混合式教学的优势就是能充分利用学生的碎片时间，通过手机等媒介学习线上内容，线下课堂留给学生提升动手能力和实践能力。混合式教学再结合动物福利与伦理的要求，不局限于理论讲授，而是将理论应用于课堂实践，在课程的设计中就融入3R的理念，也要引导学生去思考为何要这样设计实验课，为学生今后参加科研打下坚实基础。

基于此，课程团队建立线上为辅、线下为主的混合式教学方法，形成课前预习、课中实践、课后总结的完整过程。课程团队调整72学时的课时分配为8学时/周，共9周的模式，对同类型实验基于3R理论合理整合；将急性实验和慢性实验相结合，加强科研内容转化到本科实验教学。线下课堂理论部分以翻转课堂的形式为主，教师针对预习内容进行提问，让学生将本次实验的所有项目流程进行回顾和梳理并参与实验设计。教师针对实验流程的熟悉度进行补充和完善，对容易引起实验失败的因素进行重点讲述，对注意事项及实验安全进行提醒。如果课时安排很短，比如每周4学时，共18周，那么去除线上课时部分和线下翻转课堂部分，学生的动手时间将大比例减少，并不适合混合式教学，也不适合应用3R理论到课程的设计之中。

3.1 72学时动物生理学实验课的课程设计

72学时动物生理学实验课的内容安排上，包含3部分内容：绪论、基础知识，经典验证性实验以及探究性实验。在绪论、基础知识这部分实验中，教师主要向学生介绍实验安全相关知识，包括人和动物共患病、常规实验安全等；BL420F电生理仪器的硬件、软件使用；手术器械、打结、实验动物相关内容；形成性考核办法及实验报告写作规范。此部分占用一次实验课。经典验证性实验部分包含8个生理学实验的大方向：即神经肌肉系列实验；心脏系列实验；神经系统实验；呼吸系统实验；泌尿系统实验；能量代谢实验；消化系统实验；电生理实验。探究性实验有5个实验模块，包含镇痛药物实验(科研转化为教学，急性，必选)；慢性高血压模型造模(科研转化为教学)/脑立体定位实验(慢性，选1)；学习记忆实验/焦虑与抑郁实验(科研转化为教学，慢性，选1)。学生选择3个模块完成。

通过以上的实验内容安排，我校动物生理学实验的设计涵盖了实验动物的基本知识(动物福利和伦理、饲养、抓取等基本操作)，电生理仪器的硬件和软件操作使用等，常规手术器械、打结技术以及与学生广泛关注的课程考核等方面的内容。从第2次课程到第9次课程，教师分别针对电生理、神经肌肉、心脏和循环系统、神经系统、呼吸系统、泌尿系统、能量代谢、消化系统安排具体实验内容，从经典验证性的实验到科研转化为教学的探究性实验，满足一流学生的训练要求和知识的覆盖需求。线上课程包含全部的理论部分和实验操作演示，共55个视频，总时长8 h 44 min。

3.2 2021年春季动物生理学实验课具体安排

课程团队每年会更新20%-30%的实验内容，主要体现在选作实验部分。由于实验的时常和设备数量限制，部分实验学生只能选做其中一个。2021年春季的实验内容安排如下：①绪论、基础知识(实验室安全、动物伦理、动物及意外伤害处理、生理学仪器)；②神经肌肉系列实验/反射弧的分析和反射时测定；③心脏系列实验(蟾蜍心搏过程的观察和描记，心室的期外收缩和代偿间歇、心脏的神经支配、蟾蜍离体心脏灌流)；④慢性高血压模型造模/脑立体定位实验；⑤家兔呼吸运动的调节、动脉血压的测定及影响因素；⑥家兔泌尿实验/减压神经放电；⑦肌动作电位的测定及微电极制作技术、离体小肠生理特性/第4周实验结果测定总结；⑧小鼠镇痛药效实验/动物代谢率的测定与分析虚拟仿真实验；⑨焦虑抑郁/十字高架迷宫/水迷宫。实验贯穿动物福利和伦理的原则，让学生体会到学以致用。我们将慢性实验安排在前。在实验课全部结束前，学生可以看到慢性实验结果，后续参加创新创业实验、期末考试复习和暑期的夏令营活动不受影响。

3.3 具体实验设计案例

3.3.1 心脏系列实验 我们以心脏系列实验的课程设计(一次实验课，8学时，线上2学时，线下6学时)为例，介绍如何将动物福利原则应用到混合式实验教学中。本次实验的主要目的是让学生了解心脏相关的生理学实验，包含4个经典的生理学实验模块：①心脏的观察和心搏活动的电生理学记录；②期前收缩和代偿间歇；③心脏的神经支配；④离体蛙心灌流。依据3R原则，我们在最少使用动物数量的前提下，根据实验设计完成全部实验，只需一只牛蛙，让学生开展尽量多的实验项目，使学习得到最大化。实验①、②和③共同使用生理机能实验系统上的同一个实验模块，即期前收缩和代偿间歇。实验①正常的心搏曲线不需要电刺激，只需要张力换能器记录心博曲线，让学生了解前负荷的影响；实验②需要设置电刺激参数安装刺激电极；实验③需要先做手术，找到迷走-交感神经干，然后安装保护电极并设置相应的电刺激参数。实验④在完成前面3个实验后，进行手术离体心脏。这样一只牛蛙即可完成全部实验设计内容。如果课时充足，我们还可以加入牛蛙心电图监测等其他实验内容。

3.3.2 神经肌肉系列实验 在神经肌肉系列实验中(一次实验课，8学时，线上2学时，线下6学时)，一只牛蛙可以完成8个实验模块内容：①反射时的测定和反射弧的分析；②坐骨神经-腓肠肌标本的制备；③骨骼肌的单收缩；④刺激强度与反应的关系；⑤刺激频率与反应的关系；⑥神经干双向动作电位的引导；⑦神经干动作电位传导速度的测定；⑧神经干单向动作电位的引导。

在“双一流”高校建设中，新时代拔尖人才的培养对实验教学的要求进一步提高，不但要适应一流领军人才的拔尖培养，还要兼顾不同层次学生的学习需求。其他交叉学科对生命科学的依赖性越来越强，改革实验课程的模式有利于创新人才在实践能力、创新思维、终身学习能力方面的培养和健康成长。