信息技术与实验课程整合在基础医学教育中的应用

许 燕 李 沛 张善锋

(郑州大学基础医学院实验中心,郑州 450001)

教育部、国家卫健委、国家中医药管理局联合发布的《关于加强医教协同实施卓越医生教育培养计划2.0 的意见》指出:把加快推进现代信息技术与医学教育教学的深度融合作为改革的战略选择,推进“互联网+医学教育”,用新技术共建共享优质医学教育资源;广泛开展混合式教学和在线教育[1]。

医学实践教学作为一种高级专业技能教育,数字信息技术与医学实验课程的融合改变了其教学模式、教学方法,加强基础医学虚拟仿真实验教学建设可在较高水平上有效化解实物医学实验的生物安全风险高、资源较稀缺等系列困难[2],其具有降低教育成本,提高教育质量,更好地发挥基础医学教育人才与技术优势。

郑州大学基础医学实验中心围绕课程整合与网络信息化教学平台建设,进行了一些探索,旨在为高等医学教育形成完善规范的数字信息化医学实验教学模式提供借鉴与参考。

1 信息技术与实验课程整合的探索

1.1 建立机能学虚拟仿真实验项目

医学机能学是基础医学实验的一门重要课程,具有理论直观性,其主要通过建立动物模型模拟临床患者,来观察并探讨疾病发生过程中各项生命指标变化机制、疾病发生发展病理生理过程及药物作用机制的基础医学实验课程[3]。

本着“以实为主,以虚补实,虚实结合”的教学原则[4-5],我们以真实动物实验为模板,建立了具有自主软著权的三维虚拟仿真手术实验场景,机能学虚拟仿真实验教学实现了教学中知识点的可视化、数字化、虚拟化,解决了实验教学难点问题,适合学生反复演练学习、提升实验教学效果并减少浪费[6]。

学习者可人机交互操作实验全过程。通过观看“云平台”的实验演示部分,学生可以对将要进行的实验形成感性认识,同时避免了教师在实验示教时多人围看,让每位学生都能清楚地观看到实验操作中的每一个步骤,并且教师可以就操作的难点进行重点讲解,学生后继实景操作时实验成功率几近 100%。另外,对于因动物伦理、学时限制、实验安全、仪器造价、慢性实验、模型复制难度大等原因,现实中无法开展的经典实验以虚拟演示和操作呈现,扩大学生知识面、加深其对理论知识的理解消化。

1.2 建立数字化智慧实验室

为了能够快速地发现每台实验的进展情况,及时处理手术中出现的操作问题和仪器异常,我们自主创新建立了数字化智慧教学系统用于机能学实验课堂。该系统由教师机工作端、多媒体、同步演示、生物采集系统、动物呼吸机、学生机工作端组成,系统安装的实验模块按学科或系统分类,根据需求进行选择,教师端可一机多屏实时查看每个实验台上学生机中生物信号采集系统的操作界面和手术场景,及时发现实验数据和操作的异常问题,从而快速排查实验操作各环节并处理。同时,对具有典型意义的实验操作场景和数据可以进行实时屏幕传递、共享投影。实验结果可用数据和图形两种形式处理后上传至数据库,交由教师批阅及管理。

1.3 建立形态学数码互动实验室

形态学实验以观察各类大体和切片标本为主要教学方式,其中组织切片标本是重要的教学资源[7]。但是,玻璃切片标本在教学中容易损坏,日久会褪色,而组织来源较少的标本在损耗后难以及时补充,因此,我们将玻璃切片进行扫描,转化为高分辨率的数码切片,按照教学大纲章节设置分类建立数据库,以此为基础同时建设了数码互动实验室。教师通过教学系统既可将数据库中的数码切片快速传递至学生端的计算机,也可以将显微镜下的实体切片通过投影仪展示给学生,而学生显微镜下观察到的切片可以通过摄像头捕捉后传输到教师教学系统中,教师可以通过其观察到学生端显微图像,并且可以进行一对一、一对多辅导和答疑。实验室内通过无线网络的互联,实现了数字切片的快速传输。学生进入实验室后,打开移动端APP,就可以和本人座位的显微镜联通,镜下看到的切片图像在移动端可同步看到并下载保存。

1.4 人体解剖学虚拟仿真实验教学

局部解剖学是临床医学专业学生必须牢牢掌握的基础学科,通过数字信息技术与解剖学知识相结合的虚拟教学可以很好地解决这一问题[8]。我们根据教学大纲的要求,制作了具有自主知识产权的局部解剖虚拟教学软件,紧贴真实的虚拟操作,使学生达到解剖学仿真训练目的。进入虚拟操作界面后,学生点击鼠标拖动虚拟器械即可实现虚拟解剖实验,操作选择正确则实验就会顺利进入下一环节,并显示该操作的成绩分值;反之则需重新操作。这样学生通过虚拟操作先进行自学,由浅入深逐层掌握机体结构,提高手术操作的准确性,另外,在虚拟操作过程中还可点击任意放大屏幕图片,观察机体的深层结构、细微结构。

引入系统解剖数字化教学软件,每个系统的每个器官可以单独三维旋转显示,尤其配有珍贵易损标本,如筛管、蝶骨、耳蜗等。另外,这种软件可用以断层解剖,学生通过对虚拟人体任何横断面、矢状切面随手一画,就能看见该断面的解剖结构、器官间的毗邻关系、CT 影像图片。两种虚拟教学的共同使用,起到更好的互补[9]。

1.5 建立微课资源库

微课即微型视频网络课程,是围绕学科知识点或教学环节设计研发的短时、情景化的视频课程单元。其优势是:篇幅精短、演示灵活方便,碎片化学习利于集中注意力[10-12]。适用于课堂前后的预复习环节,学习中学生根据自身需要,侧重学习内容,从而实现分层教学和个性化学习。我们根据课程特点,选择不同的课程设置,将知识点拆分成5～10 min 的微课视频,先利用问题引入,之后通过思维导图使学生了解每个点的内容及点之间的关联,这样做利于学生快速提取自己需要的知识。

2 网络信息化教学平台建设

为了让学生更好地体验学习过程,获得最佳教学效果,利用信息技术和虚拟仿真实验开发软件建设和整合各学科教学资源,构建一个开放、互动和智能化的虚拟仿真教学平台(图1)。依托建立的专有“云平台”(http://zzu.hmcyhpg.com),通过计算机网络向校内外和社会全面共享各种教学资源,让教与学可视化。建设的网络资源学习平台(图2),连通“移动端”“教室端”“教学端”三大端口,开启整个基础医学教育的“一平三端”智慧教学系统。做到智慧教育、智慧管理,实现真正意义上的老师和学生可以 24 h 随时登录和学习的“云教育”。

图1 基础医学实验中心网络信息化教学平台构架

图2 教学资源共享库

同时还建立了全英文虚拟实验操作云平台,并对外接入“中国大学MOOC”的“爱课程”国际平台。学生可在世界范围内登录进行学习,从而使学校的医学留学生教育与国际接轨的同时,另一方面也扩大了学校的知名度。

建立共享的教学资源库。通过课程创建、课程运行管理、师生线上线下互动、课后教学效果分析等从全方面监控及督促学生专业知识的学习。

在虚拟仿真教学平台中引入课程思政教育,通过虚拟仿真方式将专业教育与临床模拟伦理教学有机结合,有效地激发了学生对相关医学伦理问题的敏感性,使其在职业道德、社会责任意识等方面有效提升自身素养。

学生借助于虚拟实验平台网上提交实验报告。操作时学生无需浏览器插件通过Web 端完成全部虚拟操作后,在线提交实验报告。教师端能对学生完成的虚拟实验情况进行检查和批改。同样,学生端可以查看个人实验成绩和老师评语。专业水准管理云平台团队,并对云平台进行分专业、分区管理(图3)。对学生的学业相关数据及时统计,进行课程学习中的形成性评价。

图3 教育资源云平台结构图

此种平台建设模式的成功,全方面监控及督促学生的专业知识的学习,为卓越医师培养计划的完成打下基础。

3 课程整合过程中应注意的问题

实践是创新能力培养的主阵地,“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,因此虚拟实验目前不能完全取代以手术操作为主的课堂实验,虚拟实验用于预复习和扩展知识是其优势[13]。医学是门实践性很强的课程,一台综合实验的开展更接近真实手术环境,多人参与,既各司其职又需相互配合,培养学生的团队合作精神和动手能力,加深感官体验以训练其掌握手术操作中应具有的精确度、分寸感。虽然实验过程中包含有很多意外变化因素,但正是这种意外存在,才能有助于学生提高自身的独立思考、分析及解决问题的能力,会对疾病的发生、发展及机制有更直观的认识和体会[2]。

形态学数码互动教学环节不可忽视学习方法的传授。临床上组织切片的观察,从肉眼看到镜下观都有一套严谨规范的观察方法和注意事项,实验教学同样应以遵循。数码显微教学系统将组织切片的微观画面方便、迅捷地传输至计算机显示屏,虽然利于学生对组织、细胞的观察[14],但过度依赖会使得学生使用显微镜的能力大大下降,并且观察时随意且缺乏目的性,此与临床上观察组织切片的注意事项不符,在实验教学过程中需及时纠正学生对显微镜观察方法的轻忽,使操作更加规范。

4 网络信息技术与实验课程的整合实现“互联网+医学教育”

数字信息技术使医学实验教学方式、方法发生变革,先进的学习平台、教学资源的开放共享、虚拟现实、线上线下混合式教学模式,创造了与传统教学模式不同的“教学环境”,实现了既能体现老师的主导性,又能体现学生主体性,以自主、探究、创新为特点的教与学互动模式,并有效化解实物医学实验的生物安全、医学伦理限制问题。同时,为进一步扩大医学教育受益面至国内外其他医学高校,具有重要的现实意义[15]。

因此,我们的医学教育既要跟得上互联网信息科技的发展,同时也应结合自身学科的特点,做到线上线下教学的优势互补,倾听师生的反馈和国内外同行的建议,不断创新、改进教学内容,完善、规范先进教学方法,以适合当代医学人才培养的要求,继而开展更加优质且高效的医学实验教学活动。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明许燕:研究构思与设计,数据收集与分析,撰写论文;李沛:可行性分析,研究验证;张善锋:项目建设,修改论文