医学生理学呼吸系统“三位一体”整合实验探究

周 红，高兴亚，张 枫，袁艺标

（1.南京医科大学基础医学国家级教学示范中心 江苏 南京 211166；2.南京医科大学基础医学国家级虚拟仿真中心 江苏 南京2 11166；3.南京医科大学生理学系 江苏 南京 211166）

医学实验教学是培养医学生动手能力、创新能力和综合素质的一个重要的环节[1-2]。传统生理学实验以验证式动物实验为主，内容陈旧，教学形式单一，已经不能满足培养具有创新性新型医学人才的需求。医学人才培养必须以强化实践教学为着力点，以信息技术的应用作为提高教学质量的重要手段，提升实验教学学科综合性、技术先进性和方法探究性，实现实验教学效果的新突破[3]。近年来，南京医科大学国家级基础医学实验教学示范中心机能实验室以培养卓越人才为导向，不断充实探索性实验，融入人体机能实验，同时推进信息化、人工智能和虚拟仿真技术在医学实验教学中的应用，构建结合动物实验-人体实验-基于ESP的虚拟仿真实验的“三位一体”实验教学体系，将基础与临床应用密切结合，探索医学实验教学新模式。

本文介绍了南京医科大学生理学呼吸系统“呼吸运动的调节-肺通气功能检测-气胸ESP实验”“三位一体”整合实验模式。

1 硬件设施升级

根据“三位一体”整合实验教学开展的需求，整个机能实验室进行了水电气、网络的升级改造，铺设聚氯乙烯地面、配备LED照明等。配置的三位一体实验台可以同时开展人体实验、动物实验和虚拟仿真实验。实验动物生物信息化采集系统由我校教师团队自主研发，在国内医学院校推广应用，有较好的应用基础。人体实验软件为其最新研制成果，界面设计简单友好，使用方便，有一定的数据分析功能，满足教学需求。

全新的视频和录像系统可以实现线上和线下同步化，满足特殊时期的实验教学需求。视频系统会把老师的每个示教过程清晰地展示在学生的终端机上，避免了因围观而影响视觉效果的情况。学生的操作经过录像系统可以很好地展示在教师机上，老师可以第一时间发现学生的不规范或错误操作，及时纠正。

2 呼吸系统“三位一体”整合实验设计

呼吸系统的生理功能和调控是生理学的重要内容，其中呼吸功能的调节、肺通气的原理、胸膜腔内压的形成等知识点既是重点也是难点，概念抽象，不易理解。正常的胸膜腔密闭且呈负压，是进行正常呼吸运动的结构和功能基础。一旦胸膜腔密闭结构被破坏，负压消失，肺通气功能出现障碍，就形成气胸。气胸是常见的内外科急症，气体进入密闭的胸膜腔，造成胸膜腔内压力增高迫使肺塌陷，影响呼吸运动和肺通气功能，严重的会导致机体缺氧，甚至危及生命。

本研究针对“肺通气的实现”这一医学问题设计了“呼吸运动的调节-肺通气功能检测-气胸ESP实验”三位一体整合实验。利用人体实验反映人体肺通气功能变化，通过动物实验探究肺通气的各种影响因素，利用ESP实验联系临床相关疾病案例，探索各因素引起肺通气功能变化的机制、治疗原则等。实验内容涉及生理学、解剖学、病理生理学、内科学、外科学等多学科知识，从正常到疾病，从基础到临床，从现象到本质，实现了基础和临床结合，实训和虚拟互补，教学与科研融通。

2.1 人体实验

本实验以检测正常人肺通气功能和变化为目的，以学生为实验对象，利用生物信号采集系统，测量潮气量、肺活量、用力肺活量、时间肺活量等指标。在实验设计上，我们分别采取检测安静时和运动后的通气功能指标，观察呼吸运动前后肺通气功能的变化。同时，我们要求每实验小组记录下至少两位同学的实验数据，然后汇总全班数据，并进行统计学检验，用统计学方法科学探讨肺通气功能随机体运动状态的变化而改变的规律。

人体实验约占3个学时，其中教师授课约15分钟，学生实践操作约65分钟，数据统计分析约10分钟，最后分析讨论20分钟，教师可根据实际课堂情况适当调整时间。讲授内容主要包括实验原理和操作步骤。在分析讨论中，老师可引导学生首先分析运动前后肺通气功能发生了什么样的变化，进一步探讨为什么会出现这种变化，生理意义何在等问题，从而得出这样的结论：当运动时，机体的耗氧量大大增加，产生的CO2也大大增加，这就需要通过调节增加肺通气功能适应机体需求，其生理意义在于保持体内氧浓度和CO2浓度的稳定。最后，老师可向学生提出“呼吸运动调节的机制”等问题，诱导学生深入思考体内化学感受器反射性调节呼吸运动的作用和途径，为后续的动物实验的做铺垫。

2.2 动物实验

“呼吸运动的调节”是一个非常经典的生理学动物实验，学生通过观察家兔吸入气变化对呼吸活动的影响并分析其作用机制。教学安排上，动物实验用时5学时，结合分组操作、视频讲解、老师现场指导学生动物麻醉，气管插管等，让学生有充分的实践操作机会，提高学生的实践能力。实验内容上，我们通过分别改变动物吸入气中O2和CO2的浓度以及外周血中H+浓度，观察这些因素改变是如何调节呼吸运动的，诱导学生深入探讨O2、CO2、H+浓度变化调节呼吸的机制和途径，勾勒出化学感受性调节反射的反射弧。

在人体实验中，学生通过实验观察到运动引起的呼吸运动的变化，并分析出由于运动引起的体内O2、CO2、H+浓度变化导致呼吸运动发生相应的改变；而动物实验中，学生分别观察了O2、CO2、H+浓度变化对呼吸的影响，并深入分析了它们的作用机制和途径。这样人体实验和动物实验相互联系，相互结合，层层递进，从不同角度探讨呼吸运动的调节机制，有助于学生更好地理解并培养科学的思维能力。

2.3 基于ESP的虚拟仿真实验

2.3.1 ESP内涵

ESP(Electronic Standardized Patient)标准化病人教学系统是基于System Physiology理论支撑，利用临床数据建立数学模型，通过人工智能进行数据分析挖掘建立的生理驱动虚拟人为核心技术的人体功能虚拟系统。ESP的内核由南京医科大学联合全国多家高校与上海梦之路数字科技有限公司合力研发。该系统通过模拟人体在健康生理和病理生理、药理状态下主要生理指标的变化，并显示造成这些变化的机制和原理，揭示人体运行的规律（生理）、常用药物的药效（药理）以及疾病状态下功能的变化（病生）。

2.3.2 气胸ESP实验设计

气胸ESP实验坚持“能实不虚”的基本原则进行虚拟仿真项目设计[4-5]，通过ESP机能学功能数字人，解决实验教学中学生按步骤操作无法结合案例自由探索的缺憾，利用数据模型提供直观气胸形成原理，利用虚拟仿真实验案例模拟气胸临床场景，无须遵循固定的实验步骤，学生可以对虚拟患者进行观察、分析，自由探索气胸的发生机制。本实验用时2学时。

本项目包括4个模块：①“机械模型”模块，从物理学角度解释胸膜腔内压形成的本质及肺通气是如何实现的；②“生理模型”模块，从生理学角度认识呼吸运动调节的规律；③“临床案例”模块，通过三种类型气胸相关案例的机制探讨、实验性治疗和疗效观察，考核学生对知识的运用能力；④“总结评价”模块，通过对学生操作的数据分析完成形成性评价。

“机械模型”模块使用交互式互动的物理模型，用机械运动模拟呼吸生理过程，帮助同学理解胸膜腔负压形成的原理及其对肺通气的影响和表面张力对呼吸系统的影响。

“生理模型”模块模拟在体情况下，在神经系统的参与下肺通气的活动过程，通过对动脉血氧分压、二氧化碳分压、H+浓度等因素的实时调节，从人体生理学角度反映在体条件下单因素引发的肺通气调节反应。该模块依托ESP功能数字人进行实时仿真运算，用数据驱动3D模型的动态变化，在完成生理模型学习后完成实验报告及实验知识考核。

“临床案例”模块引入临床常见的三种类型气胸，即开放性气胸、闭合性气胸张力性气胸，模拟疾病过程中患者症状、体征和患侧胸腹腔内压值等临床监测指标的变化。学生通过观察和分析，应用从机械模型和生理模型中学的知识，对各个临床案例中相关疾病的病理生理机制及治疗原则进行演绎推理，找出其中引起肺通气异常的主要因素，并检测治疗效果，完成测试题。通过任务的驱动，促进学生对学习资源的积极主动应用，有利于培养学生知识结构的整体性、全面性和融通性，锻炼其综合分析和自主学习能力[6]。

“总结评价”模块总结本实验需要掌握的知识点，并对学生操作的数据进行分析，完成形成性评价，有助于引导学生进行深层次和成就式学习，总结评价是教与学双向质量的重要手段[7]。系统将自动记录学生的访问信息、每次操作和考核的结果，生成评价报告，并进行错题解析。

3 “三位一体”整合实验的实施效果

“呼吸运动的调节-肺通气功能检测-气胸ESP实验”整合实验针对同一医学问题，即肺通气功能实现，强化人体机能实验，利用人体实验反映人体肺通气功能变化；保留了传统动物实验的核心内容，通过动物实验探究肺通气的各种影响因素；利用ESP发现各因素引起肺通气功能变化的机制，帮助学生推演气胸发生、发展的规律和防治策略，提高知识的理解和运用能力，训练临床思维。三种实验模式有机衔接、虚实互补，从现象到本质，逐步深入。实验过程中注重探索，以任务为驱动，实验过程参照科研训练的程序，加强创新实践训练。调查统计显示，学生对整合实验的学习兴趣显著提升，表示很喜欢这样的实验课，希望能多开设类似的整合实验；同时，同学们的创新思维和实践能力明显提高，多次在多项实验技能大赛、创新创业大赛中获奖。南京医科大学基于“三位一体”机能实验教学新体系建设的“信息技术与医学教育深度融合的创新实践”曾获国家级教学成果二等奖，“医学教育的信息化流程再造”曾获江苏省教学成果特等奖。

4 结语

“三位一体”生理实验教学新体系由我校首创，该体系针对同一论题，将人体机能实验、动物实验和虚拟仿真实验有机融合并综合运用，实现早临床、早科研和推动学生自主学习教学新理念。新体系适应了胜任力导向、能力培养为核心的医学教育新模式的要求，学生反馈效果好，得到同行的高度评价。因此，2021年中国生理学会在我校举办教学培训班，旨在促进交流、资源共享、创新合作，加快推进生理学实验教学改革进程，推动医学教育事业建设和发展。这一举措强调了教学与信息技术的深度融合，探索构建知识、能力、素质协调发展的新型实验课程体系的重要性。