数字化教育背景下机能实验学高质量课堂建设的探索

Exploration of High-Quality Classroom Construction of Functional Experimental Teaching under the Context of Digital Education —Taking “Observation of Myocardial Physiological Characteristics and Its Influencing Factors” as an Example

摘要

介绍了机能实验学数字化转型的改革措施及经验总结。在教育数字化背景下，重构医学教育、为新医科高质量课堂赋能，是数字化时代的优势和趋势。在机能实验学教学中引入了多项措施进行数字化转型，运用多种手段融合数字化资源、技术，将案例式教学、翻转课堂教学、虚拟仿真实验、思维导图构建、课后拓展资源、创新实验设计、智能机器人等引入课堂，并融入课程思政，实现实验教学的智能化、个性化和互动性。文章以“心肌生理特性观察及其影响因素”实验为例，介绍了课程设计及过程，总结机能实验学数字化转型的实践经验，探索智慧教学手段，并与兄弟院校分享，共同打造高质量机能实验学课堂。

Abstract

This paper presents the reform measures and summarizes the experiences of digital transformation in the field of functional experimental teaching. In the context of digital education, the reconstruction of medical education to empower high-quality classrooms of new medicine is both advantageous and in line with the current trend of digitalization. In the teaching of functional experimental courses, various measures have been introduced for digital transformation, incorporating multiple methods and integrating digital resources and technologies. Case-based teaching, flipped classroom teaching, virtual simulation experiments, mind mapping techniques, post-class extension resources, innovative laboratory design, and intelligent robots have been brought into the classroom, along with the inclusion of curriculum ideology and politics, aiming to achieve intelligent, personalized, and interactive experimental teaching. Taking the experiment “Observation of Myocardial Physiological Characteristics and Its Influencing Factors” as an example, the paper introduces the course design and process, summarizes the practical experience of digital transformation in functional experimental teaching, explores smart teaching methods, and shares with other institutions to jointly create high-quality classrooms in functional experimental teaching.

关键词

数字化教育 / 机能实验学 / 智能化 / 虚拟仿真实验 / 思维导图

Key words

digital education / functional experimental teaching / intelligentization / virtual simulation experiment / mind mapping

继工业时代、信息时代之后，人类进入了数字化时代（又称后信息社会或比特时代）。随着数字时代的到来，各行各业都面临着向数字化转型和融合的挑战，教育领域也不例外。数字化教育是指利用数字技术和信息通信技术来改进教育的方式和方法，它将传统教学与现代科技有机结合，通过数字化工具和平台，为学生提供多样化的学习资源、更便捷的学习机会、更智能化的学习媒介、更个性化的学习方式。在高质量发展背景下，党的二十大报告提出，“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”^［1］。教育数字化成为建设教育强国的战略重点、建设数字中国的重要内容。

医学教育是国家卫生健康事业发展的重要基石，新时代医学教育高质量发展也要求各医药院校学习贯彻党的二十大精神，钻研习近平总书记关于高等教育和卫生健康的重要论述，发展具有中国特色、世界一流的医学教育。随着数字化技术的快速发展，我国高等医学教育的传统教学模式已经不能适应当今时代医学教育的发展和医学生的需求，亟需对医学教育模式进行结构性、技术性优化^［2］。数字化的医学教育模式有助于培养具有创新意识和能力的复合型人才，适应智能时代的人才发展“动态”需要。

西安交通大学走在了数字化教育的前列，包括了医学教育的数字化。在机能实验学教学中，学校采取了一系列数字化转型措施提高教学质量，创建了丰富的在线教学资源，将传统教科书数字化，将数字化工具用于教学辅助等。在教学过程中，将数字化教学与传统教学结合起来，将多元化的教学模式等引入课堂，重构实验教学，实现了实验教学的智能化、个性化和互动性。本研究以“心肌生理特性观察及其影响因素”实验为例展示教学设计和教学过程，讨论总结西安交通大学（以下简称“我校”）机能实验学数字技术运用的经验，探索智慧教学手段，建设高质量机能实验学课堂，让数字化赋能助推医学教育的高质量发展。

1 课程设计

1.1 教学目标

分层次设计三项教学目标，知识目标包括：①掌握“离体蛙心灌流”的实验方法；②熟悉“内环境稳定对维持心脏正常节律性活动的重要意义以及神经递质对心肌活动的影响”；③了解“离体器官的研究方法”。能力目标包括：①结合思源学堂教学资料，提升学生的自主学习能力；②进行翻转课堂教学，提高学生文献查阅能力、PPT制作能力、口头表达能力、沟通能力、讲授能力；③手术器械的正确使用，关注外科手术的规范操作。素质培养目标包括：①通过了解心脏移植现状，掌握科研最新进展；②通过学习、了解、宣传心脏移植、器官移植，传递人间大爱；③小组实验，培养团队协作能力。

1.2 教学内容

展示心肌生理特性的相关实验有3个：①蛙心灌流；②期前收缩与代偿间歇观察；③蛙心自律性观察与起搏点分析。这些实验分别对应心肌的机械特性（收缩性）和电生理特性（兴奋性、自律性和传导性）。

2 教学过程

2.1 课前线上预习

学生可在思源学堂进行线下学习，包括查看PPT、观看本节课动物手术操作视频、本次课程教学视频、软件使用指导视频，以及生理学和/或药理学理论课程部分视频；可翻阅生理学、药理学、机能实验学等教材，完成知识点的学习。教师与学生提前一周确定课堂需要讨论的翻转问题，查阅资料，分组讨论寻找答案。本次实验设置的翻转问题有5个：①制作“心肌生理特性”思维导图，每班遴选一组同学完成，并在翻转课堂进行展示讲解；②根据心肌细胞的电生理特性分析抗心律失常药的分类及其作用机制；③探讨期前收缩（早搏）产生的原理、对机体的危害以及诊断方法；④介绍自动体外除颤器（Automated External Defibrillator， AED）的作用及使用方法；⑤阐述临床上患者需要安装心脏起搏器的情况及其主要作用。学生分组讨论、准备翻转问题答案。

2.2 课堂教学

2.2.1 案例导入

临床案例：XXX，女性，37岁，心悸、胸闷半年，加重半个月。约半年前无明显诱因出现心悸、胸闷，持续约2 h，自以为是感冒未加理会。随后间断发作过2次，且都是在安静时。半个月前在晚上休息时突然再度发生心悸、胸闷不适，持续2 h，遂来院就诊。查体：血压110/78 mmHg，心率90 次/min，心律不齐，无杂音，双肺未见异常。心电图显示：QRS波群提早出现，畸形、宽大或有切迹，波群时间达0.12 s；T波异常宽大，其方向与QRS主波方向相反；代偿间歇完全。临床诊断为频发室性期前收缩。临床上涉及的基础医学问题：①正常心电图各波的生理意义是什么？②室性期前收缩的心电图有何特点？③频发室性期前收缩对心脏功能有哪些影响？引导学生分析临床病例、思考并讨论其中的知识点。

2.2.2 翻转讨论

学生分组就翻转问题进行汇报、讨论，每道题5~6 min，内容包括：①心肌生理特性思维导图展示；②抗心律失常药物的分类及机制；③期前收缩的原理及危害；④AED的使用原理、使用现状及方法；⑤心脏起搏器的原理与现状。此阶段完成理论知识的内化，学习实验相关原理和理论，旨在了解AED和心脏起搏器的现状。

2.2.3 实验讲解

教师结合PPT讲授本次课程内容，介绍本次实验课安排，讲解实验操作方法、细节、经验，重点介绍期前收缩与代偿间歇的观察方法、蛙心自律性的观察与起搏点的分析方法。

2.2.4 蛙心灌流虚拟仿真实验

在西安交通大学基础医学虚拟实验教学中心平台选择“机能学”→“心血管系统”→“离体蛙心灌流”→“课程学习”，开始观看和模拟练习。观看蛙心套管的操作过程，模拟改变与心肌电活动相关的离子浓度后心肌自律性及心室收缩幅度的变化。

2.2.5 动物实验

学生分组实验，给蟾蜍心脏额外电刺激，观察兴奋性提前收缩和代偿间歇，心肌细胞兴奋后兴奋性的周期性变化、特点及意义；完成两次结扎（半月线、房室沟），记录窦房结、心房、心室的搏动次数，进行起搏点分析。

2.2.6 实验小结

学生分享实验心得交流操作经验，讨论题回顾理论知识。

2.2.7 教育机器人讲故事

由机器人“仙医小胖”介绍王中林院士及其研发的心脏起搏器。中国科学院纳米能源与系统研究所王中林院士与上海长海医院合作，研发出可植入式自驱动心脏起搏器。自驱动心脏起搏器无需电池供能，仅从心脏搏动中就能收集足够的能量，确保心脏起搏器工作。由于该项成就，王中林成为首位获得“阿尔伯特•爱因斯坦世界科学奖”的华人科学家。

2.3 课后拓展

2.3.1 共享资料

各组整理翻转问题答案、本组实验结果，上传至思源学堂与同学共享。

2.3.2 测试题

思源学堂发送测试题，考核实验相关知识点。比如，①两栖类动物心脏的正常起搏点；②离体组织器官实验条件；③引导蛙心期前收缩和代偿间歇时，外加电刺激应落在的时段；④改变细胞外液各种离子浓度对心肌收缩性的影响等。学生在线作答。

2.3.3 拓展资源

思源学堂可发送参考文献，学生点击链接获得全文，下载阅读。可实现教、学、研相结合。

2.3.4 思维导图大赛

机能实验教学团队将对全年级各班的思维导图进行评比，选出逻辑性强、展示优美、独特的进行表彰，并在网络平台进行作品展示。

3 讨论

3.1 数字化教学资源从学校专属走向社会开放

线上资源是开展教育数字化转型的前提。教师构建图片、录像、多媒体课件等多位一体的立体化教学模式，从而高效、形象、生动、多维度展示教学内容^［3］。把传统的课堂讲授通过微视频的形式进行前移，给予学生充分的学习时间，尽可能让每个学生掌握实验基本原理，带着较好的知识基础走进教室，从而充分保障实验教学的质量。视频的长度控制在学生注意力能比较集中的时间范围内，符合学生身心发展特征；视频具有暂停、回放等多种功能，支持学生自我控制，有利于其的自主学习，改善教学效果^［4］。

为此，我们构建了高质量的机能实验学线上资源，包括常用的机能操作视频、软件使用指南视频、实验课授课视频、实验设计培训视频、部分虚拟仿真实验视频，同时将智能机器人引入实验课堂；教学视频完整、规范地展示了机能实验学线下教学的内容与场景，实现了线上线下教学的同质化。也推荐学生使用中国大学慕课中的药理学、生理学慕课，学习相关实验原理、理论。这些线上资源从面向我校学生开放的思源学堂扩大到面向社会高校的中国大学慕课、学堂在线。在这一构建过程中，实现了教学数字化重构的多样化、现代化、智能化、个性化和互动性。

我们的建设目标是实现数字化资源的丰富性、共享性和可持续性发展。上述资源在学校专属思源学堂运行1年，通过进一步完善、充实后公开发布在社会共享平台，与兄弟院校分享、交流、讨论，实现了资源共享，优势互补^［4］。

3.2 翻转课堂教学有效提高了学生的综合能力

翻转课堂可以有效提高医学生的自主学习能力、技能操作能力，夯实医学生理论基础，改善教学质量，已经成为我国医学教育课程教学研究的热点。翻转问题的设置非常讲究，要有助于提高学生参与度^［5］。我们发动教师广泛讨论，设置课程中最优翻转课堂问题。本次实验课的翻转问题涉及到生理学知识（思维导图制作心肌的生理特性）、药理学知识（抗心律失常药物的分类、机制）、临床知识（AED、心脏移植、人工心脏）、思政知识点（AED抢救生命、“中国心”的研发等）。通过翻转课堂促进学生的自主学习，提升自主学习能力，帮助学生更好地内化知识点。学生在课堂的讲解，提高了学生的综合能力，包括自学能力、交流能力、表达能力、理解能力、解决问题能力，学习效率、学习兴趣也有所提高。

3.3 虚拟仿真实验的引入，提升了机能学实验教学质量

以人工智能、机器人、虚拟现实、无人机等为特征的第四次工业革命时代已经来临，如何将虚拟仿真、虚拟现实VR、人工智能等技术注入教育，开展线上线下混合式教学，为实践教学提供支撑，拓展医学教学体系，是一个值得探索和实践的、有一定挑战性的问题。虚拟仿真实验配置了丰富的影像资料，有着较强的真实性、交互性和多感知性，可拓宽师生视野，加深学生对知识的理解与记忆，有效帮助学生更加熟练地掌握专业操作技能，还能节约教学资源和减少实验动物的损耗^［6-7］，适应了节约型社会的要求。

本着“能实不虚、虚实结合、以虚补实、以虚促实”的教学原则，开展虚拟仿真实验。本次实验中，原先的蛙心灌流实验要进行蛙心套管插管，操作难度大，课堂时间有限，插管成功率低，一旦插管失败，后续的实验内容将无法进行，不利于学生充分理解各种离子浓度、强度、酸碱度对心肌生理活动的影响。改为虚拟仿真试验后，学生使用慕课学习理论基础和操作方法，通过人机交互在虚拟仿真平台上进行实验预做，可熟悉实验原理，学习实验操作、模拟练习，进行操作测试等。不受时间、空间、实验试剂和器材、实验动物等的限制，可以反复操作。操作过程将知识性和趣味性融为一体，在有限的时间内熟悉和掌握更多的知识，加深理解内环境稳定对维持心脏正常节律性活动的重要意义以及神经递质对心肌活动的影响，拓展了学习的深度和广度，提高做蟾蜍实验的信心与自学能力。

虚拟实验与传统实验相互结合，发挥自身优势，以提升机能学实验教学质量。2023年我校（西安交通大学，以下简称“我校”）开发的“基于高血压动物模型的药物治疗探究虚拟仿真实验”获得了第二届全国仿真创新应用大赛仿真教学应用赛道虚拟仿真实验设计方向医学院校组全国一等奖。目前还在制作更多的虚拟仿真实验项目。

3.4 教育机器人走进教学，引发了学生的强烈兴趣，取得良好的教学效果

在智能化时代，让人工智能赋能教育也是重塑教育模式的一种尝试。我校的教育机器人“仙医小胖”，造型可爱，语音生动，表情丰富，可活跃课堂气氛。其投影展示的王中林院士的影像资料颇具感染力，引发了学生的强烈兴趣，取得良好的教学效果。目前还开发了机器人的多种功能，为学生提供更多的学习资料，为学生的学习带来积极的影响^［8］。

3.5 思维导图帮助学生建立系统的知识体系

思维导图是一种使大脑思维过程可视化的工具，即围绕一个主题，从中央向四周放射关联的分支，用关键词或图形对分支进行标识，再利用色彩和字体的变化使思维过程、结果可视化，主要作用是理清脉络，提高发散思维能力，加深理解，强化记忆。思维导图的绘制可激发学生学习兴趣、增强逻辑思维能力和发散思维能力，帮助学生建立系统的知识体系，培养学生自主学习、终身学习的意识和能力^［9］。实验中，有关实验原理的心肌生理特性的展示、抗心律失常药物的分类等适合用思维导图的形式。要求二年级本科生尽早学习、掌握思维导图的构建，有助于后期医学理论课的学习。

3.6 课程思政旨在培养德才兼备的复合型医学人才

在机能学实验教学过程中，要求学生掌握和应用基础知识，要规范地、熟练地完成技术操作，还要培养学生的创新思维和团队合作能力。这在知识传授、能力提升、价值观塑造等方面对学生的成长成才具有非常重要的作用^［10］。根据课程思政教学改革的需求，机能实验学教学也应当承担起“守好一段渠、种好责任田”的重要使命^［7］。在教学过程中，教师要有意识地挖掘、设计、导入思政点。本次课程中涉及的思政点包括^［11-12］：①小组式教学，融入团队协作精神；②实验结果展示，融入“诚信教育”；③科学、系统学习AED，融入“职业道德”元素；④介绍心脏移植，通过了解心脏移植现状，掌握科研最新进展；通过学习、了解、宣传心脏移植、器官移植，融入创新教育和“生命教育”；⑤虚拟仿真实验的引入，融入“生命教育”、创新教育；⑥通过王中林院士研发心脏起搏器的贡献，进行爱国主义教育、树立民族自信与自豪感。

导入思政点的方式有多种：①实验本身蕴含的要点以无声浸润的方式导入；②由学生自己查找资料进行自我“思政”教育，如AED、器官移植；③运用现代化的机器人讲述王中林和心脏起搏器的研发过程。无论采取哪个思政点、哪种方式，课程思政的目的旨在加强社会主义核心价值观的引导，潜移默化之中为国家培养医术高超、德才兼备的复合型医学人才，最终成为具有“家国情怀、崇高医德、专业精湛”的可信赖卓越医学人才。

3.7 案例式教学有助于医学生临床思维的养成

临床案例可以让医学生早日接触临床，有助于培养临床思维。案例式教学的核心是使用临床病例来辅助教学，采用临床案例与实验深度结合的方式，有助于提高医学生的学习成绩和案例分析能力、实践能力、应用能力，促进医学生深度学习；有助于学生顺利通过国家执业医师、药师资格考试^［13］。在编写临床案例时要注意三点：①格式正确；②内容正确；③举例适当。针对格式的问题，组织教师学习《执业药师试题规范化要求》中A₂型题的标准进行编纂；针对内容问题，请临床医师和基础课程教师一起参加备课，指导修改，确保案例内容正确；针对第三个问题，发散思维，案例不一定来自临床，也可以采取科研、实践案例。

3.8 小组式学习促进团队协作

小组式教学是以学生为中心的主动的、结构化的学习形式。将学生置于教学的中心地位，引导学生独立思考，并在小组讨论过程中产生头脑风暴，通过小组成员分享讨论，促进团队协作^［13］。实验课实行小组长轮流负责制，操作分小组进行，后期的实验结果、翻转课堂、实验设计也分小组进行。轮值小组长结合本次实验结果，将该组实验结果（原始图、统计图，或表）整理成电子版，附带简短注解，上传至思源学堂与同学共享。如果本次实验课没有得到实验结果，应实事求是，重点进行失误分析并提出改进意见。根据实验结果的可靠性、表达形式的多样性与合理性、实验讨论与分析的正确性进行评价。

3.9 开展过程性评价，有效反馈学生学习效果

无论是线上还是线下都需要给予学生及时的学习反馈，基于在线教学平台进行在线小测试是反馈学生学习效果的重要手段。通过这些反馈，让教学活动更加具有针对性。配合教学方式的转变，学生成绩考核体系相应做出了调整，增加了线上学习成绩。同时，教师课堂记录学生翻转课堂表现，根据学生准备问题的认真程度、PPT制作水平、内容的正确性、科学性、创新性，口头汇报能力，沟通能力等进行点评和评分。

3.10 促进教材的数字化转型

教育数字化的内容还包括教材数字化。根据“十三五”规划的教材新闻出版改革思路，传统纸质教材也要向数字化转型，包括电子书、数字教材平台、慕特（Massive Open Online Textbook， MOOT）、互动性教材等。教材数字化将为学生提供更丰富的内容、更多样的展示形式，更加生动的形象，以及更快的知识传播^［2］。

3.11 延伸课堂引导了思考和创新

课后教师布置难点、开放性问题、学科研究领域前沿问题，引导学生讨论、思考，延伸课堂；课程教学团队通过指导国家级、省级“大学生创新实验”，促进“教-学-研”深度融合；教师组织和指导大学生专业竞赛，巩固和拓展大学生专业知识等^［14］。

3.12 提升教师智能教学胜任力

在教育数字化实施过程中，人是决定性的因素。教师的数字化意识、信息化素养直接影响着教学的有效性。教育部在2022年发布的《教师数字素养》行业标准中提出，要发展教师的数字化意识、数字技术知识与技能、数字化应用、数字社会责任以及专业发展，聚焦提升教师利用数字技术优化、创新和变革教育教学活动的意识、能力和责任^［1］。首先，通过教改项目和智能教学法培训、更新教师教育理念；促使其积极参与机能学实验数字化过程；锻炼教师的教学实践技能；强化教师数字技能培养。其次，通过参加教学会议、网络研修，开展数字化教学研究，创新机能学实验教学模式与学习方式，系统提升教师的信息化技术水平。

4 结语

推进教育数字化转型，是我国从教育大国走向教育强国的必然选择。随着数字化技术的日新月异，医学教育必然要跟随发展的需求实现数字化、智能化、现代化。我国的医学教育模式已经由传统教学向数字化教学相结合模式发生了重大转变。在新形势下开展实验课综合改革，“以学生为中心”“以能力为导向”，有利于引导学生学习丰富的教学资源；调动学生学习的积极性和主动性；结合多项措施锻炼学生能力；提高机能实验学教学质量；促进机能实验学学科建设；为学生后期的科研道路提供启蒙和指导。学生积极参与课堂，构建理解，提高自主学习能力、创新能力、批判思维，成为高素质的医学生。这一多元化的教学方式对教师教学水平提出更高要求，对学生自主学习能力提出更高要求，体现高等教育高阶性、创新性、挑战度的要求。

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基金资助

西安交通大学本科实践教学改革研究专项(19SJZX43)