“三航”特色背景下的生理学实验教学改革

党 凯， 姜山峰， 骞爱荣

(西北工业大学 生命学院， 西安 710072)

西北工业大学是我国唯一一所以同时发展航空、航天、航海(三航)人才培养和科学研究为特色的多科性、研究型、开放式大学，其“三航”的主干学科全部是国家重点学科,在全国处于领先或先进水平。“三航”是西北工业大学突出的优势和明显的特色，坚持“三航”特色是学校办学理念的首要方针[1]。近年来，学校不断深化创新创业教育改革，增强学生的创新精神、创业意识和创新创业能力，培养高素质拔尖创新人才。

生理学是生命科学的重要组成部分，是研究生物体及其各组成部分正常功能活动规律的一门学科[2-3]。在学校“三航”特色背景下，生理学的教学既要求传授专业性知识，又要求结合“三航”特色，将生理学知识与“三航”领域的实际问题有机融合，从而实现“培养具备一定‘三航’知识的高素质创新型人才”这一目标。作为生理学教学活动的重要组成部分，生理学实验教学是验证和巩固生理学理论，提高学生创新实践能力的重要环节[4-5]。因此，在生理学实验教学中引入“三航”元素，建立具有“三航”特色的实验教学模式是非常必要的。

为了适应新形势下我国高等教育发展的要求,培养学生的创新精神，提升学生的创新实践能力，同时落实我校的办学方针，突出“三航”特色，我们对生理学实验教学进行了改革与探索。

1 教学改革的必要性

1.1 教学内容安排不合理，未能结合学校特色

以往的生理学实验教学内容多以验证性、演示性实验为主，实验目的局限在理论知识的强化和巩固上，忽视了学生学习的主动性和创造性，影响了学生对实验课的兴趣和积极性，不利于学生实践创新能力的培养[6]。此外，实验内容的选择与讲授过程未能结合学校“三航”特色，与学校、学院的发展方向以及专业培养目标脱节，对学生综合素质的培养没有起到应有的作用。

1.2 教学模式落后

过去的生理学实验教学模式以教师为中心，过分突出了教师的主导作用,而忽视了学生在教学过程中的主体地位，使学生处于一种被动接受教育的处境，束缚了学生创造性思维的发展，限制了学生创新意识的培养[7]。

1.3 教学考核方法单一

以往的生理学实验课成绩评判标准主要为实验报告，根据报告的规范程度、对结果分析是否正确进行评分。这种考核偏重对结果的考查，而无法体现学生参与实验的情况以及真实的实验操作能力，不能全面地反映学生对理论知识和实验原理的掌握程度[8]。

2 教学改革的探索及实践

2.1 建立“以学生为中心，以培养高素质的创新型人才为目标，教学与专业特色有机结合”的实验教学理念

生理学实验教学改革首先从更新观念入手，建立“以学生为中心，以培养高素质的创新型人才为目标，教学与专业特色有机结合”的实验教学理念，使实验教学成为教学活动的重要组成部分，积极参与创新体系建设，使教师充分意识到实验教学不仅仅是对生理学理论知识的巩固与验证，更重要的是培养学生的综合素质与创新能力。同时，要改变以“教师为中心”的教学理念，以学生为主体,引导他们主动分析问题、解决问题，注重激发学生潜在的学习兴趣与主动性，使知识传授和能力培养能够协调发展，重点培养学生的实践能力与创新意识。由于生理学实验是全校的公共选修课，而西北工业大学各理工科专业都具有一定的“三航”背景，因此将生理学实验教学与“三航”特色有机结合，激发学生对生理学知识和实验的学习兴趣是我们教学理念的重要组成部分。

2.2 改革、优化实验教学内容,建立具有“三航”特色的三层次开放式实验教学体系

我们对生理学实验教学内容进行了优化整合，层次化实验教学内容，增加综合性和创新性实验项目，遵循由简到难、由单一到综合、先基础后提高的循序渐进原则，同时突出学校特色,将教学内容与“三航”知识相结合，建立具有“三航”特色的三层次开放式实验教学体系(见图 1)，即结合“三航”特色，运用开放式实验教学模式，以经典实验为基础，渐进式开展综合性、创新性实验，其核心目标是培养学生的实验技能、综合素质以及创新实践能力。

图1 具有“三航”特色的三层次开放式实验教学体系

1)第一层次(基础性实验)。基础性实验是生理实验教学的基础，可使学生掌握生理学实验仪器的使用与基本的实验技能。我们对基础实验的教学内容进行了优化重组,基本思路是保留经典性实验，删减一般性实验，压缩验证性实验的比例，突出“三航”特色。“三航”领域的研究和发展与生理学紧密相关。航空、航天、航海特殊环境对人体会产生严重的负面影响，主要表现在心血管、消化系统、呼吸系统、肌肉以及骨骼等方面，是人类在“三航”领域进行研究与探索的重要障碍之一[9-11]。因此，我们在优化基础性实验时，采用的具体做法是：①保留经典的、与“三航”相关的实验内容,例如蛙类离体心脏灌流、人体动脉血压的测定、心音听诊、心电图描记、神经系统对消化管运动的调节,以及家兔呼吸运动的调节等，并且在讲授时，尽可能地与“三航”知识进行联系，增加学生的学习兴趣；②适当删减陈旧、重复性实验，如血细胞计数、血型鉴定等，节约实验课时。我们通过对具有“三航”背景的学生讲授相关的生理学知识与实验，使学生认识到生理学的重要性，激发学生的学习兴趣，同时提高学生的基本实验技能,为随后的综合实验与创新实验打下基础。

2)第二层次(综合性实验)。在传统的生理学实验教学中，一个实验对应于一个知识点，彼此之间相对独立。这种模式过于简单，不利于学生综合实践能力的培养。综合性实验是将两个或多个相互联系的单个实验进行整合，形成更具有系统性的综合实验模块，使学生能够从整体的角度观察各系统的生理活动现象以及其内在机制与联系[12]。在实际教学中，我们经过长期的摸索，为学生设计了3个综合性实验，分别为模拟失重后骨骼肌收缩功能的变化、模拟失重对骨骼系统的影响以及模拟高空低气压对循环系统和消化系统的影响。这些实验的共同特点是在体现系统性与整体性的同时，突出“三航”特色[13-15]，使学生在学习生理学实验的同时，充分了解生理学在“三航”领域中的重要性，调动学生的积极性和主动性：模拟失重后骨骼肌收缩功能的变化实验是通过大鼠尾部悬吊14 d，建立模拟航天失重动物模型，检测实验组与对照组的刺激强度与骨骼肌收缩反应的关系、骨骼肌单收缩、骨骼肌收缩的总和与强直收缩等指标；模拟失重对骨骼系统的影响实验是在大鼠尾部悬吊28 d后，检测其骨骼的弹性载荷、最大载荷、破坏载荷、极限挠度、破坏挠度、刚度系数、韧性系数和弹性模量等力学指标，以及骨矿物质含量和骨矿物质密度等参数的变化；模拟高空低气压对循环系统和消化系统的影响实验是采用低压仓模拟高空低气压环境，观测不同高空低气压条件下(18 000、21 000和25 000 m)，大鼠心房、腔静脉、腹腔静脉、肠系膜静脉产生气泡的情况，并测定胃肠胀气的程度。学生通过综合性实验可以学习不同组织、器官和系统之间相互协调作用，有利于建立机体的整体认识观，对于培养学生独立思考能力与团队合作意识有重要作用，可全面提高学生综合实践能力。

3)第三层次(创新性实验)。创新性实验是指在完成基础性与综合性实验的基础上，由学生自主选题、自行设计方案并独立完成的实验教学模式[16]。创新性实验有两个特点，一是充分发挥学生的主动性，二是实验要有创新性。这就要求学生具备较高的综合素质与创新能力，在整个实验过程中，必须充分发挥自身的主动性与团队协作精神。创新性实验的环节如下：①分组。根据学生人数，以自愿为原则，将学生分为多个实验小组，每组4～6人。②立题。每个实验小组确立切合实际的课题。选题环节非常重要，它会直接影响实验的质量。好的选题应该具有创新性与科学意义，同时又要有可行性。③实验设计。在这个环节，学生根据所选课题，查阅相关的文献资料，通过集体讨论后，确立实验方案。指导教师对这些方案进行评审，并提出修改建议，由实验小组再讨论、修改，形成最终的实验方案。这个过程我们强调三点，一是实验方案要根据现有实验条件进行设计，要具有可行性；二是实验方案要遵循科学研究的基本原则，如实验条件要一致，实验结果要具有可重复性，需设置对照组等；三是鼓励学生设计与“三航”领域相关的实验。④完成实验。根据实验方案,实验小组进行具体实验操作，完成实验。在实验过程中,指导教师需进行适当的指导，督促学生正确操作仪器设备，按照要求与规范进行实验。每个小组总结实验结果，写出规范的实验报告。⑤汇报总结。学生制作PPT，进行汇报，小组之间进行交流、讨论，分析实验结果与问题，最后由教师对每个小组的实验结果进行分析、评价。创新性实验可提高学生的分析问题与解决问题的能力，开拓学生的视野，同时培养学生的创新思维与创新实践能力，为今后的科研与工作打下基础。

4)开放式实验教学。综合性与创新性实验必须要有开放式教学为支撑，因此我们充分利用学院实验教学中心开放性实验平台，为学生开展实验创造条件。开放性实验平台可以为学生创造一个自由、宽松的实验环境，为发挥学生学习的积极性与主动性营造有利的条件和氛围[17]。在教学过程中，我们根据实验要求，不断探索、创新和完善平台，为生理学实验课程的改革提供有力支持。利用实验教学中心的预约系统，实行网上预约机制，提高学生的实验效率。同时，通过开放平台的网站和微信公众号，发布实验与平台的相关信息，使学生能够随时掌握实验室的情况，更好地设计和安排实验。

2.3 完善考核评价体系,科学合理地评定学生成绩

完善实验课程的考核评价体系，建立公开公正、科学合理的实验成绩考核制度，对于调动学生学习的积极性与主动性，提高学生的创新能力有重要意义[18-19]。因此，我们对生理学实验课程的考核体系进行了改革，将学生的平时表现、实验现场操作以及实验报告相结合，客观公正地考查学生对实验的理解和掌握情况。改革后的生理学实验成绩评定由平时成绩(50%)、实验报告(20%)以及期末考试成绩(30%)3个部分组成(表1)。与以往的评定成绩方法相比，新的生理学实验考核评价体系具有全程性和全面性，更加科学合理，目的性更强，得到了学生的一致认可。

3 “三航”特色背景下生理学实验教学改革的初步成效

为了评价生理学实验教学改革的效果，我们对所授课的2014级和2015级所有学生进行问卷调查，发放调查问卷共56份，收回有效问卷56份。调查结果表明(表2)，近两年的实验教学改革得到了学生的认可和欢迎,取得了初步成效。

3.1 激发了学生的学习兴趣，提高了学生的综合素质

在教学改革中，我们注重突出“三航”特色，结合“三航”知识，使学生充分认识到生理学在“三航”领域的重要作用，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习热情，学习的积极性和主动性有了明显提高，学生的综合素质得到全面提高。

表1 生理学实验成绩评定标准

3.2 培养了学生的创新意识与创新能力

新的实验教学模式强调学生自我设计、自我研究以及自我探索与创新，充分调动了学生的实验兴趣，培养了学生自主学习、研究探索的学习习惯，提高了学生的科学思维能力，开拓了学生的科研视野,激发了学生的创新潜能，使学生的创新意识与创新能力得到显著提升。

表2 生理学实验教学问卷调查结果[n=56，n(%)]

3.3 促进了教师的自我提高

生理学实验的教学改革，对教师也提出了更高的要求。新的教学内容不再是一成不变，在实验中，学生们层出不穷地设计出各种创新性实验，对此，教师面临着很大的挑战。这种教学过程营造了师生相互研讨、相互激励的学习氛围，实现了教学相长，在提高学生的同时，也激发了教师学习的主动性，促进了教师的自我提高。

4 结语

虽然我们的实验教学改革已取得一定成效，但仍存在一些有待提高和改进的地方，主要表现为：有些学生对实验课不重视，积极性不高，存在“重理论、轻实验”的思想；实验教学中心现有的生理学仪器主要用来进行传统的验证性实验，不能满足学生开展创新性实验的要求。对此，我们将作进一步探索和改进：1)加强教育，引导学生重视实验，同时引入探究式教学理念，采用互动式教学，注重学生的参与度，开展多种形式的讨论，进一步激发学生的学习兴趣，调动学生的实验积极性。2)加大经费投入，购置先进的生理学实验相关仪器设备，完善开放性实验平台，提高教学效果。总之，为适应新形势下我国高等教育发展的要求,我们将不断研究和探索，进一步完善生理学实验的教学体系和方法,改善实验条件，提高学生创新实践能力,培养更多的高素质创新人才。