病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

高 航,陳 霞,程丕顯,王建偉＊

(1.吉林大學(xué)白求恩醫(yī)學(xué)院病理學(xué)系;2.吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,吉林 長春 130021)

一、背景和目的

虛擬顯微鏡(Virtual Microscopes,VM)是將現(xiàn)代虛擬技術(shù)與光學(xué)顯微鏡有機(jī)結(jié)合,利用程控掃描方式采集高分辨數(shù)字成像完成圖像拼接制作虛擬切片、通過計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬環(huán)境。隨著數(shù)字信息化時(shí)代的到來,采用全自動(dòng)切片掃描儀,使建立數(shù)字化切片數(shù)據(jù)庫,形態(tài)學(xué)教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)成為可能。目前虛擬顯微鏡系統(tǒng)正逐步應(yīng)用于形態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和病理學(xué)診斷[1-2]。

病理學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的橋梁課程,是醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)的必修課之一。目前病理學(xué)教學(xué)遇到的嚴(yán)峻問題是隨著生活水平的提高和疾病譜的改變,一些疾病標(biāo)本很難得到新的補(bǔ)充,使病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作陷入了艱難的境地,并嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。與此同時(shí),由于教學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,亦使教學(xué)資源相對短缺。

常規(guī)的多媒體教學(xué)手段并不能滿足學(xué)生對知識(shí)的需求。在病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,如何使學(xué)生不僅僅局限于在理論課、實(shí)習(xí)課進(jìn)行學(xué)習(xí),而是發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自學(xué)、復(fù)習(xí),做到形態(tài)學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通。目前以學(xué)生為主體的主動(dòng)學(xué)習(xí)模式是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育教學(xué)方法改革的主要方向,通過課程建設(shè),培養(yǎng)出具有良好形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)的高水平,高素質(zhì)的醫(yī)學(xué)創(chuàng)新人才。形態(tài)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建立,將給形態(tài)學(xué)教學(xué)帶來實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展空間。

二、病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

常規(guī)的病理學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式仍為學(xué)生通過觀察的人體標(biāo)本及組織切片掌握理論課的知識(shí)點(diǎn),目前存在著一些標(biāo)本獲取困難的問題,某些疾病(如風(fēng)濕性心肌炎、亞急性感染性心內(nèi)膜炎、大葉性肺炎、傷寒等)的發(fā)病率明顯下降,而且隨著在教學(xué)過程中大體標(biāo)本及組織切片的破損,現(xiàn)有的教學(xué)切片已不能滿足教學(xué)需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,常規(guī)的多媒體教學(xué)手段并不能滿足學(xué)生對知識(shí)的需求,亦不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在形態(tài)學(xué)教學(xué)方面,如何使學(xué)生不僅僅局限于在理論課、實(shí)習(xí)課進(jìn)行學(xué)習(xí),而且能夠通過虛擬實(shí)驗(yàn)室或者局域網(wǎng)進(jìn)行自學(xué)、復(fù)習(xí),基于此,虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,亦是病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢[3-4]。

三、病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)及特色

作者先后試用了多家公司生產(chǎn)的數(shù)字切片掃描系統(tǒng),經(jīng)比較后采用濱松光子學(xué)株式會(huì)社的數(shù)字切片掃描系統(tǒng)進(jìn)行了病理學(xué)數(shù)字教學(xué)切片的掃描制備,采用TDI(Time Delay and Integration)線性掃描技術(shù)建立了數(shù)字切片庫。經(jīng)過反復(fù)論證,與軟件公司合作進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)軟件的編寫,采用VB.net(Visual Basic.NET)編程。設(shè)計(jì)理念是建立一個(gè)整合資源平臺(tái),根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。主導(dǎo)思想為:首先以目錄樹的形式按照學(xué)科、章節(jié)進(jìn)行分類,學(xué)生根據(jù)需要選擇相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí),每個(gè)章節(jié)均標(biāo)有實(shí)習(xí)目的及要求,大體及切片標(biāo)本均有相應(yīng)的文字說明,并按靜態(tài)圖片※數(shù)字切片※教學(xué)視頻排列。病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在原有應(yīng)用Authorware軟件制作的多媒體教學(xué)課件基礎(chǔ)上,將大體標(biāo)本、鏡下切片的視頻套入數(shù)據(jù)庫中,實(shí)現(xiàn)其與虛擬顯微鏡的完美結(jié)合,便于學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行自學(xué)和復(fù)習(xí),提高學(xué)習(xí)興趣。病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)目前使用大體標(biāo)本/鏡下圖309張,大體標(biāo)本/鏡下錄像244個(gè),鏡下虛擬數(shù)字切片78個(gè),總硬盤容量達(dá)29.5G。

病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的特色在于不僅僅拘泥于圖像瀏覽,還將大體標(biāo)本應(yīng)用高清數(shù)碼攝像機(jī)錄制成DV視頻、鏡下切片采用Olympus DP72 CCD錄制視頻,經(jīng)剪切、編輯,配音后整合到虛擬教學(xué)系統(tǒng)中,通過教師細(xì)致入微的講解便于學(xué)生自學(xué)和復(fù)習(xí),促進(jìn)學(xué)生對病理變化的理解,有效提高了學(xué)習(xí)效率。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將給傳統(tǒng)的病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來全新模式:(1)數(shù)字切片,可以替代傳統(tǒng)顯微鏡,進(jìn)行切片的教學(xué)/診斷等;(2)無需大量重復(fù)制作教學(xué)用切片,減少切片的管理和分發(fā);(3)數(shù)字切片保存方便,不再擔(dān)心切片破碎、丟失、退色等;(4)數(shù)字切片內(nèi)容統(tǒng)一,用于實(shí)驗(yàn)課考試可確保考試切片的公正性和客觀性;(5)建立大量的數(shù)字切片庫,配合教學(xué)內(nèi)容,動(dòng)態(tài)讀片,直觀易懂,增加交流功能,大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。(6)利用數(shù)字切片軟件具有的診斷標(biāo)注功能,可以使學(xué)生直接將診斷標(biāo)注在數(shù)字切片上,實(shí)現(xiàn)多媒體考試功能,亦可用于學(xué)生進(jìn)行自評自測。

五、病理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充,便于學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。現(xiàn)階段主要用于本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及PBL教學(xué);并對吉林大學(xué)病理生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究生開放并進(jìn)行科研技能培訓(xùn)。經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年(四個(gè)學(xué)期)的運(yùn)行,累計(jì)實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)達(dá)7382學(xué)時(shí),使用學(xué)生人數(shù)達(dá)1962人,有效的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。尤其是在階段性或期末復(fù)習(xí)時(shí)學(xué)生使用率很高,減輕了形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的工作壓力,有效的保護(hù)了現(xiàn)有的病理學(xué)教學(xué)資源,深受學(xué)生好評。目前針對不同學(xué)制的學(xué)生在保障人均使用機(jī)時(shí)后全天開放。由于本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)已經(jīng)安裝了系統(tǒng)還原保護(hù)卡并設(shè)置了教師端和學(xué)生端入口,并進(jìn)行了相應(yīng)的加密處理,在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年的運(yùn)行,在使用方面未出現(xiàn)故障,儀器設(shè)備完好率達(dá)100%。

六、結(jié) 語

虛擬實(shí)驗(yàn)室以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),使得前沿科學(xué)知識(shí)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂成為可能;虛擬實(shí)驗(yàn)室采用軟硬件結(jié)合、功能模塊重組配置的方式是增加教學(xué)平臺(tái)適用性和實(shí)驗(yàn)技術(shù)可擴(kuò)展性的有效手段,有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。

[1]Paulsen FP,Eichhorn M,Brauer L:Virtual microscopy-The future of teaching histology in the medical curriculum?[J].Ann Anat,2010,192:378-382.

[2]傅雅靜,郭麗潔,高 建,等.虛擬顯微鏡技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].解剖科學(xué)進(jìn)展,2007,13(3):283-285.

[3]耿 艦,丁彥青,李學(xué)農(nóng).病理學(xué)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2005,19(4):256-257.

[4]藍(lán)永洪,牛海艷,李 群,等.虛擬顯微鏡系統(tǒng)在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育,2011,4:74-75.