虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)在組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

庾慶華，袁麗霞

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，江蘇 南京 210095)

組織形態(tài)學(xué)需借助于光學(xué)顯微鏡、共聚焦顯微鏡和電鏡等設(shè)備去觀摩學(xué)習(xí)機(jī)體組織的顯微和亞顯微結(jié)構(gòu)。教師首先講解器官組織在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，學(xué)生自己通過顯微鏡觀察并通過繪圖理解和記憶組織結(jié)構(gòu)[1]。目前傳統(tǒng)組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)室缺乏共聚焦顯微鏡和電鏡等昂貴的教學(xué)設(shè)備，只能利用普通光學(xué)顯微鏡去觀察組織的二維平面顯微結(jié)構(gòu)，教學(xué)中普遍采用多媒體教學(xué)方式，仍然具有局限性，學(xué)生難以看到更加細(xì)微的三維立體組織結(jié)構(gòu)，有些內(nèi)容學(xué)生仍然很難理解[2－3]。虛擬仿真系統(tǒng)和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)顯微互動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)二維和三維高清晰度的顯微結(jié)構(gòu)以及圖像共享的新教學(xué)模式，具備其他教學(xué)手段無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，可以讓學(xué)生更直觀地觀察和學(xué)習(xí)組織細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)，減緩教師教學(xué)壓力，提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果[4]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室自2005年配置數(shù)字網(wǎng)絡(luò)多媒體顯微互動(dòng)系統(tǒng)，并逐漸使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)手段。通過多年來在組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和探索，目前取得了理想的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

目前組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中通常是以觀察組織切片標(biāo)本和實(shí)物模型為主，結(jié)合動(dòng)畫和視屏展示，幫助學(xué)生理解重要器官的顯微精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而標(biāo)本模型和動(dòng)畫演示，難以體現(xiàn)組織器官的真實(shí)三維立體結(jié)構(gòu)，以及器官在發(fā)育中的結(jié)構(gòu)變化，學(xué)生往往因?yàn)閮?nèi)容枯燥難以理解而逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣和熱情。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室(virtual simulation laboratory，VSL)是在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過采用多種虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如精確展示心、肝和腎等器官的三維立體結(jié)構(gòu)和發(fā)育過程，使得實(shí)驗(yàn)者更接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，易于學(xué)生認(rèn)知和操作，成為虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的主導(dǎo)者，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，加強(qiáng)對內(nèi)容的理解[5]。

通過虛擬仿真教學(xué)技術(shù)模擬器官組織，多角度、立體地直觀展示組織形態(tài)的顯微立體結(jié)構(gòu)，可以加深對理論上內(nèi)容的理解。如在講述腸黏膜結(jié)構(gòu)和功能時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)細(xì)菌或病毒抗原侵襲腸道組織誘導(dǎo)腸炎的病例，虛擬展示從抗原接觸腸黏膜上皮細(xì)胞，釋放趨化因子誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞向上皮遷移，進(jìn)而攝取抗原并分解處理后遞呈給T和B淋巴細(xì)胞，誘導(dǎo)免疫應(yīng)答的機(jī)制。在該腸炎疾病的發(fā)生過程場景模擬中，學(xué)生可以掌握上皮組織、結(jié)締組織、免疫組織和血液組織的三維立體結(jié)構(gòu)，并充分掌握各組織的功能[6]。

2 數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)的組成及在教學(xué)中的應(yīng)用

“數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)”通過在光學(xué)顯微鏡上加配數(shù)碼攝像采集器組成集組織形態(tài)顯微觀察和圖像分析一體的新型顯微鏡系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生的多方位互動(dòng)教學(xué)，具有諸多提高教學(xué)效率的功能，如教師和學(xué)生屏幕轉(zhuǎn)播、語音教學(xué)、屏幕監(jiān)控、作業(yè)提交、學(xué)生演示和文件共享等功能[7]。 “數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)”將逐步替代以往組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的光學(xué)顯微鏡和教學(xué)磨具的展示，將傳統(tǒng)的由教師逐個(gè)輔導(dǎo)學(xué)生使用顯微鏡進(jìn)行組織器官的顯微形態(tài)觀察，轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒?dòng)和圖像共享的新教學(xué)模式，有助于學(xué)生之間相互討論交流，能夠在課堂內(nèi)加強(qiáng)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解深度，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

以往組織形態(tài)教學(xué)過程中，學(xué)生通過光學(xué)顯微鏡只能單獨(dú)觀察顯微鏡視野中的組織標(biāo)本結(jié)構(gòu)，借以教材中文字描述比對參照，無法實(shí)現(xiàn)圖像的采集儲(chǔ)存[8－9]。實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生發(fā)現(xiàn)的好圖像只能局限于單次實(shí)驗(yàn)課中，無法演示給教師或其他學(xué)生觀察，更談不上實(shí)驗(yàn)資源的共享[10]。教師通過數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)提高師生互動(dòng)交流，可實(shí)時(shí)監(jiān)測每位學(xué)生的顯微鏡畫面，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問題和難點(diǎn)；教師可通過屏幕轉(zhuǎn)播對重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行集體示教，對個(gè)性問題可對學(xué)生個(gè)別輔導(dǎo)[11]。學(xué)生在顯微鏡下看到的特殊和典型的圖像可拍照儲(chǔ)存，分享給班級同學(xué)或儲(chǔ)存?zhèn)浞菀詡浣窈笫褂?，有利于學(xué)生課后的復(fù)習(xí)和參考，提高學(xué)生交流和參與度；還可遠(yuǎn)距離傳播，實(shí)現(xiàn)資源共享。

3 虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)的有機(jī)結(jié)合的特點(diǎn)

組織形態(tài)學(xué)的結(jié)構(gòu)觀察涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但伴隨著人類文明程度的進(jìn)步和動(dòng)物保護(hù)意識的增強(qiáng)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中利用動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)涉及動(dòng)物權(quán)益和生命倫理等諸多問題；此外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)由于個(gè)體差異等因素難以保證此類實(shí)驗(yàn)均達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可有效地規(guī)避動(dòng)物因素，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室功能相似的三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境，展示教學(xué)對象與其周圍的組織器官形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過將組織結(jié)構(gòu)縮放和三維的旋轉(zhuǎn)，真實(shí)而有效地顯示動(dòng)物的三維立體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難以完成的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)場景[12]。

如講解睪丸組織中精子發(fā)生(spermatogenesis)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往借助于二維的組織切片和教學(xué)掛圖，分小組多次重復(fù)講解精子發(fā)生每個(gè)階段的靜態(tài)顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；而借助于虛擬仿真教學(xué)軟件可以演示精子發(fā)生的三維動(dòng)態(tài)演變過程及其顯微結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)借助于數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)，可以將虛擬動(dòng)態(tài)演示實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給每一個(gè)學(xué)生，且學(xué)生自己可以通過旋轉(zhuǎn)和縮放等虛擬仿真操作多角度觀察精子發(fā)生過程，大大提高組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和課堂交流氣氛。

虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)的有機(jī)結(jié)合很好地解決了組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間與空間的局限，降低組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對現(xiàn)有顯微鏡實(shí)驗(yàn)條件的依賴性，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。以往組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)下課后實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法再現(xiàn)，不利于學(xué)生課后的復(fù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)[13]。虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，不占用實(shí)驗(yàn)室資源，學(xué)生課后可以隨時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上復(fù)習(xí)和鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；此外學(xué)生能夠自我組隊(duì)，選擇自己感興趣的內(nèi)容和題目學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，對相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性。虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)可以設(shè)置用戶權(quán)限，通過微信和微博等學(xué)生關(guān)注的信息路徑共享相關(guān)組織形態(tài)學(xué)資源，隨時(shí)隨地利用零散時(shí)間去鞏固知識點(diǎn)。

4 虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考

由于其良好的師生互動(dòng)和組織形態(tài)的三維立體結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)，虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)替代傳統(tǒng)的組織形態(tài)學(xué)教學(xué)已經(jīng)成為趨勢[14]。然而在目前階段，仍然存在一些問題值得關(guān)注。

4.1 對實(shí)驗(yàn)人員的要求

虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員不僅要掌握專業(yè)知識，同時(shí)必須掌握先進(jìn)的虛擬仿真教學(xué)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在教學(xué)過程中，有部分教師怕接受新鮮事物，擔(dān)心新設(shè)備和新系統(tǒng)增加工作量，有抵觸情緒，不愿嘗試。學(xué)校應(yīng)通過組織培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，讓教師認(rèn)識虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在組織形態(tài)學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢，讓其明確新技術(shù)的使用可以更好地讓學(xué)生掌握知識點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)習(xí)效率；且該技術(shù)熟練掌握后，可提高教學(xué)效率，減輕教師負(fù)擔(dān)。

4.2 虛實(shí)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生興趣

在教學(xué)過程中如果單純依賴電腦開展虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對虛擬環(huán)境中的組織形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)缺乏直觀的體驗(yàn)，往往難以獲得和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)觀察相同的感受。部分同學(xué)過分依賴教師課件中的典型圖像和教師發(fā)送的圖像材料，從而忽視了自己對顯微鏡的操作和顯微鏡下結(jié)構(gòu)的直接觀察[15]。在虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)開設(shè)初期，應(yīng)探索學(xué)生對普通實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作和虛擬網(wǎng)絡(luò)課的反響程度和建議，對部分需要?jiǎng)邮植僮髟黾痈兄∠蟮膶?shí)驗(yàn)部分予以保留，并對教學(xué)效果做出評估。因此，教師應(yīng)虛實(shí)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生利用顯微鏡尋找組織形態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)的能力，結(jié)合虛擬系統(tǒng)，自我分析總結(jié)，驗(yàn)證組織的顯微結(jié)構(gòu)并推測其可能功能，從而提高教學(xué)效果。

4.3 完善的虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室制度

《虛擬仿真和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室使用規(guī)定》等實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)章制度和完整的管理維修檔案的建立，可以讓教師和學(xué)生掌握新型顯微互動(dòng)系統(tǒng)的使用方法和注意事項(xiàng)，引導(dǎo)學(xué)生正確操作，建立實(shí)驗(yàn)人員和學(xué)生自覺愛護(hù)設(shè)備的良好習(xí)慣；同時(shí)有助于掌握實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的使用和維護(hù)情況，通過分析總結(jié)為關(guān)鍵設(shè)備提供預(yù)知維護(hù)和保養(yǎng)。使用期間如出現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)匯報(bào)處理并制定損壞賠償制度，對于虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)相當(dāng)重要[16]。

5 結(jié)束語

利用虛擬仿真和數(shù)字顯微網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行組織形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，將傳統(tǒng)的相對枯燥的二維結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝畔⒘亢透叨裙蚕淼娜S高精度立體結(jié)構(gòu)的教學(xué)方式，是體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要手段和保障。

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