虛擬切片系統(tǒng)在植物學實驗教學中的應用

杜 坤, 傅媛媛, 郭賓會, 駱 樂, 陳一兵, 張 彪, 魏萬紅

(1. 揚州大學 生命科學基礎(chǔ)實驗教學中心, 揚州 225009; 2. 揚州大學 生物科學與技術(shù)學院， 揚州 225009； 3. 楊州大學 實驗室與設(shè)備管理處， 揚州 225009)

植物學是生物科學類、農(nóng)學類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，而植物學實驗是植物學教學中十分重要的組成部分，是學生驗證和鞏固理論知識、培養(yǎng)動手實踐能力和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)[1-3]。在傳統(tǒng)的植物學實驗教學中，由于實驗教學內(nèi)容較多，且所有顯微結(jié)構(gòu)觀察相關(guān)的知識和技能均需要借助顯微鏡才能實現(xiàn)，學生很難在有限的實驗學時內(nèi)高質(zhì)量地完成實驗內(nèi)容，導致學習效果不理想[4-5]。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，在給生活和知識獲取途徑帶來變革的同時，也給植物學實驗教學改革工作帶來了新的機遇[6-8]。為了提升實驗教學質(zhì)量，揚州大學生命科學基礎(chǔ)實驗教學中心在開展數(shù)碼顯微互動實驗教學的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了“數(shù)字切片系統(tǒng)”，通過構(gòu)建和實施“虛實結(jié)合”的實驗教學模式，突破了時間和空間的限制，豐富了實驗教學內(nèi)容，提高了學生的學習興趣和學習效率。

1 傳統(tǒng)植物學實驗教學的局限性

由于植物學學科直觀性和描述性的特點，植物形態(tài)解剖部分的實驗內(nèi)容常以植物體形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察為主[9]，這部分內(nèi)容要求學生掌握植物個體各組織器官的顯微結(jié)構(gòu)特征和常用的制片技術(shù)。在傳統(tǒng)的實驗教學中，主要存在以下不足：1)顯微結(jié)構(gòu)的學習需要借助顯微鏡和玻片標本，學生在課前無法進行充分的預習，課后也不能及時地進行復習，不利于知識點的掌握。2)植物的生長發(fā)育是一個連續(xù)的過程，只觀察某個(或幾個)點上的結(jié)構(gòu)，很難掌握這個動態(tài)的生長過程。3)玻片標本易損壞，優(yōu)質(zhì)標本既難以實現(xiàn)共享，也不易長期保存。4)某些常用的制片技術(shù)，如石蠟制片技術(shù)，操作過程復雜，要求高，周期長(一般需要數(shù)周)，這部分內(nèi)容往往只能在課堂中進行演示。5)相關(guān)知識的考核要借助顯微鏡，在教師學生一對一的情況下開展，實施起來難度較大。這些問題嚴重制約了植物學實驗教學的效果，不利于學生對相關(guān)知識的有效掌握。

2 構(gòu)建虛擬切片系統(tǒng)

為了克服傳統(tǒng)植物學實驗教學中的缺點，我們將包含典型結(jié)構(gòu)的玻璃裝片使用奧林巴斯BX51全自動顯微鏡在40倍物鏡下進行全幅數(shù)字化掃描，并進行數(shù)字無縫拼接融合，形成數(shù)字切片庫(已完成120余張數(shù)字切片的制作)；將顯微鏡的使用(含生物顯微鏡和體視顯微鏡)、徒手切片技術(shù)、臨時裝片技術(shù)等相關(guān)實驗技術(shù)制作成視頻，并將植物體部分組織器官的關(guān)鍵發(fā)育過程制作成Flash動畫；采用Unity3D、Maya及3DSMax技術(shù)把耗時長、過程復雜的石蠟切片技術(shù)制作成3D虛擬仿真資源；然后，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和.NET技術(shù)等將數(shù)字切片庫、視頻、3D資源等整合成“虛擬切片系統(tǒng)”(含PC和智能移動客戶端，本軟件已獲得計算機軟件著作權(quán)證書)，使其具備觀摩學習、自主學習、在線提交實驗報告及在線考核等功能，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。進入系統(tǒng)前，需要進行登陸，系統(tǒng)會自動判別用戶的身份(學生、教師或管理員)，以進入不同的功能區(qū)。

圖1 虛擬切片系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 觀摩學習

觀摩學習模塊主要提供數(shù)字切片及相關(guān)知識點、視頻和動畫的觀摩學習、石蠟制片3D資源的在線學習等。在數(shù)字切片功能模塊中，左側(cè)為資源選擇功能區(qū)域，右側(cè)為數(shù)字切片顯示區(qū)域，右下角為某個數(shù)字切片的全幅縮略圖，右上角為放大、縮小、標尺等工具區(qū)域(圖2)。用戶首先選取切片的分類(如細胞、組織、根、莖、葉等)，再選擇切片的名稱(如毛茛根橫切、椴樹三年生莖橫切等)，最后選擇知識點名稱，即可在數(shù)字切片中查看所選取相關(guān)知識點的位置及詳情。數(shù)字切片加載完成后，可以在40～600放大倍率之間進行任意的放大和縮小，并在右上角顯示實時的放大倍數(shù)，也可以使用標尺工具來表示單位長度在圖上的實際大小(如10 μm、50 μm等)。同時，為了解決由于數(shù)字切片數(shù)據(jù)量龐大(1張全幅的數(shù)字切片原圖數(shù)據(jù)量約為20～30 GByte，經(jīng)過壓縮轉(zhuǎn)換成JPEG或TIFF格式后，仍有約30～80 MByte/張)而導致的圖片加載速度慢、移動客戶端消耗流量大等問題，使用了數(shù)字地圖的技術(shù)，即將一張數(shù)字切片平均分為幾百個尺寸相同的小塊，一般情況下只加載屏幕顯示區(qū)域的部分，其他部分不進行加載。

2.2 自主學習

為了進一步鞏固和加深對相關(guān)知識的理解和掌握，根據(jù)學生知識獲得的客觀規(guī)律，在觀摩學習后，安排學生開展數(shù)字切片的自主學習。此模塊的主要功能是提供知識點的自主標注，學生在選擇好某一個切片后，可以對此切片進行自主標注，并自動保存在數(shù)據(jù)庫中。

此外，自主學習模塊還提供資源上傳、共享的功能。當學生發(fā)現(xiàn)一張比較典型或特殊的切片時，可以借助數(shù)碼顯微鏡將其拍攝下來，在使用Photoshop等軟件進行知識點標注以后，可以上傳至本系統(tǒng)，在管理員審核后便可發(fā)布。這種開放式的資源管理模式，不但調(diào)動了學生主動參與實驗教學資源建設(shè)的主觀能動性，豐富了實驗教學資源，而且最大化地實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)數(shù)字化資源的共建與共享。

A:椴樹莖橫切(箭頭所示為初生木質(zhì)部);B：百合花藥橫切(箭頭所示為絨氈層);C:系統(tǒng)左側(cè)功能區(qū)域

圖2 觀摩學習模塊

Figure 2 The functional module of observation learning

2.3 實驗報告

在實驗課上，學生通過本模塊在進行本次實驗相關(guān)知識點的標注后，可以作為實驗報告在線提交，教師可以在線進行批復，實現(xiàn)了實驗報告的數(shù)字化管理，解決了以前使用傳統(tǒng)紙質(zhì)實驗報告帶來的諸多管理問題。

2.4 虛擬考核

本模塊分為階段考核和期末考核。階段考核是指在實驗課程的某個(某幾個)階段，由系統(tǒng)在數(shù)字切片庫中按切片類別隨機組卷，學生按照題干的要求進行標注，系統(tǒng)自動批改并記錄成績。期末考核是指由教師在數(shù)字切片庫中手動定制一份試卷，由學生在相同的時間和地點完成同一份虛擬切片試卷，并由系統(tǒng)自動批改(或人機雙工批改)。

2.5 其他資源

將顯微鏡的使用方法，徒手切片、臨時裝片等實驗技術(shù)制作成視頻；將植物體某些組織器官生長發(fā)育的過程(如維管形成層的發(fā)生及活動、莖的維管形成層的發(fā)生、花芽分化、花藥及花粉粒的發(fā)育)制作成Flash動畫；使用Unity3D技術(shù)將石蠟制片的規(guī)范化操作流程及其注意事項制作成3D虛擬仿真實驗(圖3)，學生可以進行在線觀摩學習。上述資源主要解決學生對植物體動態(tài)連續(xù)的生長發(fā)育過程難以理解，對耗時長、過程復雜的石蠟制片規(guī)范化操作流程難以掌握的問題。

圖3 石蠟制片3D虛擬仿真資源

Figure 3 3D virtual simulation resources for paraffin section

2.6 交流討論

師生可在此模塊對實驗內(nèi)容、實驗方法及實驗結(jié)果等進行在線交流或發(fā)帖討論。

3 構(gòu)建“虛實結(jié)合”的實驗教學模式

為了充分發(fā)揮數(shù)字化資源的優(yōu)勢，提高學生學習的興趣和積極性，我們把實驗教學流程分為實驗前、實驗中和實驗后3個階段，將3個階段中分別在虛擬實驗室和實體實驗室內(nèi)開展的教學工作具體化、制度化，構(gòu)建了適合我校植物學實驗教學的“虛實結(jié)合”的實驗教學新模式(圖4)。

實驗前，學生應用數(shù)字切片在線學習植物體各組織器官的典型顯微結(jié)構(gòu)，通過3D石蠟制片虛擬仿真資源了解制片的規(guī)范化流程，通過視頻、動畫等輔助教學資源了解實驗技術(shù)與方法、儀器設(shè)備的使用等。學生通過對這部分內(nèi)容的學習，在實體實驗開始前能夠?qū)嶒瀮?nèi)容有一個較強的感性認識，實驗課中教師可以減少對實驗原理、實驗方法、注意事項等內(nèi)容的講解，而主要負責指導和解答，將實驗學時更多地用于學生的動手實踐[10]。同時，還可以將實體實驗的操作、結(jié)果觀察等與虛擬切片中的資源進行比對，解決了以往實體實驗中典型結(jié)構(gòu)材料難以獲得的問題。課后，學生可在線撰寫實驗報告并提交，可開展自主學習和交流討論。

圖4 “虛實結(jié)合”的實驗教學模式

此外，教師還可對學生所學知識的掌握情況進行在線階段性考核和期末考核，并與學生的實驗報告成績、平時實驗操作、實驗技能掌握和課堂答題等情況綜合加權(quán)平均得出最終的實驗成績，實現(xiàn)了實驗考核的全程覆蓋。

綜上所述，揚州大學生命科學基礎(chǔ)實驗教學中心依托國家級虛擬仿真實驗教學示范中心和江蘇省虛擬仿真實驗教學共享平臺的建設(shè)，通過構(gòu)建植物學虛擬切片系統(tǒng)，并將其和實體實驗教學資源進行有機結(jié)合，開展“虛實結(jié)合”的實驗教學工作，有效地拓展了實驗教學的時間與空間，充分調(diào)動了學生學習的興趣和主動性，提升了實驗教學效果，實現(xiàn)了實驗考核的過程與結(jié)果并重，也為開展MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂等教學新方法，以及學生自主型實驗學習目標的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。