數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張秉義，成少利

(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710061)

培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是現(xiàn)代高等教育發(fā)展的總體目標(biāo)，隨著全球互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛躍式發(fā)展，醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段已經(jīng)提升到前所未有的高度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息化水平的程度已成為建設(shè)“雙一流”大學(xué)的考量指標(biāo)及綜合實(shí)力的體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，進(jìn)行能力訓(xùn)練的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，有利于知識(shí)的鞏固與吸收，也是產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的基地。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷深化改革與探索中發(fā)現(xiàn)，只有不斷更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，方法和手段，提高質(zhì)量，使學(xué)生能夠接受先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，才能適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展對(duì)人才的需求。

1 數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)[1]由全自動(dòng)數(shù)字切片自動(dòng)掃描系統(tǒng)和形態(tài)教學(xué)局域網(wǎng)構(gòu)成。數(shù)字切片庫(kù)的圖像均來(lái)自我校多年使用的教學(xué)切片，由相關(guān)學(xué)科教師精心挑選最佳的切片,經(jīng)過(guò)全自動(dòng)數(shù)字切片自動(dòng)掃描系統(tǒng)采集并上傳形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。四個(gè)形態(tài)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室(主要用于組織學(xué)和病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué))均由路由器將教師計(jì)算機(jī)與每臺(tái)學(xué)生計(jì)算機(jī)連接到區(qū)域網(wǎng)服務(wù)器(圖1)。該數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由安裝在教學(xué)切片服務(wù)器內(nèi)的DSE系統(tǒng)和數(shù)字切片庫(kù)構(gòu)成，利用數(shù)字切片教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)IE瀏覽器閱覽數(shù)字切片。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心采用典型的百兆位以太網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)技術(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)交換，并可主控實(shí)驗(yàn)室教師及學(xué)生的計(jì)算機(jī)和顯微鏡。作為形態(tài)學(xué)教學(xué)中心與外界交流的一個(gè)窗口以及成為教師和學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)空間，并經(jīng)服務(wù)器與外網(wǎng)相連獲取網(wǎng)絡(luò)資源。建立形態(tài)學(xué)教學(xué)網(wǎng)站(Http://xingtai.xjtu.edu.cn)和形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)(http://202.117.227.18/DSE)。建立文件及視頻點(diǎn)播服務(wù)器，實(shí)行用戶密碼登錄，為師生隨時(shí)隨地免費(fèi)開(kāi)放式使用。

2 數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的功能

2.1 數(shù)字切片生物化成像變倍處理

根據(jù)高等學(xué)校制定的教學(xué)大綱選擇切片種類，按照教學(xué)進(jìn)度以及學(xué)科各章節(jié)內(nèi)容要求，設(shè)置總體目錄接口(圖2)。就像電子書(shū)翻頁(yè)的方式一樣，容易操作和觀察。數(shù)字切片庫(kù)背景圖像處理功能，可對(duì)數(shù)字切片顏色增強(qiáng)、清晰度調(diào)節(jié)、伽馬值校正等，該系統(tǒng)提供拍照功能，制成數(shù)字切片文件。一張數(shù)字切片可生成JPG或BMP格式的任意數(shù)量圖像。在教師或?qū)W生計(jì)算機(jī)的終端上，通過(guò)IE瀏覽器可用兩種模式觀察數(shù)字切片，直接通過(guò)鼠標(biāo)的滾輪上下滑動(dòng)，任意調(diào)節(jié)連續(xù)變倍范圍可達(dá)到0.4倍至80倍，猶如模擬顯微鏡固定放大率進(jìn)行無(wú)極變倍觀察。

2.2 系統(tǒng)信息融合瀏覽

由自動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)獲得的高質(zhì)量數(shù)字切片圖像[3]，能夠保證該切片圖像信息的完整性與真實(shí)性，包括整體結(jié)構(gòu)信息，圖片光密度、色度相關(guān)信息等，完全滿足讀片的要求，隨意觀察不同倍率下切片真實(shí)圖像。可以將各層面聚焦清晰的圖像進(jìn)行融合處理，把切片中特定點(diǎn)標(biāo)記存儲(chǔ)下來(lái)，方便查閱使用，只需單擊屏幕快捷鍵將該點(diǎn)移動(dòng)到屏幕上，且可以被多用戶同時(shí)查閱與討論。對(duì)于病理切片，能夠建立起病例快速準(zhǔn)確的進(jìn)行對(duì)照，實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程及時(shí)會(huì)診。

2.3 圖像注解和標(biāo)識(shí)功能

該系統(tǒng)具備多種圖像處理功能，對(duì)圖像進(jìn)行文字標(biāo)注與簡(jiǎn)單測(cè)量分析，也可以進(jìn)行圖像的標(biāo)準(zhǔn)化分析與統(tǒng)計(jì)等處理。如果缺乏必要的數(shù)字切片的注解和標(biāo)識(shí)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)必然造成一定困難。因此，組織相關(guān)學(xué)科教師對(duì)每張切片進(jìn)行重要的注解和標(biāo)識(shí)，既方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

2.4 數(shù)字切片安全保障性

數(shù)字切片標(biāo)本是通過(guò)講課教師經(jīng)過(guò)多年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，全面而細(xì)致地從數(shù)百?gòu)埵窘探M織標(biāo)本切片中精心挑選多視野典型性中而形成的，如果安全性差，必然導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，為了提高數(shù)字切片的安全性，我們選擇加密狗、口令密碼等方式對(duì)切片進(jìn)行瀏覽閱讀掃描，從而確保新的教學(xué)體系順利進(jìn)展和教學(xué)改革的深入發(fā)展，提升實(shí)踐教學(xué)的效率和效果。總而言之，數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)自學(xué)自測(cè)為一體的資源服務(wù)系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化及高效益教學(xué)[5]新模式，同時(shí)為繼續(xù)教育和在崗培訓(xùn)的遠(yuǎn)程教學(xué)，提供了優(yōu)秀的門(mén)戶網(wǎng)站。

3 數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 開(kāi)放式在疫情期網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮重要作用

高清晰度的數(shù)字切片系統(tǒng)全天24小時(shí)全面開(kāi)放，師生可以跨時(shí)空，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室、宿舍、教室及自習(xí)室，特別是在當(dāng)前這次新型冠狀病毒發(fā)作期間，學(xué)生不能到學(xué)校上實(shí)驗(yàn)課，就能在自家里用電腦或手機(jī)移動(dòng)終端共享，可在任何地點(diǎn)通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)，觀察編輯標(biāo)注好的數(shù)字切片，指導(dǎo)性強(qiáng)，能更快更好地理解和掌握切片內(nèi)容，學(xué)習(xí)時(shí)間靈活安排，方便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)提高了學(xué)習(xí)效率，教師在網(wǎng)上解答學(xué)生提出的問(wèn)題，促進(jìn)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自學(xué)能力的培養(yǎng)。誘導(dǎo)學(xué)生潛能，發(fā)揮其聰明才智，利于學(xué)生個(gè)性化的發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

圖2 數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)主界面

圖3 數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)瀏覽界面

3.2 形成協(xié)作創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式

由于人體組織結(jié)構(gòu)標(biāo)本取材的倫理性限制、疾病發(fā)病趨勢(shì)及診斷治療手段的不斷提高更新，一些典型病例已經(jīng)很難找到，玻璃切片又容易破損、且易褪色(組織學(xué)特殊染色及免疫組化染色)，珍貴示教片直接掃描保存為教學(xué)使用，隨時(shí)選擇演示，便捷且質(zhì)量有一定保證。教師將重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，附加一些文字說(shuō)明或提出相關(guān)教學(xué)問(wèn)題，作為學(xué)生思考討論的內(nèi)容，促進(jìn)了學(xué)生之間交流和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)的新模式，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力，充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，形成創(chuàng)新學(xué)習(xí)的良好風(fēng)圍。

3.3 獲取實(shí)踐教學(xué)成果

教學(xué)資料分類保存均可通過(guò)閱讀日期、切片特征、疾病癥狀、解剖部位與圖像類型等關(guān)鍵詞進(jìn)行快速檢索、調(diào)閱，有效解決了教學(xué)切片資源不足的問(wèn)題，特別是對(duì)于一些少見(jiàn)疾病或病原微生物制成的玻片標(biāo)本，可以解決大量的教學(xué)切片自然損耗問(wèn)題，省時(shí)省力省經(jīng)費(fèi)。依靠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可全面地提高了教學(xué)資源利用率，統(tǒng)管共用。通過(guò)參與培養(yǎng)鍛煉自主科研能力，結(jié)合自己對(duì)所學(xué)課程興趣和科研實(shí)際，深入了解基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的基本思維方法，構(gòu)建一個(gè)有寬度(實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐實(shí))，厚度(基礎(chǔ)和綜合實(shí)驗(yàn))，尖峰(有余力學(xué)生創(chuàng)新高度)的金字塔結(jié)構(gòu)的新教研體系，使學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)，分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力，部分學(xué)生具有科研能力和創(chuàng)新基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，我們的本科畢業(yè)學(xué)生有一定數(shù)量創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)，已在國(guó)內(nèi)外重大比賽中多次獲獎(jiǎng)，有的研究實(shí)踐成果獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。

3.4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程交流共享

數(shù)字切片圖像資源庫(kù)有利于教學(xué)內(nèi)容縱、橫向?qū)Ρ?。例如，病因?qū)W與正常形態(tài)學(xué)和異常的病理解剖學(xué)的大體顯微鏡下微細(xì)結(jié)構(gòu)變化，在與臨床病癥表現(xiàn)比較等教學(xué)方法革新，數(shù)字切片圖像資源庫(kù)經(jīng)過(guò)不斷更新，使其內(nèi)容更加豐富。剪接和編輯標(biāo)注處理，使教師制作課件更加靈活多樣，實(shí)現(xiàn)資料共享。通過(guò)這種寬面縱深式的學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，大力發(fā)展高?？蒲性核绲赜虻耐t(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)于典型病例或罕見(jiàn)病癥的遠(yuǎn)程教學(xué)會(huì)診及病案討論手段，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)探究醫(yī)學(xué)奧秘的熱情，實(shí)現(xiàn)教育方式多樣性，加快我國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)水平國(guó)際化與現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。特別是在這次疫情中得到了充分的體現(xiàn)。

3.5 利于實(shí)驗(yàn)課程考試模式新轉(zhuǎn)變

過(guò)去傳統(tǒng)的切片考核，在考前必須組織裝配大量的教學(xué)切片，由于受切片種類、數(shù)量及質(zhì)量等各方面的影響，導(dǎo)致考試內(nèi)容及難易程度不一。而多媒體截圖用于考試的缺點(diǎn)在于高倍圖像觀察區(qū)域局限，不利于學(xué)生觀察切片全貌或低倍鏡圖像下的微細(xì)結(jié)構(gòu)。數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)考試，變得簡(jiǎn)單易行，趨向于知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化。教學(xué)人員對(duì)數(shù)字切片進(jìn)行編輯、裁剪與標(biāo)注等處理，制作成實(shí)驗(yàn)考試的數(shù)字切片庫(kù)，考試時(shí)學(xué)生無(wú)須在顯微鏡下尋找，可直接在電腦上進(jìn)行全面及局部重點(diǎn)觀察，增加了瀏覽組織信息量，以便按照考試要求做全面而準(zhǔn)確的詳細(xì)解答，這樣就能更好地克服傳統(tǒng)考試的弊端，確?？荚嚨墓脚c公正性。

4 討論

數(shù)碼互動(dòng)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是數(shù)字切片理想的應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)傳統(tǒng)玻璃切片教學(xué)存在的不足[6]得到了有效地補(bǔ)充，也帶動(dòng)了數(shù)字切片教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)，可把互動(dòng)教學(xué)模式，延伸到校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以及 Internet網(wǎng)上，建立其完整的數(shù)字切片教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，充分整合教學(xué)資源，提升教學(xué)水平。

數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)為形態(tài)學(xué)科的組織與胚胎學(xué)、病理解剖學(xué)、微生物學(xué)、動(dòng)植物學(xué)、寄生蟲(chóng)學(xué)以及細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了突破，為形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)術(shù)交流提供了有效工具。

形態(tài)學(xué)數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將傳統(tǒng)病理組織學(xué)切片實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，防止玻璃切片人為破碎、自然褪色等，減輕了切片重復(fù)制作與保存，同時(shí)，建立數(shù)字切片圖像庫(kù)，方便了切片資源的檢索及進(jìn)一步開(kāi)放利用研究的價(jià)值。 完整的數(shù)字切片信息，教師充分利用數(shù)字切片資源，制作多媒體教學(xué)課件，建立精品課程。通過(guò) Internet網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，提供飛越時(shí)空的交流與研討。數(shù)字切片庫(kù)及時(shí)更新增強(qiáng)了學(xué)習(xí)實(shí)效性。通過(guò)構(gòu)建形態(tài)教學(xué)局域網(wǎng)，建立形態(tài)學(xué)數(shù)字切片實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)了教師授課與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的良好氛圍，使教師可以有更多的時(shí)間投入到教學(xué)改革及醫(yī)學(xué)課題研究之中，避免教師在教室與課程管理上精力與時(shí)間的無(wú)形浪費(fèi)。通過(guò)傳統(tǒng)顯微鏡與數(shù)字切片相互補(bǔ)充教與學(xué)，既注重了學(xué)生使用顯微鏡的操作，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[7]，提升了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的效果。

通過(guò)我校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自從2017～2019年五個(gè)學(xué)期的教學(xué)使用，教學(xué)效果得到顯著提高，受到師生們及兄弟院校的一致好評(píng)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：由于數(shù)字切片選擇來(lái)自多年教學(xué)過(guò)程中質(zhì)量?jī)?yōu)良的教學(xué)切片，無(wú)論是結(jié)構(gòu)的典型性還是切片的制作工藝完美均為最佳。而且數(shù)字切片是通過(guò)切片掃描系統(tǒng)的精心制作，因而數(shù)字切片相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的玻璃切片，計(jì)算機(jī)展示效果明顯優(yōu)于通過(guò)顯微鏡的觀察效果。一方面，學(xué)生的辨識(shí)能力和精確度都得到極大的提升；另一方面，數(shù)字切片通過(guò)計(jì)算機(jī)在IE瀏覽器直接操作，教師進(jìn)行示范講解時(shí)，可以通過(guò)顯示在屏幕左上方的整個(gè)切片地圖畫(huà)面，對(duì)切片任意的定位，極大地方便了對(duì)切片示教的過(guò)程。既可以直接找到欲展示的切片內(nèi)容，也可以在需要對(duì)展示內(nèi)容和已經(jīng)講解的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比時(shí)，方便找回欲觀察的部分。對(duì)于學(xué)生而言，對(duì)欲觀察的內(nèi)容免除了顯微鏡繁瑣調(diào)節(jié)高低倍鏡間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，特別是高倍鏡下，節(jié)約了學(xué)生有限的閱片時(shí)間，從而增加觀察切片的數(shù)量，也可以充分利用這些時(shí)間更好地展開(kāi)隨堂討論，深化對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，解決疑難問(wèn)題，更加拓展了學(xué)生的知識(shí)視野及學(xué)習(xí)興趣，全面提高了醫(yī)學(xué)形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

數(shù)字切片庫(kù)是從玻璃切片掃描而得到生物數(shù)字化圖像，其圖像質(zhì)量完全取決于玻璃切片組織的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和典型性，所以數(shù)字切片仍不能從根本上取代傳統(tǒng)玻璃切片，依然必須擁有種類齊全、制作精美且典型性強(qiáng)的玻璃切片庫(kù)，才能制備成同樣完美的數(shù)字切片庫(kù)。這就完全取決于一支專業(yè)知識(shí)扎實(shí)，技能完備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，只有不斷提高制作切片技術(shù)，隨時(shí)采集積累各種典型標(biāo)本，逐漸完善豐富數(shù)字切片庫(kù)。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、網(wǎng)頁(yè)制作的補(bǔ)充與日常維護(hù)管理工作，以保證開(kāi)放式教學(xué)適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境。因此，只有重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，才能培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)實(shí)用性醫(yī)學(xué)優(yōu)秀人才，為醫(yī)學(xué)高等教育開(kāi)辟更廣闊前景，服務(wù)于整個(gè)人類社會(huì)，極大地減輕突發(fā)疫情流行等疾病對(duì)廣大人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成的嚴(yán)重?fù)p害。